環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域方法驗(yàn)證和確認(rèn)探討

田 瑜，劉志光，付 皓

(河南省安陽(yáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，河南 安陽(yáng) 455000)

1 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，環(huán)境檢測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展。生態(tài)環(huán)境部不斷更新環(huán)境檢測(cè)方法，環(huán)境檢測(cè)機(jī)構(gòu)為提高業(yè)務(wù)能力和擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍不斷引入新的標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法。檢測(cè)機(jī)構(gòu)在使用標(biāo)準(zhǔn)方法或非標(biāo)準(zhǔn)方法時(shí)，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行方法驗(yàn)證或確認(rèn)[1，2]。生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)分析實(shí)驗(yàn)室開展方法驗(yàn)證或確認(rèn)[3～5]。盡管如此，實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行方法驗(yàn)證和確認(rèn)時(shí)仍面臨不少問題。本文主要探討實(shí)驗(yàn)室如何開展方法驗(yàn)證和確認(rèn)。

2 方法驗(yàn)證和確認(rèn)的意義

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行方法驗(yàn)證或確認(rèn)目的是為了提供客觀證據(jù)證明并保證實(shí)驗(yàn)室操作滿足標(biāo)準(zhǔn)方法或非標(biāo)準(zhǔn)方法的要求，以及該標(biāo)準(zhǔn)方法或非標(biāo)準(zhǔn)方法可以滿足實(shí)驗(yàn)室分析項(xiàng)目檢測(cè)的需求。

3 方法驗(yàn)證和方法確認(rèn)性能指標(biāo)的選擇

實(shí)驗(yàn)室在引入新標(biāo)準(zhǔn)方法時(shí)，首先要證明本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)施設(shè)備、人員及技術(shù)能力、環(huán)境條件、試劑材料、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等條件滿足該標(biāo)準(zhǔn)方法要求，能夠獲得準(zhǔn)確，可信、有效的檢測(cè)結(jié)果。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方法性能指標(biāo)的驗(yàn)證包括但不限于：校準(zhǔn)曲線、檢出限、準(zhǔn)確度、精密度、空白試驗(yàn)、測(cè)定上限、測(cè)定下限等。

非標(biāo)準(zhǔn)方法在標(biāo)準(zhǔn)方法性能指標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)方法的適用范圍、干擾因素及消除方法等因素進(jìn)行確認(rèn)。 因此方法驗(yàn)證或確認(rèn)的性能指標(biāo)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)條件來(lái)確定，至少包括表1中選擇的方法性能指標(biāo)。

此外對(duì)于不確定度的測(cè)量，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)需求確定是否需要測(cè)量不確定度。

4 方法性能指標(biāo)驗(yàn)證和確認(rèn)

4.1 檢出限

經(jīng)常被混淆的檢出限概念是儀器檢出限和方法檢出限。儀器檢出限是不考慮樣品制備和前處理過程的影響，是儀器能夠定性檢測(cè)出待測(cè)物質(zhì)的最低濃度或最小量,是區(qū)別于背景信號(hào)，儀器檢測(cè)的最小可靠信號(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。由此可以看出儀器檢出限與儀器的性能有關(guān)，用來(lái)衡量?jī)x器是否滿足實(shí)驗(yàn)要求。

方法檢出限需要按照特定的分析方法的全部處理步驟處理樣品和分析測(cè)定樣品，在給定置信度內(nèi)區(qū)別于空白試樣的被檢測(cè)出的最低濃度或最小量。由此可以看出儀器檢出限要比方法檢出限低。兩者的區(qū)別在于是否考慮樣品制備及前處理的影響。

確定方法檢出限的意義在于，當(dāng)待測(cè)物的濃度趨近于零時(shí)，該方法能否檢出該物質(zhì)。方法檢出限的具體確定步驟及計(jì)算如下。

空白實(shí)驗(yàn)中檢出目標(biāo)物質(zhì)。按照樣品分析的全步驟，重復(fù)n≥7次空白試驗(yàn)。將各次結(jié)果換算為樣品中的濃度或含量，計(jì)算n次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差，按照公式(1)計(jì)算檢出限:

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

式(1)中： t表示自由度為n-1，置信度為99%時(shí)t分布的單邊臨界值(單邊t值)，可查有關(guān)的單邊t值分布表獲得；S表示n次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

如果空白試樣中無(wú)目標(biāo)物可加適量的目標(biāo)物后，以空白加標(biāo)的樣品來(lái)測(cè)定。但是要滿足：任意測(cè)定值之間可允許的偏差范圍空白試驗(yàn)測(cè)定值的均值±1/2檢出限。

通常關(guān)于水體的方法檢出限按照上述確定即可，但是涉及土壤、沉積物、固體廢物的檢出限，實(shí)驗(yàn)室常常會(huì)面臨該如何計(jì)算方法檢出限。涉及土壤、沉積物或固體廢物中的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目檢出限的確定方法，一種是以實(shí)驗(yàn)用水加入適量的目標(biāo)物質(zhì)做空白實(shí)驗(yàn)，按照方法要求的前處理處理及測(cè)定后，再按照公式(1)計(jì)算出液態(tài)時(shí)檢出限，然后轉(zhuǎn)換成方法要求相應(yīng)稱樣量、定容體積條件下的檢出限。另一種對(duì)于土壤中重金屬項(xiàng)目檢出限用硅藻土做空白實(shí)驗(yàn)，測(cè)定土壤中監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的檢出限；對(duì)于土壤中有機(jī)物項(xiàng)目采用石英砂做空白實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于分光光度法，檢出限以扣除空白值后與0.01吸光度相對(duì)應(yīng)的濃度值為方法檢出限。對(duì)于滴定分析中，一般以滴定管最小液滴體積計(jì)算，通常為以消耗0.02mL標(biāo)準(zhǔn)溶液所對(duì)應(yīng)的濃度或者含量作為方法檢出限。

計(jì)算出檢出限后，實(shí)驗(yàn)室要對(duì)檢出限進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的檢出限值小于或等于方法所規(guī)定的檢出限時(shí)，說明該方法檢出限滿足要求。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的檢出限高于標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定的檢出限時(shí)，說明實(shí)驗(yàn)空白值不合格，存在干擾因素或試劑不合格。應(yīng)找出原因，消除干擾后，重新測(cè)定直至小于等于方法規(guī)定檢出限。

4.2 準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度常用于度量一個(gè)特定分析程序所獲得的分析結(jié)果(單次測(cè)定值或重復(fù)測(cè)定值的均值)與假定的或公認(rèn)的真值之間的符合程度。一個(gè)分析方法或分析系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是反應(yīng)該方法或該測(cè)量系統(tǒng)存在的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合指標(biāo)，它決定著這個(gè)分析結(jié)果的可靠性。

對(duì)于分析方法的準(zhǔn)確度，可采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)量法或以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)做回收率測(cè)定的方法評(píng)價(jià)分析方法和測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

(1)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)量法判定準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度用絕對(duì)誤差或相對(duì)誤差來(lái)表示。通常以重復(fù)分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以測(cè)量值的平均值與真值的偏差做比較，測(cè)定結(jié)果要在置信區(qū)間內(nèi)。

(2)用加標(biāo)回收率測(cè)定法判定準(zhǔn)確度。在樣品中加入一定量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定其回收率?；厥章视?jì)算公式如下：

(2)

加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意幾點(diǎn)：加標(biāo)物的形態(tài)應(yīng)該和待測(cè)物的形態(tài)相同；加標(biāo)量應(yīng)盡量與樣品中待測(cè)物含量相等或相近，并應(yīng)注意對(duì)樣品容積的影響；當(dāng)樣品中待測(cè)物含量接近方法檢出限時(shí)，加標(biāo)量應(yīng)控制在校準(zhǔn)曲線的低濃度范圍；當(dāng)樣品中待測(cè)物濃度高于校準(zhǔn)曲線的中間點(diǎn)時(shí)，加標(biāo)量應(yīng)控制在待測(cè)物濃度的半量；在任何情況下加標(biāo)量均不得大于待測(cè)物含量的3倍；加標(biāo)后的測(cè)定值不應(yīng)超出方法的測(cè)量上限的90%[6]。

4.3 精密度

精密度是使用特定的分析程序在受控條件下重復(fù)分析同一樣品所得測(cè)定值之間的一致程度。它反映了分析方法或測(cè)量系統(tǒng)存在的隨機(jī)誤差的大小。精密度通常用極差、平均偏差和相對(duì)平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。標(biāo)準(zhǔn)偏差在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中屬于無(wú)偏估計(jì)量而常被采用。精密度中包含重復(fù)性和再現(xiàn)性。在進(jìn)行方法驗(yàn)證或確認(rèn)時(shí)，盡可能覆蓋到重復(fù)性和再現(xiàn)性。特別是再現(xiàn)性應(yīng)盡可能地涵蓋包括人員、環(huán)境、試劑、設(shè)施設(shè)備、技術(shù)能力、其他可能存在的不可控因素等的影響。

由于分析結(jié)果的精密度與待測(cè)物質(zhì)的濃度水平及實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)，通常所做的精密度測(cè)試結(jié)果分別選用測(cè)量范圍內(nèi)的低濃度，中等濃度和高濃度三種梯度的濃度樣品進(jìn)行測(cè)定。此外由于標(biāo)準(zhǔn)偏差受次數(shù)的影響，因此最少測(cè)定6次。

4.4 校準(zhǔn)曲線

校準(zhǔn)曲線至少有6個(gè)濃度點(diǎn)(包括校準(zhǔn)零點(diǎn))。其濃度范圍應(yīng)覆蓋待測(cè)物質(zhì)的主要分布范圍。最低濃度點(diǎn)一般選在定量限附近，中間點(diǎn)盡量為待測(cè)物質(zhì)平均濃度范圍。每個(gè)濃度點(diǎn)最少測(cè)量?jī)纱?。相關(guān)系數(shù)應(yīng)符合相應(yīng)的要求。

此外繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)應(yīng)注意：應(yīng)在分析樣品的同時(shí)繪制工作曲線，并要達(dá)到質(zhì)量要求；校準(zhǔn)曲線不能相互借用；應(yīng)使用校準(zhǔn)曲線濃度范圍之內(nèi)的直線部分，不得將校準(zhǔn)曲線在高濃度端外推或在低濃度端順延使用。

4.5 適用范圍

適用范圍指方法適用的環(huán)境監(jiān)測(cè)要素和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。如方法適用環(huán)境要素是降雨、廢水、土壤、沉積物、固體廢物和環(huán)境空氣等。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如：鋅、鎳、氨氮、空氣中的VOCS、降塵等。

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)方法的確認(rèn)要說明適用環(huán)境要素、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、適用濃度范圍。必要時(shí)還需確認(rèn)不適用的范圍。

4.6 實(shí)際樣品分析

實(shí)驗(yàn)室開展方法驗(yàn)證或確認(rèn)應(yīng)包括對(duì)實(shí)際樣品的分析檢測(cè)，目的是檢驗(yàn)該方法在實(shí)際樣品中的應(yīng)用，并且發(fā)現(xiàn)在實(shí)際樣品分析中可能出現(xiàn)的干擾因素，同時(shí)針對(duì)實(shí)際樣品可能出現(xiàn)的干擾因素，進(jìn)行干擾因素消除實(shí)驗(yàn)。以確保所驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)方法可用于實(shí)際樣品的分析。

4.7 干擾因素及消除

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)方法的確認(rèn)，必須進(jìn)行干擾因素及消除實(shí)驗(yàn)，以便更好適用實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)需求。一般要對(duì)試劑基質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)溶液基質(zhì)、不含或含待測(cè)物質(zhì)接近零的樣品基質(zhì)進(jìn)行干擾因素測(cè)定，以及在上述基質(zhì)中加入可能的干擾因子進(jìn)行測(cè)定，并采取有效措施，消除干擾。針對(duì)可能存在的共存物質(zhì)，要做干擾實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)其是否存在干擾，采取措施消除干擾，并了解共存物質(zhì)最大允許濃度。干擾實(shí)驗(yàn)選擇兩個(gè)或多個(gè)待測(cè)物質(zhì)濃度和不同濃度水平的共存物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

常見的消除干擾的方法有加入基體改進(jìn)劑、消電離劑、保護(hù)劑、掩蔽劑、化學(xué)預(yù)分離等，標(biāo)準(zhǔn)加入法在一定程度上也能消除干擾。

5 異常值判斷

在進(jìn)行方法驗(yàn)證或確認(rèn)時(shí)，出現(xiàn)異常值是常見的問題，但是如何判斷一組數(shù)據(jù)中是某個(gè)或某幾個(gè)數(shù)據(jù)是否是異常值，常常令人疑惑。在環(huán)境檢測(cè)中判斷異常值[7]的方法常用的有Grubbs檢驗(yàn)法、Dixon檢驗(yàn)法、Cochran檢驗(yàn)法、偏峰度法等。本文主要介紹Grubbs檢驗(yàn)法和Dixon檢驗(yàn)法[7]。

Grubbs檢驗(yàn)法用于一組測(cè)量值的一致性和剔除一組測(cè)量值中異常值，該檢驗(yàn)法一次只能檢出一個(gè)異常值。具體計(jì)算公式見公式4。

(3)

(4)

由公式(4)計(jì)算得出第i個(gè)數(shù)(Xi)的Gi值，通過查表得到在規(guī)定檢驗(yàn)水平α所對(duì)應(yīng)的G值，一般指定檢驗(yàn)水平α為5%、1%或10%。如果Gi值小于該G值則說明Xi不是異常值，否則Xi屬于異常值，應(yīng)該剔除。

Dixon檢驗(yàn)法用于一組測(cè)定值的一致性檢驗(yàn)和剔除一組測(cè)定值中的異常值，該檢驗(yàn)方法可用于檢出一個(gè)或多個(gè)異常值。

首先將一組數(shù)據(jù)按大小順序排列：X1

(5)

(6)

通過查表得到在規(guī)定檢驗(yàn)水平α所對(duì)應(yīng)的D值，當(dāng)計(jì)算得到的高端異常值小于查表所得的D值時(shí)，則無(wú)異常值，否則Xn為異常值；計(jì)算所得低端異常值小于查表所得的D值時(shí)，則無(wú)異常值，否則X1為異常值。

當(dāng)出現(xiàn)異常值時(shí)，要重視異常值給出的信息，判斷是否存在系統(tǒng)偏差，及時(shí)找出原因，排除干擾。

6 結(jié)論

進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)方法驗(yàn)證和非標(biāo)準(zhǔn)方法的確認(rèn)是環(huán)境檢測(cè)工作的重要內(nèi)容之一,是保證環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的第一步，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)室取得資質(zhì)的重要組成。只有經(jīng)過驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)方法或確認(rèn)的非標(biāo)準(zhǔn)方法才能確定滿足實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)需求，保障實(shí)驗(yàn)室技術(shù)能力；才能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、有效性及科學(xué)性。