prof. dr hab. inż. Bogusław Baś 30 listopada 2019

1. Sensory chemiczne stosowane
w monitorowaniu pacjentów
bas@agh.edu.pl
prof. dr hab. inż. Bogusław Baś

2. Liceum chemiczne, rocznik 1976 - 1980
GTS WISŁA 110 m p.płot. (1969 - 1980)

3. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
rocznik: 1980 - 1985
Ś.†P. prof. dr hab. inż. Roman Pampuch
(1927 -2017)
Ś.†P. prof. dr hab. inż. Wiesław Ptak
(1941-2004)
Ś.†P. mgr Anna Maria Pustówka
(1949-2011)

4. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
rocznik: 1980 - 1985
11.1984
13.12.1981
02.1985
1983-1985
08.1983

5. Centrum Naukowo-Produkcyjne
Mikroelektroniki Hybrydowej
i Rezystorów „UNITRA-TELPOD”
Kraków ul. Lipowa 4
technolog: 10.1985 - 03.1987r.
Wojskowa Szkoła Służb
Zakwaterowania
i Budownictwa, Giżycko,
03.1986 - 03.1987

6. Prof. dr hab. Zygmunt Kowalski Prof. dr hab. Władysław W. Kubiak
Akademia Górniczo-Hutnicza
im. Stanisława Staszica w Krakowie
Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
Pracownik naukowo-techniczny
od 03.1987 – 10.2003

7. Prof. E. Görlich 1956r.
Pulspolarografy PP4 (do 1995r.)
Oscylopolarografy OP5
Analizatory elektrochemiczne KCA WIMiC AGH
Potencjostat do pomiarów polarograficznych
Pulspolarografy PP3 (do 1991r.)
Oscylopolarografy OP2
Zespół:
prof. Zygmunt Kowalski
dr Jan Srzednicki
dr Jan Migdalski
dr Władysław W. Kubiak
mgr inż. Bogusław Baś

8. Cienkowarstwowa elektroda rtęciowa
1.Śruba mikrometryczna
2.Srebrne podłoże
3.Silikonowe O-ringi
4.Folia Ag (0.05 mm)
5.Kropla rtęci (20 µl)
6.Kontakt elektryczny
Polska, Austria, Czechy, Słowenia
- ponad 90 artykułów z IF
- ponad 1000 cytowanych
- 5 habilitacji
- 12 doktoratów

9. Analizator M161 ze statywem M164 (2003-2015)
ok. 50 użytkowników
Pomysły i realizacja…
Analizator 8KCA (2009)Zestaw do dydaktyki elektrochemii
(2007)
Analizator kliniczny jonów (2011)
Miernik SEM / sumator napięć (2013)
Analizator EA9
(1997)

11. Katedra Chemii Analitycznej WIMiC AGH

12. Czujnik (sensor) – fizyczne lub biologiczne narzędzie
będące najczęściej elementem składowym większego
układu, którego zadaniem jest wychwytywanie,
rozpoznawanie i rejestrowanie sygnałów z otoczenia.
Czujnik/detektor to urządzenie dostarczające informacji
o pojawieniu się określonego bodźca, przekroczeniu
wartości progowej lub o wartości rejestrowanej wielkości
fizycznej.

13. Czujniki akustyczne i wibracyjne
Czujniki motoryzacyjne
Czujniki chemiczne
Czujniki optyczne (światło, obrazowanie)
Czujniki temperatury
Czujniki masowe
Czujniki środowiskowe (pogoda, wilgotność)
Czujniki magnetyczne i radiowe
Czujniki ciśnienia
Czujniki położenia (pozycja, kąt, przemieszczenie)
Czujniki nawigacyjne
Czujniki przepływu
Czujniki siły, gęstości, poziomu
Czujniki promieniowania jonizującego
Podstawowa klasyfikacja czujników

14. wg IUPAC
- to urządzenie, które przetwarza chemiczną informację,
począwszy od stężenia określonego składnika próbki
po ogólny skład matrycy, na sygnał użyteczny analitycznie.
Czujnik chemiczny
International Union of Pure and Applied Chemistry
Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej

15. Schemat czujnika chemicznego wg IUPAC
Czujniki dostarczają informacje w jednej z wielkości elektrycznych, takich
jak: napięcie, natężenie prądu, opór elektryczny.

16. Podział czujników chemicznych
Czujnik potencjometryczny - (ogniwo elektrochemiczne) zbudowane
z elektrody wskaźnikowej i elektrody odniesienia umieszczonych
w roztworze elektrolitu. Siła elektromotoryczna (SEM) proporcjonalna
do stężenia/aktywności jonu potencjałotwórczego.
Czujnik amperometryczny - zbudowany z elektrody roboczej, elektrody
odniesienia i elektrody pomocniczej. Natężenie prądu proporcjonalne
do stężenia depolaryzatora w roztworze badanym.
Czujnik konduktometryczny - zbudowany z dwóch chemicznie
obojętnych elektrod, pomiędzy którymi przepływa prąd zmienny
(bez wymiany ładunku) proporcjonalny do stężenia jonów w roztworze.
Czujnik pojemnościowy - zbudowany z trzech elektrod, pomiędzy
którymi przepływa prąd pojemnościowy proporcjonalny do pojemności
tzw. elektrycznej warstwy podwójnej.

17. Narządy, układy narządów w organizmie człowieka
Narząd - to zespół tkanek, wzajemnie ze sobą oddziałujących
i przystosowanych do spełniania określonej funkcji w organizmie.
Układ narządów - to zespół narządów, wchodzących we wzajemne
interakcje i spełniających określone zadania w organizmie.
1) układ pokarmowy: przełyk, żołądek, wątroba, trzustka, jelita, odbyt
2) układ oddechowy: jama nosowa, krtań, tchawica, oskrzela, płuca
3) układ krwionośny: serce
4) układ hormonalny: szyszynka, przysadka mózgowa, tarczyca,
przytarczyce, grasica, trzustka, nadnercza, jądra, jajniki
5) układ wydalniczy: nerki, moczowody, pęcherz, cewka moczowa
6) układ nerwowy: mózg rdzeń kręgowy, nerwy mózgowe i rdzeniowe,
oko, ucho, kubki smakowe, receptory węchu
7) układ powłokowy: skóra
8) układ rozrodczy: żeński i męski
9) układ ruchowy: mięśnie, kości

18. Obieg krwi w systemie naczyń
krwionośnych stanowi układ
zamknięty.
Układ krwionośny człowieka
Jest odpowiedzialny za dostarczanie
tlenu i substancji odżywczych do
wszystkich narządów w organizmie
oraz usuwanie dwutlenku węgla i
prawie wszystkich produktów
przemiany materii.
W układzie krwionośnym
człowieka wyróżniamy:
krwioobieg mały (płucny)
krwioobieg duży (ustrojowy)

19. Krwioobieg mały (płucny) – z prawej
komory serca krew wypływa przez pień
płucny, który dzieli się na dwie tętnice
płucne, rozgałęziające się w płucach na
wiele drobnych naczyń włosowatych.
Naczynia włosowate płuc zapewniają
wymianę tlenu i dwutlenku węgla
miedzy płynącą w nich krwią a
powietrzem atmosferycznym.
Naczynia włosowate łączą się w duże
żyły płucne, które niosą krew bogatą w
tlen do lewego przedsionka serca.
Krwioobieg duży (ustrojowy) – stanowi
aorta, tętnice, tętniczki i naczynia
włosowate, nim z lewej komory serca,
utlenowana krew dociera do wszystkich
komórek organizmu.
Krew i produkty przemiany materii
wracają żyłą główną dolną i górna do
prawego przedsionka serca.

20. w chwili skurczu mięśnia sercowego ciśnienie
krwi osiąga swoją maksymalną wartość
– ciśnienie skurczowe,
w chwili rozkurczu mięśnia sercowego ciśnienie
krwi osiąga swoją minimalną wartość
– ciśnienie rozkurczowe.
Obie graniczne wartości ciśnienia krwi brane są
pod uwagę do oceny ciśnienia krwi człowieka.
Ciśnienie tętnicze krwi
- to siła nacisku, jaką płynąca krew wywiera na ściany tętnic.
- ma charakter zmienny, pulsujący, związany z rytmiczną pracą
serca, które wtłacza krew do aorty.
ciśnienie tętnicze zmienia się nieustannie, aby
organizm mógł pozostać w stanie równowagi.

21. W 1628r. William Harley, profesor Królewskiej Szkoły Medycznej w Londynie,
odkrył, że serce jest pompą, dzięki której krew krąży w zamkniętym układzie
naczyń krwionośnych.
W 1733r. Stephen Hales, angielski duchowny po raz pierwszy zmierzył
ciśnienie krwi, wprowadzając koniec szklanej, 3 m rurki pionowo do tętnicy
szyjnej leżącej klaczy. Krew wypełniła rurkę do wysokości 2.5 m (190 mm Hg).
W 1855r. niemiecki lekarz, Karl von Vierordt
wynalazł sfigmograf - urządzenie które
przenosiło pomiar pulsu na papier.
W 1896r. włoski lekarz, Scipione Riva-Rocci
skonstruował prototyp współczesnego
ciśnieniomierza - puls wyczuwany palcem.
W 1905r. rosyjski chirurg, Mikołaj Korotkow,
użył słuchawek lekarskich, słysząc wyraźne,
pojedyncze tony ustalił, że pierwszy,
najmocniejszy ton odpowiada skurczowi,
a ostatni, najsłabszy - rozkurczowi serca.

22. Pomiar ciśnienia tętniczego krwi
Pierwszy barometr cieczowy (Torricelli,1643r.), ciśnienie
hydrostatyczne rtęci równoważy ciśnienie atmosferyczne.
Sfigmomanometr (Karl von Basch, 1881r.) - aparat do
pośredniego pomiaru ciśnienia jakie wywiera krew na
ściany tętnic.
Nieinwazyjne określenie ciśnienia tętniczego krwi
polega na pomiarze ciśnienia powietrza w mankiecie
zaciśniętym na ramieniu lub nadgarstku.
Pierwsze tony słyszalne przy wypuszczaniu powietrza
z mankietu odpowiadają wartości skurczowej ciśnienia
krwi, wartość rozkurczowa ciśnienia określana jest w
momencie ich "wygaśnięcia„ - metoda Korotkowa
Granice: ciśnienie skurczowe do 140 mm Hg,
rozkurczowe do 90 mm Hg - mierzone w spoczynku.
Dobowe wahania ciśnienia tętniczego: 20-30 mm Hg.

23. Ciśnienie krwi w naczyniach krwionośnych ma
charakter zmienny, drgający, związany z rytmiczną
pracą serca, które wtłacza krew do aorty.

24. Spadek skurczowego ciśnienia tętniczego w nocy, w stosunku do wartości
dziennych:
>20% - to profil „extreme-dippers”
10-20% - to profil „dippers”
<10% - to profil „non-dippers”
wzrost ciśnienia (spadek <0%) to profil „reverse-dippers”
Spadek ciśnienia tętniczego w nocy

25. Transport tlenu i dwutlenku węgla w organizmie
– cykl procesów, celem których jest dostarczenie tlenu (O2) do każdej
komórki i odprowadzenie dwutlenku węgla (CO2).
Powietrze wdychane to mieszanina: azotu (N2) ≈78%, O2 ≈21%, CO2 ≈0.03%.
Wymiana O2 i CO2 pomiędzy pęcherzykami płucnymi a krwią odbywa się dzięki
różnicy ciśnień tych gazów w płucach i krwi.
Tlen wypiera wodór z hemoglobiny (HHb) i powstaje oksyhemoglobina (HbO−).
O2 + HHb → HbO− + H+
Jon H+ łączy się z jonem wodorowęglanowym (HCO3-) i powstaje kwas
węglowy (H2CO3), który pod wpływem anhydrazy węglanowej (E) rozpada się
na CO2 i wodę (H2O).
H+ + HCO3
- → H2CO3 + E → CO2 + H2O

26. - diagnostyczne badanie laboratoryjne krwi, które umożliwia rozpoznanie
i monitorowanie wymiany gazowej oraz zaburzeń równowagi kwasowo
-zasadowej organizmu.
- polega na pobraniu krwi tętniczej (z tętnicy promieniowej lub udowej)
albo krwi kapilarnej (z opuszki palca lub płatka ucha), do specjalnej
strzykawki z heparyną zapobiegającą krzepnięciu.
- warunek, krew w strzykawce nie może mieć kontaktu z powietrzem.
Gazometria – oznaczenie tlenu i dwutlenku węgla
pCO2 – ciśnienie parcjalne CO2 we krwi tętniczej – 32-45 mm Hg
pO2 – ciśnienie parcjalne O2 we krwi tętniczej – 75-100 mm Hg
SpO2 – wysycenie O2 hemoglobiny – 95-100%

27. reakcja na katodzie (Pt ): O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
reakcja na anodzie (Ag/AgCl): 4Ag + 4Cl- → 4AgCl + 4e-
po modyfikacji czujnika można oznaczać również inne gazy, takie jak:
H2S, NO, NO2, Cl2, CO, etc.
Elektroda tlenowa Clarka
- jest amperometrycznym czujnikiem, który wykorzystuje zależność mierzonego
prądu od stężenia tlenu rozpuszczonego w roztworze.

28. Średni przepływ krwi przez skórę wynosi w przybliżeniu 250 ml/m2/min.
Dla skóry uszkodzonej spada do mniej niż 30 ml/m2/min.
Po ogrzaniu skóry powyżej 400C wzrasta do nawet 2 000 ml/m2/min.
Przezskórny pomiar ciśnienia parcjalnego tlenu
- sieć naczyń mikrokrążenia skórnego tworzy dwa sploty skórne: głęboki na
ok. 1.9 mm i powierzchniowy na głębokości ok. 500 µm od powierzchni skóry.
500 µm
1.9 mm
Fotografia kapilarek tętniczo-żylnych.

29. Przedsiębiorstwo Usług i Ekspertyz Naukowo-Technicznych
„PROGRESS” Sp. z o.o. Kraków, ul. Lenartowicza 14
Projektant-konstruktor i specjalista ds. produkcji: 1988 - 1996
Zespół:
Bogusław Baś
Janusz Gołaś
Andrzej Kozakiewicz
Przezskórny pomiar ciśnienia parcjalnego tlenu - sonda tc-pO2
pO2
≈6°C
pO2
(kapilarne)
tc-pO2
tętnica
żyła
naczynia włosowate
tętniczki
naczynia włosowate
żyłki

30. Bezinwazyjny system pomiaru ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej
1991 -akceptacja Ministerstwa Zdrowia, wdrożony do produkcji

31. Przezskórny pomiar ciśnienia parcjalnego tlenu - sonda tc-pO2

32. Fluorescencja – jeden z rodzajów luminescencji – zjawisko emitowania światła
przez wzbudzony atom lub cząsteczkę.
Fluorescencja jest związana z emisją promieniowania o większej długości
fali niż długość fali promieniowania wzbudzającego.
Natężenie fluorescencji jest proporcjonalne do natężenia światła wzbudzającego.
Natężenie fluorescencji jest proporcjonalne do stężenia wzbudzonych atomów
lub cząsteczek.
Fluorescencyjny pomiar ciśnienia parcjalnego tlenu
Obrazy w promieniach UV: ryb morskich, minerałów, roztworów „normalnie” bezbarwnych:
chinina, fluoresceina, rodamina B, rodamina G.

33. Emitowane „zielone” światło przez diodę LED jest absorbowane przez
cząsteczki tlenu, które ulegają wzbudzeniu i po bardzo krótkim czasie
ok. 10-6 s wracają do stanu podstawowego „oddając” emitując światło
„czerwone”. W zależności od metody i stężenia tlenu mierzy się
natężenie lub czas do wygaśnięcia fluorescencji.
Czujnik fluorescencyjny ciśnienia parcjalnego tlenu
400 nm 700 nm

34. Pomiar ciśnienia parcjalnego tlenu - czujnik fluorescencyjny
Temp. czujnika: +37oC do +44oC
Zakres pracy: 0 do 165 mm Hg

35. – nieinwazyjna metoda przezskórnego oznaczania wysycenia krwi tlenem.
– oparta na zasadzie spektrofotometrycznego pomiaru wysycenia
(saturacji – SpO2) tlenem hemoglobiny.
– hemoglobina utlenowana (HbO2) wykazuje odmienne właściwości
optyczne niż hemoglobina odtlenowana (Hb).
– jednocześnie rejestrowana jest częstotliwość pracy serca (puls).
Pulsoksymetria
1935r. – Karl Matthes buduje pierwsze urządzenie do pomiaru saturacji krwi
- prześwietlanie tkanki małżowiny ucha.
1940r. – Glen Millikan wprowadza termin „oksymetr”.
1972r. – T. Aoyagi – udowadnia, że pulsujące zmiany w absorpcji światła
zależą wyłącznie od przepływającej krwi tętniczej.
1975r. – chirurg S. Nakajima testuje pierwsze urządzenie na pacjentach.
80. XX w. – rozwój pulsoksymetrii, budowa niewielkich urządzeń.

36. Pulsoksymetry

37. Czujnik pulsoksymetru składa się z nadajnika światła (dwie diody LED)
monochromatycznego o dwóch długościach fali i fotodetektora (fotodiody).
Transmisja światła o długości 660 nm warunkuje obecność hemoglobiny
utlenowanej [HbO2], transmisja światła o długości 980 nm determinuje
zawartość hemoglobiny odtlenowanej [Hb].
Zasady pulsoksymetrii
Analizowany jest sygnał, który występuje w fazie skurczowej serca - pomiar
saturacji krwi tętniczej a pomijana jest saturacja w naczyniach żylnych.
Widmo adsorpcji hemoglobiny
długość fali promieniowania, nm
zakres podczerwieni
Absorbancja
diody LED fotodioda

38. Źródła błędnych odczytów i ograniczenia
– lakier do paznokci - zaniża wartości saturacji
– drżenie mięśni, poruszanie się pacjenta
– bradykardia (puls < 60)
– methemoglobinemia (stęż.: [Fe3+] > [Fe2+]): np. sulfonamidy, paracetamol
– brak wystarczającej pulsacji, ucisk na tętnice
– niedokrwistość (zaniżony poziom hemoglobiny)
– tlenoterapia
– zatrucie CO2 (obecność karboksyhemoglobiny) – nałogowi palacze

39. – zespół procesów fizjologicznych umożliwiających tkankową penetrację
tlenu i usuwanie dwutlenku węgla, który:.
Oddychanie zewnętrzne
– w organizmie człowieka powstaje w tkankach w wyniku
m.in.: utleniania cukrów, tłuszczów i białek,
– odgrywa ważną rolę w utrzymaniu równowagi
kwasowo-zasadowej organizmu,
– ciśnienie parcjalne CO2 w krwi tętniczej: 40(±4) mm Hg,
w krwi żylnej: 46(±4) mm Hg.
– zwiększona zawartość CO2 we krwi określana
jest jako hiperkapnia a zmniejszona hipokapnia
> 5% CO2 - hiperkapnia i kwasica oddechowa
> 10% CO2 - drgawki, śpiączka i śmierć
> 30% CO2 - utrata przytomności po kilku
sekundach

40. Kroki milowe w monitorowaniu PCO2
1754
Joseph Black
„stałe powietrze” (CO2)
– w wydychanym powietrzu
1797
Humphry Davy
- obecność CO2
we krwi
1845 Heinrich G. Magnus
- różne stężenie CO2 we
krwi tętniczej i żylnej
1777
Antoine Lavoisier
- ciepło ze spalania
i ciepło ludzkiej skóry
ma identyczną naturę
1877 Friedrich Walter
- stężenie CO2
- ~ kwasowość krwi
1907
równanie Hendersona
[H+] x [HCO3
-] =
K x [CO2] x [H2O]
równanie Hendersona
- Hasselbalcha
1917 pH = pK + log[HCO3
-] / [CO2]
Max Cremer
- membrana szklana i
formowanie się potencjału
elektrycznego
1905
1925
Phyllis Kerridge
- elektroda pH
do krwi
1943
1924
Karl Luft
- pierwszy
kapnograf UV
Donald D. Van Slyke
- pierwsze oznaczenie CO2
1952
Epidemia Polio
- Kopenhaga
Poul Ibsen
- oznaczenie PCO2
Bjorn Ibsen
– niewydolność
oddechowa
– wysokie CO2
1959
1960
1958
1957
Richard W. Stow
- pierwsza elektroda PCO2
Severinghaus i Bradley
- pierwszy analizator gazów we krwi
Severinghaus
- pomiar CO2 przez skórę
Severinghaus
- poprawa stabilności i czułości pracy
elektrody PCO2 po dodatku NaHCO3

41. Elektroda CO2 wg Severinghausa
- jest potencjometrycznym czujnikiem, który wykorzystuje zależność siły
elektromotorycznej (SEM) klasycznej elektrody szklanej pH od stężenia
dwutlenku węgla rozpuszczonego w roztworze.
reakcja w roztworze: CO2 + H2O → H2CO3 HCO3
- + H+
reakcja na elektrodzie Ag/AgCl: Ag + Cl- → AgCl + e-
→ →→
→
Sonda PCO2

42. Monitorowanie ciśnienia parcjalnego PCO2

43. Kliniczne analizatory krwi
pH | pCO2 | pO2 | sO2 | ctHb | FO2Hb | FCOHb | FMetHb | FHHb | FHbF | cK+ |
cNa+ | cCa2+ | cCl- | cGlu | cLac | cCrea | cUrea | ctBil

44. Dziękuję Radzie Programowej UO AGH
Państwu za uwagę!!!