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【深度热点】让你秒懂的!方法检出限计算方法

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2018-07-04 13:50
来源:实验与分析
实验与分析
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  检出限?不就是方法检出限吗?NO!NO!NO!检出限有多种分类,不过有一点是对的:方法检出限是方法的建立都是重要的基本参数之一,今天咱们就好好聊聊方法检出限。

  长期以来,各个领域检测人员针对检出限概念、估算方法及在各个不同领域的应用均进行了大量探讨。然而在实际应用中,各种检出限概念经常混乱,计算方法也不甚了解。

  检出限(Detection Limit, DL或Limit of Detection, LOD)

  《环境水质监测质量保证手册》中对检出限的定义为:特定分析方法在给定的置信度内可从样品中检出待测物质的最小浓度或最小量。检出限是以一定的置信水平为基础的量值,并且随介质、被分析组分以及分析方法的不同而不同。

  美国自然资源办公室(DNR)以产生的信噪比大于5所对应的浓度来作为LOD,而美国水和废水标准检验法将LOD定为能产生2(或1.645)倍于空白样品分析的平均标准偏差的信号所对应的待测物浓度。

  检出限分类

  1.仪器的检出限(Instrument Detection Limit,IDL)

  是指分析仪器能够检测的被分析物的最低量或浓度,这个浓度与特定的仪器能够从背景噪音中辨别的最小响应信号相对应。比如色谱仪的检出限是产生至少2倍于基线噪音的进样量。仪器的检出限不考虑任何样品制备步骤的影响,因此,其值总是比方法的检出限要低。仪器的检出限一般不用于最终的数据报告,而主要用于数据的统计分析,以及不同仪器的性能比较。

  2.方法检出限(Method Detection Limit,MDL)

  是指在通过某一种分析方法的全部处理和测定过程之后(包括样品制备和样品测定),被测定物质产生的信号能以99%置信度区别于空白样品而被测定出来的最低浓度。方法的检出限与仪器的检出限相似,但考虑了样品分析前的所有制备过程的影响。方法的检出限是我们建立分析方法时最关心的一个参数,本文随后将对其意义及测定方法进行详细的讨论。

  3.定量限(Limit of Quantitation, LOQ)

  被测组分的浓度能产生比空白足够大的信号,这个信号能够被良好实验室在常规操作条件下以指定的置信水平定量检出,这个浓度就是定量限。一般以产生10倍试剂空白的标准偏差的信号所对应的浓度作为定量限。LOQ随介质、分析方法和分析对象的不同而不同。

  4.仪器的测定下限和方法的测定下限

  检出限只能粗略的表征体系性能,仅是一种定性的判断依据,通常不能用于真实分析。测定下限则是痕量或微量分析定量测定的特征指标。仪器的测定下限表示仪器进行定量分析时所能达到的最低界限,是指在高置信度下测定物质的最低浓度或量。在高置信度下,用特定分析方法能够准确定量测定的待测物质最小浓度或量,称为该分析方法的测定下限。

  5.应用定量限(Practical Quantitation Limit,PQL)

  是指在实际操作和常规分析上能达到的定量限,这个定量限能保证检测结果有较高的准确性(置信度> 99.9 % ) ; POL一般为MDL的3-10倍,是指能够准确测定的最低浓度,而不仅仅是能检出。

  6.报出限(Reporting limit or reporting level )

  是一个任意值,低于这个值的数据不报出。报出限可以采取统计的方法确定,也可以根据分析人员的经验和判断估计。低于报出限的结果可以以“<报出限”来表示。

  7.预估检出限(EDL)

  化学分析的范围是有极限的。下限很重要,因为它决定一个测量结果是否和零点有区别。许多专家对于这个检出限的定义有不同的意见,而且确定这个检出限是很困难的。联邦法规(40CFR, 136部分)提供了一个确定方法检出限(MDL)的流程。方法检出限是指在99%置信度下分析结果不同于零的最低浓度。一个低于方法检出限的测试结果是值得高度怀疑的。

  方法检出限是不确定的。它随试剂、仪器、分析人员及样品类型等而改变。因此,已标明的方法检出限可以作为有用的指导,但是只对于某一种特定情况才是准确的。即使使用相同的仪器、试剂和标样,每位分析人员也必须针对特定的样品确定更准确的方法检出限。

  单位0.010Abs作为每个测试的预估检出限。为了确定方法检出限,灵敏度可当作预估检出限。为了确定方法检出限,它可被当作一个适宜的起始浓度。不要把预估检出限当作方法检出限。确定方法检出限的条件一定要完全与分析条件相同。在确定方法检出限方面,预估检出限作为一个样品起始浓度点对分析者可能是有用的。低于预估检出限的测量值也可能是有价值的,因为它们代表了一种趋势,为被分析物的存在与否提供统计数据。但是,这些数据有很大的不确定度。

  接下来着重介绍一下方法检出限(MDL)

  方法检出限(MDL)的意义

  对于低浓度检测数据的报告方法一直存在较多的争议。一般倾向于以最低报出限(Minimum Reporting Level, MRL)来报告,低于MRL的结果报告为“未检出”或“< MRL"。

  因此,合理地确定MRL值对于检出限附近的低浓度结果的报告具有重要的意义。由于对MRL的定义不明确,只要测定是可靠的,实验室、分析人员或数据用户可以根据自己的理解将它定为任何可以接受的值.

  比如,从统计方法导出的MRL有采用应用定量限(PQL )的,有采用定量限(LOQ)的,有采用方法检出限(MDL)的,还有采用检出限(LOD)的。

  由于主观的因素比较多,国外的一些水质管理部门已经不再采用MRL作为低浓度检测结果的报告,而代之以方法的检出限(MDL)或修正的方法检出限。如果MDL设置太低,当被分析物的浓度在MDL附近时,由于方法不能够可靠地辨别噪音和被分析物的响应信号,出现假正值和假负值的几率就会增加,从而误导检测结果;反之,如果MDL设置太高,虽然会提高检测结果的可靠性,但对于一些限制标准很低的检测指标,比如一些有毒、有害有机物和微量元素,往往满足不了法规标准的要求,因为方法的检出限已经超过了标准的限制值。

  在提交检测报告时,报告方法的检出限,还能够提醒数据使用者该数据的不确定性和局限性。此外,检出限还是衡量不同的实验室、分析方法和分析人员效能的一个相对标准。

  方法检出限的测定方法

  方法的检出限一般采用统计的方法确定。国内目前普遍使用的是根据空白实验测定MDL,在这里主要对目前国外水质分析中比较普遍使用的一种检出限测定方法进行介绍。

  美国EPA对方法检出限的描述为:能够被检出并在被分析物浓度大于零时能以99%置信度报告的物质的最低浓度。下面介绍目前国外水质检测实验室常用的测定MDL的低浓度加标法。

  美国EPA规定,在测定MDL时,最少测定七个重复的低浓度加标样品,加标的浓度要适宜,一般为预期MDL值的1-5倍,并接照给定分析方法的全过程进行处理和测定。

  MDL的计算公式如下:

  MDL=S×t(n-1,1-a=0.99)

  式中:n=重复测定的加标样品数

  S=n次加标测定浓度的标准偏差

  t=自由度为n -1时的Student's t值(可查表得到);1-a为置信水平。

  MDL的测定步骤:

  1.分析系统的准备

  进行MDL测定的分析仪器系统必须通过了必要的质童控制检查,并运行正常。同时应保证系统的“干净”,尽量避免以前测定的样品对系统的污染。

  2.校正曲线的选择

  正确的校正曲线应夜盖被分析样品的预期浓度范围。建议校正曲线的最低浓度点取定里限附近,其余点覆盖实验室可能遇到的有代表性的样品浓度。

  3.选择合适的加标浓度

  MDL是根据同一浓度的七个或七个以上样品多次测定的精密度来确定的,而用于精密度计算的测定结果的标准偏差与浓度有关。因此,选择合适的加标浓度非常重要。按照美国EPA的方法,最佳的加标浓度为预期检出限的1-5倍;同时,加标样品的响应信号还要能够从背景噪音中分辨出来,即还要考虑信噪比(S/N)。

  由于精密度与浓度有关,计算的MDL值必须大于加标浓度的1/10,即加标浓度要小于计算的MDL的10倍,这是测定MDL时允许的样品最高浓度;另一方面,计算的MDL值不得高于加标浓度。下列不等式可用于评价计算的MDL是否合适:

  加标浓度

  4.重复样品的制备

  严格按照分析方法的要求制备和处理七个以上浓度适宜的重复加标样品。

  5.进行空白测定

  一是为了了解背景污染的情况;二是有些分析方法要求减去空白,此时最好测定两个空白结果,取平均空白值。

  6. MDL的计算

  根据上述MDL的计算公式,在计算MDL时有以下几个值得注意的地方:

  (1)标准偏差采用样本标准差s而不是总体标准差σ。

  (2)采用正确的t值;

  (3)有效数字:在计算过程中不要进行数值修约,计算到最后的结果时再根据方法的报告要求修约到合适的位数。MDL结果要往上修约,而不能往下。

  7. MDL合理性验证

  MDL值计算出来以后,需要判断其是否合理有效。这种判断除了根据分析工作者的经验以外,可以从下列五个方面来判断:

  (1)加标浓度是否超过10倍MDL值?如果是,则说明加标样品浓度太高了,需要调整以后重新测定;

  (2)MDL是否比加标浓度高?如果是,则加标浓度太低;

  (3)MDL是否能满足有关法规的要求?

  (4)信噪比是否在合适的范围?

  (5)加标样品的回收率是否合理?

  根据MDL进行数据评价时,应注意以下两点:

  (1)如果某被测物的浓度等于或低于MDL,说明该物质在样品中存在的可能性低于99%并且随着浓度值降低,置信度值急剧下降。结果以“

  (2)当检测浓度大于MDL而小于LOQ时,表明样品中存在被测物质的可能性在99%以上,但定量值的准确性存在疑问,只能确定浓度值在MDL和LOQ之间,数据值可供参考;当测定浓度大于LOQ时,样品中99%的可能性存在被测物,定量结果的置信度高,数据可以无条件报出。

  不能采用上述方法确定MDL值的几种例外

  对于水质检验中大部分检测项目和分析方法,都可以按前述的步骤来确定分析方法的检出限,但也有一些例外,不适合用这种方法确定。

  1.余氯:余氯的测定方法有电化学法、比色法和滴定法。余氯MDL值确定的难度在于标准不稳定,浓度随时间改变。应根据采用的分析方法来决定如何确定MDL。一般要求实验室的阱联甲苯胺法的MDL达到0.05mg/L。

  2.重量法测定的项目:如溶解性总固体和总残渣等项目,不宜采用前述的加标重复样测定的方法确定方法的检出限,而要根据分析天平的灵敏度来确定检出限,检出限还与所处理的样品体积有关。一般来说,合理的检出限为1.0mg/L。

  3. BOD测定:一般方法要求所测水样最低BOD5为2mg/L。

  4.滴定法测滴定法的检出限定义为在滴定中能引起化学变化所加入的最少试剂量。常用的测定方法是根据所用的滴定管或其它滴定装置所产生最小液滴的体积来计算。

  结论

  方法检出限是分析化学中质量控制的一个重要概念和参数。在水质检验中,对检出限进行概念和测定方法的规范化,对于检测数据的合理性和科学性具有重要意义,并且使同行业的数据也更有可比性。

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