血液的颜色与双波长血氧测定

由氧合与脱氧血红蛋白的吸收光谱算出不同饱和度血液的颜色,再用 660 nm 和 940 nm 两个波长的吸光度之比读出饱和度——脉搏血氧仪的原理。

难度 ●○○ 约 20 分钟

实验目的 比较动脉血与静脉血的颜色,建立比值 R = A₆₆₀/A₉₄₀ 与氧饱和度的关系,并用它由吸光度反推饱和度。
由 HbO₂ 与 Hb 的摩尔吸光系数谱算出(Prahl 汇编)

血液的颜色与脉搏血氧仪

吸收光谱(对数坐标)
可见光 660 940 4005006007008009001000波长 / nm10010001000010⁵10⁶ε / L mol⁻¹ cm⁻¹
  • 氧合血红蛋白 HbO₂
  • 脱氧血红蛋白 Hb
  • 当前血样
双波长血氧仪
00.250.50.751氧饱和度 S0.20.5125R = A₆₆₀ / A₉₄₀

A₆₆₀ = 0.088,A₉₄₀ = 0.280,R = 0.314 → 解两个比尔–朗伯方程得 S = 98.0%。

660 nm 处 Hb 的吸光系数是 HbO₂ 的 10.1 倍:静脉血吸收的红光多得多,看起来更暗。940 nm 处反过来,而在约 797 nm 两者相等(等吸收点)。

摩尔吸光系数为每摩尔血红蛋白(64 500 g/mol)的值,由 S. A. Prahl 根据 W. B. Gratzer 与 N. Kollias 的数据汇编;血样按 150 g/L 血红蛋白计,只考虑吸收、不考虑散射,颜色由透射光谱与 CIE 1931 色匹配函数算出。真实血氧仪测的是随脉搏变化的那部分吸光度,组织散射让两个波长的光程不同,所以仪器要用志愿者的血气数据经验校准,而不能直接用这里的理想公式。

操作步骤

  1. 血层厚度 1 mm。依次把饱和度设为 98 %、90 %、75 % 和 50 %,记下颜色和比值 R。
  2. 把血层减薄到 20 µm,再把饱和度从 100 % 拉到 0 %,比较颜色变化是否仍明显。
  3. 在光谱图上找出 HbO₂ 与 Hb 在近红外相交的等吸收点,说明为什么不选它作为测量波长。

注意观察

  • R 随饱和度单调变化:98 % 时 0.31,90 % 时 0.53,75 % 时 0.97,50 % 时 1.86;解两个比尔–朗伯方程就能由 R 读回饱和度。
  • 1 mm 厚时,98 % 的血是鲜红色,75 % 的暗红色,透过的光只有前者的一半左右;很薄的血层两者都只是淡红。
  • 两条曲线在约 797 nm 相交:在那里吸光度与饱和度无关,不能用来区分氧合与脱氧。

真实实验室

  • 真实的血氧仪只取随脉搏起伏的那部分吸光度,并用志愿者的动脉血气数据经验校准;指甲油、手指冰冷、运动都会干扰读数。
  • 一氧化碳中毒时,普通血氧仪会把碳氧血红蛋白误读为氧合血红蛋白而显示“正常”,需要用多波长的碳氧血氧仪或血气分析确认。
  • 处理血样要按生物安全规范戴手套、防刺伤,废弃物按医疗废物处置。

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