王晶,余建龍,張子豪,李春燕,彭瑩,肖前,劉瑩峰,鄭建國
(廣州海關(guān)技術(shù)中心,廣州 510623)
檢測機(jī)構(gòu)經(jīng)常面對數(shù)量龐大的化學(xué)樣品檢測工作。數(shù)量巨大的樣品逐個檢測的時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本均比較高,工作量相當(dāng)大。采用混樣測試可以減少定量分析中的檢測次數(shù),提高工作效率。
混樣測試分為3 種方式[1]:(1)一次混樣法。即將所有樣品組成的混合樣品進(jìn)行測試,檢驗(yàn)結(jié)果若為陰性,則所有樣品均為陰性;若為陽性,則對所有樣品逐份進(jìn)行檢測;(2)對半拆分混合法。將所有樣品均分成兩組混合樣品進(jìn)行測試,若兩組檢驗(yàn)結(jié)果均為陰性,則所有樣品均為陰性;若某一組為陽性,則對該組樣品逐份進(jìn)行檢測;(3)對半拆分與重復(fù)檢測相結(jié)合。即在對半拆分混合法中,若某組樣品為陽性,則繼續(xù)將該組樣品對半拆分,按照該方法逐次拆分檢測,直至檢出單個陽性樣品。
目前,混樣測試?yán)碚摷捌鋺?yīng)用研究在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域較為常見[2–5],常用于大人群樣本的疾病篩查[6–7],新冠病毒核酸篩查就使用了混樣檢測技術(shù),在陽性率較低的區(qū)域使用,可以節(jié)省檢測試劑盒,同時(shí)縮短篩查周期,是應(yīng)對疫情的重要檢測手段[8]。日用消費(fèi)品化學(xué)檢測領(lǐng)域僅在玩具和兒童用品中的增塑劑、紡織品中的偶氮染料[9–12]等檢測標(biāo)準(zhǔn)中有提及,要求混樣測試必須在類似材料中進(jìn)行,不同類型的材料不能進(jìn)行混樣測試。張艷娥等[13]、金國華等[14]、馬萍[15]采用數(shù)學(xué)期望公式研究了混樣測試陽性率和混樣數(shù)的關(guān)系。俞瀟瀟等[16]采用新的方法對混合樣本檢測的結(jié)果進(jìn)行預(yù)估,可以避免Sacks 氏法和Kline 氏法可信區(qū)間下限為負(fù)的不合理情況。孫慶文等[17–19]研究了最小檢測次數(shù)法和序貫抽樣法的最優(yōu)混合樣本大小,再利用反正弦變換和正態(tài)近似,建立混合樣本量與混合樣本大小之間的函數(shù)關(guān)系,并通過隨機(jī)模擬考察近似功效函數(shù)的近似程度。孫微超等[20]比較了混樣數(shù)為48 和6 的方法在血液篩查中的適用性,兩種混樣方法結(jié)果一致性較好,在遭遇突發(fā)大量采血事件或時(shí)間緊迫條件下,可考慮采用混樣數(shù)為48 的核酸檢測方式。
混樣測試可以提高檢測效率,但受檢測方法、混樣數(shù)量、樣品陽性率等因素的制約。若缺少理論基礎(chǔ),檢測機(jī)構(gòu)僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行混樣測試,將給檢測結(jié)果帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。因此通過理論推導(dǎo),建立化學(xué)樣品的混樣測試數(shù)學(xué)模型很有必要,可以明確混樣測試施行條件,確定最佳混樣數(shù)量,達(dá)到節(jié)省檢測費(fèi)用、提升檢測效率同時(shí)降低檢測風(fēng)險(xiǎn)的目的。
參考文獻(xiàn)報(bào)道,采用數(shù)學(xué)期望公式和模型推算混樣測試的效率[16–17]。根據(jù)一次混樣法,假設(shè)有n個樣品進(jìn)行混樣測試,若檢測結(jié)果為陰性,則認(rèn)為所有樣品均為陰性,檢測次數(shù)為1 次;若結(jié)果為陽性,則需要將樣品分開進(jìn)行逐個檢測,檢測次數(shù)共n+1次。
假設(shè)陽性樣品檢出率為p,則n個樣品全為陰性樣品的概率為(1–p)n,n個樣品中存在陽性樣品的概率為1–(1–p)n。設(shè)n個樣品進(jìn)行檢測的次數(shù)為ξ,則ξ的概率分布如下:
當(dāng)ξ=1 時(shí),其概率為(1–p)n;當(dāng)ξ=n+1 時(shí),其概率為1–(1–p)n。
則n個樣品檢測次數(shù)的數(shù)學(xué)期望值按式(1)計(jì)算[16]:
圖1 不同檢出率對應(yīng)的混樣數(shù)量和節(jié)省的工作量
可將檢測項(xiàng)目的過往數(shù)據(jù)作為是否適合混樣測試的評判依據(jù)。對過往數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),首先需要考慮陽性樣品檢出率、陽性樣品目標(biāo)物含量數(shù)據(jù)分布情況。當(dāng)陽性樣品含量數(shù)據(jù)分布比較集中時(shí),可以將陽性樣品含量平均值X作為其目標(biāo)物含量的期望值;當(dāng)陽性樣品含量數(shù)據(jù)分布分散時(shí),無法給出陽性樣品中目標(biāo)物含量的期望值,混樣測試出現(xiàn)假陰性的可能性較大,需要結(jié)合實(shí)際情況決定是否進(jìn)行混樣測試。
采用陽性樣品測定值的變異系數(shù)作為陽性樣品數(shù)據(jù)分布情況的量化評判標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的檢測項(xiàng)目實(shí)際情況設(shè)定變異系數(shù)的要求,當(dāng)變異系數(shù)符合要求時(shí)認(rèn)為陽性樣品含量分布集中,可以考慮混樣測試。
混樣測試結(jié)果可信必須滿足以下條件:存在單個陽性樣品時(shí),在混樣測試時(shí)檢測結(jié)果也為陽性。
而由于陽性樣品的含量x未知,可以結(jié)合過往檢測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行預(yù)估。
假設(shè)法規(guī)限量為M,過往數(shù)據(jù)平均值為X,安全系數(shù)為F。以X作為陽性樣品含量的期望值進(jìn)行計(jì)算。為避免出現(xiàn)假陰性的可能,確保超過法規(guī)限量要求的樣品檢測均為陽性。當(dāng)X<M時(shí),認(rèn)為在一定的安全系數(shù)F范圍內(nèi),陽性樣品含量不會超過法規(guī)限量,可使用X作為陽性樣品含量進(jìn)行計(jì)算,F(xiàn)可根據(jù)過往數(shù)據(jù)情況設(shè)定;當(dāng)X≥M時(shí),應(yīng)使用M作為陽性樣品含量進(jìn)行計(jì)算。
依照模型對一批次30 個涂料樣品進(jìn)行混樣測試驗(yàn)證,全部樣品經(jīng)檢測陽性率為20%,采用混樣數(shù)為3 的混樣測試,結(jié)果共檢測22 次,陽性樣品全部檢出,相比逐份樣品檢測節(jié)省了27%的工作量。
依照模型對一批次50 個部件電子電氣樣品進(jìn)行混樣測試驗(yàn)證,全部樣品檢出1 個陽性樣品,采用混樣數(shù)為11 的混樣測試,不足11 個的按剩余數(shù)量混樣,結(jié)果共檢測16 次,陽性樣品全部檢出,相比逐份樣品檢測節(jié)省了68%的工作量。
混樣測試是提高化學(xué)樣品檢測效率、降低檢測成本的重要方法之一,在許多檢測機(jī)構(gòu)中得到普遍使用。由于缺少理論指導(dǎo),沒有統(tǒng)一的混樣測試方法。通過數(shù)學(xué)期望模型推導(dǎo)混樣測試最佳混樣數(shù)量的公式,并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將檢出率小于30.8%作為判斷滿足混樣測試的前提條件,再通過模型公式計(jì)算,結(jié)合方法檢出限、法規(guī)限量等條件,建立確定混樣測試的混樣數(shù)量的模型。