浅谈血气分析技术的历史与发展

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（Van’t 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-比尔定律适用于血红蛋白溶液，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]。

文章来源：《中国历史地理论丛》 网址: http://www.zglsdllc.cn/qikandaodu/2020/1224/422.html