基于气体张力法调控血糖仪比对实验所需静脉血样氧分压研究

崔宏恩，张超，顾加雨，庞侃，马百乐

江苏省计量科学研究院，江苏 南京 210023

引言

糖尿病人的血糖检测是糖尿病治疗过程中一个很关键的环节，准确的血糖自我监测，是实现良好血糖控制的关键[1-2]。主流的血糖仪产品都是采用的电化学技术，电化学法采用检测反应过程中产生的电流信号的原理来反应血糖值。据电化学法血糖测试条中所采用的酶不同又分为葡萄糖氧化酶法和葡萄糖脱氢酶法两种类型[3]。血糖仪检测的是毛细血管全血葡萄糖，而实验室检测的是静脉血清或血浆葡萄糖，由于末梢毛细血管是动静脉交汇之处，既有静脉血成分，也有动脉血成分，因此其血样中葡萄糖含量和氧含量与静脉血样是不同的[4]。其中葡萄糖氧化酶法血糖仪对葡萄糖特异性高，不受其他糖类物质干扰，但易受氧气干扰[5]，在GB/T 19634-2005 《体外诊断检验系统自测用血糖监测系统通用技术条件》[6]和原卫生部印发的《医疗机构便携式血糖检测仪管理和临床操作规范（试行）》中[7]，测试血糖仪和血糖试条系统准确度开展血糖仪静脉血样比对试验时，均要求将静脉血样氧分压（pO2）调节至（8.67±0.67）kPa，（65±5）mmHg，目前在实际操作中主要是凭经验将静脉血样品轻轻来回上下倒转实现，若超过目标pO2控制范围需重新静置一段时间后再进行上下倒转调节，耗时耗力，随意性较大，且不容易实现目标pO2控制范围，尤其是在低血糖浓度比对时，空气中的氧气干扰对结果的影响最为明显。

溶液中的气体分压（张力）是在平衡溶液中假定的理想气相存在的压力。对于氧分压表示为pO2，“分压”表示它是总环境压力的一部分[8]。pO2的常规单位是毫米汞柱，用符号mmHg表示，在国际单位制（SI）中，压力（分压）的计量单位是千帕（kPa），这两个单位之间的换算关系是1 mmHg = 0.133 kPa。气体张力法（液体和气体之间的气体分压平衡）是在控制条件下（例如温度、气压、湿度）采用一种已知的混合气体来平衡一种液体的过程，当采用可溯源的气体混合物时，新鲜血液气体张力法被认为是建立血液气体分压准确性的参考测量程序[9-11]。本研究基于气体张力法建立了血液pO2参考测量程序，能够有效调控血糖仪比对实验所需静脉血样pO2，为临床血糖仪的标准修订和临床比对打下坚实的基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 仪器

（1）标准气源：氮中氧气体标准物质GBW（E）060718，O2：8.99%，U=1.5%（k=2），南京红建特种气体有限公司生产。

（2）自主研发的张力平衡仪：进行气体分压平衡的仪器，为开放系统，使用已知组成的气体混合物流过系统，在流体样品和气体混合物中产生相同的气体分压，张力平衡仪通常由标准气体混合物、加湿室、平衡室和恒温控制模块等组成，加湿室和平衡室置于恒温控制模块中进行恒温；恒温控制模块：0～50 ℃，最大允许误差：±0.1 ℃，经过计量校准。

（3）nova Stat Profile CCX血 气 分 析 仪 ：pO2：30～420 mmHg，最大允许误差：±5.0%或±5 mmHg，经过计量校准。

（4）YSI 2300葡萄糖乳酸分析仪：葡萄糖：0～50 mmol/L，最大允许误差：±2.0%，经过计量校准。

（5）DYM3空盒气压表：宁波鄞州姜山玻璃仪器仪表厂生产，测量范围810～1050 hPa，U=0.3 hPa（k=2），经过计量校准。

（6）血糖仪：强生稳豪倍易血糖仪、三诺安稳型血糖仪、鱼跃悦好II型血糖仪，均为葡萄糖氧化酶法血糖仪。

1.1.2 其他

（1）样品：新鲜静脉全血样本，从健康志愿者抽取到肝素化收集管储存在冰箱中。

（2）实验用去离子水水质≤1.0 μS/CM；实验用移液器经过计量校准。

1.2 方法

1.2.1 静脉血样pO2测量方法

由于血糖仪低浓度测试时受pO2影响比较大，本次实验使用张力平衡仪选择某一低浓度静脉血样调节其pO2，如图1 所示，典型顺序如下：① 将一定量的水置于张力平衡仪加湿室中；② 在其平衡室中装入所需量的新鲜静脉全血（最小体积为1 mL）； ③ 将加湿室和平衡室置于恒温控制模块，使标准气体混合物在（37.0±0.1）℃时预热；④ 氮中氧气体标准物质在相同温度和气压下流经加湿室时通过水鼓泡使水蒸气饱和后进入平衡室（加湿室和平衡室之间有一层防水透气膜）； ⑤ 进入平衡室的氮中氧气体标准物质鼓泡通过样品一段时间完全实现液体和气体之间的气体分压平衡；⑥ 过量气体会从平衡室中排出，经过温度和张力平衡后的样品用于血气分析仪的准确度测试。

图1 使用张力平衡仪调节静脉血样pO2示意图

用于pO2的氮中氧气体标准物质为干燥气体，其在经过温度和张力平衡过程中进行了加湿，pO2通过式(1)进行计算。

其中F是干燥气体混合物中的气体百分浓度，pTotal是环境中的大气压力（mmHg），pH2O是平衡温度下的水蒸气压（mmHg）。公式(1)是从道尔顿分压定律和溶解度的亨利定律导出，虽然仅严格适用于理想气体，但也适用于接近或低于大气压的实际气体。

其中t表示温度，以摄氏度（℃）为单位，通过公式(2)中精确估计pH2O。

同时记录实验室大气压数据，使用nova Stat Profile CCX血气分析仪对上述低浓度静脉血样本进行氧分压验证，准确度可由公式(3)给出。

式中：

B——准确度，%；

M——3次测试结果平均值，mmHg；

T——pO2标准值，mmHg。

1.2.2 静脉血样比对试验方法

参考GB/T 19634-2005提供的方法[6]，使用上述pO2调节的低浓度静脉血样本和未做任何处理的低浓度静脉血样本进行比对试验，将两份静脉血样分别分为4份，第1份用强生稳豪倍易血糖仪测试；第2份用三诺安稳型血糖仪测试；第3份用鱼跃悦好Ⅱ型血糖仪测试；第4份使用YSI2300葡萄糖乳酸分析仪作为参考分析仪进行血糖测试，以上每份血样均重复测量3次，取平均值进行计算。每台血糖仪测试的静脉血浆结果或由制造商提供的换算公式得到的静脉血浆结果与参考分析仪测试的静脉血浆结果之间的差异即为偏差。

1.2.3 氧分压参考测量程序不确定度评定方法

根据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》提供的方法[12]，对静脉血样的氧分压参考测量程序进行不确定度评定。

1.2.3.1 测量方法

参见1.2.1静脉血样氧分压测量方法。

1.2.3.2 测量模型

准确度可由公式(3)。

1.2.3.3 方差和灵敏系数

由于cM与cT完全不相关，故输出量估计方差的完整表达式应为式(4)。

由公式(4)到公式(5)得

1.2.3.4 不确定度来源

不确定度来源包括：① 输入量M引入的标准不确定度uM，包括测量重复性引入的标准不确定度和分辨力引入的标准不确定度；② 输入量T引入的标准不确定度uT，包括标准物质引入的标准不确定度uT1、大气压测量误差引入的标准不确定度uT2和张力平衡仪温度偏差引入的标准不确定度uT3。

2 结果

2.1 评估结果

2.1.1 静脉血样pO2测量结果

氮中氧气体标准物质GBW（E）060718标准值为O2:8.99%、张力平衡仪的温度为37℃、大气压测量结果为1000hPa，结合公式(1)、(2)和(3)计算的pO2标准值及使用nova Stat Profile CCX血气分析仪验证测试的pO2测量值如下表1所示。

表1 pO2测量结果

如表1所示，使用血气分析仪实测的pO2测量值与通过公式(1)、(2)计算的pO2标准值偏差为1.3%，经过换算成绝对值为0.9 mmHg，静脉血样pO2满足（65±5） mmHg要求，符合测试需要。

2.1.2 静脉血样比对试验结果

比对试验如表2和表3所示。如表2，使用经过pO2调节后满足（65±5） mmHg低浓度静脉血样本进行比对试验时，三种不同品牌型号的血糖仪和血糖试条准确度均满足当血糖浓度≤4.2 mmol/L，不超过±0.83 mmol/L的要求，符合GB/T 19634-2005对血糖仪产品低浓度时的技术要求；如表3所示，使用未做任何处理的低浓度静脉血样本进行比对试验时，三种不同品牌型号的血糖仪和血糖试条准确度均不满足当血糖浓度≤4.2 mmol/L，不超过±0.83 mmol/L的要求。

表2 使用经过pO2调节的低浓度静脉血样本进行比对试验结果（mmol/L）

表3 使用未做任何处理的低浓度静脉血样本进行比对试验结果（mmol/L）

2.2 pO2氧分压参考测量程序不确定度评定结果

根据1.2.3 提供的不确定度评定方法，不确定度评定结果计算如下。

2.2.1 标准不确定度计算

2.2.1.1 输入量M引入的标准不确定度分量uM评定

（1）测量重复性引入的标准不确定度分量

使用血气分析仪进行验证时，根据表1的试验结果，根据贝塞尔公式，则单次测量结果的标准差s()如式(6)。

平时测试时在重复性条件下连续测量3次，以3次测量的算术平均值作为结果，则由测量重复性引入的标准不确定度分量为式(7)。

（2）分辨力引入的标准不确定度分量

仪器pO2参数的最小分辨力均为0.1 mmHg，区间半宽a=0.05 mmHg，为67.6 mmHg，按均匀分布处理，包含因子取k=，由此引起的标准不确定度为：

（3）输入量M引入的标准不确定度分量uM

从以上计算可以看出，由于重复测量引入的标准不确定度分量大于分辨力引入的标准不确定度分量，由JJF 1033-2016《计量标准考核规范》可知，当重复性引入的标准不确定度分量大于分辨力引入的标准不确定度分量时，可不考虑分辨力引入的不确定度分量，故分辨力引入的不确定度分量在标准不确定度合成时不列入。

所以，由输入量引入的标准不确定度分量uM==0.23%。

2.2.1.2 输入量T引入的标准不确定度分量uT评定

（1） 标准物质不确定度引入的标准不确定度分量uT1

本次评定使用由南京红建特种气体有限公司生产的氮中氧气体标准物质GBW（E）060718，U=1.5%（k=2），其引入的标准不确定度分量如下：

（2）气体浓度换算成气体分压时，由大气压测量误差引入的标准不确定度分量uT2

根据公式(1)、(2)，气体浓度换算成气体分压时需要测量环境大气压，本次使用空盒压力表进行大气压的测量，测量值为1000 hPa，通过查询该空盒气压表的校准证书可知，其测量结果的扩展不确定度U=0.3 hPa（k=2），则由大气压测量误差引入的标准不确定度分量如下：

由于样品需要（37±0.1）℃下进行温度和张力平衡，气体分压随温度变化，根据文献报道，pO2可直接变化7%/℃[13]，张力平衡仪的恒温控制模块最大允许误差为±0.1℃，按照均匀分布处理，取k=，则由张力平衡仪温度偏差引入的标准不确定度分量如下：

（4）输入量T引入的标准不确定度分量uT

由于uT1、uT2和uT3之间相互独立，则输入量T引入的不确定度分量uT可用下式进行计算:

2.2.1.3 灵敏度系数的计算

通过表1可知，调控后的全血样品定值标准值为：pO2：65.4 mmHg，为67.6 mmHg，取相对值进行计算，灵敏度系数的计算结果如下：

2.2.2 标准不确定度一览表

标准不确定度一览表见表4。

2.2.3 合成标准不确定度uc

由公式(5)可得：

2.2.4 扩展不确定度U

取k=2，则：

表4 pO2参考测量程序标准不确定度一览表

3 讨论

血糖监测系统（包括血糖仪及测试试纸）是非专业人士使用的体外诊断医疗器械，因其操作简便、快捷、准确，广泛应用于临床和患者家中进行自我血糖监测[14]。研究表明，精准的血糖监测结果可有效地指导糖尿病患者及时调整饮食、运动，以及药物剂量，优化血糖控制，防止低血糖发生，降低并发症的发生风险[15-16]。无意识性低血糖是指患者血糖下降时没有表现出症状，可能会在清醒状态时突然发生昏迷。而目前自我血糖监测是检测糖尿病患者无症状低血糖的唯一有效工具[17-19]。因此，采取更严格的系统准确度标准有助于无意识性低血糖糖尿病患者的自我监测，降低无意识性低血糖的发生风险。

市场上采用氧化酶法的血糖仪在低浓度血糖测量时，考虑到空气中氧气的干扰会造成采集的末梢血pO2的变化，消费者使用氧化酶法血糖仪测量时若遇到低浓度血糖时很容易造成血糖仪和血糖试条系统准确度不符合相关标准的情况。因此，这种情况对于无意识性低血糖患者来说，低浓度血糖测量不准不利于无意识性低血糖糖尿病患者的自我监测，增加无意识性低血糖的发生风险。通过本文的试验结果也可以看出，对于葡萄糖氧化酶法血糖仪来说，血糖仪产品在注册检验或企业平时生产质检测试血糖仪和血糖试条系统准确度开展血糖仪静脉血样比对试验时，如果不能按照要求将静脉血样pO2调节至（65±5）mmHg范围内再进行测量，而且根据上下颠倒混匀时静脉血（深红色）、动脉血（鲜红色）和末梢血（介于深红色和鲜红色之间）颜色不同对应的pO2不同等经验来判断pO2是否满足标准要求，很容易造成血糖仪产品在低血糖浓度测量不准确，使得产品不合格。

4 结论

本研究基于气体张力法建立了血液pO2参考测量程序，能够有效调控血糖仪比对实验所需静脉血样pO2，可有效克服血糖仪比对试验过程中空气中氧的干扰，能够提高血糖仪注册检验、生产质检和临床比对结果的可靠性和有效性，促进血糖仪产品检测技术升级。