兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀性能評價(jià)與結(jié)果比對分析

楊　穎，楊　濤，楊幸幸，李成峰

（國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心，上海　200137）

兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀性能評價(jià)與結(jié)果比對分析

楊穎，楊濤，楊幸幸，李成峰

（國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心，上海200137）

對863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目研制的兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀進(jìn)行了技術(shù)性能評價(jià)，并對兩臺(tái)儀器檢測結(jié)果與國標(biāo)法檢測結(jié)果進(jìn)行了一致性評價(jià)。結(jié)果表明，兩臺(tái)國產(chǎn)儀器的技術(shù)性能均能達(dá)到長江口示范區(qū)的監(jiān)測要求，檢測結(jié)果與國標(biāo)方法具有良好的一致性。

營養(yǎng)鹽分析儀；性能評價(jià)；長江口；比對

海水中營養(yǎng)鹽的含量是海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要指標(biāo)，長期以來我國海洋行業(yè)營養(yǎng)鹽監(jiān)測一直按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》［1］的方法，采用傳統(tǒng)采樣和實(shí)驗(yàn)室手工分析的模式。隨著流動(dòng)分析技術(shù)日臻成熟，采用各類流動(dòng)分析技術(shù)的營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀應(yīng)運(yùn)而生，《海洋監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》［2］中已把“流動(dòng)分析法”作為海水中營養(yǎng)鹽分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。目前，以“流動(dòng)分析法”為主要原理的營養(yǎng)鹽分析儀已逐漸普及，但國內(nèi)各實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)的營養(yǎng)鹽分析儀多為國外進(jìn)口品牌儀器。近年來，國內(nèi)部分科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也研制出基于各種流動(dòng)分析原理的營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀［3-10］，但具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化商品儀器在市場上所占比例仍然很小。本文介紹兩臺(tái)通過“863計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目研制的營養(yǎng)鹽分析儀（HYC5-1型非連續(xù)流動(dòng)型營養(yǎng)鹽分析儀和HYY3-1型流動(dòng)注射型營養(yǎng)鹽分析儀），對其性能指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，對兩臺(tái)儀器的檢測結(jié)果分別與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了比對，評價(jià)國產(chǎn)營養(yǎng)鹽分析儀的技術(shù)水平。

1　材料與方法

對兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀的技術(shù)性能進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)包括儀器的檢測范圍、準(zhǔn)確度、精密度和檢出限，結(jié)果根據(jù)儀器研制的課題任務(wù)書中的相關(guān)技術(shù)規(guī)定進(jìn)行評價(jià)，并對兩臺(tái)儀器的檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法檢測結(jié)果進(jìn)行一致性評價(jià)。

1.1技術(shù)性能評價(jià)方法

儀器的準(zhǔn)確度和檢出限統(tǒng)計(jì)方法根據(jù)《海水營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀》（HY/T093-2005）中的相關(guān)計(jì)算公式［11］；精密度統(tǒng)計(jì)方法采用《海洋監(jiān)測規(guī)范第2部分：數(shù)據(jù)處理與分析質(zhì)量控制》（GB 17378.2-2007）中精密度（以RSD表示）計(jì)算公式［1］。

1.2一致性檢驗(yàn)方法

采用Bland-Altman一致性檢驗(yàn)方法對兩臺(tái)儀器與標(biāo)準(zhǔn)方法檢測結(jié)果的一致性進(jìn)行評價(jià)。Bland-Altman一致性評價(jià)法最初是由Bland JM和Altman DG于1986年提出的［12］，它的基本思想是計(jì)算出兩種測量結(jié)果的一致性界限，并用圖形的方法直觀地反映這個(gè)一致性界限，得出兩種測量方法是否具有一致性的結(jié)論。在二維直角坐標(biāo)中，用橫軸表示兩種方法測量每個(gè)對象的平均值，縱軸表示兩種方法測量每個(gè)對象的差值（或比值），即可得到Bland-Altman圖。圖中上下兩條水平線代表95%一致性界限的上下限，中間實(shí)線代表差值的均數(shù)。如果差值的分布服從正態(tài)分布，則95%的比值應(yīng)該位于-1.96Sd～+1.96Sd之間，這個(gè)區(qū)間為95%的一致性界限。兩種測量方法的一致程度越高，代表差值均數(shù)越接近0線，比值均數(shù)越接近于1線。根據(jù)95%一致性界限外的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和一致性界限內(nèi)的最大差值，以及在海洋環(huán)境監(jiān)測中的可接受程度，對評價(jià)的兩種方法的一致性做出評價(jià)。

Bland-Altman一致性檢驗(yàn)方法近年來在醫(yī)藥行業(yè)檢驗(yàn)中應(yīng)用較多［13-18］，用于評價(jià)兩種方法或兩種檢測儀器結(jié)果之間的一致性，通常其中一種為標(biāo)準(zhǔn)方法。本文中分別使用兩臺(tái)儀器與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法——流動(dòng)分析法（HY/T147.1-2013）進(jìn)行檢測結(jié)果的一致性檢驗(yàn)，采用的儀器為QuAAtro型連續(xù)流動(dòng)營養(yǎng)鹽分析儀。

2　技術(shù)性能評價(jià)

2.1測量范圍

研制的兩臺(tái)儀器用于長江口海域赤潮在線監(jiān)測，由于長江口海域營養(yǎng)鹽含量較高，且梯度變化很大，對儀器的測量范圍提出較高要求。分別配制各營養(yǎng)鹽要素的系列濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定，儀器測定值與標(biāo)準(zhǔn)溶液真實(shí)濃度之間的誤差滿足儀器準(zhǔn)確度要求。兩臺(tái)儀器的測量范圍分別如表1所示，各營養(yǎng)鹽要素的測量范圍均優(yōu)于或符合合同書要求。

表1　兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀的測量范圍

2.2準(zhǔn)確度

表2～表3分別給出了HYC5-1型、HYY3-1型儀器準(zhǔn)確度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，兩臺(tái)儀器因測量范圍不同，選擇了不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行準(zhǔn)確度試驗(yàn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液測定3次。試驗(yàn)結(jié)果表明，HYC5-1型儀器各測項(xiàng)的回收率P除了低濃度氨氮的回收率較高外，其他各測項(xiàng)的回收率P均在91.1～107%之間，符合《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378.2-2007）中關(guān)于回收率的要求。HYY3-1儀器各測項(xiàng)在低濃度范圍內(nèi)的均值絕對誤差E小于±1.0μg/L，在高濃度范圍內(nèi)的相對誤差δ小于±5%，符合課題合同書的準(zhǔn)確度要求。

表2　HYC5-1型儀器準(zhǔn)確度測定結(jié)果

表3　HYY3-1儀器準(zhǔn)確度測定結(jié)果

2.3精密度

HYC5-1型儀器分別采用10 μg/L亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液、30 μg/L硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液、20 μg/L氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液、60 μg/L磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液、160 μg/L硅酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測定7次，統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)目的RSD。HYC5-1型儀器的精密度分別為：亞硝酸鹽，0.15%；硝酸鹽，1.36%；氨氮，1.15%；磷酸鹽，0.53%；硅酸鹽，2.30%；HYY3-1儀器分別采用10 μg/L亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液、40 μg/L硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液、25 μg/L氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液、35 μg/L磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液、160 μg/L硅酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，平行測定10次，統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)目的RSD。HYY3-1儀器的精密度分別為：亞硝酸鹽-N，0.89%；硝酸鹽，2.90%；氨氮，3.90%；磷酸鹽，2.15%；硅酸鹽，1.54%。兩臺(tái)儀器精密度（RSD）均符合或優(yōu)于合同要求。

表4　兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀精密度測定結(jié)果

2.4檢出限

表5為HYC5-1型和HYY3-1儀器檢出限測定結(jié)果。儀器檢出限測定以陳化海水為空白樣品，平行測定11次，統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)目的檢出限。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，HYC5-1型儀器的檢出限分別為：亞硝酸鹽-N，0.24 μg/L；硝酸鹽，1.30 μg/L；氨氮，2.03 μg/L；磷酸鹽，1.31 μg/L；硅酸鹽，1.73 μg/L；HYY3-1儀器的檢出限分別為：亞硝酸鹽，0.88 μg/L；硝酸鹽，1.40 μg/L；氨氮，2.83 μg/L；磷酸鹽，0.97 μg/L；硅酸鹽，7.88 μg/L。兩臺(tái)儀器各項(xiàng)目檢出限均符合或優(yōu)于合同要求。

表5　兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀檢出限

3　與標(biāo)準(zhǔn)方法檢測結(jié)果的一致性評價(jià)

天然水體中各營養(yǎng)鹽要素之間濃度差異較大，為使各要素的一致性評價(jià)結(jié)果表觀上具有可比性，本文中檢測結(jié)果的差異用兩臺(tái)儀器測定結(jié)果的比值均數(shù)進(jìn)行估計(jì)，均數(shù)的變異情況用標(biāo)準(zhǔn)差Sd來描述。如果兩種測量結(jié)果的差異位于一致性界限內(nèi)，且在實(shí)際海洋環(huán)境監(jiān)測中這種差異是可以接受的，則可以認(rèn)為這兩種方法具有較好的一致性，可以互換使用。

3.1比對監(jiān)測區(qū)域

區(qū)域及站位如圖1所示，共開展了17個(gè)站位的比對監(jiān)測，采集了表層、4m層和底層水樣檢測5項(xiàng)營養(yǎng)鹽要素。

圖1　營養(yǎng)鹽分析儀與標(biāo)準(zhǔn)方法比對監(jiān)測站位圖

3.2評價(jià)結(jié)果

分別對兩臺(tái)儀器與標(biāo)準(zhǔn)方法測定的結(jié)果統(tǒng)計(jì)比值，繪制各營養(yǎng)鹽項(xiàng)目的Bland-Altman一致性檢驗(yàn)圖，圖中的三條水平線分別為比值均值、上限（+ 1.96Sd）和下限（-1.96Sd）。

3.2.1HYC5-1型營養(yǎng)鹽分析儀HYC5-1型非連續(xù)流動(dòng)營養(yǎng)鹽分析儀與標(biāo)準(zhǔn)方法檢測結(jié)果一致性評價(jià)結(jié)果分別如表6、圖2～圖4所示。結(jié)果表明，兩臺(tái)儀器所測試結(jié)果具有較高度一致性。其中，磷酸鹽一致性程度最高，平均比值為1.01，亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮和硅酸鹽的比值平均值分別為1.08，1.17，1.04和0.95，五項(xiàng)營養(yǎng)鹽一致性程度排序?yàn)榱姿猁}＞氨氮＞硅酸鹽＞亞硝酸鹽＞硝酸鹽。

表6　HYC5-1型營養(yǎng)鹽分析儀和標(biāo)準(zhǔn)方法結(jié)果比對Bland-Altman一致性檢驗(yàn)結(jié)果

亞硝酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為97%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.38，最小比例為0.70；硝酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為94%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.47，最小比例為0.88；氨氮檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為97%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.39，最小比例為0.73；磷酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為97%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.23，最小比例為0.84；硅酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為91%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.25，最小比例為0.80；根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378.2-2007）中關(guān)于平行樣相對偏差的要求，上述差異都是可接受的，因此這兩種方法具有較好的一致性。

圖2　HYC5-1硝酸鹽（左）和亞硝酸鹽（右）檢測結(jié)果與國標(biāo)法檢測結(jié)果一致性檢驗(yàn)圖

圖3　HYC5-1磷酸鹽（左）和硅酸鹽（右）檢測結(jié)果與國標(biāo)法檢測結(jié)果一致性檢驗(yàn)圖

3.2.2HYY3-1型營養(yǎng)鹽分析儀HYY3-1流動(dòng)注射營養(yǎng)鹽分析儀與標(biāo)準(zhǔn)方法檢測結(jié)果一致性評價(jià)結(jié)果分別如表7、圖5～圖7所示。結(jié)果表明，五項(xiàng)營養(yǎng)鹽的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)均落在95%一致性界限區(qū)間內(nèi)，亞硝酸鹽、硝酸鹽、氨氮、磷酸鹽和硅酸鹽比值均值分別為1.01，0.89，0.96，1.01和1.07，均非常接近理論值1，說明兩種方法的一致性良好。按與國標(biāo)法最為接近的程度依次分別為磷酸鹽＞亞硝酸鹽＞氨氮＞硅酸鹽＞硝酸鹽。

圖4　HYC5-1與國標(biāo)法氨氮檢測結(jié)果一致性檢驗(yàn)圖

表7　HYY3-1型營養(yǎng)鹽分析儀和標(biāo)準(zhǔn)方法結(jié)果比對Bland-Altman一致性檢驗(yàn)結(jié)果

亞硝酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為100%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.38，最小比例為0.67；硝酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為94%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.13，最小比例為0.60；氨氮檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為97%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.31，最小比例為0.71；磷酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為97%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.22，最小比例為0.87；硅酸鹽檢測結(jié)果落在95%區(qū)間內(nèi)的比例為91%，區(qū)間內(nèi)的最大比例為1.25，最小比例為0.79；根據(jù)《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378.2-2007）中關(guān)于平行樣相對偏差的要求，上述差異都是可接受的，因此這兩種方法具有較好的一致性。

圖5　HYY3-1亞硝酸鹽（左）和硝酸鹽（右）檢測結(jié)果與國標(biāo)法檢測結(jié)果一致性檢驗(yàn)圖

圖6　HYY3-1磷酸鹽（左）和硅酸鹽（右）檢測結(jié)果與國標(biāo)法檢測結(jié)果一致性檢驗(yàn)圖

4　儀器技術(shù)特點(diǎn)分析

兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀的研制用于863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目的“長江口赤潮立體監(jiān)測示范區(qū)”內(nèi)水體中五項(xiàng)營養(yǎng)鹽的船載在線檢測。在研制過程中，充分考慮了長江口水體的環(huán)境特點(diǎn)對檢測帶來的難點(diǎn)，主要為長江口水域營養(yǎng)鹽含量高且變化范圍大、鹽度變化梯度大、水體懸浮物含量高等問題，并在儀器軟硬件及分析方法中加以解決。

4.1流路特點(diǎn)

（1）HYC5-1型營養(yǎng)鹽分析儀為非連續(xù)流動(dòng)分析儀，采用非連續(xù)流動(dòng)技術(shù)，開機(jī)即可穩(wěn)定工作，檢測完成后自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，非常適合采樣時(shí)間間隔較長的樣品檢測。

（2）HYY3-1型營養(yǎng)鹽分析儀為流動(dòng)注射分析儀，采用流動(dòng)注射技術(shù)，檢測速度快，試劑用量少，非常適合大量樣品檢測。

圖7　HYY3-1與國標(biāo)法氨氮檢測結(jié)果一致性檢驗(yàn)圖

同時(shí)，兩臺(tái)儀器通過優(yōu)化流路、光路、試劑、進(jìn)樣系統(tǒng)等來改進(jìn)了分析方法，提高了方法靈敏度、拓展了檢測范圍。改進(jìn)后的營養(yǎng)鹽檢測方法，其硝酸鹽和硅酸鹽的檢測范圍較之前的成果大大提高。

4.2鹽度影響校正

（1）HYC5-1型營養(yǎng)鹽分析儀采用了標(biāo)準(zhǔn)溶液與樣品鹽度基體匹配的方法來校正鹽度影響。通過試驗(yàn)大量的不同鹽度的樣品，確定鹽度對硝酸鹽和氨氮測定存在一定影響，且影響為非線性相關(guān)的，采用鹽度15的溶液配制硝酸鹽和氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線，可較好地校正鹽度影響；用氯化銨緩沖溶液代替咪唑緩沖溶液測定硝酸鹽，方法的靈敏度略有降低，但鹽度影響可進(jìn)一步減輕。

（2）HYY3-1型營養(yǎng)鹽分析儀采用反向自參比流動(dòng)注射技術(shù)解決儀器磷酸鹽和硅酸鹽的鹽度影響問題。采用反向參比流動(dòng)注射分析技術(shù)，參比溶液和測試溶液交替通過流通池，可以自動(dòng)扣除試樣溶液本身的鹽度、濁度、色度的干擾，不僅適合于鹽度變化較大的海水分析，也適用于色度、濁度變化較大的土壤抽提液及工業(yè)污水分析。

4.3在線過濾

長江口區(qū)水質(zhì)渾濁，懸浮物含量高，實(shí)現(xiàn)在線過濾是自動(dòng)化檢測的關(guān)鍵。兩臺(tái)儀器均研制了在線過濾裝置，采用減壓過濾方式，樣品通過0.45 μm孔徑濾膜，達(dá)到了與實(shí)驗(yàn)室手工過濾相同的效果。

5　總結(jié)

本文對兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀的計(jì)量性能指標(biāo)進(jìn)行了評價(jià)，包括測量范圍、精確度、準(zhǔn)確度和檢測限等數(shù)據(jù)，結(jié)果表明通過對儀器進(jìn)行針對性的改進(jìn)，儀器方法可以滿足長江口赤潮監(jiān)測示范區(qū)的要求；對儀器檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法測定結(jié)果進(jìn)行一致性評價(jià)，兩臺(tái)儀器與標(biāo)準(zhǔn)方法檢測結(jié)果一致性良好，可以進(jìn)行替代性應(yīng)用。長江口赤潮立體監(jiān)測示范區(qū)水體比一般海域更為復(fù)雜，因此，適用于長江口區(qū)水體監(jiān)測的兩臺(tái)營養(yǎng)鹽分析儀也可以推廣到其它海域應(yīng)用。

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Performance Assessment and Comparative Analysis for Two Nutrient Analyzers

YANG Ying，YANG Tao，YANG Xing-xing，LI Cheng-feng
East China Sea Environmental Monitoring Center，State Oceanic Administration，Shanghai 200137，China

This paper assesses the performances of two nutrient analyzers which are funded by the National High Technology Research and Development Program of China（"863"Program）"the Research&Development of Real-time Monitoring Techniques and Early Warning Systems for Harmful Algal Bloom".The performance parameters include detection range，accuracy，precision and detection limits，which all meet the requirements in the Yangtze River estuary.The agreements between each nutrient analyzer and the standard method results are measured with the Bland-Altman Agreement Method，and it is found that there are very good agreements between the two methods.It is sure that the detection results of the two nutrient analyzers are equivalent to those of the standard method.

nutrient analyzer；prformance assessment；comparison；Yangtze River estuary

P734.4+4

A

1003-2029（2016）03-0088-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.017

2015-11-14

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2007AA092001）。

楊穎（1976-），女，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測、評價(jià)與光譜分析。E-mail:yang8304@163.com