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第一节 血气分析的测定原理及应用进展
一、血气分析仪的结构和原理
（一）血气分析仪结构
动脉血气分析仪的结构包括pH电极、甘汞参比电极、PCO 2电极、PO 2电极，以及恒温器、气体混合器、放大器、数字显示器和打印机等。仪器的性能主要取决于电极的敏感性和稳定性。血气分析仪利用电极测出全血的pH、PCO 2、PO 2等3项参数，再通过计算即可得到血氧饱和度和其他酸碱参数。
（二）电极的原理
1.pH电极的原理
两种不同[H +]的溶液以敏感玻璃膜隔开，一侧为pH已知溶液(pH 6.840)，另一侧为pH未知溶液。由于两种溶液pH不同，存在H +浓度差异，当H +跨越敏感玻璃膜时会产生一定的电位差，所产生的电位差取决于待测溶液的pH。为准确测定血液pH微小的电位差，通常采用甘汞(汞-氯化亚汞)参比电极，当温度保持恒定时它提供一个标准的参考电压。测量电极通常是Ag/AgCl电极，它的功能是传递跨越玻璃膜到达电位的电位差。在37℃温度下，pH每改变一个单位，电位差改变61.5mV。
2.PCO 2电极的原理
PCO 2电极属于气敏电极。根据亨利气体溶解定律，在温度恒定时，跨越气体可透膜的气体扩散量与该气体压力梯度成正比。如果在CO 2可透膜(硅胶膜)一侧(血液或气体)与位于膜另一侧的碳酸氢盐溶液之间存在着PCO 2梯度，则CO 2就会进入HCO 3 -溶液并进行以下化学反应：CO 2+H 2O→H 2 CO 3→H ++HCO 3 -。反应所产生的H +浓度直接和与膜接触的PCO 2成正比。当测定出其pH变化值时，即可计算出血液的PCO 2。
3.PO 2电极的原理
气敏O 2电极是一种极谱化电极，其工作原理是：浸浴在KCl电解液中的银阳极，吸引阴离子Cl -而形成AgCl，这种反应产生出恒定的电流，使邻近的铂阴极O 2与H 2 O发生化学反应，O 2+2H 2 O+4e→4(OH) -。由此反应式可见，氧被还原的量与阴极反应中所用去的电子数成正比，因此测定阳极与阴极之间的电流改变，即可测知电极溶液中氧的含量。
现代的血气分析仪都以电极加计算机为基本结构。仪器的精确度高，pH测值精确到0.001，PO 2和PCO 2的测值精确到0.1mmHg。仪器实现了自动定标、自动进样、自动清洗、自动打印等功能。近年来许多血气分析仪可以同时测定血电解质(Na +、K +、Ca 2+、Cl -)，有些血气分析仪还可同时测定HbO 2、HHb、HbCO、高铁Hb等。
二、经皮无创血气分析
动脉血气分析是目前评价机体组织氧合状况的金标准，但动脉血气检测具有有创性且监测不连续性等缺点。经皮无创血气分析，可减少动脉抽血给患者造成的创伤和痛苦，且可避免穿刺部位感染。经皮无创血气分析通过连续监测经皮氧分压(TcPO 2)和经皮二氧化碳分压(TcPCO 2)水平，评估机体组织氧合情况。目前，已有大量文献证实，TcPO 2、TcPCO 2与PaO 2、PaCO 2有很好的相关性，应用于各种麻醉术中监测、新生儿监护、肢体血管疾病及呼吸心血管等疾病诊断监测中。
（一）基本原理
血液中溶解的氧和二氧化碳能够通过机体组织弥散。根据毛细血管对热的反应的特性，经皮血气监测仪通过其特殊电极加热使皮肤温度在42～45℃，促进局部毛细血管供血增加、血管扩张充血，皮肤毛细血管床增加，毛细血管动脉化，动脉血和表皮下毛细血管发生气体交换，氧气和二氧化碳进入毛细血管中弥散至皮肤表面，气体被感应器捕捉，气体压力经过一系列计算转化成读数呈现。它可以实时、持续地反映机体向组织的供氧能力。
（二）经皮氧分压(TcPO 2)测量原理
经皮血气监测测量PO 2采用Clark电极，Clark电极是由铂或金构成的阴极，而参考电极Ag/AgCl构成阳极。O 2测量值通过Clark电极相对于Ag/AgCl电极电流而获得，O 2弥散入探头内电解质液时发生化学反应：O 2+2H 2 O+4e→4(OH) -，此反应要消耗电子，铂电极通过消耗电子产生电流，微电极电流与氧分压成线性关系。TcPO 2较体表血氧饱和度(SpO 2)敏感，能及时反映PaO 2变化，指导调整吸氧浓度。
（三）经皮二氧化碳分压(TcPCO 2)测量原理
经皮血气检测测量PCO 2采用Stow-Severinghaus型电极，CO 2进入探头表面电解质液后，发生化学反应，H 2O+CO 2=H 2 CO 3=H ++HCO 3 -。H +产生一个不同于Severeringhaus电极和参考电极的电势，该电势通过高阻抗的电压测点，与TcPCO 2的负对数成比例。有研究表明，TcPCO 2升高0.667kPa，动脉血气PaCO 2即明显升高，利于早期发现PaCO 2的变化。
（四）监测部位选择
为尽量保证结果准确性，应选择合适的监测部位，要求毛细血管分布均匀、避开浅表大静脉、皮肤破损以及毛发旺盛处，避开骨骼和瘢痕及严重水肿部位。常用监测部位包括颈侧、肋间隙、腹部、前臂屈侧，新生儿还可选择后背、臀部及大腿。成人中，与动脉PCO 2/PO 2值最相符的监测部位是胸部或前臂屈侧。避免长时间监测，需要定期(一般每隔1～2小时)更换监测部位。
三、呼气末二氧化碳分压监测
呼气末二氧化碳(end-tidal carbon dioxide，ETCO 2)监测是另一种常见的无创血气检测技术。ETCO 2是重要的呼吸指标之一，不仅可监测通气功能，还可反映循环和肺血流情况。因其灵敏度高，非常适合于手术麻醉监护，是目前临床麻醉必备的常规检测手段。可以监测通气、气管位置的确定、发现呼吸机的机械故障、调节呼吸机的参数及指导呼吸机的撤出。呼气末二氧化碳分压(P ETCO 2)已经被认为是除呼吸、体温、脉搏、血压、动脉血氧饱和度以外的第六大生命体征。但由于监测设备昂贵、国产化程度低，国内使用受限。
（一）基本原理
常用的二氧化碳监测仪是根据红外线吸收光谱的物理原理设计而成，由于CO 2分子能被波长为4.26μm的红外光吸收，所以红外光通过监测气室的时候会被吸收掉一部分CO 2分子，吸收率与二氧化碳浓度成比例，并呈现光束量衰减，最后经电子测量系统和微计算机计算，显示出CO 2波形图及呼气末二氧化碳分压(P ETCO 2)。此法反应迅速，测定方便，其他方法如质谱分析法、罗曼光谱法、光声光谱法、二氧化碳化学电极法等也有应用。
（二）呼气末二氧化碳分压
组织细胞产生的CO 2由体循环、静脉血经肺动脉弥散到肺泡气，而后随呼气排出，因此通过监测P ETCO 2可反映PaCO 2的变化。在通气/血流( 
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)比正常情况下，PaCO 2与肺泡内CO 2分压(P A CO 2)只有很小的差别(1～5mmHg)，所以监测P A CO 2便能反映出PaCO 2水平，而P A CO 2临床上不易测出，即可通过P ETCO 2反映P A CO 2和PaCO 2水平。
/ )比正常情况下，PaCO 2与肺泡内CO 2分压(P A CO 2)只有很小的差别(1～5mmHg)，所以监测P A CO 2便能反映出PaCO 2水平，而P A CO 2临床上不易测出，即可通过P ETCO 2反映P A CO 2和PaCO 2水平。
P ETCO 2与PaCO 2保持着很好的相关性，但两者差异仍有争议。国内有文献报道，呼吸道中的P ETCO 2与动脉血PaCO 2仅存在0～6mmHg的差异。国外有学者提出，在全身麻醉下P ET CO 2与PaCO 2的差值为5～10mmHg。有研究还发现，有些患者P ETCO 2可>PaCO 2，发生率为12%，变动范围为0.5～5.0mmHg，其原因可能与 
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比例轻度失调，肺内各部分二氧化碳浓度不均匀、气体排出速度不同等因素有关， 
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低的肺泡内P A CO 2可高于PaCO 2。当心输出量降低和 
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比异常时，P ETCO 2往往低估PaCO 2，个别情况下高估其变化。因此，对有严重呼吸系统或心血管系统疾病的患者，应监测PaCO 2，以防止高碳酸血症和酸中毒。
/ 比例轻度失调，肺内各部分二氧化碳浓度不均匀、气体排出速度不同等因素有关， / 低的肺泡内P A CO 2可高于PaCO 2。当心输出量降低和 / 比异常时，P ETCO 2往往低估PaCO 2，个别情况下高估其变化。因此，对有严重呼吸系统或心血管系统疾病的患者，应监测PaCO 2，以防止高碳酸血症和酸中毒。
四、血管内实时血气分析
血管内实时血气分析可以实时观察血气变化，利于快速发现病情变化以调整治疗方案，并减少反复采血造成患者的痛苦和局部感染可能。血管内实时血气分析通过小型化的传感器进行监测，其按照传感器工作原理分为电化学方法和光化学方法。电化学传感器由于性能不稳定，且易受外界电磁波干扰，现已极少使用。光化学方法其原理是利用有机染料在特定波长的光照下，受O 2、CO 2、pH的影响，发射出与照射光波长不同的荧光，传输至探测器检测其荧光信号并进行定量分析，检测PO 2、PCO 2、pH。常用的仪器包括：溶氧分压传感器、pH传感器和PCO 2传感器。
目前，尽管新血气检测方法越来越多，但都存在一定局限性，影响因素多，准确性不足，因此，任何持续性或超出预期的血气变化，都需要传统动脉血气分析方法确定。