分析化學(xué)中檢出限問題探討

徐金龍 劉中勇 華斌 史亞曉

(湛江出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東湛江 524022)

1 前言

檢出限是分析測(cè)試的重要指標(biāo)，對(duì)于儀器性能的評(píng)價(jià)和方法的建立都是重要的基本參數(shù)之一。在日常檢測(cè)過程中，檢出限為具體量度指標(biāo)，特別是在痕量分析中，痕量分析誤差與樣品含量相對(duì)于檢出限的倍數(shù)相關(guān)聯(lián)［1］。檢出限的確定對(duì)于分析方法的選擇具有重要意義。對(duì)檢出限的忽視有可能導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的不確定度增大。長(zhǎng)期以來，各個(gè)領(lǐng)域的檢測(cè)人員針對(duì)檢出限概念、估算方法及在各個(gè)不同領(lǐng)域的應(yīng)用都進(jìn)行了大量的探討［2－10］。像分析儀器在測(cè)定過程中存在與噪音相區(qū)別的小信號(hào)檢出問題，同時(shí)也存在著分析方法能可靠測(cè)定物質(zhì)最低含量的界限問題，這兩個(gè)概念有著本質(zhì)的不同。在實(shí)際應(yīng)用中，儀器檢出限、方法檢出限及樣品檢出限及測(cè)定下限的概念經(jīng)?；靵y。

在檢驗(yàn)檢疫行業(yè)中，進(jìn)出口產(chǎn)品的種類繁多，涉及的領(lǐng)域也是多種多樣，對(duì)檢測(cè)人員的要求高，為保障進(jìn)出口產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)服務(wù)的有效進(jìn)行，合理的使用儀器分析，科學(xué)有效的評(píng)估儀器分析，都要求在儀器的檢出限等各項(xiàng)指標(biāo)上有個(gè)清晰完整的認(rèn)識(shí)。為理清在檢出限概念和層次上的認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)檢出限的概念、分類和影響因素進(jìn)行詳盡的探討。

2 檢出限的概念

1947年，德國(guó)人Hkaiser首次提出了有關(guān)分析方法檢出限的概念，并提出檢出限和分析方法的精密度、準(zhǔn)確度一樣，也是評(píng)價(jià)一個(gè)分析方法測(cè)試性能的重要指標(biāo)。國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)于1975年正式推行使用檢出限的概念及相應(yīng)估算方法。于1998年又發(fā)表了《分析術(shù)語綱要》［11，12］對(duì)檢出限檢出，檢出限的定義為:某特定方法在給定的置信度內(nèi)可從樣品中檢出待測(cè)物質(zhì)的最小濃度或量。公式表示為:

式中:CL——檢出限;

M——標(biāo)準(zhǔn)曲線在低濃度范圍內(nèi)的斜率;

Sb——為空白標(biāo)準(zhǔn)偏差;

K——置信因子，一般取2或3。歐盟《執(zhí)行關(guān)于分析方法運(yùn)行和結(jié)果解釋的歐盟委員會(huì)指令》(2002/657/EC)的最新檢測(cè)限的概念 CCα和CCβ。檢測(cè)限(CCα)是指大于等于此濃度限，將以α誤差概率得出陽性結(jié)論。檢測(cè)能力(CCβ)是指樣品中物質(zhì)以β誤差概率能被檢測(cè)、鑒別和/或定量的最小含量。對(duì)于未建立容許限的物質(zhì)，檢測(cè)能力是以1－β可信度能被檢測(cè)出來的最低濃度。如果容許限已經(jīng)建立，檢測(cè)能力就是以1－β可信度能被檢測(cè)到的容許限濃度。

3 檢出限的不同分類

3.1 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的分類

(1)儀器檢出限:即相對(duì)于背景，儀器檢測(cè)的可靠最小信號(hào)。通常用信噪比(S/N)表示，當(dāng)S/N≥3時(shí)，定義為儀器檢出限。

(2)方法檢出限:即某方法可檢測(cè)的最小濃度。通常用外推法可以求得。即在低濃度范圍內(nèi)選三個(gè)濃度(C1、C2、C3)，對(duì)每一濃度水平分別重復(fù)測(cè)定，求出各濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)偏差S1、S2、S3，用線性回歸法做出擬合曲線，延長(zhǎng)該線與縱坐標(biāo)相交于S0(濃度為零時(shí)空白樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。3S0則定義為方法檢出限。

(3)樣品檢出限:指相對(duì)于空白可檢測(cè)的樣品的最小含量。它定義為三倍空白標(biāo)準(zhǔn)偏差，即3σ空白(或3S空白)。

3.2 國(guó)內(nèi)檢出限分類

國(guó)內(nèi)有研究人員劉菁和冉敬等［13，14］也把檢出限分類為儀器檢出限、方法檢出限和樣品檢出限 。田強(qiáng)兵［6］將檢出限分為了儀器檢出限、方法檢出限和儀器的測(cè)定下限和方法的測(cè)定下限。

4 檢出限的介紹及影響因素

4.1 儀器的檢出限

儀器檢出限是指在規(guī)定的儀器條件下，當(dāng)儀器處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，儀器本身存在著的噪音引起測(cè)量讀數(shù)的漂移和波動(dòng)。儀器檢出限的水平可對(duì)同類儀器之間的信噪比、檢測(cè)靈敏度、信號(hào)與噪音相區(qū)別的界限及分析方法進(jìn)行測(cè)量所能達(dá)到的最低限度等方面提供依據(jù)。儀器的檢出限的物理含義為:在一定的置信范圍內(nèi)能與儀器噪音相區(qū)別的最小檢測(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的待測(cè)物質(zhì)的量。通過配制一定濃度的稀溶液12份進(jìn)行測(cè)量，可用下式計(jì)算:

式中:C——樣品含量值;

DL——儀器的檢出限;

K——置信因子，一般取3;

S0——樣品測(cè)量讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差;

X——樣品測(cè)量讀數(shù)平均值。

4.2 方法的檢出限

方法的檢出限是指一個(gè)給定的分析方法在特定條件下能以合理的置信水平檢出被測(cè)物的最小濃度，它是表征分析方法的最主要的參數(shù)之一。分析方法隨機(jī)誤差的大小不但與儀器噪聲有關(guān)，而且決定了方法全過程所帶來的誤差總和，與樣品性質(zhì)、預(yù)處理過程都有關(guān)系。為了能反映分析方法在整個(gè)分析處理過程的誤差，可采用已知結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或樣品按照分析步驟進(jìn)行測(cè)量，通過分析12份已知結(jié)果的實(shí)際樣品來計(jì)算方法的檢出限，計(jì)算公式如下:

式中:CL——方法的檢出限;

Ki——置信因子，一般取3;

Si——樣品測(cè)量讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差;

C——樣品含量值;

X——樣品測(cè)量讀數(shù)平均值。

4.3 樣品檢出限

即單個(gè)樣品的檢出限，指相對(duì)于空白可檢測(cè)的樣品的最小含量。故只有當(dāng)空白含量為零時(shí)，樣品檢出限才等于方法檢出限。一方面空白含量往往不為零，由于空白含量及其波動(dòng)的存在，盡管方法檢出限通過外推法可能求得很低的濃度(或含量)，實(shí)際上樣品檢出限可能要比方法檢出限大得多;另一方面分析方法檢出限采用的是一系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，基體各不相同，因此只能是一類型樣品的平均檢出限，并非嚴(yán)格適用于單個(gè)樣品。對(duì)于單個(gè)樣品確定檢出限，必須固定樣品基體 ，即樣品檢出限的確定應(yīng)使用樣品本身，采取標(biāo)準(zhǔn)加入法作出和方法檢出限類似的曲線，使用外推法進(jìn)行計(jì)算。

正因?yàn)槿绱?，在?shí)際使用中，樣品檢出限要比方法檢出限要有意義得多。當(dāng)被測(cè)樣品種類變化或測(cè)定所用試劑和環(huán)境變化時(shí)，即使使用同一分析方法，樣品檢出限可能相差很大。在痕量分析時(shí)，測(cè)量結(jié)果的可靠性在很大程度上取決于空白值的大小及空白值的波動(dòng)情況。設(shè)Wt代表被測(cè)樣品的總值，Wb代表空白值，則被測(cè)組分的含量(Wt－Wb)與檢測(cè)可靠性的關(guān)系如表1所示(表中“σ空白”為測(cè)定分析空白時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

表1 被測(cè)組分含量分析的可靠性范圍

4.4 空白對(duì)檢出限的影響

在分析化學(xué)中，空白值可分為試劑空白、接近空白與真實(shí)空白［15］。真實(shí)空白是完全不含待測(cè)物質(zhì)，其它組分與待測(cè)樣品完全相同的一種分析樣品，且按照待測(cè)樣品的全部分析程序，測(cè)定空白試樣。但在實(shí)際分析中，許多分析工作者使用試劑空白或接近空白，試劑空白:按照真實(shí)空白的加入順序和操作方法混合本實(shí)驗(yàn)所需的全部試劑。接近空白:在試劑空白中加入檢出限2倍或3倍的待測(cè)物質(zhì)。由此可見，真實(shí)空白的基體較復(fù)雜，所以它的值高于試劑空白和接近空白。在分析中應(yīng)盡量使用真實(shí)空白，它更體現(xiàn)了體系的特征。

4.5 儀器的測(cè)定下限和方法的測(cè)定下限

檢出限只能粗略的表征體系性能，僅是一種定性的判斷依據(jù)，通常不能用于真實(shí)分析。測(cè)定下限則是痕量或微量分析定量測(cè)定的特征指標(biāo)。儀器的測(cè)定下限表示儀器進(jìn)行定量分析時(shí)所能達(dá)到的最低界限，是指在高置信度下測(cè)定物質(zhì)的最低濃度或量，其計(jì)算公式同式(2)只是一般取K=6，即DD.在高置信度下，用特定分析方法能夠準(zhǔn)確定量測(cè)定的待測(cè)物質(zhì)最小濃度或量，稱為該分析方法的測(cè)定下限。其計(jì)算公式同式(3)，計(jì)算時(shí)一般ki=10即

5 結(jié)語

當(dāng)以檢出限作為分析方法和分析儀器比較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)約定統(tǒng)一的檢出限計(jì)算方法。測(cè)定下限反映出分析方法能準(zhǔn)確地定量測(cè)定低濃度水平待測(cè)物質(zhì)的極限值。隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，痕量分析逐步成為實(shí)驗(yàn)室最主要的工作。針對(duì)痕量分析方法以及一些基本應(yīng)用理論的研究也愈發(fā)重要。因此，為適應(yīng)檢驗(yàn)測(cè)試工作實(shí)際需要 ，應(yīng)當(dāng)對(duì)檢出限的計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化統(tǒng)一，從而不斷促進(jìn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

［1］ 楊樂山，熊及滉，林萍.痕量元素分析中的隨機(jī)誤差的估計(jì)［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2002，22(2):645 － 347.

［2］ 高若梅，劉鴻皋.檢出限概念問題探討——IUPAC及其它檢出限定義的綜合探討和實(shí)驗(yàn)論證［J］.分析化學(xué)，1993，21(10):1232 －1236.

［3］ 郭秀楓.探討檢出限及其相關(guān)概念［J］.中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2005，5(3):370 － 371.

［4］ 蒲家彬，馬永安，劉彤.檢出限估算新探［J］.海洋通報(bào)，1996，15(6):76 － 81.

［5］ 陳遠(yuǎn)盤.光譜痕量分析的檢出限問題［J］.光譜學(xué)與光譜分析，1994，14(5):105 － 110.

［6］ 田強(qiáng)兵.分析化學(xué)中檢出限和測(cè)定下限的探討［J］.化學(xué)分析計(jì)量，2007，16(3):72 － 73.

［7］ 梁國(guó)立，鄧賽文，吳曉軍，等.X射線熒光光譜分析檢出限問題的探討與建議［J］.巖礦測(cè)試，2003，22(4):291 － 296.

［8］ 譚愛民，蔣海威.從實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量保證探討海水新國(guó)標(biāo)分析方法檢出限的應(yīng)用［J］.海岸工程，2003，22(4):55 － 60.

［9］ 許文.儀器檢出限和方法檢出限［J］.地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，1993，9(4):244－247.

［10］ 姚志剛.關(guān)于儀器檢出限和方法檢出限的探討［J］.地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，1997，13(2):143.

［11］ IUPAC.Pure and Applied Chemistry，1976，45:107.

［12］ IUPAC.IUPACCompendium of Analytical Nomenclature .1998.

［13］ 劉菁.淺析環(huán)境監(jiān)測(cè)化學(xué)分析中檢出限的含義［J］.環(huán)境導(dǎo)報(bào)，2003，24:25.

［14］ 冉敬，杜谷，楊樂山，等.關(guān)于檢出限定義及分類的探討［J］.巖礦測(cè)試，2008，27(2):155 －157.

［15］ 王曉鳳，劉鴻皋，王樹松.光譜分析中空白與檢出限的討論［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，1998，15(2):76 －78.