Přesnost, správnost, mez
detekce
Viktor Kanický
Kurs ICP 2013
Spektroskopická společnost Jana Marka Marci
Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity
Analytické parametry
Vliv rozlišení na mez detekce
Efektivní šířka spektrální čáry ovlivňuje:
Intenzitu emise čáry
Intenzitu spojitého záření pozadí
SBR RSDb
 Efektivní šířka čáry Dleff zahrnuje příspěvek fyzikální šířky,
DlL a instrumentální šířky čáry Δλins
 Poměr signál/pozadí je nepřímo úměrný efektivní šířce
spektrální čáry Δλeff, poněvadž intenzita emise čáry roste
lineárně s šířkou štěrbiny, kdežto intenzita emise pozadí
vzrůstá s druhou mocninou šířky štěrbiny.
Dleff = ( DlL
2 + Dlins
2)1/2
Nulová linie
Pozadí
Spektrální
čára
BEC = 1/(S/B)
cL = 3RSDB  BEC
IL S = IL/cA
Koncentrace ekvivalentní pozadí a mez detekce
RSDL
Δλ
RSDB
B (= IB)
X = b0 + b1 . c XL = B + ksB = b0 + b1.cL cL = k.sB/b1
b1 = (X-B)/c = S/c cL = k sB. c /S cL = k.c.RSDb/SBR
Analytické parametry
Optimalizační kritéria
 Signál S při jednotkové koncentrací = citlivost
 Poměr signálu k pozadí S/B, SBR
 Poměr signálu k šumu S/N, SNR
 Relativní standardní odchylka pozadí RSDB
 Přesnost (opakovatelnost) RSDS= (S/N)-1
 Mez detekce cL
SBR
RSD
S
B
B
s
B
B
S
s
c B
BB
L
1
33
3

B
s
RSD B
B 
SBRS
B 1

Závislost standardní odchylky celkové intenzity čáry a
pozadí sL+B a relativní (sL+B)r na koncentraci analytu.
cB = koncentrace ekvivalentní pozadí
sL+B =stand. odchylka
(sL+B)r = rel. stand.
odchylka
sL,r= 0,38%
sB,r= 0,60%
Obr.39
Závislost směrodatné sL+B a relativní
směrodatné odchylky (sL+B)r intenzity
celkové emise čáry a pozadí IL+B na
koncentraci
IL+B = IL + IB
sL+B
2 = sL
2 + sB
2
IN = IL+B - IB
sN
2 =sL+B
2 + sB
2=
sL
2 + 2sB
2
Závislost standardní a relativní standardní odchylky korigované intenzity
emise čáry IN na koncentraci
RSD: dlouhodobá opakovatelnost, reálné
vzorky silikátů
RSD: dlouhodobá opakovatelnost, reálné
vzorky silikátů, drift přístroje, diagnostika
Přesnost a správnost
• Podmínky měření
– Maximální citlivost (směrnice kalibrační
přímky)
– Maximální poměr signál/šum
– Minimální matriční efekt
• Vlivné parametry
– Průtok nosného plynu
– Příkon do plazmatu
– Výška pozorování
• Přes veškeré pozitivní vlastnosti, kterými se budicí zdroj
ICP odlišuje od řady dalších, v něm existují nespektrální
interference (interference osnovy vzorku) Nespektrální
interference se často vyjadřuje jako poměr
• kde IL je čistá, tj. na pozadí korigovaná intenzita čáry
analytu naměřená s čistým roztokem a IL
M je čistá
intenzita naměřená za přítomnosti interferentu o určité
koncentraci. Běžné je také vyjádření rozdílu (zvýšení,
snížení) v %:
Nespektrální interference
L
M
L
I
I
X 
1001 






L
M
L
I
I
X
Nespektrální interference
• Podle místa vzniku:
– Zmlžovací systém,
– Plazmová hlavice.
• Podle interferentu:
– Snadno ionizovatelné prvky
– Kyseliny, rozpouštědla
• Podle mechanismu:
– Excitační
– Ionizační
– Zmlžovací a transportní (povrch. napětí, viskozita,
hustota, elektrostatický náboj, změna rozdělení
obsahu látek v závislosti na velikosti částic,
frakcionace)
Nespektrální interference
Axiální rozdělení nespektrální
interference – vliv průtoku
nosného plynu
Axiální rozdělení nespektrální
interference (matrix efektu) X na
čáře Nd II 430,358 nm
v přítomnosti 0,1 mol/l NaNO3
v závislosti na průtoku nosného
plynu Fc; křivka č. – Fc (l/min): 1 -
0,79; 2 –0,92; 3 – 1,06; 4 – 1,19; 5
– 1,32; 6 – 1,45; 7 – 1,58; 8 – 1,72;
9 – 1,85; P = 1,1 kW, průtoky plynů
(l/min Ar) Fc = 1,06; Fa = 0,43; Fp
=18,3; 16 mg/l Nd v 1,4 mol/l HNO3
Nespektrální interference
Radiální rozdělení nespektrální
interference
Laterální rozdělení
nespektrální interference
(matrix efektu) X na čarách Y
II 371,030 nm (1) a Y I
410,238 nm (2); Polohy
maxim laterálních rozdělení
emise čar Y II – a, Y I – b
(rozdělení zde nejsou
uvedena); P = 1,1 kW; Fc =
1,06; Fa = 0,43; Fp =18,3; 0,1
mol/l NaNO3 v 1,4 mol/l
HNO3
Nespektrální interference
• Závislost nespektrální
interference (matrix efektu) X na
koncentraci kyseliny
chlorovodíkové pro Nd II
430,358 nm; 16 mg/l Nd;
podmínky: křivka č. 1: h = 16
mm, Fc = 1,06 l/min, křivka č. 2:
h = 20 mm, Fc = 1,45 l/min; P =
1,1 kW; Fa = 0,43 a Fp =18,3
l/min Ar
Přesnost a správnost
• Hlavní složka vzorku (SiO2 , Fe)
– Normalizace – korekce na sumu (100 %)
– Celkový rozptyl součtu všech výsledků
(σc)2 = součet rozptylů jednotlivých výsledků
– rozdíl součtu výsledků od 100 % lze brát
jako statisticky významný na dané hladině
významnosti jen tehdy, leží-li vně intervalu
3
100
3
100
1 A
c
m
j
j
A
c
n
x
n

 
Přesnost a správnost
• Použití porovnávacího prvku:
– zlepšení přesnosti měření (kompenzace
šumu vyšších frekvencí)
– zlepšení správnosti měření (kompenzace
driftu (nízkofrekvenčního šumu)
– zlepšení správnosti měření kompenzací
vlivu matrice (nespektrální interference)
Přesnost a správnost
• Podmínky správné funkce porovnávacího prvku
1. signály analytu a porovnávacího prvku musí
korelovat v závislosti na malé změně pracovních
podmínek ICP zdroje (simulace driftu), přičemž
korelační koeficient musí být blízký jedničce;
2. poměr relativních směrodatných odchylek b=σP,r/σA,r
signálů IP a IA porovnávacího prvku a analytu musí
být blízký jedničce;
3. pokud není hodnota pozadí zanedbatelná vzhledem k
signálům IP a IA, je nutno provést před výpočtem
poměru IA /IP korekci pozadí;
4. šum detekčního systému musí být zanedbatelnývůči
šumu zdroje ICP. Zlepšení RP dosažené použitím
porovnávacího prvku je definováno vztahem
Přesnost a správnost
),/(
,
rPA
rA
PR



kde σA,r a σ(A/P),r jsou relativní směrodatná odchylka signálu
analytu IA a relativní směrodatná odchylka podílu I(A/P)= IA/IP.
Je-li splněna podmínka 1) a současně b=σP,r /σA,r ≠ 1 , lze
vypočítat RP podle vztahu
1

b
b
RP
Přesnost a správnost
Pro platnost podmínky 2) a r <1 je zlepšení přesnosti
dáno vztahem
)1(2
1
r
RP


Přesnost a správnost
Porovnávací prvek musí splňovat následující podmínky:
a) přirozený obsah porovnávacího prvku ve vzorcích musí
být nižší než jeho mez detekce metody ICP-AES;
b) preparát porovnávacího prvku musí být dostatečně čistý,
aby jeho přídavek nezvyšoval slepý pokus pro analyty;
c) spektrum porovnávacího prvku nesmí obsahovat příliš
mnoho spektrálních čar, aby nedocházelo ke
spektrálnímu rušení čar analytů;
d) porovnávací čára prvku musí být přiměřeně citlivá, aby
koncentrace vnitřního standardu mohla být co nejnižší;
e) porovnávací prvek musí být v roztoku stálý, tj. nesmí
těkat, tvořit nerozpustné hydrolytické produkty nebo tvořit
sraženiny s ionty analytů či se složkami osnovy vzorku.
Analytické spektrální čáry, korekce
interferencí
Výběr analytických čar pro stanovení v konkrétní
osnově vzorku se provádí
i) s ohledem na obsah stanovované složky;
ii) s uvážením možných spektrálních interferencí.
Spektrální interference lze klasifikovat takto:
i) přímá koincidence spektrálních čar nerozlišitelná ve
spektrálním přístroji;
ii) překryv čar závislý na propouštěném spektrálním
intervalu spektrometru;
iii) překryv křídlem rozšířené čáry;
iv) interference vyvolaná strukturním pozadím;
v) rozptýlené záření.
Většina prvků má alespoň jednu citlivou analytickou čáru,
která není spektrálně rušena.
Korekce spektrálních interferencí
• Korekce spektrální interference je obvykle kombinací
korekce pozadí a korekce překryvu čarou. Při korekci
pomocí korekčních faktorů se od nekorigované
koncentrace j-tého analytu cxj vypočtené z kalibrační
přímky odečítá zdánlivá koncentrace analytu vyjádřená
jako součin korekčního faktoru aij a koncentrace ci i-tého
rušícího prvku, stanovené na jeho analytické čáře. Pro n
interferentů se vypočte korigovaná koncentrace j-tého
analytu cj podle vztahu
1


n
i
ijixjj accc
Vývoj metody
1. Na základě známého složení typu vzorku se zvolí
vhodné spektrální čáry. Kritériem jsou požadované
meze detekce, citlivost čar a případné spektrální
interference.
2. Pro očekávané koncentrace a koncentrační poměry
jednotlivých složek se měřením jednoprvkových
roztoků interferentů ověří předpokládané spektrální
interference a zvolí se body pro korekci pozadí.
Vývoj metody
3. Optimalizují se parametry ICP: příkon do plazmatu,
průtok nosného plynu, rychlost čerpání roztoku do
zmlžovače v případě radiálního ICP výška
pozorování, v případě axiálního ICP centrování
kanálu vůči optické ose. Optimalizace se provede s
čistými roztoky s cílem dosáhnout obvykle
maximálního poměru signál/pozadí a minimálního
poměru signál/šum. Čistým roztokem se rozumí
roztok obsahující analyt v prostředí pouze zředěné
kyseliny (k zabránění hydrolýze) a odpovídající
slepý roztok. Měření se provádí s vypnutou korekcí
pozadí, aby se neztratily informace o změnách
pozadí, měřeného on-peak při zmlžování slepého
roztoku.
Vývoj metody
4. Za optimalizovaných podmínek se ověří vliv kyselin
a tavidel používaných k rozkladu vzorku na
směrnice kalibračních závislostí. Změří se velikost
matriční interference (obvykle deprese signálu ve
srovnání s čistými roztoky) a závislost této
nespektrální interference na koncentraci tavidel a
kyselin v přiměřeném rozmezí. Vyhodnotí se
kompenzace matričního efektu porovnávacími prvky.
Vyvodí se závěry pro přípravu kalibračních roztoků z
hlediska obsahu tavidel a kyselin, zejména rozmezí
obsahů těchto reagencií, při nichž není pozorována
změna analytických signálů.
Vývoj metody
5. Jestliže byly zjištěny podle bodu 2 spektrální
interference, které nelze korigovat měřením a
odečtem pozadí, změří se hodnoty korekčních
faktorů v přítomnosti tavidel a kyselin používaných
k rozkladu. Korekční faktory takto zjištěné mají
obvykle mírně odlišné hodnoty ve srovnání s
hodnotami naměřenými s čistými roztoky. Určí se
meze detekce v přítomnosti matrice.
Vývoj metody
6. Řízenou změnou parametrů ICP v definovaném
malém rozmezí (průtoky, příkon, výška pozorování)
se změří trendy signálů jednotlivých analytů v úplné
matrici (včetně tavidla a kyselin) a zjistí se, zda jsou
tyto trendy kompenzovány porovnávacími prvky.
Tyto trendy lze pak předpokládat v případě driftu
přístroje.
7. Vyhodnotí se kompenzace skutečného driftu
porovnávacím prvkem v průběhu měření
modelového nebo vybraného sériového vzorku v
delším časovém úseku. Zvolí se optimální
porovnávací prvek. Odhadne se nutný časový
interval mezi provedením kalibrací (rekalibrací).
Vývoj metody
8. Zjistí se opakovatelnost měření a shodnost s
certifikovanými hodnotami referenčních materiálů
případně modelových vzorků, pokud nejsou
referenční materiály k dispozici.