——如何做好牛类动物临床液体疗法（6）
张廷青 博士 奶牛场/肉牛场运营咨询顾问
本系列文章第四篇曾提出以下问题，现答复如下：
问题：救治急性大肠杆菌临床三级乳房炎成功率极低，为什么？
答：绝大部分死亡归因于脱水和并发症，一般脱水超过体重5%临床症状才明显，所以罹病前期往往被忽视，脱水超过体重8%-10%将极度危重，救治延迟或不当就会造成死亡。救治措施的重中之重是迅速纠正脱水和重建组织灌注：通常无需纠正酸中毒或碱中毒；650公斤体重×5%=32.5升液体，有时甚至要补65升液体，只静脉注射几升根本不起作用，至少需要注射20升以上；静脉注射32-65升溶液花费时间太长，可使用10-12号针头或采血针，快速完成静脉补液，12小时后重新评估补液效果，如果需要，宜及时再补液。常用注射液：林格氏、乳酸林格氏液和0.9%生理盐水；不适合用注射液：5%葡萄糖溶液和低渗注射液。可静脉注射高渗盐水来取代静脉注射等渗溶液，旨在促使血钠水平升高而导致强烈渴欲，必须迅速补入（用大号针头，或采血针），如果太慢，则肾脏会发挥代偿功能，从而无法引致渴欲；1升高渗盐水需从瘤胃吸收20升水，每次可快速静注2升高渗盐水，渴欲时间可持续10-15分钟，所以静脉注射完毕后必须给予饮水，必要时间隔12-24小时再次重复。对卧地不起或无饮欲的重症牛可胃管灌服40-65升清水（注射高渗盐水前后均行），胃管灌服只可给予洁净普通温水（与体温等同），或灌服低渗电解液，藉以利用渗透压原理使水分容易被瘤胃吸收。
本系列文章第五篇曾提出以下问题，现答复如下：
问题：新产牛卧地不起，我们如何诊断是否为低血钾症呢？
答：缓慢静脉注射葡萄酸钙溶液，或氯化钙溶液后仍无法站立，排除急性大肠杆菌临床三级乳房炎、产后急性败血性子宫炎、重度分娩损伤（如坐骨神经损伤，或闭孔神经损伤），同时产前1-2日采食量大幅度降低，或基本废绝，可基本初诊为低血钾症。另外，如连续注射地塞米松两次，亦可造成低血钾症。
我们现在开始叙述本文。
为什么需要再次复习和更新机体酸碱平衡概念？多年来，发达国家兽医教科书，包括中国兽医教科书，均对家畜机体酸碱平衡和失衡机理做过与时俱进的精确叙述，我本人当时的确受益匪浅。然而，回顾自己逾45年的临床兽医实践，我仅仅在上世纪的1975-1976期间，于西北农业大学兽医院门诊部实习期间，见过该兽医院实验室配合收治的相关临床病例，针对性地测定过血液二氧化碳总值和碱储值。自那以后，我在国内拜访无数奶牛场期间，再未闻知任何单个患牛，为纠正酸碱失衡，静脉输液前或输液期间，曾建议是否测定一下患牛血液二氧化碳总值和碱储值。但是，对非人类的罹病畜生，给予人类病人方可享受的实验室检测技术服务，是否过于奢侈？那么，同时代发达国家的当值临床兽医又是如何做的呢？
简言之，如何正确诊疗防患牛酸碱失衡？发达国家临床兽医学正取得革命性进步。全世界所有临床兽医包括中国临床兽医在内，均非常熟悉著名的汉-哈二氏公式(Henderson-Hasselbalch Equation)，该公式于1916年提出。自那时起，基于该公式，临床应用与时俱进，如1960年提出碱基过量（BE）概念；上世纪70年代至80年代引入阴离子隙（AG）理论等等。实事求是地评价：汉-哈二氏公式极大促进了人医领域和兽医领域，如何正确诊疗酸碱失衡和电解质异常。
目前在兽医临床领域，已经发展出两项描述机体酸碱平衡可量化的机理性理化方法：分别是强离子模型（Strong Ion Model） 和简化强离子模型（Simplified Strong Ion Model）。这两项强离子模型均采用系统性研究方法获得，能够理论上明晰地区分自变量和因变量。基于此，因变量只能从外部影响系统，但不会随系统内部的变化而变化，也不能因为其它因变量的变化而变化。相反，自变量直接且有规律地受因变量的变化而变化。这种哲学语言式的叙述，的确艰涩难懂，我们以下会深入浅出介绍。那么，如何理解“理化”这一术语呢？物理化学简称理化，是研究化学现象和物理现象之间的相互关系，用物理手段，如热、功、压力、温度等的测量，来研究化学现象，以便找出化学过程中某些最具普遍性的一般规律的学科；物理化学的水平在相当大程度上反映了化学发展的深度。
本文旨在概述：
（1）汉-哈二氏公式和强离子差（Strong Ions Difference：SID）基本概念；
（2）列举百年经典汉-哈二氏公式存在哪些不足之处？
（3）如何证明汉-哈二氏公式在一定条件下，实际相当于简化强离子差公式？
（4）为临床兽医如何正确诊疗奶牛酸碱失衡，提供相关指南。
需要说明的是：因文中存在大量化学公式，为叙述清晰、准确和简洁，以及容易理解，各类离子基本均以化学元素符号表示，同时标明电荷数。
重新复习汉-哈二氏公式需要透彻理解哪些要点？汉-哈二氏公式是评估动物酸碱状态的传统方法，业已应用逾百年以上。该公式主要关注二氧化碳张力（也称二氧化碳分压：Pco2）、碳酸氢盐浓度（cHCO3-）、碳酸表观解离系数（pk1＇）的负对数和血浆二氧化碳（CO2）溶解系数（S），如何互相作用而影响血浆酸碱值（pH）。碳酸解离平衡可用公式1表示：
公式1. 碳酸解离平衡公式
Pco2↔CO2（aq）＋H2O↔H2CO3↔H HCO3-
这里的CO2(aq)表示溶解的CO2，(aq)表示水溶液。
碳酸平衡反应常用汉-哈二氏公式表示如下：
公式2. 如何评估碳酸平衡？
pH=pK1’ log10{cHCO3-/（S·Pco2）}
这里pK1＇为推荐值，在人类血液温度37℃，离子强度0.16摩尔/升（哺乳动物细胞外液），且S为0.0307[毫摩尔/升]/毫米汞柱时，其值设定为6.105。使用汉-哈二氏公式评估酸碱平衡，实际上是用pH值作为机体总体酸碱状态的衡量指标。在上述公式，Pco2作为酸碱平衡的呼吸性组分自变量指标，而血浆cHCO3-或碱过量值（BE），则作为酸碱平衡的代谢性（非呼吸性）组分衡量指标（图1）。
图1.利用传统汉-哈二氏公式（分图A）和强离子差理论（分图B）来评估酸碱平衡。汉-哈二氏公式假定血液pH依赖于呼吸系统功能和代谢系统功能，前者以Pco2表示，而后者以cHCO3-或碱过量值表示。分图A同时也明确显示了使用汉-哈二氏公式的一个基础性错误，即血液pH与cHCO3-没有依赖关系，因为cHCO3-是由血液pH和Pco2计算而得。作为对比，另一个评估酸碱平衡的强离子差方法，则也假定血液pH依赖于呼吸系统功能和代谢系统功能，前者同样用Pco2表示，而后者则以强离子差和血浆非挥发性缓冲物（Atot，如白蛋白、球蛋白和磷酸盐）浓度表示。
这儿需要说明的是：本文中常出现哈-汉二氏公式、哈-汉二氏方法、哈-汉二氏模型和哈-汉二氏理论四个术语交替使用，实际上它们的含义没有什么本质区别。同样，强离子差公式、强离子差方法、强离子差模型和强离子差理论四个术语也交替使用，它们的含义亦无本质不同。
实际cHCO3-（单位是毫摩尔/升）是运用汉-哈二氏公式，由pH和Pco2测定值、pK1＇和S经验值按公式3计算获得。
公式3. 如何计算cHCO3-？
cHCO3-=S×Pco2×10（pH-pK1＇）=0.0307×Pco2×10（pH-6.105）
这个公式假定pK1＇为固定常数，但当公式3应用于钠和血浆蛋白浓度不同的危重病牛血液时，这一假设受到质疑。
碱过量值则通过常规血气和pH分析结果，按范斯莱克公式（van Slyke）计算求得，其中血红蛋白浓度([Hb])和cHCO3-均以毫摩尔/升表示。
公式4.如何计算碱过量值？
BE=（1-0.023×「Hb」）×{cHCO3--24.4 （7.7 2.3×「Hb」）×（pH-7.40）}
标准碱过量值（SBE），也称细胞外液碱过量值（BEecf），计算公式如下，其中假定「Hb」=3.1毫摩尔/升=5克/100毫升。
公式5.如何计算标准碱过量值？
SBE=BEecf=0.93 ×{cHCO3--24.4 14.83×（pH-7.40）}
标准碱过量值可非常容易地藉助血气和pH分析结果计算求得，该值能反映患牛机体酸碱失衡状态和严重程度；但是，该值无法阐述酸碱失衡机理。逾一世纪前提出的汉-哈二氏公式，业已充分证实不但有助于理解奶牛酸碱平衡正常生理机能，亦能指导临床如何诊疗患牛酸碱失衡。藉助该公式，可将临床患牛酸碱失衡区分四类：A）呼吸性酸中毒（Pco2升高）；B）呼吸性碱中毒（Pco2降低）；C）代谢性酸中毒（cHCO3-或碱过量值降低）；D）代谢性碱中毒（cHCO3-或碱过量值升高），参阅表1。
表1. 如何诊断奶牛酸碱失衡？
有些血气分析仪测定血液样品时，其计算血浆cHCO3-采用pK1＇值6.10或6.095，而非推荐值6.105。此外，也有些血气分析仪计算碱过量值，或标准碱过量值时，也不采用公式4和5，而是采用其它公式，这无疑意味：即便pH、Pco2和[Hb]数值完全一样，但真实结果还是有差异。故而，如拟准确计算碱过量值和标准碱过量值，前提是假定血浆蛋白浓度在正常值范围内；然而，严重罹病患牛血浆蛋白浓度往往不会在正常值范围内。
运用百年经典汉-哈二氏公式诊疗酸碱失衡完全可靠吗？目前业已至少发现三项不足：
（1）该公式未解释为何异常血浆蛋白浓度会改变血液pH？
（2）该公式未解释为何成年牛摄入氯化钙（CaCl2）为致酸性？
（3）该公式未解释为何快速静脉注射0.9%氯化钠溶液、葡萄糖酸钠溶液、5%葡萄糖溶液，或林格氏溶液亦为致酸性？
这些不足自然归因于百年高龄汉-哈二氏公式，因而也就顺理成章催生出新的计算公式来解决上述三项不足，这就是“简化强离子差”计算模型。
应用强离子差计算模型的意义究竟有哪些？科学家认为，血浆pH由下述三个独立因素决定：
（1）Pco2。
（2）强阳离子差，那么强阳离子差概念是什么呢？即：血浆强阳离子（钠、钾、钙和镁）和阴离子（氯、乳酸、硫酸、酮酸、非酯化脂肪酸及其它）之间的电荷差值，这里的强阳离子和阴离子均在生理pH状态完全解离。
（3）Atot即血浆中非挥发性缓冲物浓度（白蛋白、球蛋白及无机磷酸盐）。
参阅图1，此模型pH和cHCO3-是因变量，而3个自变量（强离子差、Pco2和血浆非挥发性缓冲离子浓度）直接决定血浆pH。
图2.该蜘蛛图揭示了应用汉-哈二氏公式，血浆cHCO3-和二氧化碳张力（Pco2）两变量在231头犊牛静脉血pH值变化之间的关联，这些犊牛大多数罹患腹泻。该蜘蛛图藉系统性地改变一个输入变量（cHCO3-或Pco2），而保持其它输入变量均处于犊牛静脉血浆正常值绘就而成。犊牛静脉血浆输入变量cHCO3-正常值是29.5毫摩尔/升，以大空心圆表示；而输入变量Pco2正常值为53毫米汞柱，以空心方块表示。实心垂直和水平线显示静脉血 pH=7.38时，cHCO3-和Pco2正常值的位点。注意，个体实测值未同pH-cHCO3-曲线完全重合，说明血浆cHCO3-变化不能完全解释患犊血液pH变化。
依据这三项自变量Pco2、强离子差和Atot，科学家进而研发出了一个复杂的多项式公式来计算pH。该多项式计算出的pH（当时错误地使用氢离子浓度而不是氢离子活度）受8个因子影响，包含3个自变量和5个常数。随后其他科学家继续努力，通过代数运算和图解证明，该公式8个因子中，其中2个因子的变化，不会影响pH数值，由此又更进一步，发展出了一个6因子简化强离子差公式，参阅图1。目前，运用6因子简化强离子差公式（参阅公式6），是实践中推行强离子差分析方法的普遍选择。该公式计算pH需涉及3个自变量，分别是：Pco2、强离子差和Atot；3个常数，分别是：S，血浆碳酸表观解离常数K1＇和血浆非挥发性缓冲物有效解离常数Ka，公式6如下：
公式6. 如何运用6因子简化强离子差公式求算pH?
pH=log10（2SID/「K1 ＇S Pco2 KaAtot-KaSID √{（K1＇S Pco2 KaSID KaAtot）2-4Ka2SIDAtot}」）
如拟应用强离子差公式，需提供物种特异性相关参数，分别是血浆非挥发性弱酸总浓度（Atot），以毫摩尔/升表示，以及血浆非挥发性缓冲物有效解离常数（Ka）。业已通过实验测定出哺乳犊牛Atot值（0.343×「总蛋白克/升」，或0.622×「白蛋白克/升」）和Ka值（0.8×10-7；pKa=7.08）；理论上，成年牛上述参数值也应相同。所以，哺乳犊牛和成年牛应用强离子差公式时，应采用上述参数值。
从简化强离子差公式，即上述公式6，又逐渐衍生出数个临床分支公式。因为Pco2、强离子差，或个体非挥发性血浆缓冲物（Atot、白蛋白、球蛋白和磷酸盐）浓度变化，会导致临床重要酸碱异常发生；所以，应用强离子差公式能区分6种主要酸碱紊乱：①呼吸性酸中毒；②呼吸性碱中毒；③强离子酸中毒；④强离子碱中毒；⑤非挥发性缓冲物离子酸中毒；⑥非挥发性缓冲物离子碱中毒，参阅图3。酸血症缘于Pco2和非挥发性缓冲物浓度（白蛋白、球蛋白和磷酸盐）升高，或强离子差下降；而碱血症则缘于Pco2或非挥发性缓冲物浓度下降，或强离子差升高，参阅表1和图3。故而，由强离子差公式推导出来的6种主要酸碱异常，基本类同应用汉-哈二氏公式推导出来的4种酸碱异常情况，参阅图1和图2。
强离子差模型为临床兽医提供了一个崭新视角，能更深入透彻地了解混合酸碱异常病理生理特征及其机理。假定非挥发性缓冲物离子浓度在正常范围（正常白蛋白、球蛋白和磷酸盐浓度），那么机体强离子差与正常值的变化数值，即为碱过量值。这就意味着，既往那些临床兽医，使用传统汉-哈二氏公式和碱过量值去分析代谢组份异常，实际上都不自觉地采用了强离子差分析法来评估酸碱状态，这是因为白蛋白、球蛋白和磷酸盐的浓度，通常情况下总是处于正常范围。再有，强离子差公式能解释低蛋白血症和高蛋白血症，是如何藉助改变Atot而改变pH的；然而汉-哈二氏公式却无法解释上述问题。简化强离子差公式另一个重要且被低估的作用是：当应用于水合非蛋白溶液时，其简化了汉-哈二氏公式。由代数重新排列简化强离子差公式，即以下的公式7，则通俗易懂。
公式7. 由代数重新排列的简化强离子差公式
pH=pK1＇ log{SID-「Atot/（1 10pKa-pH）」}/（S Pco2）
在非蛋白水合溶液，Atot=0 毫克当量/升,因此，公式7约等于公式8：
公式8. 进一步简化的强离子差公式
pH=pK1＇ log{SID}/（S Pco2）
将公式8与汉-哈二氏公式（公式2）进行比较表明，简化强离子差公式为非蛋白溶液临床酸碱状态提供了一个简易计算方法（该溶液中cHCO3-=强离子差）。由此，应用于蛋白和无磷酸盐溶液时，简化强离子差公式合理地结合了汉-哈二氏公式和强离子差模型两者各自特点。临床兽医诊疗患牛酸碱异常时，往往忽略强离子差分析法，而极度偏爱经典汉-哈二氏公式；不过，需要提醒的是：他们实际应用的却是简化强离子差分析法。事实上，经典汉-哈二氏公式和新秀强离子差公式两者并不相互排斥，两者应用于非蛋白水合溶液同样有效；但两者应用于含有蛋白的溶液，如血浆时，则各不相同。
图3.该蜘蛛图揭示应用简化强离子差公式，血浆三个自变量，即强离子差（SID，以空心圆表示）、二氧化碳张力（Pco2，以空心方块表示）和非挥发性缓冲物浓度（Atot，以空心三角表示），在231头犊牛静脉血pH值变化之间的关联，这些犊牛大多数罹患腹泻。该蜘蛛图藉系统性地改变一个输入自变量（SID、Pco2或Atot），同时保持其它输入变量均处于犊牛静脉血浆正常值绘就而成。犊牛静脉血浆强离子差正常值42毫克当量/升、Pco2值53毫米汞柱、Atot值18.5毫摩尔/升。实心垂直和水平线显示静脉血 pH=7.38时，SID、Pco2和Atot各自正常值的位点。请注意，对比图2可以发现，犊牛个体数据点位于预测的pH-SID关系比pH-cHCO3，更集中在趋势线附近。这是因为，血浆蛋白浓度（也就是Atot）由于水化状态的变化而发生变化，导致血液pH随之发生变化。该图也显示了6类原发性酸碱异常：呼吸型酸中毒、呼吸型碱中毒、强离子型酸中毒、强离子型碱中毒、非挥发性缓冲物离子型酸中毒和非挥发性缓冲物离子型碱中毒，以及不同类型酸碱异常对新生犊牛血液pH的影响。请注意，强离子差的变化对血液 pH 值的相对影响最明显。
临床应用汉-哈二氏公式诊疗患牛酸碱异常究竟存在哪三项不足？（1）无法解释为何异常血浆蛋白浓度会改变血浆pH？
早至1928年，科学家就发现血浆蛋白在维持机体酸碱平衡方面的重要作用；随后的实验研究也得出了类似结论，即血浆蛋白浓度的变化会造成pH的改变。但汉-哈二氏公式（公式2）却不能对此现象作出解释。尽管弱酸（Atot）总浓度并不调控酸碱平衡，但Atot变化对于血浆pH有直接且独立的影响。公式7的简化强离子差公式，阐明了血浆蛋白浓度对于血浆pH调节的明确机制，即血浆蛋白浓度变化会直接影响Atot，进而径直导致可预测的血浆pH变化。故而，降低血浆白蛋白浓度（因此降低了非挥发性缓冲物的浓度），会增加血浆pH，参阅图3；相反，增加血浆白蛋白浓度（也就提高了非挥发性缓冲物的浓度），则会降低血浆pH。
（2）无法解释为什么摄入氯化钙会产生致酸性作用？
围产期日粮矿物质成分，会明显影响产后牛临床低血钙发病率。众所周知，一般围产前期日粮，强阳离子浓度，如钠离子（Na ）和钾离子（K ），总高于阴离子浓度，如氯离子（Cl-）和硫酸根离子（SO42-）。因而，如强阳离子被肠道吸收大幅超过对强阴离子的吸收，这种日粮会增加血浆强离子差，继之机体处于强离子碱中毒，即代谢性碱中毒。所以，正常以粗饲料为主的围产前期日粮，也被称为碱性日粮或阳离子日粮。目前，常用日粮阳阴离子差公式（DCAD），来判断奶牛日粮是碱性日粮，抑或酸性日粮，参阅公式9，相信同道们都非常熟悉。
公式9.如何判断奶牛日粮是碱性日粮，抑或酸性日粮？
DCAD=（「Na 」 「K 」）-（「Cl-」 「SO42-」）
典型围产前期日粮是：DCAD= 50- 300 毫克当量/公斤干物质，或DCAD= 5- 30毫克当量/100克干物质；DCAD为正数说明强阳离子浓度高于强阴离子浓度。
对围产期前期奶牛，饲喂酸性日粮，如DCAD=-150-0毫克当量/公斤干物质，或DCAD=-15-0毫克当量/100克干物质），可有效降低产后牛临床低血钙症，这应该是同道们亦非常熟悉的预防措施。给非泌乳牛饲喂不同致酸盐产品，每天均饲喂2摩尔，供试验牛饲喂后24小时血液pH变化很大，参阅表2。
表2. 饲喂不同致酸盐对非泌乳牛血液pH和尿液pH的影响
汉-哈二氏公式无法解释，为何不同的致酸盐会对血液pH和尿液pH产生不同的效果，也不能解释为何摄入的氯化钙具有致酸性作用。作为对比，强离子差理论假定，摄入致酸性盐会导致系统性强离子酸中毒（代谢型酸中毒），这主要归因于肠道强阳离子吸收率和强阴离子吸收率不同所致，即强阴离子如Cl-和SO42-，肠道吸收率明显高于强阳离子，如Ca2 和NH4 ，结果导致血浆强离子差下降和强离子酸中毒。
（3）无法解释为何快速静脉注射大容量0.9%氯化钠溶液会产生酸化效果？
0.9%氯化钠（NaCl）溶液快速静脉注射，将产生可预测的剂量依赖性酸血症和代谢型酸中毒，其特征是高氯血症和血浆cHCO3-减少，这种现象叫做高氯酸中毒，逾60年前业已被观察到，但是，汉-哈二氏公式当时无法充分合理解释这种现象。
传统汉-哈二氏公式以碳酸氢盐为中心的酸碱平衡观点认为，大量0.9%氯化钠溶液快速静脉注入，将造成代谢型酸中毒的主要机理是：在没有改变Pco2情况下，提高了碳酸氢盐分布容量,从而导致血浆cHCO3-（因此，由公式2可预测pH）下降。运用汉-哈二氏公式（公式2），按正常人体血液参数（pH=7.40、Pco2=40毫米汞柱、pK1＇=6.105、S=0.0307 [毫摩尔/升]/毫米汞柱），计算出cHCO3-大概是24毫摩尔/升。因此，以碳酸氢盐为中心的观点认为，快速静脉注入大容量有效cHCO3-大于24毫摩尔/升的溶液，将会导致血浆cHCO3-升高，进而诱导产生代谢性碱中毒；而静脉注入低于24毫摩尔/升（如0.9%氯化钠溶液或等渗葡萄糖酸钠溶液， 其cHCO3-=0毫摩尔/升），将会降低血浆cHCO3-，并进而造成机体代谢性酸中毒和酸血症（参阅图2）。这种机理被称为稀释性酸中毒，而这种牵强附会的解释却简单易懂、令人信服、极具迷惑性，以至大多数临床兽医满足现状、墨守成规，对探索可能导致代谢型酸中毒的其它机理失去兴趣。但是，这种高氯酸中毒，用稀释性酸中毒来解释是根本错误的。因为公式2表明：简单的稀释肯定会均等地稀释所有血浆中的酸（如碳酸和由此计算出的S·Pco2值）和碱（如cHCO3-），所以稀释不会优先造成血浆cHCO3-下降。而强离子差理论则更清楚合理地解释了高氯酸中毒机理，即静脉注射大量晶体溶液，如0.9% 氯化钠溶液或葡萄糖酸钠溶液，会改变三个影响血浆pH自变量中的2个，即强离子差和Atot。对Atot的影响是直接且可预测的剂量反应，注入容量越多，Atot下降幅度越大。因Atot下降会导致非挥发性缓冲离子碱中毒，所以溶液注入量对Atot的影响，并不能解释稀释性酸中毒机理。相反，稀释性酸中毒主要是由于输液对血浆强离子差的影响;输液对强离子差（据此推算pH）的净效应取决于注入量和注入晶体溶液中强离子差水平。静脉注射不同晶体溶液对于血液pH影响，藉绘制血液pH与不同容量和不同强离子差水平溶液之间的关系图，最容易透彻理解，参阅图4。运用简化强离子差公式，结合业已测定的人类血浆相关常数Atot（0.224×「总蛋白克/升」）和Ka（0.8×10-7），而假定这些血液参数均为正常值：pH=7.40、Pco2=40毫米汞柱、pK1＇=6.105、S=0.0307「毫摩尔/升」/毫米汞柱、总蛋白浓度=72克/升、强离子差=36毫克当量/升，那么，静脉注射以下4种溶液的效果可以计算出来,参见表3和图4。
表3. 不同静脉注射溶液的强离子差值
图4. 静脉快速注射4种晶体溶液,对人体静脉血pH理论效果图示；
强离子差定义：强阳离子电荷和强阴离子电荷之间的差值。
极限强离子差理论定义：在可代谢强阴离子，如乳酸林格氏溶液中的L型乳酸和D型乳酸，完全代谢后的最终强离子差；乳酸林格氏溶液是L型乳酸和D型乳酸的混合溶液，其中D型乳酸代谢速度明显慢于L型乳酸。图4显示了一个清晰而令人信服的实证：0.9%氯化钠溶液和5%葡萄糖溶液，以剂量依赖方式降低血浆pH。基于人类血浆正常值，静脉注射有效强离子差低于25毫克当量/升的晶体溶液，总会产生致酸性效果，而静脉注射有效强离子差高于25毫克当量/升的晶体溶液，总是产生致碱性效果；上述预测业已藉体外实验研究获得验证。
依据强离子差理论，直接得出这样的结论：以0.9%氯化钠溶液、林格氏溶液、葡萄糖酸钠溶液、5%葡萄糖溶液和甘露醇溶液，各等量快速静脉注射，均会一致性地产生相同的致酸性效果，因为所有5种溶液的强离子差均等于0毫克当量/升，参见图4。所以，应用强离子差理论能够解释：为何给狗以88毫升/公斤体重的剂量，静脉注射0.9%氯化钠溶液、5%葡萄糖溶液，或5%甘露醇溶液，均会使其血液pH产生同样降幅。图4同样也解释了：为什么以70毫升/公斤体重快速静脉注射大剂量0.9%氯化钠溶液，亦会使人体产生代谢性酸中毒；而以同样速率，静脉注射同等剂量乳酸林格氏溶液，则不会导致其血浆pH发生明显变化。
腹泻哺乳犊牛如何应用强离子差理论？前述简化强离子差公式，提供了结果统一的科学理论，该理论能毫无疑义地解释一系列观察现象。因此，藉助强离子差理论，临床兽医可全面客观评估腹泻患犊机体酸碱状态，准确分析患犊酸碱异常致病原因；同时，亦可依据计算液体疗法强离子差值和Atot值，从而实施药到病除的救治措施。此外，简化强离子差公式，远较老牌汉-哈二氏公式说服力更强，因为其解释了以前无法解释的诸多现象。尽管如此，如同所有新生事物，强离子差理论也招致了尖锐质疑，若干研究者认为强离子差理论荒唐且落伍，批评其术语具有误导性，混淆了阴离子和阳离子与酸根和碱基的基本概念；还有一些研究者讽刺地诘问：强离子差公式是否为一匹无腿骏马？且主观论断:强离子差理论相比于百年不衰的汉-哈二氏公式，在诊断方面无任何优势。类似批评令人回想奥卡姆剃刀定律（Occam's Razor），它是由14世纪英格兰逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉（William of Occam，约1285年至1349年）提出；核心概念是“如果关于同一个问题有许多种理论，每一种都能做出同样准确的预言，那么应该挑选其中使用假定最少的。”简单来说，可以将奥卡姆剃刀看作是简约模型，翻译成中文就是“大道至简”、避繁逐简；因之，前述公式4符合这一要求。
如果血浆蛋白浓度大致正常，那么没有必要使用强离子差公式，或简化强离子差公式，来取代较为简单的古典汉-哈二氏公式。这是因为古典汉-哈二氏公式3个未知量（pH、Pco2和「HCO3-」）都可藉血浆检测，即简单又能准确地获得；但是在简化强离子差公式，4个未知变量（pH、Pco2、强离子差和Atot），只有2个（pH和Pco2）可经血浆检测快速且准确地获取。然而，相比经典汉-哈二氏公式，简化强离子差公式能给临床兽医进一步认识酸碱异常的内在机理，提供富有价值的见解。因此，2005年一项针对231头哺乳犊牛（多数罹患腹泻）的研究结论非常重要，该研究发现了应用古典汉-哈二氏公式，评估酸碱异常有局限性。在这之前很多年曾错误假设：腹泻患犊血浆cHCO3-下降的主要原因：其一归因于粪便中大量碳酸氢盐丢失；其二归因于机体耗费大量缓冲物质如碳酸氢盐，去缓冲患犊内源性酸如D型乳酸或L型乳酸。应用经典汉-哈二氏公式表明，所有罹病犊牛包括腹泻患犊，其酸血症主要缘于血浆cHCO3-下降。但是，通过血浆pH和血浆cHCO3-变化相关的蜘蛛图粗略分析，虽然血浆cHCO3-变化能够解释大部分血浆pH变化，但并非全部。血浆pH-cHCO3-关系患犊个体数据点缺乏汇聚这一现象，即为最有说服力的证据，参阅图2。应用经典汉-哈二氏公式，无法诊别出伴有正常血氯或微高血氯腹泻患犊，其酸血症根源在于低血钠症；同时也忽略了高D型乳酸血症、脱水和血浆蛋白浓度升高，对酸碱平衡的影响。此外，运用经典汉-哈二氏公式分析四套数据集，其回归公式R2值，比强离子差方法R2值低0.03至0.07，表明经典汉-哈二氏公式解释能力，不如强离子差公式。相比之下，简化强离子差公式应用于患犊，为酸血症机理提供了革命性的新颖见解。具体而言，酸血症主要归因于患犊低血钠症继发的强离子差值降低，以及血浆L型乳酸浓度、D型乳酸浓度和尿毒症阴离子浓度的同步增加所致，参见图1和图3，这些都会导致血浆强离子差值低于其正常值42毫克当量/升。另外，血浆蛋白浓度增加也是酸血症促进因子，但促进程度低于强离子差；血浆蛋白浓度增加主要归因机体脱水和水分丢失。因此，强离子差理论指出，治疗腹泻患犊酸中毒的最佳方案是静脉注射1.3%碳酸氢钠溶液，这是因为1.3%碳酸氢钠有效强离子差值高达155 毫克当量/升，属于强致碱性。强离子差理论同时指出，正是碳酸氢钠中的钠，即强离子差或静脉注射液，才是纠正酸碱紊乱的定海神针。相反，经历百年沧桑的汉-哈二氏公式则认为，腹泻患犊酸血症主要归因于血浆cHCO3-值下降，也就是说碳酸氢钠中的碳酸盐才是关键。上述示例说明：尽管分析酸碱失衡应用了两种完全不同的方法，但最后的处理措施却类同，即殊途同归。深刻理解酸碱紊乱生理病理机理，可使临床兽医有的放矢地诊疗酸碱失衡和电解质紊乱。在牛类动物，应用强离子差理论业已充分证明，静脉注射高强离子差溶液成功治疗酸血症患犊的重要性；同时，计算口服补液强离子差值，亦有助于优化最佳口服溶液配方。此示例仅仅只是许多实例之一，但无容置疑证明，与强离子差理论持异议者结论恰恰相反，强离子差理论相比于老态龙钟的汉-哈二氏公式，确实诊断优势明显。
如何正确收集血液样本评估酸碱状态？如果临床主要关注点是评估酸碱紊乱的代谢组分，那么可用一个3毫升聚丙烯针管，无氧采集颈静脉血样；采样前，需用肝素钠溶液侵润针管内壁，具体操作是：将肝素钠溶液抽入针管内，侵润全部针管内壁后，再将多余的肝素钠溶液推出去。采血后，应垂直握住注射器，轻击针管让气泡聚集升浮，这样可去除血样中气泡；然后，含有气泡的少量血液要从针头挤出，藉以确保血样无任何气泡。继之，针管头端塞紧密封，藉以减少血样二氧化碳丢失，以及空气中氧气进入血样。随后，聚丙烯针管内血样储存于室温，并需在血样收集后30分钟内完成分析，这样才能使血样中Po2和pH变化降至最低。装有血样的聚丙烯针管，分析前不可置于冰水（0℃）环境，因为这有利于氧气扩散至整个针管内，从而增加血样Po2检测水平。但如血样Po2准确性非检测重点，更为关注的是血样pH，那么血样就应储存于冰水（0℃）环境，藉以最大限度减少血样pH和Pco2随着储存时间推移而发生改变，这种改变主要缘于血样中细胞代谢所致，特别是在白细胞浓度较高的血样尤为如此。但是，血样pH在室温储存环境，30分钟内不会发生改变。如果采取血样的主要目的是评估呼吸系统，那就应该采集动脉血样，所有成年牛均可自耳动脉采集；如拟采血犊牛，则需侧卧保定，自正中尾动脉或隐动脉采集，参见图5；采样操作和储存方式，比照静脉采血流程。
图5. 如何从犊牛采取隐动脉血样？
拟采血犊牛侧卧保定，上方后肢尽量向前拽拉，而下方后肢则尽量向后拽拉，充分暴露隐动脉，隐动脉位于股骨内侧，如箭头所指。
如拟分析患牛血气和酸碱状况，可使用含冻干肝素锂的部分真空采血管，自颈静脉采集血样。不过，依据北美2009年临床和实验室标准研究所颁布的血气和pH分析指南，不建议使用部分真空管采血管采集血样；原因是部分真空采血管采集的血样，其Po2会发生即时、持续和显著增长，而其Pco2则同步会发生即时、瞬态和小幅减少；同时，若将血样储存冰水环境而不是室温环境，Po2增加会进一步加剧。
如何准确测定二氧化碳总量？如患牛未伴发呼吸系统疾病，为了解其酸碱状态，一个极有用但往往忽略的筛查方法，是测定静脉血浆或血清二氧化碳总浓度（ctCO2）。ctCO2定义：血浆中可藉强酸释放的二氧化碳总量，该值可藉化学分析仪测定，也可藉常规血气分析结果计算获得；计算公式是：ctCO2=cHCO3- 溶解的二氧化碳。ctCO2浓度降低意味着代谢性酸中毒，而ctCO2浓度增加意味着代谢性碱中毒，参阅图1，这应该在我国兽医本科专业基础课专门讲授过。正式测定血样ctCO2前，业已存在的误差，可能会导致错误地解读患牛的酸碱状态。临床兽医常用玻璃或塑料真空采血管采集血样，供血浆或血清生化分析。使用部分真空采血管采样，血样会全部充满采血管，如果血样未充满，则会导致ctCO2测定结果偏低，这主要归因于血样中的二氧化碳会释放到采血管未充满空间。因此，血样采集后，因其二氧化碳丢失，会导致血浆或血清Pco2下降，继之也会导致ctCO2下降。这种血样中Pco2和ctCO2的下降，与采血管中血样本身所占容积和剩余容积比率相关。一个未被充分重视但却很重要的问题是:对于完全充满血样的真空采血管，容积大小不同的真空采血管，其空气容积和血样所占容积的比率相异，所以最终测定的ctCO2也有差异。相比于4毫升、6毫升或10毫升不同规格的塑料，或玻璃真空采血管采集血样，使用2毫升玻璃真空采血管，或2至3毫升塑料真空采血管采集血样，其空气容积与血样容积比率明显偏高，所以测定的ctCO2也会明显偏低。因而，如拟准确评估血浆或血清ctCO2，务必使用4毫升或规格更大的部分真空采血管采集血样，并尽可能装满血样，藉以使管内空气容积与血样容积比率减至最小。
如何量化未明阴离子浓度？识别未明阴离子存在，并量化血浆未明阴离子浓度，对兽医临床颇有助益。这些未明常规阴离子包括：L型乳酸、D型乳酸、β-羟丁酸、乙酰乙酸盐、硫酸盐，以及尿毒症相关阴离子。量化血清或血浆未明阴离子浓度（「UA」）有两个方法，分别是阴离子隙（Anion Gap; AG）和强离子隙（Strong Ion Gap; SIG），参见表1。
（1）阴离子隙是什么？
阴离子隙源自电中性概念，指血清中未明阴离子（UA）浓度与未明阳离子（UC）浓度之间的差值，其计算公式如下，参阅公式10：
公式10. 如何计算阴离子隙？（1）
「Na 」 「K 」 「UC」=「Cl-」 「HCO3-」 「UA」
血清钾浓度应始终包含在奶牛阴离子隙计算中，因为其血清钾浓度变化波动非常明显。故而，公式10可转换为公式11：
公式11. 如何计算阴离子隙？（2）
AG=「UA」-「UC」=（「Na 」 「K 」）-（「Cl-」 「HCO3-」）
上述公式表明，[UA]或[UC]变化均会导致AG变化。因此，AG提高能够反映：可能缘于UA提高，或可能缘于UC下降。但是，UC下降可能性很低，因为血浆钙浓度和血浆镁浓度总是比较恒定的。通常，大约三分之二的AG来自血清蛋白（主要为白蛋白）的净负电荷。因为AG主要依赖血清蛋白净阴离子电荷，因此难以提供准确手段，量化血清蛋白浓度异常患牛的未明强离子电荷。然而，当患牛总蛋白浓度大致正常时，AG确实系未明强阴离子浓度有价值的临床估计值，这些强阴离子包括L型乳酸和D型乳酸。
（2）强离子隙是什么？
强离子差理论另一临床应用价值是：只需计算强离子隙而不是AG来全方位精确推断是否存在未明强离子。强离子隙代表血清蛋白净阴离子电荷参数，相比较计算AG，强离子隙能更准确地量化那些血清蛋白异常患牛的未明强离子电荷。强离子隙数据为估计值，其反映：血浆非挥发性缓冲物，如白蛋白、球蛋白和磷酸盐；未明强阴离子浓度，如L型乳酸、D型乳酸、非酯化脂肪酸、酮酸、pH无关磷酸盐电荷、硫酸盐，及其它强阴离子；上述所有强阴离子总和，与未明强阳离子浓度如钙和镁总和之间的净强离子电荷差值。应用公式12和13计算奶牛强离子隙，单位毫克当量/升。
公式12. 如何计算强离子隙？（1）
SIG=「总蛋白」×（0.343/{1 107.08-pH}）-AG
公式13. 如何计算强离子隙？（2）
SIG=「白蛋白」×（0.622/{1 107.08-pH}）-AG
这里，总蛋白和白蛋白均以克/升表示，AG（毫克当量/升）=（「Na 」 「K 」）-（「Cl-」 [HCO3-]）。优先计算总蛋白浓度，原因是计算总蛋白和白蛋白时两者均需精确到一位小数，而总蛋白浓度大概为白蛋白浓度2倍；如此，当用总蛋白浓度计算强离子隙，强离子隙对变化敏感度是用白蛋白浓度计算的两倍。强离子隙大于0毫克当量/升，表示未明强阳离子增加（罕见发生）；而强离子隙小于0毫克当量/升，表示未明强阴离子增加，如D型-乳酸、L型乳酸或尿毒症阴离子。
尿液pH和酸碱平衡有何关联？同道们大概都有这样的临床实践经验：常常测定患牛尿液pH来评估该患牛酸碱状况。那么，这种判断办法是否靠谱呢？以下简洁答复。对于健康奶牛，获取酸碱状况最准确的方法是测量尿净排酸（Urine Net Acid Excretion; NAE），或尿净排碱（Urine Net Base Excretion; NBE）；实际上，NBE也就是NAE的负值，即NBE=-NAE。传统上，NAE计算如下述公式14：
公式14. 如何计算NAE？
NAE=TA 「NH4 」-cHCO3-
其中，TA是可滴定酸（Titratable Acidity; TA）；[NH4 ]是尿液铵离子浓度。近来，科学家们将强离子差理论也应用于分析尿液，结果证明NAE大致等于尿液强离子差；尿液强离子差实际也就是尿液中，强阳离子，如钠、钾、钙、镁，同强阴离子，氯、L型乳酸、D型乳酸、硫酸盐、酮酸等等之间的电荷差。藉尿液强离子差公式代数排列表明，尿液pH与NBE之间呈非线性关系；因此，可推导出公式15：
公式15. 如何计算尿液pH?（1）
pH=6.12 log10（NBE 「NH4 」 2.5）
公式15等效于公式16：
公式16. 如何计算尿液pH？（2）
pH=6.12 log10（「K 」 「Na 」 「Mg2 」 「Ca2 」 「NH4 」-「Cl-」-「SO42-」）
公式中所有浓度单位毫克当量/升。
公式15和16业经大量健康奶牛数据验证过。验证表明，尽管尿液pH提供了对健康奶牛系统性酸碱状态的准确评估，但只有当尿液pH大于6.3才有效。新生哺乳犊牛静脉注射氯化铵溶液，发现尿液pH与尿液强离子差关联。对于患病奶牛，不能用尿液pH去预测其机体整体酸碱状态，因为其罹病期间可能发生血清电解质异常，如伴发低钾血症和低氯血症，继之尿钾浓度和尿氯化物浓度变化出现，这些变化将直接改变尿液pH。
本文小结需要提醒某些临床兽医们，如仍故步自封、不思进取、固执拘泥于世纪经典汉-哈二氏公式，拒绝时尚强离子差理论，表面看似乎难以与时俱进，但实际上，他们诊疗酸碱失衡时，均不知觉地接受了简化强离子差理论。如果血清总蛋白、白蛋白和磷酸盐浓度大致正常，则应使用血液pH值、Pco2和BE浓度来评估奶牛酸碱状态，这是传统的汉-哈二氏公式分析法，藉首先计算碱过量值，或次之计算cHCO3-值来评估酸碱平衡代谢组分。在这种情况下，是否存在未明阴离子？需要计算阴离子隙来确定，参见表1。然而，如果血清白蛋白、球蛋白或磷酸盐浓度异常，那么，评估酸碱平衡要使用：血液pH、Pco2、已测强离子差和Atot等4项参数，这是简化强离子差分析法。此时，是否存在未明强离子？则需要计算强离子隙来确定，参见表1。
我们应该牢记本文的哪些要点？（1）百年哈-汉二氏公式可能是生物学久负盛名的古老算式，其侧重直观表象描述，并未深刻探索内在机理。
（2）血浆蛋白浓度正常时，宜采用该古老公式来评估机体酸碱状况。
（3）该古老公式无法解释为何血浆蛋白浓度异常会改变血浆pH？为何摄入氯化钙具有致酸作用？以及为何静脉快速注射大量0.9%氯化钠溶液也具有致酸作用？
（4）假定血浆蛋白浓度正常稳定不变，该古老公式实际等效于简化强离子差公式版本。
（5）简化强离子差公式系机理性酸碱模型，可为复杂酸碱紊乱提供深邃新颖见解。
（6）血浆蛋白浓度异常时，应采用简化强离子差公式来评估机体酸碱状况。
哪几点感慨需与同道们共勉？（1）毋庸置疑，发达国家临床兽医的确专业基础理论扎实，现场诊疗措施胸有成竹、有的放矢、鲜见瞎忙。
（2）我们理应奋起直追，尽速缩短与其差距，一则为了提高临床治愈率，二则便于在职业素养等同水平相互进行有效沟通和交流。
（3）液体疗法并非简单的挂瓶补水，百岁哈-汉二氏公式与新秀强离子差理论作了精彩诠释。
三例患牛实验室测定数据如何解读？依据这些数据，相应治疗原则是什么？以下三头患牛病案是北美某兽医学院高年级学生作业题，提供在此，希望同道们尝试破解。
（1）患牛1：一头4岁荷斯坦泌乳牛，体重668公斤，真胃左侧移位，诊断依据是左侧10至13肋骨间叩诊有钢管音；患牛已有四天采食不足，干物质采食量<15公斤/天，相当2.2%体重/天；无脱水症状；但有严重酮血症，血浆β-羟丁酸浓度6.8毫摩尔/升，血浆非酯化脂肪酸浓度1.2毫摩尔/升；血浆葡萄糖浓度33毫克/100毫升，相当1.8毫摩尔/升；严重酮尿；尿液乙酰乙酸浓度以半定量亚硝酸钠反应测定，>80毫克/100毫升；尿酸症，尿液pH6.0；心率72次/分钟；肛温38.3℃；呼吸频率26次/分钟；胸廓听诊呼吸音正常；瘤胃蠕动过慢，瘤胃收缩频率1次/分钟；实验室检测结果如下：
患牛1实验室检测结果
（2）患牛2：一头9日龄荷斯坦哺乳犊牛，精神虚弱明显、无食欲、因连续腹泻3天而呈现明显脱水；患犊落地后2小时内饲喂了3升初乳；心率144次/分钟；肛温35.2摄氏度；呼吸频率24次/分钟；胸廓听诊呼吸音正常；根据眼眶凹陷6毫米估计，患犊脱水程度估计为10%；实验室检测结果如下：
患牛2实验室检测结果
（3）患牛3：一头3岁荷斯坦泌乳牛，诊断为真胃扭转，依据是右侧胸廓自第八肋骨至第十三肋骨之间区域广泛存在钢管音，右腹部四分之一区域存在振水音，直检可触摸到右前方区域有一弹性巨块；患牛采食和奶量均下降已有一天，同时也存在脱水症状；无酮血症，血浆β-羟丁酸浓度=0.8毫摩尔/升；心率88次/分钟，肛温38℃，呼吸频率32次/分钟，胸廓听诊呼吸音正常；瘤胃蠕动几无，收缩频率1次/2分钟；血浆L型乳酸浓度2.6毫摩尔/升；实验室检测结果如下：
患牛3实验室检测结果
我们下期将继续论述本系列文章第七篇“如何做好牛类动物临床液体疗法（7）”，其主题内容是：如何正确做好奶牛血钠紊乱诊疗防工作？
查看张廷青老师“如何做好牛类动物临床液体疗法”系列文章
系列一：赵永锋&张廷青：如何做好哺乳犊牛液体疗法（上）？
系列二：赵永锋&张廷青：如何做好腹泻哺乳犊牛液体疗法（下）？
系列三：张廷青：如何正确诊疗预防哺乳犊牛D型乳酸中毒？
系列四：张廷青：如何做好成年牛液体疗法？
系列五：韩保付&张廷青：如何正确诊疗防奶牛低血钾症？
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