Độ nhạy phương pháp phân tích phản ánh khả năng phát hiện thay đổi thế nào?

Độ nhạy được xác định từ mức thay đổi tín hiệu theo nồng độ

Trong phép phân tích định lượng, thiết bị tạo ra một tín hiệu (y) tương ứng với lượng hoặc nồng độ chất phân tích (x). Quan hệ này được thiết lập bằng hiệu chuẩn. IUPAC mô tả hàm hiệu chuẩn là quan hệ giữa giá trị kỳ vọng của tín hiệu quan sát và lượng chất phân tích.

Nếu quan hệ nằm trong vùng tuyến tính:

[

y = a bx

]

Trong đó:

·         (y) là tín hiệu đo

·         (x) là nồng độ hoặc lượng chất phân tích

·         (a) là hệ số chặn

·         (b) là độ dốc đường chuẩn

Độ nhạy khi đó chính là (b):

[

S = \frac{\Delta y}{\Delta x}

]

Ví dụ, nếu nồng độ tăng 1 µg/L làm tín hiệu tăng 500 đơn vị thì độ nhạy là 500 đơn vị tín hiệu/(µg/L). Nếu một phương pháp khác chỉ tăng 100 đơn vị tín hiệu với cùng mức tăng nồng độ, phương pháp thứ nhất tạo ra mức biến đổi tín hiệu lớn hơn trên mỗi đơn vị nồng độ.

Ý nghĩa quan trọng nằm ở tỷ lệ thay đổi, không phải ở độ lớn tuyệt đối của tín hiệu. Một thiết bị cho tín hiệu nền 10.000 đơn vị chưa chắc nhạy hơn thiết bị cho tín hiệu nền 100 đơn vị; cần xem tín hiệu thay đổi bao nhiêu khi nồng độ chất phân tích thực sự thay đổi.

Đường chuẩn càng dốc thì đáp ứng với thay đổi nồng độ càng lớn

Độ dốc cho biết hệ thống chuyển một thay đổi về nồng độ thành một thay đổi tín hiệu mạnh đến mức nào. Đây là lý do độ nhạy thường được đánh giá trực tiếp trên đường chuẩn.

Giả sử hai phương pháp cùng phân tích một chất:

Phương pháp A có độ dốc khoảng 50 đơn vị/(µg/L), trong khi phương pháp B có độ dốc khoảng 200 đơn vị/(µg/L). Vì vậy B nhạy hơn theo tiêu chí đáp ứng hiệu chuẩn: mỗi thay đổi nồng độ tạo ra mức thay đổi tín hiệu lớn gấp bốn lần.

Eurachem cũng mô tả sensitivity là gradient của đường đáp ứng, tức thay đổi của đáp ứng thiết bị tương ứng với thay đổi nồng độ chất phân tích. Trong vùng tuyến tính, độ dốc vì thế là thông số trực tiếp để mô tả độ nhạy.

Tuy nhiên, độ dốc chỉ có ý nghĩa khi các giá trị được so sánh trong điều kiện phù hợp, chẳng hạn cùng chất phân tích, cách biểu diễn nồng độ và loại tín hiệu. Việc thay đổi đơn vị từ mg/L sang µg/L sẽ làm giá trị số của hệ số góc thay đổi dù bản chất khả năng đáp ứng của hệ thống không thay đổi.

Độ nhạy có thể thay đổi theo vùng nồng độ nếu đường chuẩn không tuyến tính

Cách hiểu “độ nhạy bằng một hệ số góc duy nhất” chỉ hoàn toàn phù hợp khi đáp ứng tuyến tính trong khoảng nồng độ đang xét.

Nếu tín hiệu và nồng độ tạo thành một đường cong, độ dốc tại các vùng khác nhau có thể khác nhau. IUPAC vì thế lưu ý rằng khi hàm hiệu chuẩn thực sự là đường cong, sensitivity trở thành hàm của lượng hoặc nồng độ chất phân tích.

Điều này có nghĩa một phương pháp có thể:

·         Nhạy mạnh ở vùng nồng độ thấp

·         Có đáp ứng gần tuyến tính trong vùng trung gian

·         Giảm độ nhạy khi tín hiệu tiến tới vùng bão hòa

Ví dụ, nếu tăng thêm 1 µg/L ở vùng thấp làm tín hiệu tăng 300 đơn vị nhưng cùng mức tăng đó ở vùng nồng độ cao chỉ làm tín hiệu tăng 80 đơn vị, không nên mô tả toàn bộ khoảng đo bằng một giá trị độ nhạy duy nhất nếu sự thay đổi độ dốc là đáng kể.

Trong thực hành phân tích môi trường, đây là lý do đường hiệu chuẩn phải được đánh giá trong khoảng làm việc thực tế của phương pháp. Một hệ số góc thu được ở vùng nồng độ cao không tự động đại diện cho khả năng đáp ứng ở vùng vết.

Độ nhạy không đồng nghĩa với giới hạn phát hiện hay giới hạn định lượng

Một nhầm lẫn phổ biến là coi phương pháp “nhạy” và phương pháp “phát hiện được nồng độ rất thấp” là hoàn toàn cùng một khái niệm.

Độ nhạy mô tả:

[

\text{Nồng độ thay đổi} \rightarrow \text{Tín hiệu thay đổi bao nhiêu}

]

Trong khi giới hạn phát hiện liên quan đến câu hỏi:

[

\text{Mức nồng độ thấp đến đâu còn có thể phân biệt với nền hoặc nhiễu?}

]

IUPAC nêu rõ sensitivity của hệ thống đo không nên bị nhầm với limit of detection hoặc limit of quantification.

Sự khác biệt xuất phát từ nhiễu và độ biến thiên của phép đo. Hai phương pháp có thể có cùng độ dốc đường chuẩn nhưng mức nhiễu khác nhau. Phương pháp có nền ổn định hơn có thể phân biệt tín hiệu nhỏ tốt hơn, dù độ nhạy theo hệ số góc không lớn hơn.

Trong phân tích môi trường, EPA định nghĩa Method Detection Limit (MDL) theo khả năng báo cáo một nồng độ đo được với mức tin cậy 99% rằng kết quả đó phân biệt được với kết quả mẫu trắng của phương pháp. Điều này cho thấy khả năng phát hiện không chỉ phụ thuộc vào độ dốc đáp ứng mà còn chịu ảnh hưởng của blank, nhiễu, biến thiên và toàn bộ quy trình phân tích.

Vì vậy, một phương pháp có độ nhạy cao có lợi cho việc nhận biết biến đổi nhỏ của nồng độ, nhưng không thể chỉ dựa vào độ nhạy để kết luận phương pháp có LOD hoặc LOQ thấp.

Trong phân tích môi trường, độ nhạy phải được xem cùng nền mẫu và quá trình hiệu chuẩn

Mẫu môi trường thường không phải dung dịch chuẩn tinh khiết. Nước thải, nước mặt, đất, bùn hoặc các nền mẫu phức tạp có thể chứa nhiều thành phần tác động đến quá trình tạo tín hiệu.

Ảnh hưởng nền có thể làm tín hiệu của chất phân tích bị tăng hoặc giảm, đồng thời làm thay đổi độ dốc đường chuẩn. Eurachem lưu ý rằng chất gây nhiễu có thể đóng góp vào tín hiệu được quy cho chất phân tích hoặc làm thay đổi độ dốc của quan hệ hiệu chuẩn.

Do đó, khi đánh giá độ nhạy phương pháp phân tích môi trường, cần xem ít nhất ba yếu tố cùng nhau:

1.    Độ dốc đường chuẩn để biết tín hiệu thay đổi bao nhiêu theo nồng độ

2.    Khoảng nồng độ hiệu chuẩn để xác định độ nhạy đó có đại diện cho vùng đo cần sử dụng hay không

3.    Ảnh hưởng của nền và nhiễu để xác định đáp ứng quan sát được có thực sự phản ánh chất phân tích

Một đường chuẩn rất dốc nhưng biến động tín hiệu lớn, bị ảnh hưởng nền mạnh hoặc chỉ tuyến tính trong một khoảng hẹp không thể được đánh giá đầy đủ chỉ bằng hệ số góc.

Trong thực tế, độ nhạy vì thế là một đặc tính của đáp ứng đo, không phải thước đo tổng hợp cho toàn bộ chất lượng phương pháp. Khi đánh giá khả năng đo các chất ô nhiễm ở nồng độ thấp, độ nhạy cần được xem cùng giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng, độ chính xác, độ chụm, tính chọn lọc và ảnh hưởng nền theo mục tiêu của phép phân tích.

Độ nhạy phương pháp phân tích cho biết mỗi đơn vị thay đổi của nồng độ tạo ra bao nhiêu thay đổi trong tín hiệu đo và thường được biểu diễn bằng độ dốc đường chuẩn. Độ dốc lớn hơn đồng nghĩa hệ thống phản ứng mạnh hơn trước cùng một thay đổi nồng độ, nhưng không tự động đồng nghĩa với khả năng phát hiện nồng độ thấp hơn. Muốn đánh giá một phương pháp phân tích môi trường ở vùng nồng độ vết, cần xem độ nhạy trong đúng khoảng hiệu chuẩn và đặt nó trong mối quan hệ với nhiễu, mẫu trắng, nền mẫu và giới hạn phát hiện của toàn bộ quy trình.