血气测量

物理溶解于血液中的氧和二氧化碳气体成分称为血气，常用气体分压表示，单位为Pa (1Pa=7.5×10^-3mmHg)。血气是反映血液中酸碱平衡状态的常用指标，可以鉴别酸碱失调的种类。血液氧分压用Po2表示，反映血浆中的溶解氧量，动脉血氧分压的正常值为10.7～14.7kPa(80～110mmHg)。静脉血氧分压的正常值为5.3kPa (40mmHg)。血液二氧化碳分压用Pco₂表示，反映呼吸性酸碱平衡状态，正常值为5.3kPa(40mmHg)。
血氧测量 血氧分压反映血浆中溶解氧量，其关系由亨利定律决定，即： 溶解氧量 (ml)=溶解度 (ml/Pa·100ml或ml/mmHg·100ml)×血氧分压。血浆的溶解度为100ml血浆中氧分压为133Pa(1mmHg)时含有的溶解氧，在37℃时，其值为2.3×10^-5ml/Pa·100ml(0.0031ml/mmHg·100ml)。血液中的氧含量是溶解于血浆中的氧和结合于血红蛋白的氧的总和。正常动脉血的Po₂＝13.3kPa(或100mmHg) 时，血氧饱和度为98%，混合静脉血的Po₂＝5.3kPa(或40mmHg)时，血氧饱和度为75%。
血氧分压的测量，在1945年以前一直采用气泡平衡法，即在37℃和一个大气压条件下，在大量血液中注入微量气泡，经充分震荡使血液溶氧与气泡的氧分压达到平衡，通过测量气泡的氧浓度就可以计算出氧分压。目前已改用氧电极法直接测定液相中的氧分压。氧电极法可测离体血样，也可将电极插入血管进行在体测量，以及在体表测量。此法与气泡平衡法相比，具有简便、准确、容易掌握、节省时间和费用等优点。
(1)氧电极： 它是由铂丝电极（阴极），银-氯化银电极（阳极）和电解液(KCl溶液等)组成电解池系统，外封玻璃可支持铂丝，并保持阴极端有一定的电解质潴留，顶端覆盖一层透氧薄膜（聚丙烯等），如图1所示。薄膜外侧为血液试样；在离体测量时可装一小血池，经出入管送入和排出待测血样。当电极施加600～700mV电压时，电极端产生的反应为：

在阴极：0₂+2H₂O+4e—→40H^-
在阳极：4Ag+4Cl-—→4AgCl+4e

图1 氧电极的组成

即氧原子在阴极发生还原反应，使电路内产生电流变化。由于阴极端的氧被消耗，使该处的Po₂为零，血样中的氧则通过薄膜向阴极扩散，其最大扩散氧量与血样的Po2成正比。对应每一血氧分压有一最大的电流（饱和电流）输出，其大小约为10^-12～10^-11A/kPa，可用现代电子技术测量。这种具有透氧膜的氧电极称为克拉克(Clark)电极。
早期的氧电极，一般都是将铂丝直接浸在血液中，以血浆作电解液。这样会使带正电的蛋白分子聚集，并覆盖在铂丝表面而影响电流流通，产生伪差。1952年Clark用透氧膜覆盖在电极顶端，膜和电极间放入电解液KCl，制成了克拉克电极。膜只允许血液中的氧分子与电极接触，从而避免了上述污染。常用的透析膜有聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酯等。根据膜的性质和厚度不同，氧电极的灵敏度、响应时间和稳定性也随之变化。若满足X_mDea_eXeD_mα_m时，有式中I(A)为稳态电极电流，P0为膜表面处平衡时的氧分压，F(c/mol)为法拉第常数，A(m₂)为铂电极顶端面积，Xm(m)、Xe(m) 分别为膜和电解液厚度，αm(mol/m₃/kPa)、D_m(m²/s)分别为氧在膜中的可溶性系数和扩散常数，α_m(mol/m₃/kpa)、Dm(m₂/s)分别为氧在电解液中的可溶性系数和扩散系数。
(2) 血管内氧分压的测量： 置于血管内的氧电极多用作监护，有单电极和复合电极两种。
❶单电极：它只有测量电极，一般是把封装在玻璃中的铂丝插于聚四氟乙烯导管的顶端而成。为防止血液毒化，电极表面涂有一层乙酸纤维素。电极直径为6～10mm，导管长为200～1300mm，其末端用金属管引出。测量时，测量电极可借助19号或22号导针送入动脉内，或刺入皮下或静脉内，有的通过静脉滴流系统与静脉相连，从而测定动脉或静脉的血氧分压。用滴流系统时，通常滴入含肝素的生理盐水，以防止血液在测量电极上凝固。在测量时，还需将另一参比电极置于体内某处。这种电极的灵敏度除在开始1～2小时内稍有下降外，可长时间保持稳定，并有响应时间短、使用安全易行等优点；
❷复合电极： 是把测量电极和参比电极装在一个管内而成，测量时由心导管导入体内。测量电极用铂或金，参比电极用银。每个电极直径为0.9～1.2mm，均涂有乙酸纤维素，安装在管的前端，相互绝缘。用复合电极可监测心脏及其周围的肺动脉、腔静脉、肝静脉等和其它深部血管中的氧分压。
(3)经皮氧分压测量： 在皮肤表面测量动脉中的血氧分压，称为经皮氧分压测量，这种测量有氧电极法、质谱分析法和光学分析法等，以氧电极法最为普及。经皮氧电极仍是一种Clark电极，除前述的结构外，还具有定温加热皮肤的系统。为了易于安装在皮肤上，多作成体积很小的扁平型，一般直径为18mm，高8mm左右，如图2所示。电极由铂丝阴极、银筒阳极、电解液、透氧膜、加热元件和测温元件等组成。测量时，用特制的双面粘圈把电极固定在皮肤上，严防漏气。当电极加热到43 ℃(或43.5℃)时，同时加热了经皮氧电极下的皮肤组织，使皮下毛细血管扩张。由于皮肤组织血流量增加，氧的补充也显著增加，使毛细血管或静脉内的血液接近动脉血状态。由于温度升高时氧化血红蛋白的解离增加 (每升高1℃约增加7.5%)，故在43℃时，皮下组织中的血氧分压约为动脉氧分压的1.3倍。皮下组织中的血氧经表皮细胞的呼吸消耗和通过阻力作用而下降，其剩余的氧扩散到皮肤表面，形成经皮氧分压。细胞呼吸消耗所引起的氧分压下降约为1.3kPa(10mmHg)。表皮阻力所引起的氧分压下降随被检者年龄和皮肤部位而异，并与电极的性质有关。皮肤的透氧性越好，测得的经皮氧分压越接近于动脉血的氧分压，因此经皮氧电极多用于皮肤透氧性好的新生儿和儿童。电极每单位皮肤面积的耗能量越小，则测得的经皮氧分压越接近于动脉血的氧分压，

图2 经皮氧电极

因此，往往用细的铂丝分散在多处作阴极，或用非常薄的环作阳极。
血液二氧化碳测量 常采用电极电位法，即通过测量电解液的pH值(参见“血液pH测量”条)，实现对血液二氧化碳分压的测量，其原理： 血样中的CO₂透过薄膜溶解在电极的外缓冲溶液中，使电解液的pH值随二氧化碳分压呈对数变化，通过测量缓冲液中的pH实现对Pco₂的测量。二氧化碳电极实际上是pH电极的另一种形式。一种杯型二氧化碳电极如图3所示，其内电极为Ag/AgCl电极，被浸在pH值为6.84缓冲液中，电极测量端为pH敏感玻璃，外参比电极也是Ag/AgCl电极，它和玻璃电极均浸在充满溶有CO₂的电解液的塑料管中，塑料管的一端装有一尼龙网和能透气的弹性硅薄膜，血样中的CO₂气体透过薄膜溶解在电解液中。

图3 杯型二氧化碳电极

血液气体分析仪 可分别测定血液pH、Po₂和Pco₂等指标，有间接式和直接式两类。
(1) 间接式血液气体分析仪：采用平衡法原理，由pH值间接计算出其它指标。在生理范围内，血液pH与二氧化碳分压的对数呈直线相关，其直线坡度反映血液酸碱变化的缓冲潜力，故该直线称为缓冲线。取两种不同分压的二氧化碳气体与血样平衡，测定相应的pH值，可在pH—lgPco₂坐标上取得两点，二点的连线即为血液的缓冲线。绘有其他酸碱指标曲线的pH—IgPco₂坐标纸称为酸碱平衡模诺图。按缓冲线，可由pH值计算出Pco₂，从缓冲线与坐标线上预制有关指标曲线交点，可求得酸碱其他指标。
平衡式血气分析仪主要由毛细管玻璃电极、二氧化碳平衡器、恒温水槽、放大器及两种不同二氧化碳浓度的气体组成。当被测样品与电极的敏感玻璃膜外表面接触后，由于氢离子交换而产生的电位，经放大后即可显示结果。其放大器输入阻抗>1012Ω，电极系统恒温在37℃的循环水浴中。
二氧化碳平衡器具有二个中间相通的小管，处于振动状态。振动管中血液溅附管壁或薄膜，以取得血样与混合气体最大接触面积。混合气体通过湿化进入平衡器，使血液不被浓缩。混合气体的浓度分别为4%和8%左右。平衡仪用7.38和6.84标准缓冲液对pH定标。
(2)直接式血气分析仪： 一般由组合电极、放大器、程序控制、数字显示、温度控制等系统组成。组合电极将pH电极、Pco₂电极和Po₂电极装在一起。测量时，血样流进测量室，不同电极分别响应，并测出各量。不同二氧化碳浓度的气体供校正电极用。
近年来，带微机的血气分析仪已得到广泛应用，使血气分析的准确性和自动化程度有了显著提高。