分光光度法方法检出限和测定下限的探讨

中国环境学会  2011年 03月31日



  魏  君  (河北省环境监测中心站,河北 石家庄 050051  电话:13703110801)
   
  摘要:准确确定方法的检出限和测定下限,是正确选定污染物的分析方法并保证监测分析结果准确可靠的前提。本文对不同实验室水中挥发酚、六价铬、砷的分光光度法的检出限和测定下限进行比较并对如何降低方法检出限和测定下限进行探讨。
  关键词:分光光度法   检出限   测定下限    降低
   
  紫外-可见分光光度法是一种广泛使用的定量分析方法。分光光度法具有有良好的准确度、精密度、灵敏度和选择性,在我国环境监测分析工作被广泛使用。在使用分光光度法进行低浓度、特别是对浓度接近方法检出的污染物检测时,为保证测定结果的精密度和准确度,应首先确定本实验室的方法测定下限和方法检出限。本文对不同实验室分光光度法测定水中挥发酚、六价铬、砷的检出限和测定下限进行了比较,对影响检出限和测定下限的因素和如何降低方法检出限和测定下限进行探讨。


  1方法检出限与测定下限


  1.1 定义
  检出限(D.L)是某特的分析方法在给定的置信度内可从样品中检测出待测物质的最小浓度或最小量。所谓“检出”是指定性检出,即判定样品中存有浓度高于空白的待测物质。方法的测定下限映出分析方法能准确定量测定低浓度水平待测物质的极限与可能性,是在测定误差能满足预定要求的前提下,用特定方法能够准确定量测定待测物质的最小浓度或量。
  计算方法
  分光光度法中,以扣除空白值后的吸光度为0.01相对应的浓度值为检出限。
  测定下限反通常以3.3倍检出浓度作为测定下限,其测定值的相对标准偏差(RSD)约为10%。


  2方法检出限与测定下限的计算和比较。
  2.1分析方法列表
  表1  分析方法列表

  序号

测定项目

分析方法

测定波长

nm

比色皿

mm

参比液

1

挥发酚

4-氨基安替比林萃取光度法

460

20

三氯甲烷

2

六价铬

二苯碳酰二肼光度法

540

30

去离子水

3

总砷

二乙基二硫代氨基甲酸银光度法

530

10

三氯甲烷


  2.2四实验室挥发酚的校准曲线以及检出限和测定下限的计算
  计算公式(《环境水质监测质量保证手册》):
  D.L=(0.01- a)/ b*v
  测定下限=3.3 D.L
  表2 挥发酚校准曲线1(承德)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

酚标准使用液ml

0.00

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

10.00

15.00

酚含量

0.00

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

10.00

15.00

A

0.043

0.070

0.023

0.169

0.252

0.339

0.460

0.663

A标-A0

0

0.008

0.021

0.046

0.091

0.186

0.280

0.375

酚标准使用液浓度    1.00µg/ml

r   0.9999

a  0.008

b   0.041

  D.L=(0.01-0.008)/(0.041×100)=0.00049mg/l
  测定下限=3.3×0.0016 mg/l
  表2 挥发酚校准曲线2(廊坊)

  管号

1

2

3

4

5

6

酚标准使用液ml

0.00

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

酚含量

0.00

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

A

0.043

0.070

0.023

0.169

0.252

0.339

A标-A0

0

0.008

0.021

0.046

0.091

0.186

酚标准使用液浓度    1.00µg/ml

r    0.9994

a 0.000393

b   0.0445

  D.L=(0.01+0.000393)/(0.0445×100)=0.0023mg/l
  测定下限=3.3×0.0023=0.0076 mg/l
  表3 挥发酚校准曲线3  (邢台)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

酚标准使用液ml

0.00

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

10.00

15.00

酚含量

0.00

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

10.00

15.00

A

0.112

0.123

0.144

0.229

0.303

0.389

0.496

0.683

A标-A0

 

0.011

0.032

0.117

0.191

0.277

0.384

0.571

酚标准使用液浓度     1.00µg/ml

r     0.9996

a     0.0028

b   0.0386

  D.L=(0.01+0.0028)/(0.0386×100)=0.0033mg/l
  测定下限=3.3×0.0033=0.011 mg/l
  表4 挥发酚校准曲线(秦皇岛)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

酚标准使用液ml

0.00

1.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

酚含量

0.00

1.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

A

0.099

0.129

0.155

0.213

0.275

0.329

0.385

A标-A0

 

0.030

0.056

0.114

0.176

0.230

0.286

酚标准使用液浓度   1.00µg/ml

r     0.9998

a     0.0043

b   0.0287

  D.L=(0.01-0.0043)/(0.0287×100)=0.002mg/l
  测定下限=3.3×0.002=0.0066 mg/l


  2.2四实验室六价铬测定的校准曲线以及检出限和测定下限的计  
  表5 六价铬校准曲线1(辛集)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

铬标准使用液(m l

0.00

0.20

0.50

1.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

铬含量(µg

0.00

0.20

0.50

1.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

A

0.005

0.0014

0.029

0.054

0.100

0.203

0.289

0.391

0.484

A标-A0

 

0.009

0.024

0.049

0.095

0.198

0.284

0.386

0.479

铬标准使用液  1.00µg/ml

r     0.9999

a     0.0038

b    0.048

  D.L=(0.01+0.0038)/(0.048×50)=0.0058mg/l
  测定下限=3.3×0.0058=0.019 mg/l
  表6 六价铬校准曲线2(石家庄)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

铬标准使用液(m l

0.00

0.20

0.50

1.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

铬含量(µg

0.00

0.20

0.50

1.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

A

0.003

0.012

0.026

0.046

0.088

0.174

0.263

0.346

0.431

A标-A0

 

0.009

0.023

0.043

0.085

0.171

0.260

0.343

0.428

铬标准使用液  1.00µg/ml

r     0.999

a     0.0004

b    0.0428

  D.L=(0.01-0.0004)/(0.0428×10)=0.00086mg/l
  测定下限=3.3 ×0.00086=0.0028 mg/l
  表7 六价铬校准曲线3(承德)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

铬标准使用液(m l

0.00

0.20

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

10.00

15.00

铬含量(µg

0.00

0.20

0.50

1.00

3.00

5.00

7.00

10.00

15.00

A

0.006

0.015

0.032

0.047

0.089

0.181

0.270

0.360

0.446

A标-A0

 

0.009

0.026

0.041

0.083

0.175

0.264

0.354

0.440

铬标准使用液  1.00µg/ml

r     0.9999

a     0.0007

b    0.044

  D.L=(0.01+0.0007)/(0.044×50)=0.00049mg/l
  测定下限=3.3×0.00049=0.016 mg/l
  表8 六价铬校准曲线4(安国)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

铬标准使用液(m l

0.00

0.20

0.50

1.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

铬含量(µg

0.00

0.40

1.00

2.00

4.00

8.00

12.00

16.00

20.00

A

0.003

0.008

0.018

0.036

0.068

0.145

0.217

0.293

0.365

A标-A0

 

0.011

0.031

0.061

0.065

0.142

0.214

0.290

0.362

铬标准使用液  2.00µg/ml

r     0.9999

a     0.0043

b    0. 0183

  D.L=(0.01+0.00375)/(0.00182×100)=0.0078mg/l
  测定下限=3.3 ×0.0078=0.026 mg/l
  2.3四实验室总砷测定的校准曲线以及检出限和测定下限的计算
  表9 总砷校准曲线1(辛集)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

砷标准使用液(m l

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

砷含量(µg

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

A

0.035

0.057

0.032

0.098

0.158

0.312

0.595

0.720

A标-A0

 

0.022

0.063

0.123

0.277

0.438

0.560

0.685

砷标准使用液  1.00µg/ml

r     0.9991

a     0.0046

b    0.028


  D.L=(0.01+0.0046)/(0.028×50)=0.010mg/l
  测定下限=3.3 ×0.010=0.033 mg/l
  表10 总砷校准曲线2(承德县)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

砷标准使用液(m l

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

砷含量(µg

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

A

0.021

0.024

0.061

0.123

0.238

0.367

0.482

0.610

A标-A0

 

0.045

0.082

0.144

0.259

0. 388

0.503

0.631

砷标准使用液  1.00µg/ml

r     0.9999

a     0.0005

b    0.024

  D.L=(0.01+0.0005)/(0.024×50)=0.0088mg/l
  测定下限=3.3×0.0088=0.029 mg/l
  表11 总砷校准曲线3(邢台)

  管号

1

2

3

4

5

6

7

8

砷标准使用液(m l

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

铬含量(µg

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

A

0.015

0.034

0.063

0.110

0.208

0.301

0.402

0.500

A标-A0

 

0.019

0.048

0.095

0.193

0.286

0.387

0.485

砷标准使用液  1.00µg/ml

r     0.9999

a     0.0013

b    0.019

  D.L=(0.01+0.0013)/(0.019×50)=0.012mg/l
  测定下限=3.3×0.012=0.040 mg/l
  表12 总砷校准曲线4(邯郸)

  管号

1

2

3

4

5

6

8

9

砷标准使用液(m l

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

铬含量(µg

0.00

1.00

2.50

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

A

0.035

0.055

0.093

0.148

0.292

0.443

0.565

0.683

A标-A0

 

0.020

0.058

0.113

0.257

0.408

0.530

0.648

砷标准使用液  1.00µg/ml

r     0.9993

a     0.0065

b    0.027

  D.L=(0.01+0.0065)/(0.027×50)=0.012mg/l
  测定下限=3.3×0.012=0.040 mg/l
  表 13 不同实验室方法检出限和测定下限的比较

  实验室

挥发酚

六价铬

总砷

检出限(mg/l

测定下限(mg/l

检出限(mg/l

测定下限(mg/l

检出限(mg/l

测定下限(mg/l

1

0.00049

0.0016

0.0058

0.0019

0.010

0.033

2

0.0023

0.0076

0.00086

0.0028

0.00088

0.0029

3

0.0033

0.011

0.00049

0.016

0.0012

0.040

4

0.002

0.0066

0.0078

0.026

0.0012

0.040

 

  3.结论:


  3.1 检出限是对待测物质定性检出,测定下限表示在误差允许范围内能准确定量定的待测物质的最小浓度。测定下限受精密度要求的限制,分析方法的精密度要求越高,测定下限高于检出限越多。在对低浓度特别是浓度在检出限附近污染物选定分析方法时,准确测定方法测定下限的尤其不可忽视。


  3.2 根据对不同实验室光度法测定水中挥发酚、六价铬、总砷的方法检出限、测定下限比较可以得出:不同实验室同一种分析方法的方法检出限和测定下限不同,有的甚至差别很大。


  3.3 对方法检出限和测定下限的探讨
  分光光度法的方法检出限与分析中所用试剂和水的空白、仪器的稳定性及噪声水平有关有关,是一个综合性计量参数。


  3.1.1 空白实验值对检出限的影响
  在《全球环境监测系统水质监测操作指南》中规定:给定置信水平为95%时,样品测定值与零浓度样品的测定值有显著差异性即为检出限。
  L=4.6σwb   
  σwb——空白平行测定(批内)标准偏差
  因此,空白值是影响方法检出限的一个重要因素。影响空白值的因素有:实验用水的质量、试剂的纯度、器皿的洁净程度、计量仪器的性能及环境条件等。
  ⑴ 实验室环境:实验室通风良好,布局合理。做到相互干扰的监测项目不在同一实验室内操作。
  ⑵ 实验用水:一般分析实验用水电导率应小于3.0µS/cm。特殊用水按有关规定制备,检验合格后使用。盛水容器定期清洗,以保持容器清洁,防止玷污而影响水的质量。
  ⑶ 化学试剂:应采用符合分析方法所规定等级的化学试剂。配制一般试液,应不低于分析纯。经常检验试剂质量,特别是显色剂,一旦发现变质、失效的试剂应及时废弃。


  3.1.2 校准曲线斜率k对检出限的影响。
  国际纯粹和应用化学联合会对检出限L做出如下规定。
  L=3sb/    
  3 ——根据90%置信水平确定的系数
  sb ——空白多次测得信号的标准偏差
  k ——方法的灵敏度(即校准曲线斜率)
  校准曲线的斜率k,即分析方法的灵敏度常随环境温度、试剂批号和贮存时间等试验条件的改变而变动。在试验条件变化,应重新绘制校准曲线,并进行曲线线性、截距、斜率检验,准确确定方法检出限,以满足监测要求,保证监测数据的精密度与准确度。


  3.1.3 显色过程的影响
  分光光度法是通过显色反应将待测组分转化为有色化合物,根据有色物质对光的吸收来确定待测物的浓度。显色反应应分布进行,反应过程中溶液的酸度、温度、显色时间等条件发生变化都将引起有色络合物的组分发生变化,从而使有色溶液发生深浅乃至色层的改变,因而引起误差。因此分析过程中应按方法要求严格控制实验条件,避免引起测定误差从而对方法检出限和测定下限产生影响。


  3.4 光度计的仪器检出限
  光度计的仪器检出限与仪器背景噪声中辨别最小响应信号相对应。不同分光光度计的仪器检出限不同,应注意不同分光光度计对方法检出限的影响。


  3.5 增加比色皿的厚度,降低方法检出限
  3.5.1 分光光度法的定量基础是朗伯-比尔定律:光的吸收与吸收层的厚度成正比。
  A=kbc     
   k——摩尔吸收系数    b——液层厚度     c——溶液浓度
  摩尔吸收系数是每种有色化合物在一定波长下的特征常数,显色物质一定,k值不变。而液层厚度b增加,溶液浓度c降低。
  在保证吸光值在0.1~0.7范围内增加比色皿的宽度来提高方法检出限(需进行方法验证)。我国现行的HJ 503-2009 《水质 挥发酚的测定 4-氨基安替比林分光光度法》、HJ 535-2009《水质 氨氮的测定》等标准中都通过增加比色皿的光程来降低方法检出限。
  由于大型自动化仪器的研发和普及,实验室在实际工作中更多使用了自动化仪器,减轻了工作量,同时节省了试剂并减少了对环境的污染,使我国的实验分析水平与世界接轨。 流动注射分析仪、原子荧光光度计、原子吸收光度计等大型仪器具有准确度、精密度高,重现性好,检出限低,检测范围大,操作简单,样品和试剂消耗量小的特点,现已逐步被应用于我国环境监测工作中。
   
  参考文献
  [1] 章亚麟等《环境水质监测质量保证手册》.化学工业出版社,1994
  [2] 何燧源 《环境污染物分析监测》. 化学工业出版社,2001
  [3] 魏复盛等 《水和废水监测分析方法第四版》. 中国环境出版社,2002
  [4] HJ/T 91-2002《地表水和污水监测技术规范》. 国家环保总局
   

 
污染防治与管理更多>>
循环经济与绿色产业发展 更多>>
低碳经济与可持续发展更多>>
中国面临的主要环境问题及对策 更多>>