JAK UNIKAĆ PODWÓJNEGO LICZENIA SKŁADOWYCH NIEPEWNOŚCI? Robert Gąsior

Transkrypt

1 Robert Gąsior Omówię klasyczne, nieco zmodyfikowane, podejście do szacowania niepewności wewnątrz-laboratoryjnej, oparte na budżecie niepewności. Budżet taki zawiera cząstkowe niepewności, które są składane zgodnie z zasadą propagacji (Gonzalez i in., 2005; ISO GUM, 1993) w celu uzyskania niepewności złożonej z możliwie najbardziej istotnych i rozpoznanych składowych niepewności. Chcę pokazać, że w zależności od sposobu przeprowadzenia walidacji, pewne składowe niepewności etapów przygotowania próbki i analizy, wchodzą do odtwarzalności wyniku końcowego, i wówczas, unikając podwójnego liczenia składowych niepewności, nie ujmujemy ich w budżecie. Przedstawię taki budżet na przykładzie oznaczeń witaminy A metodą HPLC 1

2 Odtwarzalność Podstawowym składnikiem niepewności jest składnik odtwarzalności - Odtwarzalność rozumiana jako nie mniejsza niż odchylenie standardowe (współczynnik zmienności) pojedynczych oznaczeń substancji w danym materiale przeprowadzonych w dłuższym czasie z uwzględnieniem możliwie dużej ilości składników zmienności. Określona w warunkach danego laboratorium jest odtwarzalnością wewnątrz-laboratoryjną. 2

3 Składniki losowe i systematyczne Można wyróżnić składniki losowe: np. Precyzja (ściślej brak precyzji): pipet, kolbek, standaryzacji wzorca wit. A (spektrofotometr), kalibracji, ważenia; czystość wzorca i systematyczne (bias=obciążenie): np. Poprawność (ściślej niepoprawność): pipet, kolbek, wagi; odzysk 3

4 W przypadku wystąpienia istotnych błędów systematycznych, wyniki powinny być odpowiednio korygowane (Eurachem, 2000). Jednak często taka korekcja nie jest praktyczna, szczególnie, gdy nie mamy pewności odnośnie natury błędu oraz jego istotności. Szczególnie w przypadku, gdy błąd systematyczny nie jest duży (np. mała niepoprawność pipet, mały bias związany z odzyskiem), to można wyniku nie korygować a rozważyć włączenie błędu systematycznego (zakładając jego randomizację) do budżetu niepewności. Błąd systematyczny nie wpływa bowiem na odtwarzalność samego wyniku, ale wpływa na zafałszowanie jego wartości i niepewność względem wartości prawdziwej (Tabela 1 i 2). 4

5 Tabela 1. Niepewność względem wartości prawdziwej, gdy składowe niepewności nie są obciążone bez BIASU SUMA X=A+B -dodawane są zmienności bezwzględne (kwadraty odchyleń standardowych) Odtwarzalność teoretyczna wyniku 2 2 SD (X)t= SD1 SD A B SD1 SD Odtwarzalność wyniku X SD(X)= 1.84 Wynik A B X Wartość zbliżona do prawdziwej śr Odchylenie E= X-śr m liczba danych Niepewność względem wartości prawdziwej RMS ( E) m E (RMS(E) średnie kwadratowe odchylenie X od śr) = śr

6 Tabela 2. Niepewność względem wartości prawdziwej, gdy jedna ze składowych niepewności jest obciążona z BIASEM SUMA X=A+B + -dodawane są zmienności bezwzględne (kwadraty odchyleń standardowych) Odtwarzalność teoretyczna wyniku 2 '2 SD (X)t= SD1 SD A B SD1 SD BIAS= +3 Odtwarzalność wyniku X SD(X)= 1.84 Wynik A B X Niepewność teoretyczna względem wartości prawdziwej 2 SD( X ) t BIAS Wartość zbliżona do prawdziwej śr Odchylenie E= X-śr = 3.56 m liczba danych Niepewność względem wartości prawdziwej RMS ( E) m E (RMS(E) średnie kwadratowe odchylenie X od śr) = śr

7 Jest bias, więc niepewność względem wartości prawdziwej nie jest porównywalna do odtwarzalności. Niepewność względem wartości prawdziwej zawiera składnik odtwarzalności i 2 2 składnik biasu = SD( X ) t BIAS. bias=obciążenie=niepoprawność jest błędem systematycznym i jako taki nie zawiera się w odtwarzalności, i jeśli wyniku nie korygujemy o bias, w budżecie niepewności na ogół wyróżniamy odrębny (poza odtwarzalnością) składnik związany z niepoprawnością. Czy błędy systematyczne związane z niepoprawnością pipet i kolbek można nie ujmować w budżecie niepewności? (nawet gdy wyniku nie korygujemy o bias) * 7

8 * Można, z trzech powodów: - Jeśli są to błędy małe (1-2 %), możemy je pominąć jako nie wnoszące istotnego wkładu do niepewności złożonej (szczególnie w przypadku analiz instrumentalnych, patrz Porównanie niepewności metody (witamina A) z Tabeli 4 i 5 - Jeśli walidacja jest prowadzona w długim okresie (czasem z wykorzystaniem różnych pipet i kolbek), to można założyć, że błędy systematyczne stają się losowe (randomizacja). Są one już ujęte w odtwarzalności i aby uniknąć podwójnego liczenia składowych niepewności, w budżecie nie wyodrębniamy składnika związanego z niepoprawnością pipet i kolbek - Jeśli wynik korygujemy o bias, samego biasu jako takiego nie ujmujemy w budżecie niepewności (ale rozpatrujemy niepewność przeprowadzonej korekty) 8

9 W budżecie niepewności składniki niepewności mogą zawierać się w odtwarzalności lub nie, w zależności od sposobu walidacji przeprowadzonej z uwzględnieniem większej lub mniejszej ilości składników zmienności. Im więcej takich składników będzie zawartych w odtwarzalności, tym mniej odrębnych składowych niepewności będzie wyróżnionych w budżecie. To, kiedy składniki są ujęte w odtwarzalności, a kiedy nie, omówię w Tabeli 3. Uwaga: Walidacja powinna być przeprowadzona w sposób praktyczny i obejmować możliwie dużo składników niepewności, ale w ramach zdrowego rozsądku. 9

10 Tabela 3. Kiedy niepewności krzywej kalibracji, czystości wzorca, odzysku, standaryzacji są zawarte w odtwarzalności, a kiedy nie ILOCZYN X=S x (Ap/ As ) X =S x (Ap/ As' ) S= 20; As wartość stała bez uwidocznionej zmienności; As wartości zmienne S-stężenie wzorca; Ap-odczyty dla próbek; As, As -odczyty dla wzorców -dodawane są zmienności względne (kwadraty współczynników zmienności) 1 Przypadek Niezmienna As 2 Przypadek Odtwarzalność teoretyczna wyniku CV%(X)t= 1% CV % CV1% CV2% Ap As S Odtwarzalność wyniku X CV%(X)= Wynik X Ap Zmienna As Odtwarzalność teoretyczna wyniku CV%(X )t= 2 CV1 CV 2% CV1% CV2% As S 20 Odtwarzalność wyniku X CV%(X )= Wynik X

11 1 Przypadek - Jeśli podczas walidacji odnosiliśmy się do jednego roztworu wzorca lub jednej krzywej kalibracji, to zmienność wyniku nie obejmuje zmienności roztworu wzorca czy też zmienności krzywej kalibracji. W tym przypadku w budżecie wyodrębnia się osobny składnik niepewności związany z roztworem wzorcowym, czy krzywą kalibracji. Składnik ten bowiem nie został ujęty w odtwarzalności. 2 Przypadek - Jeśli podczas walidacji odnosiliśmy się do wielu roztworów wzorcowych lub też wielu krzywych kalibracji, to zmienność wyniku obejmuje zmienność roztworów wzorcowych czy też zmienność krzywej kalibracji. W tym przypadku w budżecie nie wyróżnia się odrębnego składnika niepewności związanego z roztworem wzorcowym czy krzywą kalibracji. Składnik ten jest już bowiem ujęty w odtwarzalności. Podobnie j.w., można wyróżnić przypadki dla niepewności współczynnika odzysku (mimo że wynik jest korygowany o odzysk i samego odzysku nie ujmujemy w budżecie, to rozpatrujemy niepewność tej korekty ***) i czystości wzorca (S), standaryzacji itp. 11

12 Przykładowy budżet niepewności z biasem pipet i kolbek (Tabela 4) i bez biasu pipet i kolbek (Tabela 5) 12

13 Tabela 4. Budżet niepewności wewnątrz-laboratoryjnej, witamina A, analizy wykonywane w powtórzeniu (n=2). Bias pipet i kolbek ujęty w budżecie ** a i błąd graniczny przyrządu pomiarowego lub wzorca szacowana na podstawie własnych obserwacji lub danych pochodzących od producentów, dotycząca i-tego składnika niepewności Składnik niepewności Odtwarzalność CV% rep, n=2 CV % rep 12 u1% 8.5 n 2 Czystość wzorca Na podstawie danych producenta, z rozkładu prostokątnego: a 2 =3, u 2 %=a 2 ** / 3= 1.73 Niepoprawność pipet Błąd graniczny (%) a i =2; u i % z rozkładu prostokątnego: u 5 %=a 5 / 3= 1.15 u 6 %=a 6 / 3= 1.15 u 7 %=a 7 / 3= 1.15 u 8 %=a 8 / 3= 1.15 Opis Składniki wyróżnione w budżecie u1% zawiera większość błędów przygotowania próbki i analizy chromatograficznej Jeden wzorzec składnik nieujęty w odtwarzalności (T3, Prz1) Niepoprawność * (bias) nie jest ujęta w odtwarzalności (T2) (w odróżnieniu od precyzji pipet patrz Składniki nie wyróżnione w budżecie) Względne niepewności standardowe u i % u i %

14 Tabela 4. cd. Bias pipet i kolbek ujęty w budżecie Składniki wyróżnione w budżecie Niepoprawność kolbek Błąd graniczny (%) a 9-10 =0.6, 0.6; u 9-12 % z rozkładu prostokątnego: u 9 %=a 9 / 3= 0.35 u 10 %=a 10 / 3= 0.35 Niepoprawność * (bias) nie jest ujęta w odtwarzalności (T2) (w odróżnieniu od precyzji kolbek patrz Składniki nie wyróżnione w budżecie) Niepewność odzysku -w budżecie nie ujmujemy samego odzysku jako biasu, jeśli wynik jest korygowany o odzysk (bias jest niwelowany)***. Odzysk nie był liczony przy każdej serii analiz składnik niepewności odzysku nieujęty w odtwarzalności (T3, Prz1) Złożona względna niepewność standardowa, u% 68 u i % 2 = u% Względna niepewność metody U% 95 po rozszerzeniu, k e =2 U% 95 =2 x u% 68 =

15 *** Jeśli wynik nie byłby korygowany o odzysk (R), w budżecie niepewności należałoby wyróżnić składnik biasu sam w sobie (jak w przypadku niepoprawności, str. 11). Przykładowo, R=96 %, bias wynoszący 4% dodatkowo ujmujemy w budżecie. Składniki nie wyróżnione w budżecie Ważenie Standaryzacja Składnik związany z precyzją jest już ujęty w odtwarzalności Składnik związany z niepoprawnością wagi, bias=0 ważenie po wytarowaniu wagi Sprawdzano aktywność wzorca metodą spektrofotometryczną. Sprawdzanie było regularne z każdą serią analiz, więc składowa niepewności związana ze standaryzacją jest już ujęta w odtwarzalności (T3, Prz2) 15

16 Tabela 4. cd. Bias pipet i kolbek ujęty w budżecie Składniki nie wyróżnione w budżecie Precyzja odmierzania (pipety, kolbki) Krzywa kalibracji Z każdego materiału naważano 2 próbki i przeprowadzano równolegle przez pełną procedurę obejmującą pipetowanie i odmierzanie objętości za pomocą kolbek. Dlatego w odtwarzalności jest już ujęty składnik związany z precyzją odmierzania pipet i kolbek Z każdą serią próbek analizowano roztwór wzorcowy, względem którego wyliczano zawartość witaminy w próbce. Dlatego w odtwarzalności jest już ujęty składnik związany z błędami krzywej kalibracji (T3, Prz2) 16

17 Tabela 5. Budżet niepewności wewnątrz-laboratoryjnej, witamina A, analizy wykonywane w powtórzeniu (n=2). Bias pipet i kolbek nieujęty w budżecie Składnik Odtwarzalność CV% rep, n=2 CV % rep 12 u1% 8.5 n 2 Czystość wzorca Na podstawie danych producenta, z rozkładu prostokątnego: u 2 %=a 2 / 3= 1.73 niepewności Niepewność odzysku -w budżecie nie ujmujemy samego odzysku jako biasu, jeśli wynik jest korygowany o odzysk (bias jest niwelowany). Opis u1% zawiera większość błędów przygotowania próbki i analizy chromatograficznej Jeden wzorzec składnik nieujęty w odtwarzalności Odzysk nie był liczony przy każdej serii analiz składnik niepewności odzysku nieujęty w odtwarzalności Względne niepewności standardowe u i % u i %

18 Tabela 5. cd Bias pipet i kolbek nieujęty w budżecie Złożona względna niepewność standardowa, u% 68 u i % 2 = u% Względna niepewność metody U% 95 po rozszerzeniu, k e =2 U% 95 =2 x u% 68 =

19 Niepewność metody z biasem pipet i kolbek (Tabela 4) U% 95 =2 x u% 68 = 20.8 Niepewność metody bez biasu pipet i kolbek (Tabela 5) U% 95 =2 x u% 68 = 20.2 Pominięcie składników biasowych związanych z niepoprawnością pipet i kolbek praktycznie nie zmieniło niepewności (złożonej) metody. 19

20 LITERATURA [1] EURACHEM/CITAC GUIDE CG4 (2000) Quantifying Uncertainty in Analytical Measurement, 2nd edn. [2] Gonzalez AG, Herrador MA, Asuero AG (2005) Accredit Qual Assur 10: [3] ISO (1993) Wyrażanie Nipewności Pomiaru Przewodnik (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement). Główny Urząd Miar, Warszawa; ISBN x 20