基于氣體張力法調控血糖儀比對實驗所需靜脈血樣氧分壓研究

崔宏恩，張超，顧加雨，龐侃，馬百樂

江蘇省計量科學研究院，江蘇 南京 210023

引言

糖尿病人的血糖檢測是糖尿病治療過程中一個很關鍵的環節，準確的血糖自我監測，是實現良好血糖控制的關鍵[1-2]。主流的血糖儀產品都是采用的電化學技術，電化學法采用檢測反應過程中產生的電流信號的原理來反應血糖值。據電化學法血糖測試條中所采用的酶不同又分為葡萄糖氧化酶法和葡萄糖脫氫酶法兩種類型[3]。血糖儀檢測的是毛細血管全血葡萄糖，而實驗室檢測的是靜脈血清或血漿葡萄糖，由于末梢毛細血管是動靜脈交匯之處，既有靜脈血成分，也有動脈血成分，因此其血樣中葡萄糖含量和氧含量與靜脈血樣是不同的[4]。其中葡萄糖氧化酶法血糖儀對葡萄糖特異性高，不受其他糖類物質干擾，但易受氧氣干擾[5]，在GB/T 19634-2005 《體外診斷檢驗系統自測用血糖監測系統通用技術條件》[6]和原衛生部印發的《醫療機構便攜式血糖檢測儀管理和臨床操作規范（試行）》中[7]，測試血糖儀和血糖試條系統準確度開展血糖儀靜脈血樣比對試驗時，均要求將靜脈血樣氧分壓（pO2）調節至（8.67±0.67）kPa，（65±5）mmHg，目前在實際操作中主要是憑經驗將靜脈血樣品輕輕來回上下倒轉實現，若超過目標pO2控制范圍需重新靜置一段時間后再進行上下倒轉調節，耗時耗力，隨意性較大，且不容易實現目標pO2控制范圍，尤其是在低血糖濃度比對時，空氣中的氧氣干擾對結果的影響最為明顯。

溶液中的氣體分壓（張力）是在平衡溶液中假定的理想氣相存在的壓力。對于氧分壓表示為pO2，“分壓”表示它是總環境壓力的一部分[8]。pO2的常規單位是毫米汞柱，用符號mmHg表示，在國際單位制（SI）中，壓力（分壓）的計量單位是千帕（kPa），這兩個單位之間的換算關系是1 mmHg = 0.133 kPa。氣體張力法（液體和氣體之間的氣體分壓平衡）是在控制條件下（例如溫度、氣壓、濕度）采用一種已知的混合氣體來平衡一種液體的過程，當采用可溯源的氣體混合物時，新鮮血液氣體張力法被認為是建立血液氣體分壓準確性的參考測量程序[9-11]。本研究基于氣體張力法建立了血液pO2參考測量程序，能夠有效調控血糖儀比對實驗所需靜脈血樣pO2，為臨床血糖儀的標準修訂和臨床比對打下堅實的基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器

（1）標準氣源：氮中氧氣體標準物質GBW（E）060718，O2：8.99%，U=1.5%（k=2），南京紅建特種氣體有限公司生產。

（2）自主研發的張力平衡儀：進行氣體分壓平衡的儀器，為開放系統，使用已知組成的氣體混合物流過系統，在流體樣品和氣體混合物中產生相同的氣體分壓，張力平衡儀通常由標準氣體混合物、加濕室、平衡室和恒溫控制模塊等組成，加濕室和平衡室置于恒溫控制模塊中進行恒溫；恒溫控制模塊：0～50 ℃，最大允許誤差：±0.1 ℃，經過計量校準。

（3）nova Stat Profile CCX血 氣 分 析 儀 ：pO2：30～420 mmHg，最大允許誤差：±5.0%或±5 mmHg，經過計量校準。

（4）YSI 2300葡萄糖乳酸分析儀：葡萄糖：0～50 mmol/L，最大允許誤差：±2.0%，經過計量校準。

（5）DYM3空盒氣壓表：寧波鄞州姜山玻璃儀器儀表廠生產，測量范圍810～1050 hPa，U=0.3 hPa（k=2），經過計量校準。

（6）血糖儀：強生穩豪倍易血糖儀、三諾安穩型血糖儀、魚躍悅好II型血糖儀，均為葡萄糖氧化酶法血糖儀。

1.1.2 其他

（1）樣品：新鮮靜脈全血樣本，從健康志愿者抽取到肝素化收集管儲存在冰箱中。

（2）實驗用去離子水水質≤1.0 μS/CM；實驗用移液器經過計量校準。

1.2 方法

1.2.1 靜脈血樣pO2測量方法

由于血糖儀低濃度測試時受pO2影響比較大，本次實驗使用張力平衡儀選擇某一低濃度靜脈血樣調節其pO2，如圖1 所示，典型順序如下：① 將一定量的水置于張力平衡儀加濕室中；② 在其平衡室中裝入所需量的新鮮靜脈全血（最小體積為1 mL）； ③ 將加濕室和平衡室置于恒溫控制模塊，使標準氣體混合物在（37.0±0.1）℃時預熱；④ 氮中氧氣體標準物質在相同溫度和氣壓下流經加濕室時通過水鼓泡使水蒸氣飽和后進入平衡室（加濕室和平衡室之間有一層防水透氣膜）； ⑤ 進入平衡室的氮中氧氣體標準物質鼓泡通過樣品一段時間完全實現液體和氣體之間的氣體分壓平衡；⑥ 過量氣體會從平衡室中排出，經過溫度和張力平衡后的樣品用于血氣分析儀的準確度測試。

圖1 使用張力平衡儀調節靜脈血樣pO2示意圖

用于pO2的氮中氧氣體標準物質為干燥氣體，其在經過溫度和張力平衡過程中進行了加濕，pO2通過式(1)進行計算。

其中F是干燥氣體混合物中的氣體百分濃度，pTotal是環境中的大氣壓力（mmHg），pH2O是平衡溫度下的水蒸氣壓（mmHg）。公式(1)是從道爾頓分壓定律和溶解度的亨利定律導出，雖然僅嚴格適用于理想氣體，但也適用于接近或低于大氣壓的實際氣體。

其中t表示溫度，以攝氏度（℃）為單位，通過公式(2)中精確估計pH2O。

同時記錄實驗室大氣壓數據，使用nova Stat Profile CCX血氣分析儀對上述低濃度靜脈血樣本進行氧分壓驗證，準確度可由公式(3)給出。

式中：

B——準確度，%；

M——3次測試結果平均值，mmHg；

T——pO2標準值，mmHg。

1.2.2 靜脈血樣比對試驗方法

參考GB/T 19634-2005提供的方法[6]，使用上述pO2調節的低濃度靜脈血樣本和未做任何處理的低濃度靜脈血樣本進行比對試驗，將兩份靜脈血樣分別分為4份，第1份用強生穩豪倍易血糖儀測試；第2份用三諾安穩型血糖儀測試；第3份用魚躍悅好Ⅱ型血糖儀測試；第4份使用YSI2300葡萄糖乳酸分析儀作為參考分析儀進行血糖測試，以上每份血樣均重復測量3次，取平均值進行計算。每臺血糖儀測試的靜脈血漿結果或由制造商提供的換算公式得到的靜脈血漿結果與參考分析儀測試的靜脈血漿結果之間的差異即為偏差。

1.2.3 氧分壓參考測量程序不確定度評定方法

根據JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》提供的方法[12]，對靜脈血樣的氧分壓參考測量程序進行不確定度評定。

1.2.3.1 測量方法

參見1.2.1靜脈血樣氧分壓測量方法。

1.2.3.2 測量模型

準確度可由公式(3)。

1.2.3.3 方差和靈敏系數

由于cM與cT完全不相關，故輸出量估計方差的完整表達式應為式(4)。

由公式(4)到公式(5)得

1.2.3.4 不確定度來源

不確定度來源包括：① 輸入量M引入的標準不確定度uM，包括測量重復性引入的標準不確定度和分辨力引入的標準不確定度；② 輸入量T引入的標準不確定度uT，包括標準物質引入的標準不確定度uT1、大氣壓測量誤差引入的標準不確定度uT2和張力平衡儀溫度偏差引入的標準不確定度uT3。

2 結果

2.1 評估結果

2.1.1 靜脈血樣pO2測量結果

氮中氧氣體標準物質GBW（E）060718標準值為O2:8.99%、張力平衡儀的溫度為37℃、大氣壓測量結果為1000hPa，結合公式(1)、(2)和(3)計算的pO2標準值及使用nova Stat Profile CCX血氣分析儀驗證測試的pO2測量值如下表1所示。

表1 pO2測量結果

如表1所示，使用血氣分析儀實測的pO2測量值與通過公式(1)、(2)計算的pO2標準值偏差為1.3%，經過換算成絕對值為0.9 mmHg，靜脈血樣pO2滿足（65±5） mmHg要求，符合測試需要。

2.1.2 靜脈血樣比對試驗結果

比對試驗如表2和表3所示。如表2，使用經過pO2調節后滿足（65±5） mmHg低濃度靜脈血樣本進行比對試驗時，三種不同品牌型號的血糖儀和血糖試條準確度均滿足當血糖濃度≤4.2 mmol/L，不超過±0.83 mmol/L的要求，符合GB/T 19634-2005對血糖儀產品低濃度時的技術要求；如表3所示，使用未做任何處理的低濃度靜脈血樣本進行比對試驗時，三種不同品牌型號的血糖儀和血糖試條準確度均不滿足當血糖濃度≤4.2 mmol/L，不超過±0.83 mmol/L的要求。

表2 使用經過pO2調節的低濃度靜脈血樣本進行比對試驗結果（mmol/L）

表3 使用未做任何處理的低濃度靜脈血樣本進行比對試驗結果（mmol/L）

2.2 pO2氧分壓參考測量程序不確定度評定結果

根據1.2.3 提供的不確定度評定方法，不確定度評定結果計算如下。

2.2.1 標準不確定度計算

2.2.1.1 輸入量M引入的標準不確定度分量uM評定

（1）測量重復性引入的標準不確定度分量

使用血氣分析儀進行驗證時，根據表1的試驗結果，根據貝塞爾公式，則單次測量結果的標準差s()如式(6)。

平時測試時在重復性條件下連續測量3次，以3次測量的算術平均值作為結果，則由測量重復性引入的標準不確定度分量為式(7)。

（2）分辨力引入的標準不確定度分量

儀器pO2參數的最小分辨力均為0.1 mmHg，區間半寬a=0.05 mmHg，為67.6 mmHg，按均勻分布處理，包含因子取k=，由此引起的標準不確定度為：

（3）輸入量M引入的標準不確定度分量uM

從以上計算可以看出，由于重復測量引入的標準不確定度分量大于分辨力引入的標準不確定度分量，由JJF 1033-2016《計量標準考核規范》可知，當重復性引入的標準不確定度分量大于分辨力引入的標準不確定度分量時，可不考慮分辨力引入的不確定度分量，故分辨力引入的不確定度分量在標準不確定度合成時不列入。

所以，由輸入量引入的標準不確定度分量uM==0.23%。

2.2.1.2 輸入量T引入的標準不確定度分量uT評定

（1） 標準物質不確定度引入的標準不確定度分量uT1

本次評定使用由南京紅建特種氣體有限公司生產的氮中氧氣體標準物質GBW（E）060718，U=1.5%（k=2），其引入的標準不確定度分量如下：

（2）氣體濃度換算成氣體分壓時，由大氣壓測量誤差引入的標準不確定度分量uT2

根據公式(1)、(2)，氣體濃度換算成氣體分壓時需要測量環境大氣壓，本次使用空盒壓力表進行大氣壓的測量，測量值為1000 hPa，通過查詢該空盒氣壓表的校準證書可知，其測量結果的擴展不確定度U=0.3 hPa（k=2），則由大氣壓測量誤差引入的標準不確定度分量如下：

由于樣品需要（37±0.1）℃下進行溫度和張力平衡，氣體分壓隨溫度變化，根據文獻報道，pO2可直接變化7%/℃[13]，張力平衡儀的恒溫控制模塊最大允許誤差為±0.1℃，按照均勻分布處理，取k=，則由張力平衡儀溫度偏差引入的標準不確定度分量如下：

（4）輸入量T引入的標準不確定度分量uT

由于uT1、uT2和uT3之間相互獨立，則輸入量T引入的不確定度分量uT可用下式進行計算:

2.2.1.3 靈敏度系數的計算

通過表1可知，調控后的全血樣品定值標準值為：pO2：65.4 mmHg，為67.6 mmHg，取相對值進行計算，靈敏度系數的計算結果如下：

2.2.2 標準不確定度一覽表

標準不確定度一覽表見表4。

2.2.3 合成標準不確定度uc

由公式(5)可得：

2.2.4 擴展不確定度U

取k=2，則：

表4 pO2參考測量程序標準不確定度一覽表

3 討論

血糖監測系統（包括血糖儀及測試試紙）是非專業人士使用的體外診斷醫療器械，因其操作簡便、快捷、準確，廣泛應用于臨床和患者家中進行自我血糖監測[14]。研究表明，精準的血糖監測結果可有效地指導糖尿病患者及時調整飲食、運動，以及藥物劑量，優化血糖控制，防止低血糖發生，降低并發癥的發生風險[15-16]。無意識性低血糖是指患者血糖下降時沒有表現出癥狀，可能會在清醒狀態時突然發生昏迷。而目前自我血糖監測是檢測糖尿病患者無癥狀低血糖的唯一有效工具[17-19]。因此，采取更嚴格的系統準確度標準有助于無意識性低血糖糖尿病患者的自我監測，降低無意識性低血糖的發生風險。

市場上采用氧化酶法的血糖儀在低濃度血糖測量時，考慮到空氣中氧氣的干擾會造成采集的末梢血pO2的變化，消費者使用氧化酶法血糖儀測量時若遇到低濃度血糖時很容易造成血糖儀和血糖試條系統準確度不符合相關標準的情況。因此，這種情況對于無意識性低血糖患者來說，低濃度血糖測量不準不利于無意識性低血糖糖尿病患者的自我監測，增加無意識性低血糖的發生風險。通過本文的試驗結果也可以看出，對于葡萄糖氧化酶法血糖儀來說，血糖儀產品在注冊檢驗或企業平時生產質檢測試血糖儀和血糖試條系統準確度開展血糖儀靜脈血樣比對試驗時，如果不能按照要求將靜脈血樣pO2調節至（65±5）mmHg范圍內再進行測量，而且根據上下顛倒混勻時靜脈血（深紅色）、動脈血（鮮紅色）和末梢血（介于深紅色和鮮紅色之間）顏色不同對應的pO2不同等經驗來判斷pO2是否滿足標準要求，很容易造成血糖儀產品在低血糖濃度測量不準確，使得產品不合格。

4 結論

本研究基于氣體張力法建立了血液pO2參考測量程序，能夠有效調控血糖儀比對實驗所需靜脈血樣pO2，可有效克服血糖儀比對試驗過程中空氣中氧的干擾，能夠提高血糖儀注冊檢驗、生產質檢和臨床比對結果的可靠性和有效性，促進血糖儀產品檢測技術升級。