WALIDACJA SYSTEM ZAPEWNIENIA JAKOCI ZAPEWNIENIE JAKOCI W ANALITYCE

Transkrypt

1 ZAPEWNIENIE JAKOCI W ANALITYCE Pomiar i jego cechy Pomiary analityczne z wykorzystaniem instrumentów pomiarowych Jak na podstawie pomiaru wielkoci fizycznej/fizykochemicznej okreli dokładnie skłd chemiczny próbki? Co to jest niepewno pomiarowa i w jaki sposób j oszacowa Jaki wpływ na dokładno i wiarygodno wyniku ma spójno pomiarowa Gdzie tkwi przyczyny błdów popełnianych przy analizie? przygotowanie do pomiaru pomiar interpretacja wyniku Jak sprawdzi czy otrzymany wynik jest wiarygodny Dlaczego metody analityczne naley walidowa i jak to robi Czy istniej systemy zapewnienia jakoci dla prac analitycznych METROLOGIA - nauka o pomiarach (metron miara, logos słowo, nauka) Pomiar - dowiadczalne porównanie okrelonej wielkoci mierzalnej z wzorcem tej wielkoci przyjtym za jednostk miary, którego wynikiem jest przyporzdkowanie wartoci liczbowej mówicej ile razy wielko mierzona jest wiksza lub mniejsza od wzorca. ródło zjawiska Przyrzd pomiarowy Obserwator Podane cechy pomiaru: wiarygodno, dokładno, jednolito w skali krajowej i midzynarodowej, spójno pomiarowa WALIDACJA Wzorzec SYSTEM ZAPEWNIENIA JAKOCI Obiekt pomiaru Obiekt pomiaru Przyrzd pomiarowy (przymiar liniowy) Błd pomiaru Przyrzd pomiarowy (przymiar liniowy) Metr odległo jak pokonujewiatło próni w czasie 1/ s. (od 1983r.) 1

2 Obiekt pomiaru Obiekt pomiaru Niepewno pomiaru: Spójno pomiarowa Legalizacja Błd pomiaru Przyrzd pomiarowy (przymiar liniowy) Spójno pomiarowa Legalizacja Błd pomiaru Przyrzd pomiarowy (przymiar liniowy) Błd pomiaru Błd wykonania podziałki przymiaru Metr odległo jak pokonujewiatło próni w czasie 1/ s. (od 1983r.) Metr odległo jak pokonujewiatło próni w czasie 1/ s. (od 1983r.) Instrument pomiarowy urzdzenie elektroniczne (rzadziej mechaniczne) przy pomocy którego przeprowadza si pomiar wielkoci fizycznych lub chemicznych. Niektóre instrumenty pomiarowe stosowane w yciu codziennym: Niektóre instrumenty pomiarowe stosowane w analityce chemicznej: KONDUKTOMETR pomiar przewodnictwa roztworów elektrolitów ph-metr / JONOMETR pomiar ph lub aktywnoci innych jonów SPEKTROFOTOMETR pomiar stenia na podstawie adsorpcji promieniowania w zakresie UV/VIS ANALIZATOR ELEKTROCHEMICZNY (POLAROGRAF) pomiar ste rónymi technikami woltamperometrycznymi i polarograficznymi z elektrod rtciow o kontrolowanym wzrocie kropli (CGMDE) FOTOMETR PŁOMIENIOWY pomiar ste metali alkalicznych i ziem alkalicznych na podstawie emisji promieniowania 2

3 SPEKTROMETR ICP-OES pomiar st e pierwiastków na podstawie emisji promieniowania przez atomy wzbudzone w palniku plazmowym SPEKTROMETR ASA pomiar st e pierwiastków metod absorpcji promieniowania SPEKTROMETR ICP-MS pomiar st e pierwiastków metod spektrometrii mas po jonizacji w palniku plazmowym SPEKTROMETR FLUORESCENCJI RENTGENOWSKIEJ pomiar st e pierwiastków na podstawie emisji charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego TITRATOR AUTOMATYCZNY POTENCJOMETRYCZNY pomiar zawarto ci jonów metod miareczkowania potencjometrycznego. WYSOKOSPRAWNY CHROMATOGRAF CIECZOWY (HPLC) pomiar st e zwi zków chemicznych po ich rozdzieleniu na kolumnie chromatograficznej. ANALIZATOR FIA (Wstrzykowa Analiza Przepływowa) automatyczny pomiar st e pierwiastków i zwi zków chemicznych. KULOMETRYCZNY TITRATOR ZAWARTO CI WODY titrator wykorzystuj cy metod kulometryczn oznacznia wody w substancjach organicznych (metoda Karla Fishera) Metody instrumentalne Metody instrumentalne s to metody w których informacj analityczn uzyskuje si za pomoc aparatury pomiarowej. Stanowi one warsztat do wiadczalny wykorzystywany do prowadzenia prac: badawczych; analitycznych; kontroli procesów. ICP-OES SKALA KONDUKTOMETR 3

4 Poprawne stosowanie metod instrumentalnych wymaga pełnego zrozumienia: zasady fizykochemicznej na której oparta jest metoda instrumentalna; praw fizycznych stanowicych podstaw pracy instrumentu pomiarowego; ogranicze wynikajcych z zastosowania metody pomiarowej; przypadków w których instrument moe by najlepiej uyty zgodnie z zasad. Przy wyborze techniki instrumentalnej oprócz czynników merytorycznych (wynikajcych z parametrów analitycznych metody) powinny by uwzgldniane: koszt aparatury; koszt utrzymania aparatury i niezbdnego do pracy wyposaenia dodatkowego (materiały, odczynniki, czci zamienne, wzorce); złoono postpowania analitycznego; wymagania od obsługi zrcznoci technicznej i manualnej. ROZWÓJ INSTRUMENTÓW POMIAROWYCH NA PRZYKŁADZIE WOLTAMPEROMETRII Polarograf Shibaty-Heyrowskiego - lata 20-te XX wieku Polarografy zmiennoprdowy i stałoprdowy Univector produkcji Cambridge Instruments - lata 40-te XX wieku. Polarograf zmiennoprdowy firmy Yokogawa - lata 50-te XX wieku. 4

5 Polarograf fali prostok tnej firmy Mervyn-Harwell lata 60te XX wieku Polarograf impulsowy prod. ZUT Telpod przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH Lata 70-te XX wieku Analizator elektrochemiczny produkcji f-my MTM przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH Analizator elektrochemiczny z elektrod CGMDE produkcji fmy MTM-ANKO przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH Lata 90-te XX wieku Przełom XX i XXI wieku SCHEMAT BLOKOWY INSTRUMENTU POMIAROWEGO DETEKTOR Analizator elektrochemiczny produkcji f-my MTM-ANKO przy współpracy zespołu Katedry Chemii Analitycznej WIMiC AGH 2010 r. PRZETWORNIK WEJ CIA MODYFIKACJA SYGNAŁU ODCZYT Detektor np. fotometryczny, konduktometryczny; Przetwornik wej cia np. przetwornik pr d napi cie, wtórnik napi ciowy; Modyfikacja sygnału np. wzmocnienie, logarytmowanie, przetwarzanie A/C; Odczyt np. wy wietlacz ciekłoktystaliczny, rejestrator XY, komputer. 5

6 Detektor urzdzenie za pomoc którego fizyczne lub chemiczne właciwoci substancji przekształcane s na sygnał analityczny. [Słownik chemii analitycznej, WNT 1984] Czujnik chemiczny małe urzdzenie które moe by uyte do bezporedniego pomiary analitu w matrycy próbki. [J.Wang, Analtical Electrochemistry, VCH 1994] Czujnik chemiczny jest urzdzeniem przetwarzajcym informacje chemiczne w sygnał uyteczny analitycznie. [definicja IUPAC] DETEKTOR KONDUKTOMETRYCZNY DETEKTOR PRZETWORNIK WEJCIA + MEMBRANA SELEKTYWNA CZUJNIKI (SENSORY) AMPEROMETRYCZNY SENSOR GLUKOZY I TLENU CZUJNIK Jak na podstawie pomiaru wielkoci fizycznej lub fizykochemicznej okreli skład chemiczny próbki? A= 12,3 10,2 15,6 17,0 11,2.? WYNIK ANALIZY np. Zawarto Pb w próbce wynosi 23,5 ± 0,2 mg lub stenie Pb w próbce wynosi: 0,052 ± 0,003 % Mierzona wielko zwizana jest cisł zalenoci z informacj analityczn (metody definitywne) cisłe zalenoci: Pomiary masy i stechiometria (analiza wagowa, grawimetria, elektrograwimetria) Pb 2+ + S 2- = PbS Pomiar objtoci i stechiometria (miareczkowanie) Pomiary ładunku i prawa Faradaja M m = q nf Prawa rozpadu promieniotwórczego (metoda aktywacji neutronowej) 6

7 Mierzona wielko zwizana jest z informacj analityczn zalenoci znan w przyblieniu (metody kalibracyjne) KALIBRACJA Znana zaleno funkcyjna typu: Sygnał = f(stenie) Jest wyprowadzona przy zastosowaniu wielu załoe upraszczajcych, nie pozwalajcych na ich analityczne uycie lub wielkoci stałych stosowanych w tych zalenociach s znane tylko w przyblieniu. Np. równania Ilkovica, Nicholskiego, Cottrela, Nernsta, Lamberta-Beera itd. ROZWIZANIE Wyznaczenie zalenoci empirycznej funkcji pomiarowej Sygnał = f(stenie) Kalibracja - proces, w którym wyznaczana jest zaleno funkcyjna pomidzy mierzonym w danej metodzie sygnałem a wielkoci okrelajc ilo oznaczanego składnika na podstawie danych obarczonych błdami przypadkowymi. Kalibracja instrumentu (cechowanie, wzorcowanie) - proces, w którym przenoszona jest nominalna (certyfikowana) warto przypisana do wzorca (próbki wzorcowej) na rzeczywiste wartoci sygnału otrzymywane przy pomiarze danym instrumentem. W procesie kaibracji metody Kalibracja polega na wyznaczeniu funkcji pomiarowej F (zwanej take funkcj kalibracyjn): y = F(x) gdzie: y - mierzony sygnał (prd, natenie wiatła itp.) x - wielko zwizana z iloci oznaczanej substancji (stenie, masa itp.). W wikszoci metod analitycznych nie jest znana teoretycznie dokładna posta funkcji pomiarowej. Zwykle znana jest jej przybliona posta, która nie moe by podstaw oznacze analitycznych (jest natomiast przydatna w okreleniu typu funkcji - liniowa, kwadratowa, wykładnicza itp.). Tylko w kilku przypadkach funkcja pomiarowa jest dokładnie znana teoretycznie (analiza wagowa, miareczkowanie, kulometria, elektrograwimetria). W tych metodach konieczna jest kalibracja instrumentu. WW celu wyznaczenia funkcji kalibracyjnej naley: Dokona szeregu pomiarów w roztworach standardowych o rónym steniu substancji oznaczanej. Zwykle stosuje si 7-10 roztworów o rónych steniach. Pomiar w kadym roztworze standardowym powtarzany jest zwykle 3-razy, a do dalszej interpretacji wykorzystywana jest ich rednia (po ewentualnym odrzuceniu błdów skrajnych i grubych). Aby wyniki oznaczenia na podstawie kalibracji były poprawne matryca próbki i roztworów standardowych powinna by identyczna. Otrzymany zestaw par liczb: (stenie roztworu standardowego, zmierzony sygnał) stanowi dane kalibracyjne. Do tych danych dopasowuje si funkcj kalibracyjn. Otrzymany zestaw par liczb: (stenie roztworu standardowego zmierzony sygnał) stanowi dane kalibracyjne. stenie [ppm] prd [na] Do tych danych dopasowuje si funkcj kalibracyjn

8 Funkcja kalibracyjna jest najczciej dopasowywana metod najmniejszych kwadratów (LS) lub jej modyfikacj (waone najmniejsze kwadraty, regresja przez 0 itd.). Typ funkcji kalibracyjnej jest zwykle zakładany na podstawie modelu teoretycznego. W metodzie najmniejszych kwadratów poszukiwana jest taka funkcja F(x) aby suma kwadratów odchyle danych kalibracyjnych od wyznaczanej funkcji była minimalna: ( y F x ) min ( ) Zakładajc liniow funkcj kalibracyjn F(x)=bx+a: ( ) min y bx a 2 2 Rozwizanie układu równa: a b [ ( y bx 2 a) ] [ ( y bx 2 a) ] = 0 = 0 pozwala na znalezienie wartoci parametrów b (nachylenie) i a (wyraz wolny). Analiza regresji pozwala take na oszacowanie przedziałów ufnoci parametrów b i a, współczynnika korelacji r oraz błdów predykcji wartoci y dla znanego x oraz wartoci x dla znanego y. Przykładowy zestaw danych kalibracyjnych i przebieg funkcji podany jest na rysunku. stenie [ppm] prd [na] Aby otrzyma informacj analityczn na podstawie zmierzonego sygnału konieczna jest f-cja analityczna Φ: x=φ(y) Funkcja analityczna Φ jest funkcj odwrotn do funkcji pomiarowej F. ww wikszoci metod analitycznych dy si do liniowej funkcji pomiarowej poniewa: moliwe jest okrelenie błdu predykcji (oznaczenia ilociowego); -- odwrócenie funkcji jest trywialne; czuło oznaczenia jest stała w całym zakresie ste. Inne metody oznacze ilociowych: 8

9 PORÓWNANIE ZE WZORCEM (kalibracja jednopunktowa). Stenie analitu w próbce c x dajce sygnał s x jest obliczane na podstawie sygnału s s otrzymywanego dla roztworu standardowego o steniu c s mierzonego w tych samych warunkach pomiarowych: c x cs s = s s Metod daje prawidłowe wyniki gdy: stenia analitu w próbce i roztworu standardowego s w przyblieniu równe; matryca próbki i roztworu standardowego s identyczne; wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie róni si istotnie od zera. x METODA DODATKU WZORCA Stenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału po dodaniu do próbki wzorca analitu. Dodatek moe by pojedynczy lub wielokrotny. Objto dodawanego wzorca powinna by zaniedbywalnie mała w stosunku do objtoci próbki. Metoda daje prawidłowe wyniki jeeli wyraz wolny liniowej funkcji pomiarowej stosowanej metody analitycznej nie róni si istotnie od zera. Metoda dodatku wzorca jest szczególnie przydatna gdy matryca próbki jest skomplikowana lub nieznana. Poniewa objto dodawanego wzorca jest zaniedbywalnie mała w stosunku do objtoci próbki zmiany stenia matrycy (a zatem take jej wpływ na wynik) s zaniedbywalne. METODA DODATKU PRÓBKI Stenie analitu w próbce jest obliczane na podstawie zmiany sygnału roztworu standardowego po dodatku próbki. Metoda jest przydatna gdy stenie analitu w próbce jest wysokie lub gdy rozcieczenie matrycy próbki eliminuje pochodzce od niej interferencje. METODA WZORCA WEWN TRZNEGO Stosowna do eliminacji wpływu parametrów operacyjnych metody na odpowied analitu. Zakłada, e wpływ niekontrolowanych fluktuacji parametrów operacyjnych na odpowied wzorca i analitu jest taka sama. W celu zastosowania metody do próbki dodaje si wzorca innej substancji (tj. nie analitu) a sygnał analitu mierzony jest w odniesieniu do sygnału wzorca. 9

10 METODA WZORCA WEWN TRZNEGO Kalibracja instrumentu (cechowanie, wzorcowanie) S analityczny h1 h ww h1 = h = const ww Proces regulacji instrumentu pomiarowego prowadzcy do obnienia błdu pomiaru charakterystycznej dla niego wielkoci fizycznej do poziomu okrelonego klas dokładnoci. Kalibracji instrumentu dokonuje si przy uyciu wzorców mierzonej wielkoci fizycznej (siły elektromotorycznej, napicia, opornoci, przewodnictwa, luminancji itd.) WZORCE I MATERIAŁY ODNIESIENIA PIERWOTNE WZORCE FIZYCZNE I CHEMICZNE Wzorzec masy (1 kg). Wzorzec jednostki masy atomowej (izotop C 12 ). Srebro 5N (tj. zawarto Ag > %, do kulometru srebrowego). Stała Faradaya (F = C), liczba Avogadro N = czsteczek/mol). WZORCE STOSOWANE W ANALITYCE Wzorce podstawowe - s stosowane do kalibracji instrumentów i systemów pomiarowych w celu zapewnienia długoterminowej wiarygodnoci i rzetelnoci procedury pomiarowej. Wzorce chemiczne - substancje chemiczne o wysokiej czystoci i stechiometrycznym składzie. Przykładowe wzorce chemiczne: Wglan sodu Na 2 CO 3 Chlorek potasu KCl Azotan(V) srebra AgNO 3 Materiał odniesienia (RM) - materiał lub substancja, których jedna lub wicej właciwoci s dostatecznie jednorodne i na tyle dobrze okrelone, aby mogły by stosowane do kalibracji przyrzdu, oceny metody pomiarowej lub do przypisania wartoci cechom materiałów. Stosowane s materiały odniesienia składu chemicznego, składu izotopowego, właciwoci fizycznych i specjalnych właciwoci technicznych. Certyfikowany (atestowany) materiał odniesienia (CRM) - materiał odniesienia opatrzony certyfikatem, którego jedn lub wicej wartoci okrelonych właciwoci atestowano z wykorzystaniem procedury zapewniajcej odniesienie do dokładnego wzorca jednostki miary wyraajcej dan właciwo, z jednoczesnym podaniem, dla kadej certyfikowanej wartoci, niepewnoci na okrelonym poziomie ufnoci. Wzorce wtórne - substancje standardowe i materiały odniesienia stosowane w codziennej praktyce analitycznej. Materiały odniesienia do analizy stopów glinu 10

11 Wzorce chemiczne - substancje o wysokiej czystoci stosowane do kalibracji instrumentów i metod analitycznych. Wymagania: Skład stechiometryczny. Wysoka czysto (99.99% lub lepiej). Nie powinny by higroskopijne. Nie powinny reagowa z dwutlenkiem wgla i tlenem. Powinny mie wysok mas czsteczkow. Przykłady: Na 2 CO 3, KCl Certyfikowane materiały odniesienia (CRM) - wykorzystywane s do kalibracji instrumentów pomiarowych, metod analitycznych, sprawdzania wiarygodnoci procesów analitycznych, laboratoriów i analityków oraz do charakteryzowania właciwoci substancji i materiłów. Produkcja CRM jest skomplikowanym procesem wieloetapowym. Obejmuje takie etapy jak: Selekcja - wymagania dotyczce składu matrycy, zawartoci analitu, sposobu zwizania analitu, moliwych interferencji oraz fizycznej postaci materiału. Przygotowanie - zebranie iloci materiału wystarczajcej do zapewnienia wystarczajcego zapasu na dłuszy czas. Przygotowanie materiału poprzez takie operacja jak: rozdrobnienie (rozkruszenie i utarcie), przesianie, odfiltrowanie i wymieszanie. Homogeniczno - CRM musi by homogeniczny w całej masie. Homogeniczno jest weryfikowana dla załoonej wielkoci próbki. Stabilno - musi by okrelona poprzez badanie zachowania w warunkach przyspieszonego starzenia. Otrzymanie wartoci certyfikowanych - moliwe jest na drodze uycia metody definitywnej lub czciej przez zastosowanie rónych metod analitycznych w najlepszych laboratoriach. Warto certyfikowana otrzymywana jest z rezultatów uzyskanych w rónych laboratoriach poprzez zastosowanie specjalnej procedury statystycznej (ISO guide 35). Przykłady: Matryca biologiczna: Licie tytoniu typu Oriental, CTA-OTL-1 atestowane zawartoci: Al, As, Ba, Br, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Cs, Cu, Eu, K, La, Li, Mg, Mn, Ni, P, Pb, Rb, S, Se, Sm, Sr, Tb, Th, V, Zn IEAE Tuna Fish, IEAE-350 atestowane zawartoci: Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Rb, Se, Zn, MeHg(metylort) oraz: licie (kapusty, pomidora, szpinaku, jabłoni), siano, porosty, mka, tkanka ostrygi, igły wierka, plankton itd. Matryca nieorganiczna: Koncentrat apatytowy, CTA-AC-1 atestowane zawartoci: Ba, Ca, Ce, Co, Cu, Eu, Gd, Hf, La, Lu, Mn, Na, Nd, Sc, Si, Sm, Ta, Tb, Th, Ti, U, V, Y, Yb, Zn oraz: popiół lotny, osad rzeczny, gleba itd. Tyto (Nicotiana tabacco) Ca 5 [(F,Cl,OH)(PO 4 ) 3 ] 11

12 Wytwarza i rozprowadza certyfikowane materiały odniesienia dla potrzeb analizy chemicznej i spektroskopowej. Powołane do istnienia w 1935 r. jako kontynuacja British Chemical Standards (BSC) istniejcej od 1916 roku. Pierwsze materiały były produkowane w kooperacji z amerykaskim NBS. Produkowane s materiały w postaci: proszków lub skrawków dla potrzeb analizy chemicznej, obejmujcych stale (stopowe i wglowe), stopy elaza i stopy innych metali, rudy i materiały ceramiczne. materiałów litych (dysków lub bloków) dla potrzeb analizy spektralnej, obejmujcych stale, stopy elaza i stopy innych metali RÓDŁA NIEPEWNOCI ANALIZY ILOCIOWEJ niepełne zdefiniowanie analitu pobieranie próbek nieilociowy przebieg procesu rozdzielania/zatania kontaminacja błdy osobowe odczytu wyników wpływ warunków rodowiskowych na procedur analityczn niepewno przyrzdów pomiaru masy i objtoci wartoci przypisane wzorcom i materiałom odniesienia wartoci stałych wykorzystywanych w obliczeniach przyblienia i załoenia upraszczajce w procedurze pomiarowej błdy przypadkowe NIEPEWNO POMIARU Niepewno pomiaru w sposób sumaryczny przedstawia niepewnoci wszystkich etapów postpowania analitycznego. Niepewno pomiaru jest parametrem okrelajcym przedział wokół wartoci przyjtej jako wynik pomiaru, w którym na załoonym poziomie prawdopodobiestwa mona spodziewa si wystpienia wartoci prawdziwej (oczekiwanej). Standardowa niepewno pomiaru niepewno pomiaru przedstawiona i obliczona jako odchylenie standardowe Złoona standardowa niepewno wyniku oznaczenia standardowa niepewno oznaczenia, której warto uwzgldnia niepewnoci standardowe parametrów wpływajcych na wynik analizy (np. niepewno pomiaru, niepewno wzorca, niepewno stałych uytych do oblicze itp.). Obliczana jest na podstawie prawa propagacji tj. 2 u c = u i n Niepewno wzgldna stosunek niepewnoci do wartoci wielkoci mierzonej Niepewno rozszerzona wielko okrelajca przedział w którym mona z załoonym prawdopodobiestwem (poziomem istotnoci) oczekiwa wystpienia wartoci prawdziwej (oczekiwanej). Niepewno rozszerzona powstaje przez pomnoenie niepewnoci całkowitej u c przez współczynnik rozszerzenia k U = ku c Współczynnik rozszerzenia zaleny od przyjtego poziomu istotnoci mnonik wybierany zwykle z przedziału

13 Niepewno typu A: metoda szacowania niepewnoci na podstawie pomiarów statystycznych Błd pomiaru Niepewno typu B: metoda wykorzystujca inne ni statystyczne metody oszacowania niepewnoci: wczeniejsze dowiadczenia wczeniejsze wyniki podobnych bada dostarczone przez producenta specyfikacje instrumentów, odczynników, naczy miarowych niepewno obliczona na podstawie bada materiałów odniesienia Niepewno pomiaru Gdzie szuka ródeł niepewnoci? PRÓBKA PRZYGOTOWANIE PRÓBKI POBIERANIE PRÓBKI STRATEGIA POBIERANIA PRÓBKI OBIEKT POMIARU POMIAR SYGNAŁ WYNIK POMIARU WYNIK ANALIZY REJESTRACJA/OCENA KALIBRACJA SYSTEM POMIAROWY ZMIENNE UKRYTE METODY CHEMO- METRYCZNE BADANY OBIEKT PROBLEM INERPRETACJA INFORMACJA PERCEPCJA ROZWIZANIE PROBLEMU Błdy popełniane w rónych etapach procesu analitycznego Trudnoci zachowania spójnoci pomiarowej w pomiarach analitycznych: SPÓJNO POMIAROWA Spójno pomiarowa to właciwo wyniku pomiaru (lub wzorca jednostki miary), pozwalajca na jego powizanie z okrelonymi odniesieniami (najczciej z wzorcami pastwowymi lub midzynarodowymi jednostkami miar) za porednictwem nieprzerwanego łacucha porówna, o okrelonej niepewnoci. Dziki spójnoci pomiarowej wyniki s porównywalne. okrelenie, co jest przedmiotem oznaczenia interferencje niejednorodno próbki nietrwało próbki przygotowanie próbki prawidłowo wykonania pomiaru wyznaczenie niepewnoci wyniku 13

14 BŁDY ANALIZY I ICH RÓDŁA Błdy przypadkowe - wynikaj z losowych fluktuacji warunków pomiarowych. Podlegaj rozkładowi normalnemu (w nielicznych przypadkach moliwe s inne rozkłady błdu). S naturalnym składnikiem mierzonych wielkoci a oszacowaniem ich wielkoci i ich wpływam na wynik analizy zajmuj si metody statystyczne. Błdy skrajne - błdy przypadkowe o bardzo duych wartociach i bardzo małym prawdopodobiestwie wystpienia. Poniewa mog wpłyn w sposób istotny na warto redni wyniku powinny by odrzucane przy interpretacji przy pomocy odpowiednich testów statystycznych (np. test Deana- Dixona). Błdy grube - błdy o bardzo duych wartociach spowodowane czynnikiem ludzkim. Poniewa podobnie jak błdy skrajne mog wpłyn w sposób istotny na warto redni wyniku powinny by odrzucane przy interpretacji przy pomocy testów statystycznych (np. test Deana-Dixona). Błdy systematyczne - błdy powodujce systematyczne odchylenie wartociredniej od wartoci rzeczywistej. Wyrónia si błdy systematyczne proporcjonalne (o wielkoci proporcjonalnej do mierzonej wielkoci) i stałe (ich wielko nie zaley od wielkoci mierzonej). Wynikaj z czynników aparaturowych, ludzkich lub odczynnikowych. Eliminowane s w procesie kalibracji. Błdy przypadkowe Błdy skrajne i grube Błd systematyczny RÓDŁA BŁDÓW W ANALIZIE LADÓW KONTAMINACJA Stenie oznaczanego składnika jest znacznie mniejsze ni innych składników próbki. Kontaminacja próbki pochodzca od odczynników, naczy, instrumentów orazrodowiska laboratoryjnego. Straty oznaczanego składnika na skutek adsorpcji, rozkładu oraz w trakcie operacji analitycznych. Składniki matrycy próbki mog interferowa ze stosowanym detektorem. Trudnoci ze sprawdzeniem rzetelnoci metody analitycznej dla konkretnego zastosowania (niewielka ilo dostpnych materiałów referencyjnych). Kontaminacja (zanieczyszczenie) - polega na niekontrolowanej zmianie stenia oznacznego pierwiastka w próbce w trakcie etapów procesu analitycznego. Kontaminacja jest głównym ródłem niedokładnoci w ladowej analizie elementarnej. Problem kontaminacji jest szczególnie istotny gdy: oznaczane stenie jest nisze od 1 ppm; oznaczany pierwiastek wystpuje w rodowisku w wysokim steniu; oznaczany pierwiastek jest w lotnych zwizkach. 14

15 ródła kontaminacji rodowisko; urzdzenia do pobierania próbek i pojemniki; procedury pobierania próbek; rozplanowanie i urzdzenie laboratorium; sprzt laboratoryjny; odczynniki i rozpuszczalniki; mikroorganizmy; personel. Kanał wentylacyjny wycigu. Łania wodna Zapobieganie kontaminacji Mycie szkła laboratoryjnego Przykładowa procedura: 1.umycie w alkalicznym roztworze detergenta; 2.staranne opłukanie w wodzie dejonizowanej; 3.zanurzenie w 6 M HCl w 60 C przez trzy dni lub w temperaturze pokojowej przez tydzie; 4.staranne opłukanie w wodzie dejonizowanej; 5.zanurzenie w 7 M HNO 3 w 60 C przez trzy dni lub w temperaturze pokojowej przez tydzie; 6.kilkakrotne opłukanie w wodzie dejonizowanej; 7.kondycjonowanie w 0.05 M HNO 3 przez co najmniej tydzie lub do momentu uycia; 8.kilkakrotne opłukanie w wodzie dejonizowanej przed uyciem. Oczyszczanie odczynników i rozpuszczalników. Odczynniki rozprowadzane przez firmy takie jak: Merck, Aldrich, Sigma, Fluka, Baker, POCh itd. O rónym stopniu czystoci: techniczne, czyste, czyste do analizy, czyste spektralnie oraz ultraczyste (suprapur, ultranal itd.) 15

16 Odczynniki i rozpuszczalniki mog wymaga dodatkowego oczyszczenia. W tym celu wykorzystywane s róne metody destylacji (np. subboiling), sublimacja, ekstrakcja, rafinacja strefowa, wytrcanie i współstrcanie zanieczyszcze, rekrystalizacja, chromatografia i bezporednia synteza. Woda. Tradycyjne metody oczyszczania takie jak wielokrotna destylacja i wymiana jonowa s obecnie uzupełnione przez metody wykorzystujce procesy membranowe takie jak odwrotna osmoza, ultrafiltracja i elektrodializa. Dostpne s komercyjnie kompletne systemy laboratoryjne do oczyszczania wody takie jak Milli-Q, Direct-Q, Super-Q (Millipore LabWater Products, USA), Continuous Deionisation Process CDI (US Filter, USA), NANOpure, E-pure, B-pure Water Purification Systems (Barnstead, USA). BIDESTYLARKA KWARCOWA sterowanie chłodnica spirale grzejne odbieralnik wlew wody oczyszczanej (zwykle destylowanej lub dejonizowanej) Systemy oczyszczania wody Milli-Q 5 opcji dostosowanych do potrzeb od laboratoryjnych do biologii molekularnej i analizy ladowej. Wbudowane mierniki przewodnictwa i TOC Zawieraj midzy innymi nawietlanie UV obnia zanieczyszczenia organiczne do < 5 ppb, filtr 5000 Daltonów itd. ELGA LabWater system ELGA LabWater system OKULARY OCHRONNE S OBOWIZKOWE W KADYM LABORATORIUM NAWET JEELI PRACUJEMY Z WOD!!! 16

17 St enia [ppb] jonów metali w wodzie oczyszczonej ró nymi metodami. Metal dejon. kom. dejon. lab. dest.2x srebro dest.4x kwarc Milli-Q CDI Cu 37±1 17±2 10±1 2,3±0,8 1,8±0,8 1,7±0,8 Pb 17±6 12±4 16±1 1,6±0,1 0,3±0,1 0,6±0,1 Cd 6,8±0,3 2,1±0,3 1,2±0,1 0,2±0,1 <0,01 <0,01 Zn 33±6 14±4 17±3 5±1 2,4±0,8 2,0±0,8 Prowadzenie operacji i analizy w czystym pomieszczeniu (clean room) lub komorze z laminarnym przepływem powietrza. Czyste pomieszczenia klasyfikowane s na podstawie ilo ci cz stek pyłu na ft3 (klasa , 10000, 1000, 100). Czyste pomieszczenia stawiaj skrajnie wysokie wymagania wobec personelu - jedynie wysoko wykwalifikowani pracownicy maj wst p (ka dy człowiek pozostaj c w spoczynku emituje ok cz stek pyłu w ci gu godziny, a 20 razy wi cej poruszaj c si wolno). Przyczyny strat substancji oznaczanej (analitu) adsorpcja lub absorpcja; wytr cenie; odparowanie; dyfuzja lub permacja; zmiana temperatury; utlenienie (w niektórych przypadkach tak e redukcja); rozkład pod wpływem wiatła (fotoliza); polimeryzacja lub depolimeryzacja; reakcja chemiczna (inna ni wymienione); biodegradacja. 17

18 PARAMETRY METOD ANALITYCZNYCH WALIDOWANE PARAMETRY JAKOCIOWE METODY ANALITYCZNEJ Walidacja - kompleksowa procedura sprawdzajca czy metoda analityczna jest wolna od błdów (systematycznych i przypadkowych) nie tylko w ramach kalibracji ale przede wszystkim wynikajcych z interferencji przy analizie próbek rzeczywistych. Dokładno (accuracy) - stopie zgodnoci pomidzy wynikiem pomiaru a wartoci referencyjn (któr moe by warto prawdziwa, oszacowana lub oczekiwana). Dokładno wyraana jest poprzez błd bezwzgldny (tj. rónic midzy wartoci zmierzon a wartoci referencyjn) lub błd wzgldny. Precyzja (precision) - wielko charakteryzujca rozrzut wyników uzyskiwanych przy wielokrotnym oznaczaniu składnika dan metod w zdefiniowanych warunkach. Precyzja wyraana jest przez odchylenie standardowe (lub wzgldne odchylenie standardowe) wyników. METODA X X precyzyjna i dokładna precyzyjna i niedokładna X X nieprecyzyjna i dokładna nieprecyzyjna i niedokładna Czuło (sensitivity) - jest to stosunek przyrostu sygnału analitycznego do odpowiadajcego mu przyrostu stenia. Definiowana jest zatem jako nachylenie funkcji pomiarowej (kalibracyjnej) F: S = df dc Zakres liniowoci (linear range) - przedział stenia, w którym czuło metody ma warto stał. czuło Granica wykrywalnoci (detection limit) - stenie składnika dla którego otrzymany sygnał moe by odróniony z duym prawdopodobiestwem od sygnału lepej próby. Pozwala to na półilociowe stwierdzenie obecnoci danego składnika w próbce. Granica oznaczalnoci (determination limit) - stenie przy którym dana metoda analityczna jest wystarczajco precyzyjna i dokładna aby uzyska zadowalajce oznaczenia ilociowego danego składnika. zakres liniowoci 18

19 Selektywno (selectivity) - zdolno metody do dawania sygnału analitycznego tylko dla pewnej grupy substancji a nie reagownia na obecno innych substancji. Metoda selektywna ma ograniczon ilo substancji interferujcych. Specyficzno (specifity) - zdolno metody do dawania sygnału analitycznego tylko dla jednej substancji a nie reagownia na obecno innych substancji. W metodzie specyficznej nie ma wpływu interferencji. Powtarzalno (repeatability) - precyzja metody uzyskana w warunkach praktycznie identycznych (ten sam wykonawca, materiał, próbka, aparatura, laboratorium, niewielkie odstpy czasowe). Odtwarzalno (reproducibility) - precyzja metody uzyskana w warunkach porównywalnych (taki sam materiał ale mog by róni wykonawcy, sprzt, laboratorium wzgldnie długie odstpy czasu pomidzy analizami). Dokładno (accuracy) Precyzja (precision) Parametry walidowane poprzez: certyfikowane materiały referencyjne, metody porównawcze, wyjtkowo wzorce Czuło (sensitivity) Zakres liniowoci (linear range) Parametry walidowane poprzez: Analiz serii roztworów standardowych Granica wykrywalnoci (detection limit) Granica oznaczalnoci (determination limit) Parametry walidowane poprzez: Analiz serii roztworów standardowych 19

20 Selektywno (selectivity) Specyficzno (specifity) Parametry walidowane: Analiz certyfilkowanych materiałów odniesienia. Wpływ poszczególnych składników interferujcych jest badany przy uyciu roztworów standardowych. Elementy systemu zapewnienia jakoci: ocena precyzji - analiza próbek kontrolnych ocena dokładnoci: analiza certyfikowanych materiałów odniesienia zastosowanie metody odniesienia metoda odzysku badania midzylaboratoryjne (interkalibracja) karty kontrolne audyty Systemy zapewnienia jakoci laboratoriów analitycznych: CHEMIA ANALITYCZNA dobra praktyka laboratoryjna (GLP) akredytacja laboratorium wg. ISO guide lub EN certyfikacja wg. ISO 9001 System jakoci (projektowanie, planowanie, kontrola jakoci, oszacowanie jakoci, zmiany i korekty ANALITYKA CHEMICZNA Elementy składowe systemu kontroli i zapewnienia jakoci JAKO PROCESU ANALITYCZNEGO JAKO WYNIKÓW POMIARÓW ANALITYCZNYCH JAKO Pracy w laboratorium Pracy poza laboratorium JAKO wyników analitycznych JAKO materiałów i odczynników aparatury wyposaenia oprogramowania Spójno Materiały odniesienia Walidacja metod analitycznych Niepewno OGÓLNA JAKO WYNIKÓW ANALITYCZNYCH Badania midzylaboratoryjne 20

21 ZAGADNIENIE JAKOCI W ANALIZIE CHEMICZNEJ Jako (quality) to charakterystyka oraz parametry charakterystyczne dla metody analitycznej, sprztu oraz wyników pomiarów w odniesieniu do ich przydatnoci do spełnienia stawianych wymaga. Dla metody analitycznej charakterystyka obejmuje takie parametry jak: wiarygodno (dokładno i precyzja), specyficzno i czuło. Zapewnienie jakoci (quality assurance) - system działa obejmujcy: Zarzdzanie jakoci (quality management) - te aspekty zarzdzania, które okrelaj i implementuj wysok jako. Planowanie jakoci (quality planning) - selekcja, klasyfikacja i ocena charakterystyki jakoci oraz realizacji wymaga jakociowych w trakcie przygotowania do realizacji zada. Kierowanie jakoci (quality guidance) - nadzorowanie charakterystycznych dla jakoci wielkoci i wprowadzanie procedur korekcyjnych. Sprawdzanie jakoci (quality testing) - okrelenia w jakim stopniu wymagania jakoci s spełnione. WALIDACJA Kompleksowa procedura sprawdzajca czy metoda analityczna jest wolna od błdów (systematycznych i przypadkowych) nie tylko w ramach kalibracji ale przede wszystkim wynikajcych z interferencji przy analizie próbek rzeczywistych. Przepisy pastwowe (branowe) mog okrela walidacj dla specjalistycznych instrumentów pomiarowych składajc si z testów wykonywanych przez odpowiednie słuby zgodnie z odpowiednimi normami. Najczciej walidowane parametry metody: Dokładno poprzez analiz certyfikowanych materiałów odniesienia, stosowanie metody porównawczej lub metod odzysku. Precyzja poprzez analiz próbek standardowych lub CRM Zakres roboczy (zakres liniowoci) wyznaczenie funkcji pomiarowej dla roztworów standardowych Selektywno roztwory standardowe DOBRA PRAKTYKA LABORATORYJNA (GOOD LABORATORY PRACTICE - GLP) Dobra Praktyka Laboratoryjna (GLP) jest systemem zapewnienia jakoci obejmujcym działania organizacyjne oraz warunki, w których badania rodowiskowe i zdrowotne (nie kliniczne) s planowane, dokonywane, monitorowane, rejestrowane, archiwizowane i prezentowane. Jest to protokół opracowany przez organizacj OECD [ Zasady GLP: Sprawdzanie sprawnoci organizacji i personelu (osób i jednostek organizacyjnych koniecznych do prowadzenia bada). Program zapewnienia jakoci - zdefiniowany system obejmujcy personel niezaleny od prowadzonych bada powołany do zapewnienia jakoci zgodnie w zasadami GLP. Udogodnienia - obejmuj wykonywanie testów, materiały referencyjne, archiwa oraz gospodark odpadami. 21

22 Wymagania dla instrumentów, materiałów i odczynników. Systemy sprawdzajce, testy i materiały referencyjne - przepisy, metody postpowania obejmujce pobieranie próbek, przechowywanie i charakterystyk. Standardowe procedury operacyjne (SOP) - dokumenty opisujce procedury wykonywania testów i innych czynnoci laboratoryjnych (np. przygotowania roztworów, prowadzenia pomiarów itp.). Wykonanie bada - plan bada i przebieg bada. Przedstawianie wyników bada - zawarto raportu kocowego z bada. Przechowywanie i archiwizacja materiałów i zapisów. AKREDYTACJA Proces, w którym urzd akredytujcy po sprawdzeniu jakoci i innych kryteriów aplikujcej o akredytacj jednostki (np. laboratorium) udziela (lub nie) akredytacji (ISO Guide 25) 1. Laboratorium wnioskujce o akredytacj dostarcza wniosek akredytacyjny, kopi instrukcji zapewnienia jakoci, list oznaczanych składników wraz z podstawowymi informacjami o metodologii. 2. Urzd akredytujcy wysyła zespół inspekcyjny, którego zadaniem jest sprawdzenie czy dostarczona informacja jest adekwatna. Sprawdzane jest działanie systemu jakoci oraz metodologia ze szczególnym uwzgldnieniem walidacji i oceny jakoci. 3. Po udzieleniu akredytacji wizyty nadzorujce s dokonywane co roku. Akredytacja jest zwykle udzielana na okres czterech lat i po tym okresie procedura akredytacyjna jest powtarzana. Kontrola jakoci (quality assurance) to wiadome działania przedsibiorstwa wobec problemu jakoci towarów i usług, w którym istotn cz odpowiedzialnoci przejmuje naczelne kierownictwo firmy. KONTROLA JAKOCI Załoenie: dobra jako nie jest kwesti przypadku, ani nie jest rezultatem mylenia yczeniowego, ale jest wynikiem planowych i skoordynowanych działa wszystkich działów organizacyjnych przedsibiorstwa, które obejmuj projektowanie, prace inynierskie, techniczne, jakociowe przygotowanie produkcji, planowanie produkcji, standardy wykonania wyrobów i wymagania personalne, a take szkolenie i doskonalenie kadr administracyjnych, zarzdzajcych i produkcyjnych. Celem tego podejcia jest wyeliminowanie wszelkich negatywnych czynników, które obniaj jako produktów i usług przedsibiorstw. 22

23 Podejcie TQM do zarzdzania jakoci Metody zarzdzania jakoci: kontrola wytworzonych elementów, utrzymanie załoonego standardu wykonania procesów, permanentne doskonalenie jakoci całej organizacji. Schemat obrazuje sposób, w jaki kierownictwo na rónych poziomach organizacji pracuje nad doskonaleniem jakoci w systemie permanentnego doskonalenia jakoci całej organizacji. W kontroli jakoci stosuje si wiele inspekcji i testów, aby stwierdzi, czy zaplanowana jako została rzeczywicie osignita. Analiza przyczyn i skutków Zarzdzanie jakoci nie ogranicza si jedynie do kontroli po fakcie, poniewa koszty wykrycia wady na kocu procesu s duo wysze ni poprawa etapu procesu, podczas którego te błdy powstaj. Koszt wykrycia błdu i wysiłku włoonego w kontrol jakoci Analiza Pareto Okrelenie etapu, podczas którego powstaj błdy, nie wystarcza. Naley take okreli istotno powstajcych błdów. Korzystajc z wykresu zamieszczonego poniej, mona zauway, e eliminacja błdu, który jest przyczyn 51% reklamacji, przyniesie duo wiksze oszczdnoci, ni eliminacja błdu powodujcego 1% reklamacji. Wykres Pareto przedstawiajcy przyczyny niezadowolenia klientów restauracji 23

24 Próbki statystyczne Badanie partii produkcyjnej na podstawie próbki statystycznej sprawdza jako produktu. Wykorzystuje pewn liczb jednostek wzitych z partii produkcji, aby sprawdzi, czy cała partia osignła zaprojektowany poziom jakoci. Statystyczn kontrol jakoci mona prowadzi w ramach trzech etapów produkcji: badania surowców, kontroli procesu akceptacji wyrobów gotowych. KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE KONTROLI JAKOCI Przykład: Moduł systemu SinLab - Statystyczna Kontrola Jakoci [ Moduł umoliwia: pełne dokumentowanie uytkowania materiałów kontrolnych, pełn dokumentacj przeprowadzonych operacji zwizanych z kontrol jakoci, automatyczne generowanie zestawie kontroli jakoci 24

25 W.W.Kubiak Analityka w kontroli jakoci Procedura Kontroli Jakoci Produkcji pipet automatycznych Dokładna kontrola jakoci wyrobów jest kluczem do sukcesu firmy. W cigu 25 lat produkcji sprztu liquid handling, Dział Kontroli Jakoci wypracował procedury pozwalajce na zapewnienie 100%-wej kontroli wszystkich produkowanych pipet. Dziki wymagajcym testom wytrzymałoci i skrupulatnej weryfikacji parametrów pipety naszej produkcji znane s z wyjtkowej wytrzymałoci, wysokiej dokładnoci i powtarzalnoci. Kontrola jakoci produktów dokonywana jest na nastpujcych etapach procesu produkcji: Statystyczna kontrola przychodzcych materiałów i komponentów Statystyczna kontrola czci wtryskowych w tym test wytrzymałoci trzonów Indywidualna kontrola podzespołów podczas montau Indywidualna kontrola poprodukcyjna. Po montau kady wykonany produkt staje si przedmiotem cisłej kontroli dokonywanej zgodnie ze standardami EN ISO Testy wykonywane s przez bardzo dowiadczonych pracowników w nowoczesnym i w pełni skomputeryzowanym laboratorium. Testy dokładnoci i powtarzalnoci wykonuje si przy uyciu wody destylowanej, metod grawimetryczn w ustabilizowanej temperaturze (20 C ± 1 C). Standardowa kontrola jakoci składa si z nastpujcych testów: Ocena estetyki produktu Ocena płynnoci pracy i testy sił Test szczelnoci Wyniki testów zostaj wprowadzone do bazy danych i komputerowego systemu kontroli jakoci i w ten sposób nastpuje niezalena ocena produktu pod ktem spełnienia deklarowanych wymaga. Tylko w przypadku pomylnego zakoczenia wszystkich testów wyrobowi wystawiany jest Certyfikat Kontroli Jakoci. Certyfikat Kontroli Jakoci przedstawia prawdziwe wyniki pomiaru powtarzalnoci i dokładnoci osignite podczas testu przez badan pipet. Certyfikat załczany jest do kadej pipety. Weryfikacja dokładnoci i powtarzalnoci. 25