1、第八章 医用化学分析类仪器 设计基础,8.1概述医用化学测量所涉及的内容很广，各种有关人体的化学结构和物质代谢的测量都属于医用化学测量。它对了解生命过程的特征、生物机体的生理病理变化机制和各种疾病的诊断等都有重要意义。,8.1.1医用化学量测量的特点 （1）样品量有限制 （2）样品在质上有限制，即同一样品不可能再次得到。 （3）要求从同一样品能同时给出多种项目的分析结果。 （4）样品中含有多种待检测的成分，并且各种成分的浓度差异极大。 （5）医院每天作常规检查需要处理成百上千的样品。因此，医用化学分析类仪器必须满足以下要求： 高灵敏度； 高准确度； 高选择性； 操作自动化；,用于活体的医用化学
2、分析类仪器还必须满足以下要求：1）传感器上的化学反应不应该对组织有毒性； 2）传感器的温度系数可以进行温度补偿，使它使用于不同的现场温度； 3）传感器置于血管中时，表面应是抗凝的，体积应该小到不影响血流； 4）传感器应与体液绝缘，即使电源电压意外作用于传感器和人体，所引起的漏电流也不会引起电击； 5）如果需要校准，应该在消毒的条件下进行； 6）设计传感器的外形和尺寸，应对周围组织不产生任何机械损伤。,8.1.2医用化学量测量的常用方法 （1）电化学测量法（2）分光光度法（3）质谱法（4）色谱法（5）核磁共振波谱法（6）电泳法,8.2 医用化学量传感器设计原理 8.2.1电化学测量法电化学测量法
3、是利用电化学原理把化学量转换为电位或电流的装置。其中把化学量转换为电位的传感器叫做电位传感器，把化学量转换为电流的传感器叫做电流传感器。,1电极电位和参考电极有一类电极的电极电位非常稳定，不受参加电极反应的物质的浓度变化的影响，测量电位变化时，这类电极常用作参考电极：典型的参考电极有氢电极、银/氯化银、氯化亚汞电极。,2电位传感器 （1）离子选择性电极的原理 当两种不同浓度的水化离子溶液用离子选择半透膜隔开时，在膜的两边就有电位差存在。这个电位差可用能斯特公式表示：,（2）离子选择性电极的典型结构,3极谱法电流传感器化学反应的速度可通过流过电极的电流测定。如果底物的化学反应包括电极表面和底物之
4、间的电荷转移，这样的化学反应会产生电流，外接电子仪器能测量此电流。反应的速度由底物的浓度（严格来说是活性）和电极与溶液之间的电位控制。因此，施加适当的恒定电压，底物的浓度可以通过电流来测量。,4电化学气体传感器 （1）基于pH电极的传感器,（2）基于Clark电极的气体传感器,血气监测仪器血气监测仪器又叫血气分析仪，它直接测量血液中酸碱度（pH ） 、二氧化碳分压（PCO2）和氧分压（PO2）。从这三个参数可以衍化出若干重要参数，对酸碱平衡的深入认识具有重要意义。 血气监测方法一般可分为电化学方法和色谱分析方法。目前，临床上常用的血气分析仪器多为电化学方法。电化学方法的工作原理见图所示。被测样
5、品在管路系统的抽吸下被抽进样品室内的测量管。测量管的管壁上开有四个孔，分别安装pH、PCO2、PO2三支测量电极和一支参比电极。待测液进入测量管后，同时被四个电极测量，被转换成相应的电信号。,8.2.2 基于光学的化学量传感器 1分光光度计 分光光度测量技术是基于临床中所研究的一些物质具有选择性的吸收和辐射不同波长的电磁能量的特性。,8.3 医用化学分析仪设计原理8.3.1 质谱测量仪质谱仪是利用电磁场将混合物离子按质荷比（质量与电荷比值）不同进行分离并检测的一种测量仪器。主要用于同位素测定、化合物分子量及气体的分析等。,质谱仪的工作原理是：当具有一定能量的电子冲击分子或原子时，使其丢失一个外
6、层电子，成为带一个正电荷的离子。正离子被电场加速，其获得的加速动能等于电场所做的功1/2mv2=eU 式中m为离子质量，v为速度，e为离子电荷，U为加速电压。 正离子在未进入磁场前离子轨道是直线的，进入磁场之后，受磁场力的作用，离子改变前进轨道，发生偏转成为弧形轨道。该离子在磁场中所受的磁场力（Hev）即为离心力（mv2/R）Hev= mv2/R H为磁场强度，R为离子轨道半径。 由上面两式可以计算出半径R的大小与离子质荷比的关系m/e= H2R2/2U R=（2U/H2m/e）1/2,质谱仪的结构如图所示。由进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器和真空系统等组成。,1、进样系统 样品用量约
7、为1100mg，气体或低沸点液体试样用注射针注入，样品被吸入真空储存器内被加热到150，成为蒸气分子。然后在压力梯度作用下通过漏孔，以分子流形式渗透进入高真空的离子源中。高沸点的液体、固体可以用探针通过真空封闭结构直接进入离子源。根据不同的样品调节加热温度，使其气化为蒸气。,2、离子源 用来使分析样品的分子（原子）转化为离子，并加速引出使之形成具有一定能量和几何形状的离子束的装置。质谱仪的灵敏度、分辨率主要由离子源的性能决定。离子源是质谱仪的重要组成部分。如图所示，样品蒸气通过分子漏口进入离子室后受到电子轰击形成正离子，由加速极A加速后通过狭缝S射入质量分析器。,3、质量分析器 是将来自离子源
8、的离子束按质荷比的大小进行分离、收集并装换成电信号的装置。 4、离子检测器 由质量分析器出来的离子流约1091010A，离子检测器的作用就是将得到的该电信号进行放大和处理并把结果用谱线、数字等显示出来。如配有计算机系统可实现自动化分析。 5、真空系统 质谱仪中有样品分子和离子的地方必须保持真空状态。真空系统通常由旋转泵和两个扩散泵串联组成，真空度在1.331041.33105Pa。,8.3.2色谱仪,色谱法的创始人是俄国植物学家TSWEET，1905年他将植物色素的石油醚提取液倒入一根装有碳酸钙的玻璃柱的顶端，加入冲洗剂石油醚，随着冲洗剂的不断加入，由于试样中各种色素向下移动的速度不同，原来混
9、合的色带逐渐分离开来，结果在不同的部位形成不同的色带，色谱的名称由此而来。此法使用的玻璃柱称为色谱柱，管内的碳酸钙称为固定相，冲洗液石油醚称为流动相或洗脱液。后来这种方法也用来分析无色物质，但“色谱”这一名词仍沿用至今。这就是经典的液相色谱法。,二、气相色谱仪,气相色谱仪的基本结构可分为5个部分，即：载气及其流速控制系统。进样系统。色谱柱系统。检测器系统。记录器系统。,气相色谱的核心是色谱柱，它通常用不锈管、玻璃管或塑料管等绕成螺旋形，内填固定相制成，其功能是将分析样品中各个组分分离开来。常用的方法是在管柱内装入用分子量为15003000的聚乙二醇浸渍的硅藻土材料作为固定相，即以硅藻土材料作为
10、载体，以聚乙二醇作为固定液，称气液色谱。如在管柱内装入固体吸附剂，如高分子多孔小球作为固定相，则称气固色谱。,工作过程是:载气以一定的流量通过色谱柱作为流动相，将样品由进样口注入。气体进样量一般为0.05ml。液体进样量一般为15l。液体样品要先在气化室气化，然后由载气携带进入色谱柱。如图所示，由于样品中各组分在色谱柱中的流动相（载气）和固定相（液相或固相）间分配（或吸附）系数的差异，在载气冲洗下各组分在两相间作反复多次分配，这样就使原来的差异逐步积累，使各组分在柱后分离开来。然后用接在柱后的检测器将各组分依次检测出来。在任一瞬间检测器的输出电压与通过检测器样品的组分浓度成正比，并在记录纸上形
11、成峰曲线，各峰的面积与存在的量成正比。气相色谱经标准气样进行校正就可计算出样品中各组分的浓度。,气相色谱仪常用的检测器主要有热导、氢火焰和电子捕获检测器三种。 （一）热导检测器 （二）氢火焰离子化检测器 （三）电子捕获检测器,（一）热导检测器 分析诸如二氧化碳、氧化亚氮和挥发性麻醉药时常用热导检测器。其原理是当样品中组分到达一根已加热的金属丝周围时，金属丝的温度发生变化，电阻随之改变。同时另一根相同的金属丝只通过载气作为参考，两根金属丝构成惠斯登电桥的相对桥臂，从而把电阻的变化转变成电压信号，经过放大后由记录仪记录。热导检测器的优点是对样品无破坏性可用于分析和制备，但其灵敏度较低。,（二）氢火
12、焰离子化检测器 主要用于分析有机蒸气，火焰由氢气和氧气的混合气体保持燃烧。当有机物进入火焰时因化学电离作用产生离子，火焰在一对电极之间或在一个同心圆的柱状电极内燃烧，在两电极间加入200V的直流电压，在电场的作用下产生的离子由收集电极收集，通过高负载电阻产生电压信号，经过放大器放大后输入到记录器。氢火焰离子化检测器的灵敏度、高噪声低、可同时分析测定呼吸气体和血中挥发性麻醉药，但需要氮气作气源，会破坏样品，不适用于用来制备。,（三）电子捕获检测器 电子捕获检测器主要由一个小容量的离子化室和保温套等组成，室内中间有一不锈钢圆棒作为正极，壁上的放射性箔片作为阴极，阴极释放出低能量的射线，在纯载气通过
13、时，射线使载气电离形成正离子与慢速电子，分别向极性相反的电极移动形成基流，当样品中组分进入离子室时，捕获了池内慢速电子，导致基流减小，形成负峰，基流减小的程度与化合物的浓度成正比。电子捕获检测器的选择性强、灵敏度高。,气相色谱仪的通用性强、准确性高、重复性好，可同时测定各种不同气体，如CO2、安氟醚、已氟醚、七氟醚和地氟醚等。但是，气相色谱仪不能进行连续监测，只能间断采样测定，故用于临床监测使用不太方便。,8.3.3 电泳仪 电泳仪主要用来测量血浆、尿液和脑脊液中各种类型的蛋白质。基本原理：将样品放入介质中，在电场的作用下，样品中电荷、大小和形状不同的粒子以不同的速率进行移动，从而将不同的粒子
14、分离成不同的区域。,8.3.4 磁共振波谱仪 电子自旋共振,核磁共振,8.4 医学化学量的连续测量在临床常规情况下，体液中的化学量通常是从病人所取得样本来测定的。然而，当危重情况，化学量的变化很快时，需要对化学量进行持续测量。,8.4.1植入式传感器的测量 1植入血管内测量,2组织测量,8.4.2 体外测量和显微透析测量 1引流血液测量法,2显微透析测量法,8.4.3 经皮测量 1经皮测量的基本原理 在正常情况下，皮肤对气体的渗透性并不高，但在体温较高时，皮肤运输气体的能力就会提高。,2经皮血气测量法 （1）PO2经皮血气测量法,（2）经皮PCO2传感器,（3）质谱仪的经皮血气分析,8.5 呼
15、吸气体测量与分析 8.5.1通气测量,（一）测量原理一些气体能吸收特定波长的红外线能量，吸收的能量和该物质的浓度存在以下关系：Pa=（1eDC）Pa吸收的能量 该物质的特征性吸收系数 D通过气体的光束长度C气体的摩尔浓度上式可写成：C=In（1Pa）/D,不同物质的最大吸收所发生的红外线波长是不同的，如CO2的最大吸收在4.3m，N2O最大吸收在4.5m，而所有氟化麻醉药气体的最大吸收主要在3.3m。大多数红外线气体分析仪在此波长范围进行测定。由于氟烷、安氟醚、已氟醚等均在此波长范围进行测定，所以这些红外线气体分析仪不能区分各种氟化麻醉药物。,8.5.2 新陈代谢的评估 通过测量呼吸气体的成分和流量可以决定氧消耗和二氧化碳的产生，从而可以评估新陈代谢率。,
