检出限的涵义和计算方法＊

王艳洁，那广水，王震，徐恒振，姚子伟

（国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室，国家海洋环境监测中心，大连 116023）

检出限的涵义和计算方法＊

王艳洁，那广水，王震，徐恒振，姚子伟

（国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室，国家海洋环境监测中心，大连 116023）

介绍仪器检出限、方法检出限及样品检出限的基本定义及涵义，以气相色谱法测定海水中的十氯酮为例，进行不同方法的检出限计算，讨论了不同方法计算检出限引起的差异及计算方法中所选取参数的合理性，对如何科学使用检出限进行实验室质量控制提出了建议。

检出限；涵义；计算方法；区别

检出限（detection limit，limit of detection）是评价分析方法及测试仪器性能的重要指标，是指某一特定分析方法，在给定的显著性水平内，可以定性地从样品中检出待测物质的最小浓度或最小量。检出限可分为仪器检出限和方法检出限，考虑样品基质对方法的影响，又引申出样品检出限。

“方法检出限”、“仪器检出限”、“样品检出限”、“检测限”、“测定限”、“测定下限”、“最小检测浓度”等多种跟检出限有关的名词出现在文献［1-5］中，国内出版物对上述名词定义及使用比较混乱，造成分析工作者及文献阅读者的理解和使用困难。为了能正确理解和使用化学术语，笔者从检出限的定义及应用方面进行详细解释和说明。

国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）1997年出台的《分析术语纲要》（IUPAC Compendium of Analytical Nomenclature）中规定：“检出限以浓度（或质量）表示，是指由特定的分析步骤能够合理地检测出的最小分析信号XL求得的最低浓度cL（或质量qL）”。“检出”是指定性检出，即判定样品中存在浓度高于空白的待测物质。检出限仅仅是一种定性判断依据，而不是可以定量检出待测物质的浓度。

仪器检出限（instrument detection limit ）指分析仪器能够检测的被分析物的最低量或最低浓度，是在仪器正常工作条件下，仪器自身噪音引起测量读数的飘移和波动。其物理含义是指在一定的置信范围内能与仪器噪音相区别的最小检测信号对应的浓度值。仪器检出限表明仪器自身检出能力，是与信噪比有关的指标［6］，是相对于某一待测组分的灵敏度；仪器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及不同仪器的性能比较［7］。

方法检出限（method detection limit）是某分析方法可检测的待测元素的最小浓度或含量，该过程包括样品的全部处理和测定，即样品制备和测定。方法检出限反映了分析方法的检出灵敏度，也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，是分析化学中质量控制的一个重要概念和参数。方法检出限一般需要在最终的数据报告中提供，用于表示该数据的不确定性和局限性［7］。

样品检出限，相对于空白可检测样品的最小含量。样品检出限定义为测量信号等于空白溶液测量信号标准偏差3倍时的样品浓度。样品检出限不仅与方法检出限有关，而且与空白中空白含量及空白波动情况有关。考虑到样品基质的干扰，针对不同类型的样品基质，同一种测试方法会具有不同的样品检出限。通常情况下，样品检出限要比方法检出限大。样品检出限具有针对性和实用性，是样品测试一个重要的质控指标，也可用于不同实验室或不同分析方法测定同一类型样品的优劣比较。

目前，化学分析实验室仪器检出限、方法检出限及样品检出限的计算无标准可参考，且不少分析工作者不能正确理解检出限的涵义，不能准确把握利用不同方法计算检出限所得结果及所采用方法的科学性。笔者对不同计算方法所选取的参数涵义及所得结果进行讨论，供分析工作者参考。

1 计算方法

对于检出限，不同的行业、不同的国家有不同的统计方法和计算方法。一般采用3倍于空白值的标准偏差作为检出限的估计值。下面以气相色谱法测定海水中十氯酮为例进行检出限的计算及比较。

1.1 依据IUPAC定义计算

IUPAC定义检出限的计算公式如下：

式中：xL——检出限；

xb1——空白均值；

k——与置信度有关的常数；

sb1——空白值标准偏差；

cL——最低检出浓度；

S——低浓度（量）时的灵敏度，即标准工作曲线在低浓度范围内的斜率；

qL——最低检出质量。

1.1.1 仪器检出限

仪器检出限取决于仪器噪音。以气相色谱法测定海水中的十氯酮为例，仪器检出限为在固定的仪器条件下，具电子捕获检测器的气相色谱仪对十氯酮的响应灵敏度。

根据IUPAC定义计算仪器检出限，依据公式(1)及公式(2)可求出该方法的仪器检出限。

根据公式要求，需要进行如下实验设计及计算：（1）以十氯酮定容溶剂（不含十氯酮标准）为空白，对该空白用色谱仪测定20次，求20次空白信号的平均值（；2）计算空白信号值的标准偏差sb1（；3）设定k值（；4）测定1 μg／L和2 μg／L十氯酮标准溶液（两溶液浓度均低于十氯酮标准曲线线性范围最低浓度5 μg／L，但均有明显的信号响应），并根据响应信号计算低浓度时的灵敏度S；（5）根据公式(2)计算仪器检出限，该检出限可以为浓度单位，亦可根据进样量推算为质量单位。

1 μg／L和2 μg／L十氯酮标准溶液对应的色谱峰高分别为654 μV和931 μV。根据表1中仪器空白值及标准信号值计算式(1)～(3)中各参数值，结果见表2。由表2可知，气相色谱法测定十氯酮的仪器检出限为0.041 pg。

表1 仪器空白信号值

表2 仪器检出限各参数值

1.1.2 方法检出限

方法检出限取决于仪器灵敏度及分析方法的回收率。气相色谱法测定海水中的十氯酮，方法检出限为在固定的仪器条件下海水中十氯酮经过二氯甲烷萃取、浓硫酸净化、旋转蒸发浓缩后采用具电子捕获检测器气相色谱仪器测定时十氯酮被仪器检出的能力。

根据IUPAC定义，依据公式(1)及公式(2)计算方法检出限。

根据公式要求，需要进行如下实验设计及计算：（1）以实验室超纯水为空白样品，将该空白样品（20份）进行二氯甲烷萃取、硫酸净化、浓缩定容后平行测定，计算20次空白信号平均值；（2）计算空白信号值的标准偏差sb1；（3）设定k值；（4）向空白样品中添加十氯酮标准品使其浓度分别为2，5 ng／L，进行样品测定，根据对应测试结果计算低浓度含量时的灵敏度，即曲线斜率S；（5）根据式(2)计算方法检出限，该检出限为浓度单位。

2 ng／L和5 ng／L十氯酮加标样品溶液对应的峰高分别为420，753 μV。根据表3中的方法空白信号值及标准信号值计算式(1)～(3)中的各参数值，结果见表4。由表4可知，气相色谱法测定十氯酮的方法检出限为0.60 ng／L。

表3 方法空白信号值

表4 方法检出限各参数值

1.1.3 样品检出限

样品检出限除受仪器灵敏度、分析方法回收率影响外，主要取决于样品基质的干扰。气相色谱法测定十氯酮的样品检出限，主要取决于样品的类型。不同类型的样品基质不同，导致回收率的差异，样品检出限也有所不同。一般来讲，基质越复杂，干扰越多，回收率越低，样品检出限会越高。

气相色谱法测定沉积物及生物中的十氯酮，样品检出限为在固定的仪器条件下，沉积物、生物样品中十氯酮经过二氯甲烷萃取、浓硫酸净化、旋转蒸发浓缩后，采用具电子捕获检测器的气相色谱仪器测定时十氯酮被仪器检出的能力。

根据IUPAC定义，依据公式(1)及公式(2)求出沉积物、生物样品的检出限。

根据公式要求，需要进行如下实验设计及计算：（1）分别以石英砂、经二氯甲烷萃取过的鱼肉为空白样品（各20份），经过二氯甲烷萃取、硫酸净化、浓缩定容后进行平行测定，求出20次空白信号的平均值；（2）计算空白信号值的标准偏差sb1；（3）设定k值；（4）空白样品中分别添加2，5 ng十氯酮标准品后进行测定，根据对应结果计算低浓度含量时的灵敏度，即曲线斜率S；（5）根据公式(2)计算样品检出限，该样品检出限为浓度单位。

计算得沉积物样品中十氯酮的检出限为0.12 ng／g；生物样品中十氯酮的检出限为0.10 ng／g。

1.2 其它计算方法

1.2.1 仪器检出限

（1）GB／T 5009.1-2003［8］规定方法

GB／T 5009.1-2003规定色谱法的检出限DL计算公式为：

式中：S——仪器噪音的3倍，即仪器能辨认的最小物质信号，μV；

b——标准曲线回归方程的斜率，μV／pg。

气相色谱法测定十氯酮时仪器噪音为23.7 μV，以进样量x（pg）为横坐标，以峰高y（μV）为纵坐标拟合十氯酮的标准曲线方程为y =353.2x +55，b=353.2 μV／pg，则按(4)式可计算出十氯酮的仪器检出限为0.20 pg。

（2）JJG 700-1999［9］规定方法

JJG 700-1999规定气相色谱检出限计算公式如下：

式中：D——检出限，g／mL；

N——基线噪音，N=23.7×10–3mV；

W——十氯酮进样量，W=1×10–12g；

A——十氯酮色谱峰面积，A=0.102 mV·min；

Fc——载气流速，Fc=1.0 mL／min。

计算得仪器检出限为0.46 pg。

1.2.2 方法检出限

（1）一般方法

通常采用样品加标方式测定并计算，加标样品经过前处理后进行测定，十氯酮检测信号为3倍基线噪音时的添加浓度为该方法检出限（MDL）。

实验设计步骤：①根据标准曲线和仪器检出限估算样品添加浓度，该添加浓度高于仪器检出限，在工作曲线最小点附近；②以实验室纯水为空白样品，加入低浓度十氯酮标准溶液c0(ng／L)；③将空白样品和加标样品进行处理后测定，获取信号值

x0(μV)，xadd(μV)和基线噪音N(μV)。根据式(6)计算方法检出限：

依据上述步骤，实验室测定方法检出限为0.84 ng／L。

（2）EPA(美国环保局)方法［10］

美国EPA对方法检出限的描述：能够被检出并在被分析物浓度大于零时以99%置信度报告的物质的最低浓度。

EPA规定方法检出限的计算程序：n份空白样品加入低浓度标准溶液，该浓度一般为估计方法检出限的1～5倍，样品经过测定，根据平行样品分析结果的标准偏差计算方法检出限。具体公式如下：

式中：s—— 加标样品测试结果的标准偏差；

t—— 自由度为n-1时的Student’s值，可查t值表得到，当n=7时，在99%置信区间（α=0.01）下，t=3.14；

n—— 加标样品数量，n≥7。

将实验数据代入式(7)，计算得实验室测定方法检出限为0.80 ng／L。

（3）其它方法

文献中有其它多种方法检出限的计算方法，多为实验室内部自定义方法。

林国斌［11］采用配制1份浓度接近于空白值的标准溶液，测量20次以上，得到平均信号，求出测量信号的标准偏差sb，按式(8)计算检出限DL：式中：k——置信因子，一般k=3；

c——加标浓度，一般取预期方法检出限的1～3倍；

X——样品测定信号平均值。

许文［6］采用分析10份已知含量的样品，根据测试结果的标准偏差计算方法检出限DL。计算公式为：

式中：k——常数，k=6；

sc——以含量表示的平行样品测试结果的标准偏差。

张国成［12］和李海峰［13］采用式(10)计算检出限：

式中：Nd——基线噪音；

W——测定浓度；

A——色谱峰面积。

2 结论

检出限是分析质量控制的一个重要概念和参数，目前分析实验室无统一方法进行检出限计算。

检出限仅仅是一种定性的判断依据，是粗略表征测试体系性能的概念，通常不能用于真实分析，而常用于仪器比较及方法比对。在环境监测化学分析中，采用仪器检出限和方法检出限作为分析报告结果内容，很难准确判断该方法或者该结果的真实性和可靠性。因此得出如下结论：

（1）在采用方法检出限提交报告时，建议进行该检出限不确定度的评定，使得数据使用者能全面了解数据结果；

（2）样品检出限和定量检测下限作为更现实更科学的概念和参数，应被进一步探索和研究，以提高检测结果的可靠性和准确性，更好地进行实验室质量控制。

［1］ 察冬梅.浅议灵敏度、检出限和测定限［J］.大学化学，2011，26(4): 84-86.

［2］ Compendium of Analytical Nomenclature.2012-07-02.http://old. iupac.org/publications/analytical_compendium

［3］ 张鹏翔.色谱分析中检出限和测定下限及其确定方法［J］.内蒙古科技与经济，2009(6): 62-63.

［4］ 田强兵.分析化学中检出限和测定下限的探讨［J］.化学分析计量，2007，16(3): 72-73.

［5］ 高若梅，刘鸿皋.检出限概念问题讨论［J］.分析化学，1993，21(10): 1 232-1 236.

［6］ 许文.仪器检出限和方法检出限［J］.地质实验室，1993，9(4): 244-247.

［7］ 刘丽君，张秀忠，陆坤明.水质分析中的检出限及其确定方法［J］.净水技术，2003，22(1): 37-39.

［8］ GB／T 5009.1-2003 食品卫生检验方法理化部分：总则［S］.

［9］ JJG 700-1999 气相色谱［S］.

［10］ Environmental Protection Agency. OPEN-FILE REPORT 99-193 NEW reporting procedures based on long-term method detection levels and some considerations for interpretations of water-quality data provided by the u.s. geological survey national water quality laboratory［R］.

［11］ 林国斌，林麟，杨艳.化学污染物监测中方法检出限及其确定方法［J］.海峡预防医学杂志，2011，17(2): 61-63.

［12］ 张国城.液相色谱检出限的推导与讨论［J］.中国计量，2010(5): 77-79.

［13］ 李海峰.检出限几种常见计算方法的分析和比较［J］.光谱实验室，2010，27(6): 2 465-2 468.

Connotation and Calculation Methods of Detection Limit

Wang Yanjie, Na Guangshui, Wang Zhen, Xu Hengzhen, Yao Ziwei
(Key Laboratory for Ecological Environment in Coastal Areas, National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China）

The definition and connotation of the instrument detection limit，method detection limit and sample detection limit were introduced. Base on the determination of kepone in seawater by gas chromatography, several calculations methods were introduced about detection limit and the application. The difference of the calculating results and the rationality of selected parameter were discussed. A suggestion was given about how to use the detection limit to carry out the quality control in analysis laboratory scientifically.

detection limit; connotation; calculation method; difference

O651

：A

：1008-6145(2012)05-0085-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2012.05.027

*海洋公益专项资助项目（201105013）；国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室开放基金（201110）

联系人：王艳洁； E-mail: yjwang@nmemc.gov.cn

2012-08-14