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血气分析仪工作原理 z一、血液气体运输
（一）氧的运输
⒈氧的运输与Hbo2解离曲线氧气随空气一道经呼吸作用而进入肺部，目前认为大气中的氧进入肺泡及其毛细血管的过程为：①大气与肺泡间的压力差使大气中的氧通过呼吸道流入肺泡；②肺泡与肺毛细血管之间的氧分压差又命名氧穿过肺泡呼吸表面而弥散进入肺毛细血管，再进入血液，其O2的大部分与Hb结合成氧合血红蛋白(HbO2)的形式存在，并进行运送，少部分以物理溶解形式存在，均随血流送往全身各组织器官。
血液中O2和CO2只有极少量以物理溶解形式存在，大部分O2以Hb为载体在肺部和组织之间往返运送。
Hb是运输O2和Co2的主要物质，将O2由肺运送到组织，又将CO2从组织运到肺部，在O2和Co2运输的整个过程中，均有赖于Hb载体对O2和CO2亲和力的反比关系：当PO2升高时，促进O2与Hb结合，PO2降低时O2与Hb解离。
肺部PO2(13.3kPa)高，Hb与O2结合而释放CO2；相反，组织中PCO2高，PO2(2.66-7.32kPa)低，CO2与Hb作用使O2从HbO2中释放到组织细胞供利用。
1L血浆仅能溶解O22.3ml，而97％-98％的O2是与Hb分子可逆性结合而运输，每gHb能结合O21.34ml，若1L血液含140gHb，则能携带O2188ml，其携带O2能力要比血浆溶解的量高81倍。若不是依赖Hb运送氧，单靠血浆溶解状态的氧运输，血液就得循环81次才能达到与Hb载体同等的运输O2的能力，这是不现实的。
测定动脉血和静脉血中存在的这种形式的O2含量及其差值，可以说明血液的O2运输状况。
血液中Hb并未全部与O2结合，如将血液与大气接触，因为大气PO2为21.147kPa(159mmHg)，远高于肺泡气的PO213.566kPa(102mmHg)，此时血液中所含的O2总量称为氧容量，其中与Hb结合的部分称为氧结合量，氧结合量的多少决定于Hb量的多少。
Hb与O2可逆结合的本质及解离程度主要取决于血液的PO2。血液与不同的PO2的气体接触，待平衡时，其中与O2结合成为HbO2的量也不同，PO2越高，变成HbO2量就越多，反之亦然。血液中HbO2量与Hb总量(包括Hb和HbO2)之比称为血氧饱和度：
血氧饱和度=HbO2/(Hb＋HbO2)
若以PO2值为横座标，血氧饱和度为纵座标作图，求得血液中HbO2的O2解离曲线，称为HbO2解离曲线。血氧饱和度达到50％时相应的PO2称为P50，如图5-5所示。
图5－5 正常人血红蛋白氧解离曲线
P50是表明Hb对O2亲和力大小或对O2较敏感的氧解离曲线的位置。P50正常参考值为3.54kPa。
⒉影响O2运输的因素
⑴pH值：当血液pH值由正常的7.40降至7.20时，Hb与O2的亲和力降低，氧解离曲线右移，释放O2增加。pH上升至7.6时，Hb对O2亲和力增加，曲线左移，这种因pH值改变而影响Hb携带O2能力的现象称为Bohr效应。反应式如下：
⑵PCO2：PCO2对O2运输的影响与pH作用相同，一方面是CO2可直接与Hb分子的某些基团结合并解离出H+：
也可以是CO2与H2O结合形成H2CO3并解离出H+：
上述两方面因素增加了H+浓度，产生Bohr效应，影响Hb对O2的亲和力，并通过影响HbO2的生成与解离，来影响O2的运输。
⑶温度：当温度升高时，Hb与O2亲和力变低，解离曲线右移，释放出O2；当温度降低时，Hb与O2结合更牢固，氧解曲线左移。
⑷2，3二磷酸甘油酸（2，3-DPG）：2，3-DPG是红细胞糖酵解中2，3-DPG侧支循环的产物。2，3-DPG浓度高低直接导致H的构象变化，从而影响Hb对O2亲和性。因为脱氧hb中各亚基间存在8个盐键，使Hb分子呈紧密型（taut或tenseform，Tform，）即T型，当氧合时（HbO2），这些盐键可相继断裂，使HbO2呈松驰型（relaxedform,Rform）即R型，这种转变使O2与Hb的结合表现为协同作用（coordination）。Hb与O2的结合过程称为正协同作用（positivecooperation），当第一个O2与脱氧Hb结合后，可促进第二O2与第二个亚基相结合，依次类推直到形成Hb(O2)4为止。第四个O2与Hb的结合速度比第一个O2的结合速度快百倍之多。同样，O2与Hb的解离也现出负协同作用，反应式如下：
2 血气分析仪检验工作原理
上式表明，H+、2,3DPG或CO2等物质浓度的变化对Hb氧合作用有相同的影响，其中任一物质浓度的变化都将影响Hb的R型与T型之间的平衡，从而改变Hb与O2的亲和力，反应式如下：
（二）CO2的运输
血液中CO2的存在形式有三种，即：①物理溶解；②HCO3－结合；③与Hb结合成氨基甲酸血红蛋白（HbNHCOO3－）。CO2在血液中的这三种存在形式，实际上也是其三种运输方式。动脉血中CO2含量比静脉血低，二者之差为2.17mmol/L，与O2恰好相反。因为组织细胞代谢过程中产生的CO2自细胞进入血液的静脉端毛细血管，使血浆中PCO2升高，其大部分CO2又扩散入红细胞，在红细胞内碳酸酐酶（carbonicanhydrase，C.A）的作用下，生成H2CO3，再解离成H+和HCO3－形式随循环进入肺部。因肺部PCO2低，PO2高，红细胞中HCO3－＋H+→H2CO3→CO2＋H2O的方向生成CO2，并通过呼吸排出CO2到体外。红细胞中一部分CO2以R-NHCOO－形式运送，约占CO2运输总量的13％-15％，溶解状态运送的CO2仅占8.8％。
组织缺O2时，糖酵解加强，致使红细胞中2，3-DPG增加，降低了Hb与O2的亲和力，使HbO2在组织中释放出更多的O2，以适应机体的需要。CO2可以通过H+参与Bohr效应，还直接与Hb结合形成HbNHCOO－，有助于稳定T型构象，并在运输CO2中起有一定作用。
（三）PO2、PCO2、pH、2，3-DPG对Hb运输气体的影响
血红蛋白除作为O2及CO2的运载体外，还控制CO2运输过程中H+量的多少，作为缓冲CO2产生的H2CO3中起有重要的作用。H2CO3的60％是在Hb运载O2及CO2过程中释放出H+，进而成为弱碱以完成缓冲H2CO3的作用，即：
上式表明，Hb与O2或CO2发生的反应互相协调，并通过Bohr效应恰当地处理了来自CO2的H+，使pH值衡定在很狭小的范围。这一过程称为CO2的等氢（isohydric）运输，如图（5-6）所示。
图5-6 O2和CO2的等氢运输
二、血液pH值及其运算
（一）溶液pH值
人体内的化学反应都是在体液中进行，不少化学反应受体液酸碱度的影响。任何溶液都有酸碱度，即使纯水也是一种微弱的电解质，因为纯水中亦有一小部分的水分子电离成H+和OH－保持电离平衡，不管H+浓度与OH－浓度如何改变，[H+]与[OH－]的乘积仍等于水的离子积常数Kw。也就是说，向纯水中加酸时，H+浓度增加多少倍，则OH－浓度就降低多少倍；反之，向纯水中加碱时，H+浓度降低多少倍，则OH－浓度就增加多少倍。所以，对某种水溶液，只要知道H+浓度就必然可以求出OH－浓度。习惯上采用H+浓度来表示溶液的酸碱度，纯水H+浓度为1×10-7mol/L，血液H+为3.98×10-8mmol/L。由于H+浓度太低，丹麦索楞逊于1909年首先使用H+浓度的负对数来表示溶液的酸碱度，称为pH值；
pH=-lg[H+]
用pH值表示溶液或血液酸碱度使用方便。
溶液pH值可利用比色法（如pH试纸）和电位法（如酸度汁）进行测定，前者一般可准确到0.2-0.3pH，后者精确度一般可达0.01-0.02pH单位。
（二）血液pH值及运算
血液pH之所以能恒定在较狭窄的正常范围内，主要是体内有一整套调节酸碱平衡的措施。首当其冲的是血液的缓冲作用。血液缓冲体系很多，以血浆中[HCO3－]/[H2CO3]体系最为重要，因为：①HCO3－的含量较其它缓冲体系高；②HCO3－浓度与H2CO3浓度比值为20:1，缓冲酸的能力远远比缓冲碱的能力大，这是血浆中其它缓冲对无法比拟的；③HCO3－与H2CO3的浓度易于调节。
血液pH主要是由[HCO3－]/[H2CO3]缓冲对所决定，据H-H公式运算：
pH=pKa＋lg[HCO3－]/[H2CO3]
式中pKa值为6.1(37℃)
当血浆HCO3－为27.0mmol/L，H2CO3为1.35mmol/L时，血浆pH值是：
pH=6.1＋lg27/1.35
=6.1＋lg20/1
=6.1＋1.3
=7.40
另外，血浆中H2CO3可通过PCO2进行运算即：
pH=pKa＋lg[HCO3－]/[αPCO2]
式中α为CO2溶解常数，37℃时α为0.03mmol/L。已知上式中pH、HCO3－、PCO2的任两个数值亦可算出第三个数值。
三、血气分析仪测定原理
早年进行血氧和二氧化碳的测定是采用经典的VanSlyke量气法。此法原理是利用皂素破坏红细胞，再用铁氢化钾破坏血红蛋白以释放O2，加辛酸去泡剂等混合液，使这一反应过程在真空密闭条件下进行，让血液中所含CO2、O2和N2全部释放进密封真空管的液面之上，然后测量所释气体的压力。而后又用CO2吸收剂及O2吸收剂分别将两种气体吸收，根据压力的改变，再计算出CO2和O2的含量。该法准确可靠，然而操作繁锁，又使用大量水银，极易污染环境，现在较少使用。另外还使用化学法测定血浆HCO3－含量，此法操作要求严格的隔绝空气采血，否则很难测定准确。血气分析仪问世后，该法基本属于淘汰的方法。
测定血气的仪器主要由专门的气敏电极分别测出O2、CO2和pH三个数据，并推算出一系列参数。血气分析仪生产厂家的型号很多，自动化程度也不尽相同，但其结构组成基本一致，一般包括电极（pH、PO2、PCO2）、进样室、CO2空气混合器、放大器元件、数字运算显示屏和打印机等部件，进行自动化分析，其所需样品少，检测速度快而准确。
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