生物緩衝系統是維持細胞與體液 pH 恆定的物理化學基礎，其運作原理建立在弱酸解離平衡、Henderson-Hasselbalch 方程和開放系統熱力學之上。臨床上，酸鹼平衡的分析整合了動脈血氣（ABG）數據、陰離子間隙（anion gap）計算和代償機制的定量評估。
碳酸氫鹽系統的定量分析
CO₂(d) + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻
由於 H₂CO₃ 的形成極快被碳酸酐酶（CA, carbonic anhydrase）催化且 H₂CO₃ 濃度極低（H₂CO₃/CO₂ 比值 ~1:400），臨床上將 [CO₂(d)] 視為等效酸，使用表觀 pKa' = 6.1。[CO₂(d)] = α × pCO₂，其中 α = 0.03 mmol/L/mmHg（Henry's law 溶解係數）。
正常值：pH = 7.40，pCO₂ = 40 mmHg（[CO₂(d)] = 1.2 mM），[HCO₃⁻] = 24 mM。代入 HH 方程：pH = 6.1 + log(24/1.2) = 6.1 + log(20) = 6.1 + 1.3 = 7.4。
此系統的獨特優勢在於它是開放系統（open buffer system）：pCO₂ 由肺的通氣量調控（分鐘到小時的快速代償），[HCO₃⁻] 由腎的再吸收和生成調控（小時到天的慢速代償）。開放系統使有效緩衝容量遠大於封閉系統的理論預測——即使 pH 偏離 pKa 1.3 個單位，因為 CO₂ 組分可被持續移除，系統永遠不會「飽和」。
- Hemoglobin：佔全血非 HCO₃⁻ 緩衝容量的 ~80%。His-146（β chain C-terminus）的 imidazole 基團是主要緩衝位點。Deoxy-Hb 的 pKa 高於 oxy-Hb（Haldane effect 的分子基礎）——組織中 O₂ 釋放的同時 Hb 接受 H⁺，CO₂ 在紅血球內被 CA 轉化為 HCO₃⁻ 經 Cl⁻/HCO₃⁻ exchanger（band 3/AE1）排出（chloride shift）。
- 血漿蛋白：albumin（pI ~4.7）在 pH 7.4 帶負電，其 16 個 histidine 殘基提供緩衝能力。
- 骨骼：慢性代謝性酸中毒時，骨骼中的 CaCO₃ 和 Ca₃(PO₄)₂ 溶解提供鹼基——長期酸中毒的代價是骨質流失。
陰離子間隙（Anion Gap, AG）
AG = [Na⁺] - [Cl⁻] - [HCO₃⁻]，正常值 8-12 mEq/L（不校正白蛋白時 12 ± 4）。每減少 1 g/dL albumin，AG 校正值增加 ~2.5 mEq/L。
高 AG 代謝性酸中毒（HAGMA）的鑑別：MUDPILES（Methanol, Uremia, DKA, Propylene glycol, Isoniazid/Iron, Lactic acidosis, Ethylene glycol, Salicylates）。正常 AG 代謝性酸中毒（NAGMA）通常因 HCO₃⁻ 流失（腹瀉、RTA type 2）或酸排泄障礙（RTA type 1, 4）。
代償規則的定量預測
- 急性呼吸性酸中毒：每↑10 mmHg pCO₂ → [HCO₃⁻]↑1 mEq/L
- 慢性呼吸性酸中毒：每↑10 mmHg pCO₂ → [HCO₃⁻]↑3.5 mEq/L
- 代謝性酸中毒（Winter's formula）：預期 pCO₂ = 1.5[HCO₃⁻] + 8 ± 2
- 代謝性鹼中毒：每↑10 mEq/L [HCO₃⁻] → pCO₂↑6-7 mmHg
若實際代償不符預測，代表存在混合性酸鹼失衡。
Stewart 的物理化學方法（Stewart Approach）
Peter Stewart（1983）提出基於物理化學原理的替代方法，認為 pH 由三個獨立變數決定：(1) pCO₂；(2) 強離子差（SID = [strong cations] - [strong anions]，正常 ~40 mEq/L）；(3) 非揮發性弱酸總量（A_tot，主要是 albumin 和 phosphate）。HCO₃⁻ 和 H⁺ 是依變數，由水的自體解離平衡決定。此方法解釋了為何低白蛋白血症本身就是代謝性鹼中毒的原因（A_tot ↓ → H⁺ ↓ → pH ↑），傳統方法可能忽略此機制。