第07章 电化学临床分析技术和相关仪器知识扩充

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1、首页→第七章电化学分析技术和临床相关仪器一、电化学分析法概述溶液的电化学性质是指电解质溶液通电时，其电位、电流、电导和电量等电化学特性随化学组分和浓度而变化的性质。电化学分析法（Electrochemicalanalysis）是建立在溶液电化学性质基础上并利用这些性质，通过电极这个变换器，将被测物质的浓度转变成电学参数而进行检测的方法。电位分析法分为电位法（potentiometry)和电位滴定法（potentiometrictitration）两种。电位法是根据测量到的某一个电极的电极电位，利用能斯特方程直接求出待测离子的浓度，例如酸度计就是测量溶液中氢离子的浓度。能斯特方程是根据热力学推

2、导出来的，其关系式是：式中，阳离子选择性电极为＋，阴离子选择性电极为－；n为离子电荷数；Cx为被测离子浓度；fx为被测离子活度系数；K在测量条件恒定时为常数。公式表明，在一定条件下，电极的电极电位与被测离子浓度的对数呈线性关系。电化学临床分析仪器就是利用电化学分析技术而设计的临床分析仪器。临床检验常用的电化学分析仪器主要是电解质分析仪和血气分析仪两种。二、电解质分析仪电解质分析仪大多是采用离子选择电极方法对生物样品进行化验分析。这种方法简便、快速，测定的浓度范围较宽，灵敏度较高，溶液中大多数的干扰易于消除，较少受用品颜色、浊度影响，是40年来在生化检验中发展最迅速的检测手段。电解质分析仪电极

3、发展主要在于：①电极微型化，采用离子敏场效应管可将电极制成微米级大小，可直接接入人体或细胞内进行测定；②生物电极，大量开发可以测定许多代谢产物的酶电极，如葡萄糖酶电极、丙酮酸酶电极等，使它们与离子选择电极结合制造出新型急诊检测仪器。但是ISE还有不少局限性，其主要问题包括以下两个方面：1.选择性差使得仪器测量下限受到限制，大部分电极的测量范围为10-10~10-7mol.L-1。2.电极寿命较短一般寿命为半年至一年，而生物电极可能只有几天或几个月。（一）电极的发展电解质分析仪的发展主要取决于电极的发展，其中最重要的是新型的离子敏场效应晶体管（IonicSenseField-effectTra

4、nsistor，ISFET）使用。20世纪70年代，Begivel首次提出ISFET的基本结构，ISFET是离子敏感、选择电极制造技术与固态微电子学相结合的产物，它是在MOSFET的基础上发展起来的，具有输入阻抗高、输出阻抗低、体积小、易于集成等特点，所以在医学领域上有广阔的应用前景。下面以H+-ISTFET传感器为例介绍这类传感器。1．ISFET的基本结构测量H+浓度的ISFET与MOSFET在结构上极为相似，不同的是H+-ISTFET的绝缘层表面是对H+浓度敏感的材料，并以参考电极取代了MOSFET的金属栅。ISFET的结构如图7-1所示。离子敏感膜可以是固态膜或液态膜，H+-ISTFE

5、T的敏感膜是Si3N4和Al2O3按一定比例混合而成的，它与P型基体间的绝缘层是SiO2。场效应管工作时需通过试液中的参比电极提供栅极电压VG，构成测量系统时，场效应管源极和漏极的工作原理与普通的场效应管相同。2.工作原理H+-ISTFET的参比电极采用Ag/AgCl电极（银-氯化银丝浸在浓度为3.5mol.L-1）的饱和KCl电解液中）。当参比电极插入溶液中后，与电解液发生化学反应形成一个半电池，这个半电池产生的电压作为H+-ISTFET的参比电压（Eref或Vref）。另外，在敏感膜与水接触后，膜表面形成一层很薄的水化层，它实际是一层水凝胶层，由于浓度差，溶液中的H+通过凝胶层扩散进入H

6、+敏感层，这样就会在溶液与敏感膜之间形成界面电位jeo，在几种电压的共同作用下，就会使得ISFET的漏源开始导通，此时的电压是阀值电压Vth。溶液中H+浓度直接影响界面电位，通过电场耦合，这个界面电位又直接影响沟道电导，进而引起H+-ISTFET传感器沟道电流发生变化，其变化的大小与溶液中H+的活度有关。因此，根据半导体的相关理论，建立沟道电流和溶液中氢离子浓度之间的关系，从而获得溶液中氢离子浓度的信息。对采用甘汞电极为参比电极的ISFET，其阀值电压可由下式给出：式中jI为被测溶液和ISFET的栅介质之间的电化学势；VR为参比电极和溶液之间的结电势；QSS为氧化层电荷密度，QB为耗尽层电荷

7、密度，jF为P型硅衬底的体弗米势。实验表明，甘汞电极的VR稳定，VT只与jI有关，而jI与被测离子的离子活度及栅介质敏感膜的性质有关。根据能斯特关系式有：因此阀值电压VT有下式：如果采用Si3N4作敏感膜，ISFET对溶液pH值得响应灵敏度S约为45mV/pH。3．在医学上的应用在临床医学检验中，常需要对体液中的几种离子同时测定和检测，以实现快速诊断和及时治疗的目的。为此，人们利用集成化技术，将H+-ISFE