浅谈血气分析技术的历史与发展

谢瑛瑛

摘 要 本文回顾了从十九世纪到二十一世纪的血气分析技术历史沿革情况，结合临床应用需求，分析了当今血气分析技术的发展现状，介绍了有代表性的即时检测（POCT）干式血气分析系统，并合理展望了血气分析技术未来的发展方向。

关键词 血气分析;历史;发展

1血气分析技术的历史

现代血气分析主要包括血液酸碱度（pH值）、血液二氧化碳分压（pCO2）、血液氧分压（pO2）等参数的测量分析，其由相应的pH电极、pCO2电极、pO2电极等来实现，这些电极主要运用电化学的方法。这种方法是在19世纪时由物理化学的四位“奠基人”，范特·霍夫（Vant Hoff）、阿伦尼乌斯（Arrhenius）、奥斯特瓦尔德（Ostwald）和能斯特（Nernst）开创的。

1909年，克里默（Cremer）发现了玻璃pH电极，他首先注意到一层薄薄的玻璃薄膜可以透过氢离子。而氢离子在生物学和人体缓冲机制中的重要性是由亨德森（Henderson）、范·斯莱克（Van Slyke）、巴克罗夫特（Barcroft）和其他许多人在20世纪的前四分之一个世纪发现的。1952年在哥本哈根爆发的脊髓灰质炎疫情促使阿斯特鲁普（Astrup）开发了一种玻璃pH电极，与已知的二氧化碳分压平衡前后，可以在37 ℃的血液中测定pH值。他引入了使用pH值内插测量二氧化碳分压和碳酸氢盐水平（即后来的碱剩余）的方法，并与西格嘉德·安德森（Siggaard Andersen）一起开发了临床酸碱化学。

1954年，理查德·斯托（Richard Stow）发明了一种新的pCO2电极，其是由一种可渗透二氧化碳气体的橡胶膜覆盖pH电极构成，从而隔离血液样本溶液中的pH值。塞文豪斯（Severinghaus）改进了斯托的电极，用碳酸氢盐溶液和隔离剂使其更加稳定。pCO2电极的发展终止了原始的气泡法、范·斯莱克测压法和阿斯特鲁普内插技术在测量血液二氧化碳分压上的使用，同时也加强了阿斯特鲁普-西格嘉德·安德森酸碱分析理论[1]。

1922年，雅罗斯拉夫·海洛夫斯基（Jaroslav Heyrovsky）在布拉格偶然发现了使用滴汞的极谱法，这种方法在20世纪40年代首次测量了血浆和血液中的氧张力值。布林克（Brink）、戴维斯（Davies）和布隆克（Bronk）从1940年开始在组织中植入铂电极来研究氧气供应或可用性，但这些裸露的电极在浸入血液后会被破坏。1954年，利兰·克拉克（Leland Clark）发明了第一个薄膜覆盖的pO2电极，其阴极和阳极都被聚乙烯膜覆盖，将极谱阴极从测量氧扩散转变为测量溶液中氧分压，从而促进了1956年后血氧呼吸生理学的扩展研究。克拉克电极使得现代商用血气分析系统得以发展，该系统可以测量血液的pH值、二氧化碳分压和氧分压，并计算许多派生参数。

另外，血氧测定法是一种基于光透射和光密度之间朗伯-比尔（Lambert-Beer）关系来测定血液或组织中血红蛋白氧饱和度的方法。1860年，本森（Bunsen）和基尔霍夫（Kirchhoff）发明了分光计，不久之后，斯托克斯（Stokes）和霍普·塞勒（Hoppe Seyler）证明了血红蛋白的氧转运功能，他们发现给血红蛋白溶液通气会导致其颜色变化。1932年，尼科莱（Nicolai）在德国哥廷根用光学方法记录了一只手在循环闭塞后的体内耗氧量。而克雷默（Kramer）证明了朗伯-比尔定律适用于血紅蛋白溶液，且其近似于全血，并通过红光透射未打开的动脉来测量血氧饱和度。1972年，生物工程师青柳卓雄（Takuo Aoyagi）发明了脉搏血氧仪，利用组织在红色和红外波段的光密度的脉动变化来计算动脉血氧饱和度，不需要校准。外科医生中岛秀木（Susumu Nakajima）和他的同事们于1975年首次在病人身上测试了这种装置。现在其已广泛用于无创监测血红蛋白动脉血氧饱和度[2]。

2血气分析技术的发展

血气分析无论在门诊、急诊、手术室、重症监护室等科室都占有重要的临床地位，其是处理呼吸和代谢疾病有效、客观的检查手段。临床上的迫切需求催生了血气分析的方法与手段，而商业化的产品设计又大大提高了分析结果的准确性与稳定性。20世纪五十年代开发的血气分析方法学依然是现今大多数血气分析系统的原理基础。

二十一世纪以来，血气分析系统持续发展，由基础的血气三项参数（pH值、二氧化碳分压、氧分压）不断扩展加入多项电解质参数（例如钠离子浓度、钾离子浓度、钙离子浓度、氯离子浓度）和代谢参数（例如葡萄糖浓度、乳酸浓度），由大型的具有复杂管路的维护要求高的实验室设备发展为便携式的内部无管路的免维护POCT（现场快速检测）干式血气分析系统，其可在病床旁由临床医生、护士即时检测患者全血样本，所需样本量少（仅需100uL左右）、操作简便（三个步骤以内）、周转时间快（TAT，5分钟以内），从而满足各个临床场景的使用要求。现在许多血气分析系统均可通过数据管理系统（DMS）与医院LIS系统连接，其可自动收集检测数据并处理、存储、传输，避免数据丢失和手工录入误差，方便医院各部门对于患者数据的管理和使用，是新时期医院提供优质服务的关键因素之一。在医院各临床科室对危重症患者的诊断治疗过程中，用POCT血气生化分析系统动态监测患者的动脉血气分析对于判断这些危重症患者的呼吸功能和酸碱平衡紊乱类型以及指导治疗、判断预后有着重要的作用[3]。

干式血气分析系统具有诸多优点，比如产品小型便携、试剂常温储存、仪器无液路、检测快速（1-2min）等，是典型的POCT产品。经过十多年的发展，比较有代表性的商业化产品有理邦仪器的i15血气分析仪、雅培的i-STAT血气分析仪、西门子的EPOC血气分析仪以及AVL的 OPTI-CCA血气分析仪（如图1）。按照检测原理，理邦i15、雅培i-STAT和西门子EPOC均采用电化学分析原理，而AVL OPTI-CCA则采用光化学分析法。

干式血气实现了试剂与仪器的分离，通常由仪器、测试卡和质控液组成。相对湿式仪器，其具有小型化，便携式，无液路，免维护的特点。测试卡为单次使用可抛型卡，即所有的测量传感器、定标液、样本液均处于测试卡内，减少液体试剂泄漏等污染。理邦i15血气分析仪更进一步，将测试卡与定标液分离，实现了真正意义上的“干式”血气，这样极大地拓展了血气分析仪的使用便捷性和临床应用场景[4]。

图1 理邦i15血气分析仪（左）                  AVL OPTI-CCA血气分析仪（右）

为了实现干式血气分析特有的优势，无论采用电化学法还是光化学法，都面临在传感器设计、微液路设计与控制、微小信号测量、高通量精密制造等各个技术领域的严峻挑战。正因如此，在上述产品的开发过程中也取得了一系列的关键技术突破。总体而言，传感器微型化、微流体液路设计和液路控制技术以及微小信号测量是干式血气技术的三大核心课题[5]。

3结论与展望

随着“以患者为中心”的医疗理念和模式的推广，依托规范化的管理，在质量标准化、数据完整性的保障下，POCT式的血气分析系统将被更广泛的应用。同时，由于计算机技术和网络技术的飞速发展，自动化、网络化、智能化成为血气分析系统的一大发展趋势。新一代的血气分析系统应实现自动定标、自动进样、自动测量和自动对接医院LIS系统的功能，且可通过4G、Wi-Fi或有线网络与检验云平台服务对接，实现数据互联互通、网络化实时在线管理、远程诊断、远程医疗指导等工作，在此基础上还可进一步发展智能质量控制、智能结果判读、智能趋势预测等应用，以便更好地服务于临床辅助诊断[6]。

總之，血气分析系统已朝着POCT智能化和全面质量管理的方向发展，将进一步满足快速、简便、准确、安全、多场景的临床需求。

参考文献

[1] Severinghaus J W，Astrup P B . History of blood gas analysis. I. The development of electrochemistry[J]. Journal of Clinical Monitoring，1985， 1（3）：180-192.

[2] 工藤翔二（日）.图解血气分析[M].北京：北京科学技术出版社，1994：51.

[3] 朱人杰，邱骏，吴伟华，等.POCT设备网络化实时在线管理系统的建设及应用[J].临床检验杂志，2018，36（6）：459-461.

[4] 项盈，傅启华，蒋黎敏.血气分析即时检验质量管理实践[J].检验医学，2017，32（10）：80-85.

[5] 刘锡光，康熙雄，刘忠.现场医护（POC）现状和进展[M].北京：人民卫生出版社，2015：117.

[6] 中国医学装备协会.中国医学装备发展状况与趋势（2018）[M].北京：人民卫生出版社，2018：23.