两台营养盐分析仪性能评价与结果比对分析

杨　颖，杨　涛，杨幸幸，李成峰

（国家海洋局东海环境监测中心，上海　200137）

两台营养盐分析仪性能评价与结果比对分析

杨颖，杨涛，杨幸幸，李成峰

（国家海洋局东海环境监测中心，上海200137）

对863计划重点项目研制的两台营养盐分析仪进行了技术性能评价，并对两台仪器检测结果与国标法检测结果进行了一致性评价。结果表明，两台国产仪器的技术性能均能达到长江口示范区的监测要求，检测结果与国标方法具有良好的一致性。

营养盐分析仪；性能评价；长江口；比对

海水中营养盐的含量是海洋生态环境监测的重要指标，长期以来我国海洋行业营养盐监测一直按照《海洋监测规范》［1］的方法，采用传统采样和实验室手工分析的模式。随着流动分析技术日臻成熟，采用各类流动分析技术的营养盐自动分析仪应运而生，《海洋监测技术规程》［2］中已把“流动分析法”作为海水中营养盐分析的行业标准方法。目前，以“流动分析法”为主要原理的营养盐分析仪已逐渐普及，但国内各实验室引进的营养盐分析仪多为国外进口品牌仪器。近年来，国内部分科研机构和企业也研制出基于各种流动分析原理的营养盐自动分析仪［3-10］，但具有自主知识产权的国产化商品仪器在市场上所占比例仍然很小。本文介绍两台通过“863计划”重点项目研制的营养盐分析仪（HYC5-1型非连续流动型营养盐分析仪和HYY3-1型流动注射型营养盐分析仪），对其性能指标进行评价，对两台仪器的检测结果分别与标准方法进行了比对，评价国产营养盐分析仪的技术水平。

1　材料与方法

对两台营养盐分析仪的技术性能进行评价，评价指标包括仪器的检测范围、准确度、精密度和检出限，结果根据仪器研制的课题任务书中的相关技术规定进行评价，并对两台仪器的检测结果与标准方法检测结果进行一致性评价。

1.1技术性能评价方法

仪器的准确度和检出限统计方法根据《海水营养盐自动分析仪》（HY/T093-2005）中的相关计算公式［11］；精密度统计方法采用《海洋监测规范第2部分：数据处理与分析质量控制》（GB 17378.2-2007）中精密度（以RSD表示）计算公式［1］。

1.2一致性检验方法

采用Bland-Altman一致性检验方法对两台仪器与标准方法检测结果的一致性进行评价。Bland-Altman一致性评价法最初是由Bland JM和Altman DG于1986年提出的［12］，它的基本思想是计算出两种测量结果的一致性界限，并用图形的方法直观地反映这个一致性界限，得出两种测量方法是否具有一致性的结论。在二维直角坐标中，用横轴表示两种方法测量每个对象的平均值，纵轴表示两种方法测量每个对象的差值（或比值），即可得到Bland-Altman图。图中上下两条水平线代表95%一致性界限的上下限，中间实线代表差值的均数。如果差值的分布服从正态分布，则95%的比值应该位于-1.96Sd～+1.96Sd之间，这个区间为95%的一致性界限。两种测量方法的一致程度越高，代表差值均数越接近0线，比值均数越接近于1线。根据95%一致性界限外的数据点数和一致性界限内的最大差值，以及在海洋环境监测中的可接受程度，对评价的两种方法的一致性做出评价。

Bland-Altman一致性检验方法近年来在医药行业检验中应用较多［13-18］，用于评价两种方法或两种检测仪器结果之间的一致性，通常其中一种为标准方法。本文中分别使用两台仪器与行业标准方法——流动分析法（HY/T147.1-2013）进行检测结果的一致性检验，采用的仪器为QuAAtro型连续流动营养盐分析仪。

2　技术性能评价

2.1测量范围

研制的两台仪器用于长江口海域赤潮在线监测，由于长江口海域营养盐含量较高，且梯度变化很大，对仪器的测量范围提出较高要求。分别配制各营养盐要素的系列浓度标准溶液进行测定，仪器测定值与标准溶液真实浓度之间的误差满足仪器准确度要求。两台仪器的测量范围分别如表1所示，各营养盐要素的测量范围均优于或符合合同书要求。

表1　两台营养盐分析仪的测量范围

2.2准确度

表2～表3分别给出了HYC5-1型、HYY3-1型仪器准确度的统计结果，两台仪器因测量范围不同，选择了不同浓度的标准溶液进行准确度试验，每个标准溶液测定3次。试验结果表明，HYC5-1型仪器各测项的回收率P除了低浓度氨氮的回收率较高外，其他各测项的回收率P均在91.1～107%之间，符合《海洋监测规范》（GB17378.2-2007）中关于回收率的要求。HYY3-1仪器各测项在低浓度范围内的均值绝对误差E小于±1.0μg/L，在高浓度范围内的相对误差δ小于±5%，符合课题合同书的准确度要求。

表2　HYC5-1型仪器准确度测定结果

表3　HYY3-1仪器准确度测定结果

2.3精密度

HYC5-1型仪器分别采用10 μg/L亚硝酸盐标准溶液、30 μg/L硝酸盐标准溶液、20 μg/L氨氮标准溶液、60 μg/L磷酸盐标准溶液、160 μg/L硅酸盐标准溶液，每个标准溶液平行测定7次，统计各项目的RSD。HYC5-1型仪器的精密度分别为：亚硝酸盐，0.15%；硝酸盐，1.36%；氨氮，1.15%；磷酸盐，0.53%；硅酸盐，2.30%；HYY3-1仪器分别采用10 μg/L亚硝酸盐标准溶液、40 μg/L硝酸盐标准溶液、25 μg/L氨氮标准溶液、35 μg/L磷酸盐标准溶液、160 μg/L硅酸盐标准溶液，平行测定10次，统计各项目的RSD。HYY3-1仪器的精密度分别为：亚硝酸盐-N，0.89%；硝酸盐，2.90%；氨氮，3.90%；磷酸盐，2.15%；硅酸盐，1.54%。两台仪器精密度（RSD）均符合或优于合同要求。

表4　两台营养盐分析仪精密度测定结果

2.4检出限

表5为HYC5-1型和HYY3-1仪器检出限测定结果。仪器检出限测定以陈化海水为空白样品，平行测定11次，统计各项目的检出限。经统计计算，HYC5-1型仪器的检出限分别为：亚硝酸盐-N，0.24 μg/L；硝酸盐，1.30 μg/L；氨氮，2.03 μg/L；磷酸盐，1.31 μg/L；硅酸盐，1.73 μg/L；HYY3-1仪器的检出限分别为：亚硝酸盐，0.88 μg/L；硝酸盐，1.40 μg/L；氨氮，2.83 μg/L；磷酸盐，0.97 μg/L；硅酸盐，7.88 μg/L。两台仪器各项目检出限均符合或优于合同要求。

表5　两台营养盐分析仪检出限

3　与标准方法检测结果的一致性评价

天然水体中各营养盐要素之间浓度差异较大，为使各要素的一致性评价结果表观上具有可比性，本文中检测结果的差异用两台仪器测定结果的比值均数进行估计，均数的变异情况用标准差Sd来描述。如果两种测量结果的差异位于一致性界限内，且在实际海洋环境监测中这种差异是可以接受的，则可以认为这两种方法具有较好的一致性，可以互换使用。

3.1比对监测区域

区域及站位如图1所示，共开展了17个站位的比对监测，采集了表层、4m层和底层水样检测5项营养盐要素。

图1　营养盐分析仪与标准方法比对监测站位图

3.2评价结果

分别对两台仪器与标准方法测定的结果统计比值，绘制各营养盐项目的Bland-Altman一致性检验图，图中的三条水平线分别为比值均值、上限（+ 1.96Sd）和下限（-1.96Sd）。

3.2.1HYC5-1型营养盐分析仪HYC5-1型非连续流动营养盐分析仪与标准方法检测结果一致性评价结果分别如表6、图2～图4所示。结果表明，两台仪器所测试结果具有较高度一致性。其中，磷酸盐一致性程度最高，平均比值为1.01，亚硝酸盐、硝酸盐、氨氮和硅酸盐的比值平均值分别为1.08，1.17，1.04和0.95，五项营养盐一致性程度排序为磷酸盐＞氨氮＞硅酸盐＞亚硝酸盐＞硝酸盐。

表6　HYC5-1型营养盐分析仪和标准方法结果比对Bland-Altman一致性检验结果

亚硝酸盐检测结果落在95%区间内的比例为97%，区间内的最大比例为1.38，最小比例为0.70；硝酸盐检测结果落在95%区间内的比例为94%，区间内的最大比例为1.47，最小比例为0.88；氨氮检测结果落在95%区间内的比例为97%，区间内的最大比例为1.39，最小比例为0.73；磷酸盐检测结果落在95%区间内的比例为97%，区间内的最大比例为1.23，最小比例为0.84；硅酸盐检测结果落在95%区间内的比例为91%，区间内的最大比例为1.25，最小比例为0.80；根据《海洋监测规范》（GB17378.2-2007）中关于平行样相对偏差的要求，上述差异都是可接受的，因此这两种方法具有较好的一致性。

图2　HYC5-1硝酸盐（左）和亚硝酸盐（右）检测结果与国标法检测结果一致性检验图

图3　HYC5-1磷酸盐（左）和硅酸盐（右）检测结果与国标法检测结果一致性检验图

3.2.2HYY3-1型营养盐分析仪HYY3-1流动注射营养盐分析仪与标准方法检测结果一致性评价结果分别如表7、图5～图7所示。结果表明，五项营养盐的绝大部分数据均落在95%一致性界限区间内，亚硝酸盐、硝酸盐、氨氮、磷酸盐和硅酸盐比值均值分别为1.01，0.89，0.96，1.01和1.07，均非常接近理论值1，说明两种方法的一致性良好。按与国标法最为接近的程度依次分别为磷酸盐＞亚硝酸盐＞氨氮＞硅酸盐＞硝酸盐。

图4　HYC5-1与国标法氨氮检测结果一致性检验图

表7　HYY3-1型营养盐分析仪和标准方法结果比对Bland-Altman一致性检验结果

亚硝酸盐检测结果落在95%区间内的比例为100%，区间内的最大比例为1.38，最小比例为0.67；硝酸盐检测结果落在95%区间内的比例为94%，区间内的最大比例为1.13，最小比例为0.60；氨氮检测结果落在95%区间内的比例为97%，区间内的最大比例为1.31，最小比例为0.71；磷酸盐检测结果落在95%区间内的比例为97%，区间内的最大比例为1.22，最小比例为0.87；硅酸盐检测结果落在95%区间内的比例为91%，区间内的最大比例为1.25，最小比例为0.79；根据《海洋监测规范》（GB17378.2-2007）中关于平行样相对偏差的要求，上述差异都是可接受的，因此这两种方法具有较好的一致性。

图5　HYY3-1亚硝酸盐（左）和硝酸盐（右）检测结果与国标法检测结果一致性检验图

图6　HYY3-1磷酸盐（左）和硅酸盐（右）检测结果与国标法检测结果一致性检验图

4　仪器技术特点分析

两台营养盐分析仪的研制用于863计划重点项目的“长江口赤潮立体监测示范区”内水体中五项营养盐的船载在线检测。在研制过程中，充分考虑了长江口水体的环境特点对检测带来的难点，主要为长江口水域营养盐含量高且变化范围大、盐度变化梯度大、水体悬浮物含量高等问题，并在仪器软硬件及分析方法中加以解决。

4.1流路特点

（1）HYC5-1型营养盐分析仪为非连续流动分析仪，采用非连续流动技术，开机即可稳定工作，检测完成后自动进入待机状态，非常适合采样时间间隔较长的样品检测。

（2）HYY3-1型营养盐分析仪为流动注射分析仪，采用流动注射技术，检测速度快，试剂用量少，非常适合大量样品检测。

图7　HYY3-1与国标法氨氮检测结果一致性检验图

同时，两台仪器通过优化流路、光路、试剂、进样系统等来改进了分析方法，提高了方法灵敏度、拓展了检测范围。改进后的营养盐检测方法，其硝酸盐和硅酸盐的检测范围较之前的成果大大提高。

4.2盐度影响校正

（1）HYC5-1型营养盐分析仪采用了标准溶液与样品盐度基体匹配的方法来校正盐度影响。通过试验大量的不同盐度的样品，确定盐度对硝酸盐和氨氮测定存在一定影响，且影响为非线性相关的，采用盐度15的溶液配制硝酸盐和氨氮标准曲线，可较好地校正盐度影响；用氯化铵缓冲溶液代替咪唑缓冲溶液测定硝酸盐，方法的灵敏度略有降低，但盐度影响可进一步减轻。

（2）HYY3-1型营养盐分析仪采用反向自参比流动注射技术解决仪器磷酸盐和硅酸盐的盐度影响问题。采用反向参比流动注射分析技术，参比溶液和测试溶液交替通过流通池，可以自动扣除试样溶液本身的盐度、浊度、色度的干扰，不仅适合于盐度变化较大的海水分析，也适用于色度、浊度变化较大的土壤抽提液及工业污水分析。

4.3在线过滤

长江口区水质浑浊，悬浮物含量高，实现在线过滤是自动化检测的关键。两台仪器均研制了在线过滤装置，采用减压过滤方式，样品通过0.45 μm孔径滤膜，达到了与实验室手工过滤相同的效果。

5　总结

本文对两台营养盐分析仪的计量性能指标进行了评价，包括测量范围、精确度、准确度和检测限等数据，结果表明通过对仪器进行针对性的改进，仪器方法可以满足长江口赤潮监测示范区的要求；对仪器检测结果与标准方法测定结果进行一致性评价，两台仪器与标准方法检测结果一致性良好，可以进行替代性应用。长江口赤潮立体监测示范区水体比一般海域更为复杂，因此，适用于长江口区水体监测的两台营养盐分析仪也可以推广到其它海域应用。

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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

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2007AA092001）。

杨颖（1976-），女，硕士，高级工程师，研究方向为海洋环境监测、评价与光谱分析。E-mail:yang8304@163.com