Kvalita v laboratorní a kontrolní praxi Část: Metrologická návaznost a kalibrace
Vladimír Kocourek
Praha, 2015
Historie metrologie Míry a váhy začaly vznikat v 4.-3. tisíciletí př. n. l. v oblastech, kde se rozvíjelo zemědělství a s tím i spojené zavlažování (údolí Nilu, Mezopotámie). Jednotka délky - délka faraónova předloktí plus šířka dlaně – loket Žulový etalon, dřevěné pracovní etalony, povinné kalibrace měsíčně, přesnost 0,05 % ! „Metrický systém“ – pozdější jednotky SI: Metr: stanoven Vyhláškou Francouzského Národního Shromáždění (7. duben 1795) jako jedna miliontina čtvrtiny pozemského poledníku odhadnutá na základě měření mezi Dunkerque and Barcelonou. Náklady na měření v zemích EU (2010): 6 % HDP nebo 10-15 % výrobních nákladů
Historie metrologie 1 vídeňský loket (778 mm) = 1,3119 českého lokte 1 český loket (593 mm) = 0,76227 vídeňského lokte 1 moravský loket (789 mm) = 32 palců českých 1 anglický loket (1143 mm) = 45 palců (inch)
F (Fahrenheit) = °C * (9/5) + 32
ppb psi
AU nebo OD ? výška oblačnosti ve stopách (x 0,01)
KT (knot): uzel = námořní míle/h
LKPR 271220Z 05012KT 6000 BKN040 SCT060 14/05 Q1007 dohlednost v metrech
Metrologie Metrologie: • technický obor zabývající se měřením • soubor činností zabezpečujících jednotnost a přesnost měřidel a měření v různých oborech vědy, průmyslu, obchodu a služeb, při ochraně zdraví, prostředí aj.
Metrologie
Kategorizace měřidel § 3 zákona o metrologii: „Měřidla slouží k určení hodnoty měřené veličiny. Spolu s nezbytnými pomocnými měřicími zařízeními se člení na: A) etalony; B) pracovní měřidla stanovené („stanovená měřidla“); C) pracovní měřidla nestanovená („pracovní měřidla“); D )certifikované referenční materiály a ostatní referenční materiály, pokud jsou určeny k funkci etalonu nebo stanoveného nebo pracovního měřidla.“
Proces měření Zkoumaný systém
Měření...
Výsledky
Fyzikální měření
Vzorek
Kalibrované ZAŘÍZENÍ
Výsledky
Chemické měření (stanovení)
Vzorek
VALIDOVANÝ ANALYTICKÝ PROCES
Výsledky
Definice „návaznosti“ TRACEABILITY = (metrologická) NÁVAZNOST: Vlastnost výsledku nebo hodnoty standardu, kterou může být určen vztah k referencím, zpravidla národním nebo mezinárodním etalonům (standardům) přes nepřerušený řetězec porovnávání, jejichž nejistoty jsou uvedeny. ISO, 1993
Zákon 505/1990 Sb. o metrologii definuje pojem návaznost měřidel jako zařazení daných měřidel do nepřerušené posloupnosti přenosu hodnoty veličiny počínající etalonem nejvyšší metrologické kvality.
Definice „návaznosti“ - vývoj NÁVAZNOST (TRACEABILITY, ISO, 1984, ČSN ISO 10012-1 ) vlastnost výsledku měření daná schopností prokázat vztah k příslušným etalonům, zpravidla národním nebo mezinárodním, pomocí nepřerušeného řetězce porovnání. Analytický výsledek Koncentrace Hmotnost analytu Hmotnost vzorku
(ISO Guía 25)
NÁVAZNOST
REFERENČNÍ KILOGRAM
NÁVAZNOST (ISO, 1993) Vlastnost výsledku měření nebo hodnoty standardu, kterým může být určen vztah k referencím, zpravidla národním nebo mezinárodním standardům, přes nepřerušený řetězec porovnání, jejichž nejistoty jsou uvedeny. „CHEMICKÁ“ REFERENCE M ±N
Návaznost fyzikálního měření
Státní etalon kilogramu primární laboratoř teplot ©ÚNMZPraha
Srovnání měření ve fyzice a v chemii
ÚNMZ/EURAMET, Praha, 2009
K čemu je metrologická (měrová) návaznost ? 1. Pravou (skutečnou) hodnotu - nemáme a proto jsme ji nahradili hodnotou referenční. 2. Referenční hodnotu odvozujeme z etalonu nebo referenčního materiálu nebo analytického standardu. 3. Mají-li být výsledky považovány za správné, musíme prokázat: Jaký je vztah používané reference k hodnotě pravé ? Jaký je její vztah k referencím vyšší kvality ? Je námi používaná reference všeobecně uznávaná ?
Hierarchie návaznosti ? KG
AMPERE
MOL
HMOTNOST C-12
SECOND
N AVOGADRO FARADAY
ATOMOVÉ HMOTNOSTI ULTRAČISTÉ STŘÍBRO PRIMÁRNÍ STANDARDY
PRACOVNÍ STANDARDY Pracovní reference
Návazností měření ke srovnatelnosti výsledků A. Metrologická návaznost; B. Porovnatelnost Výsledky LAB. 1
A
A B B
A B
Výsledky LAB. 2
A STANDARDY
B B A
Výsledky LAB. 3
A
ZÁKLADNÍ STANDARDY (jednotky S.I.)
Návazností měření ke srovnatelnosti výsledků VZOREK
ANALYTICKÝ PROCES VÝSLEDKY
V analytickém procesu je metrologická návaznost (A) zabezpečena: • NÁVAZNOSTÍ STANDARDU STANOVOVANÉ LÁTKY (čisté i v matrici), • KALIBRACÍ (zařízení + měřicí přístroje), • VALIDACÍ CELÉHO ANALYTICKÉHO PROCESU.
Vlastní proces a porovnatelnost (B.) se kontrolují: • MEZILABORATORNÍM POROVNÁVÁNÍM (proficiency testing) • STATISTICKOU REGULACÍ PROCESU
Návaznost měření k referencím nutno prokázat ! Prokazování návaznosti analytických výsledků
VZOREK VÝSLEDKY
CRM (matricový)
Porovnání oproti certifikované hodnotě
t- test : texp < tcrit (P, n-1)
Míry, metody a přístroje pro referenční účely Primární metoda: Kvalitativně nejvyšší metrologická metoda, kterou, je-li uplatňována, lze plně popsat a pochopit a pro kterou lze poskytnout úplný rozbor nejistoty v jednotkách SI, a proto lze její výsledky přijmout bez odkazu na etalon měřené veličiny. Etalon, standard: Míra, měřicí přístroj, měřidlo, referenční materiál nebo měřicí systém, které jsou určeny k definování, realizování, uchovávání nebo reprodukování jednotky nebo jedné či více hodnot veličiny k použití pro referenční účely.
„Chemické“ reference a jejich hierarchie Primární metody Certifikované referenční materiály Referenční analytické metody Mezilaboratorní studie Referenční přístroje / laboratoře Interní referenční materiály “Spikované” vzorky Alternativní techniky
PŘÍKLAD 1 :
G R A V I M E T R IE
standard kilogramu etalonová závaží
(KALIBRACE)
dissolution VZOREK
Fe
3+
OH
Fe(OH)
3
Fe 2 O 3
vážení 2 Fe g Fe = (hmotnost produktu) Fe O 2 3
mol , C12
PŘÍKLAD 2 :
Etalon-kg
T I T R A ČNÍ METODY
etalonová závaží
TITRAČNÍ OBJEM
(KALIBRACE)
(standardizace?)
KALIBRACE
12
mol , C
TITRAČNÍ ROZTOK
VÁŽENÍ
VA NA = VB NB fB PRIMÁRNÍ STANDARD
VÁŽENÍ
(vzorek)
VB NBf B N
A
VA
PŘÍKLAD 3 :
INSTRUMENTÁLNÍ ANALÝZA VZOREK
Etalon-kg etalonová závaží
PŘÍPRAVA VZORKU Signal
(KALIBRACE)
STANDARD
•
•
•
•
•
•
•
Conc. ANALYTICKÁ KALIBRACE
KALIBROVANÝ PŘÍSTROJ
y = a + bx
“KALIBRACE PŘÍSTROJE”
pro ujištění, že přístroj pracuje odpovídajícím “ANALYTICKÁ KALIBRACE” způsobem a dosahuje pro definování specifického potřebných vztahu mezi signálem parametrů. (odezvou) přístroje a koncentrací analytu
⇓ Conc . =
Conc
. =
analyte sample
y − a b
weight weight
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM, SRM) Referenční materiál (vybavený certifikátem): jedna nebo více vlastností jsou certifikovány, certifikační procedura stanoví jeho návaznost na vyšší reference vztahující se k dané jednotce, každá certifikovaná hodnota má doložený údaj o nejistotě v uvedené úrovni spolehlivosti.
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM, SRM)
http://www.erm-crm.org/html/homepage.htm
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM, SRM)
http://www.erm-crm.org/html/homepage.htm
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM)
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM)
CO JE KALIBRACE Soubor pracovních postupů, který zavádí, za specifických podmínek, vztah mezi hodnotami udávanými měřicím přístrojem nebo měřicím systémem a odpovídajícími známými hodnotami měřeného (referenčního) vzorku. Výsledek kalibrace je někdy vyjádřen jako kalibrační faktor nebo řada kalibračních faktorů ve formě kalibrační křivky. Y = Y0 + Yanal+ YM
Y = Y0 + S(x)*X + YM
Y…odezva (signál); Yanal …signál analytu; Y0 …blank; YM …příspěvek matrice
Metrologické zabezpečení laboratoře • EN ISO/IEC 17025: „Pro veličiny nebo hodnoty zařízení musí být v případě, že mají tyto parametry významný vliv na výsledky zkoušek, zavedeny kalibrační programy.“ • Kalibrační program definuje návaznost měřidel, tedy systém kalibrací, ověřování, případně i servisních zásahů u měřidel (zařízení). Návaznost měřidel je zajišťována prostřednictvím nepřerušeného řetězce kalibrací nebo porovnání až k mezinárodním etalonům nebo certifikovaným referenčním materiálům. Návaznost měřidel a měření je nutno realizovat prostřednictvím: • pracovišť národní či evropské metrologické autority, (ČMI, BIPM ), • akreditovaných kalibračních laboratoří, • interních kalibrací.
Požadavky ČSN EN ISO/IEC 17025 Podle bodu 5.5.8 (kde je to uskutečnitelné), všechna měřidla vedená laboratoří a vyžadující kalibraci musí být označena stavem kalibrace – datem, kdy: • měřidlo bylo kalibrováno, • končí platnost jeho kalibrace.
29
Požadavky ČSN EN ISO/IEC 17025
30
[email protected]
Příklady kalibrací a kontrol měřidel Druh zařízení Přesné váhy Skleněné teploměry Vodní lázně
Odměrné a laboratorní sklo Automatické dávkovače (pipety) Chladničky, mrazáky, lednice
Měřidla času (minutky) Autoklávy
Požadavek (a) Servis (b) Úplná návaznost kalibrace Úplná návaznost kalibrace
Navrhovaná frekvence (a) Každé dva roky (b) Každé dva roky Každých pět roků
(a) Sledování teploty (b) Vypuštění, vyčištění, desinfekce a opakované naplnění Úplná návaznost kalibrace (ověření) Úplná návaznost kalibrace
(a) Při každém použití (b) Ročně
(a) Vyčištění a desinfekce vnitřních prostorů (b) Sledování teploty (c) Úplná návaznost kalibrace teploměru v zařízení Kontrola proti národnímu časovému signálu (a) vizuální kontrola těsnění, vyčištění, vysušení komory (b) revize tlakové nádoby
(a) Dle potřeby (např. čtvrtletně)
Při zahájení používání (povinnost výrobce) Ročně
(b) Denně/ při každém použití (c) Každých pět roků Každý rok (a) pravidelně nebo dle doporučení výrobce (b) ročně
Mezikalibrační kontroly EN ISO/IEC 17025: „Jsou-li zapotřebí mezikalibrační kontroly, aby se zachovala důvěra ve stav kalibrace zařízení, musí se tyto kontroly provádět periodicky podle stanoveného postupu.“ Mezikalibrační kontroly zařízení je možno provádět za účelem potvrzení metrologických parametrů daného zařízení mezi jednotlivými kalibracemi. Mezikalibrační kontroly nemohou nahradit kalibrace, pro mezikalibrační kontroly není nezbytně nutné používat etalony.
Kontroly měřicích přístrojů / systémů
Analytický signál x šum Signál (odezva přístroje na analyt) závisí na: vlastnostech stanovované látky (analytu) parametrech měřicího přístroje experimentálních podmínkách přítomnosti dalších látek v analyzovaném vzorku Šum (odezva přístroje na „blank“) je dána: pozaďovým šumem samotného detektoru a elektroniky spektrálním či chromatografickým pozadím systému přítomností interferujících látek ze slepého pokusu přítomností dalších látek z matrice analyzovaného vzorku (v oblasti analytu)
CO JE KALIBRACE
L. Cuadros-Rodríguez et al.: J. Chromatogr. A 1158 (2007) 33–46
Přístroje jako chromatografy nebo spektrometry mají být kalibrovány s použitím látek o známé a odpovídající čistotě nebo certifikovanými referenčními materiály o známém složení.
KALIBRAČNÍ TECHNIKY V CHEMII
L. Cuadros-Rodríguez et al.: J. Chromatogr. A 1158 (2007) 33–46
KALIBRAČNÍ TECHNIKY V CHEMII
Příklad vztahu mezi různými typy kalibračních přímek: EC: externí kalibrace v rozpouštědle, MC: matricový standard AC: standardní přídavek
KALIBRACE V ANALYTICKÉ CHEMII KALIBRACE MĚŘIDLA
CÍL KALIBRACE
PROSTŘEDEK
„ANALYTICKÁ“ KALIBRACE ZAVEDENÍ VZTAHU MEZI ODEZVOU PŘÍSTROJE A MNOŽSTVÍM CÍLOVÉHO ANALYTU
STANOVENÍ PROVOZNÍCH CHARAKTERISTIK MĚŘIDLA
MĚŘIDLO + ETALON Poskytnutí důkazu, že přístroj Pracuje ve shodě se specifikacemi
KALIBRAČNÍ STANDARD
ZPRAVIDLA NEOBSAHUJE CÍLOVÝ ANALYT
MĚŘIDLO + STANDARD Charakteristika závislosti mezi signálem a analytem jak pro kvalitativní tak i kvantitativní účely OBSAHUJE CÍLOVÝ ANALYT (kromě stanovení faktoru - např. u volumetrie)
Fyzikální měření Chemické měření
KALIBRACE V ANALYTICKÉ CHEMII PŘÍKLAD
UV-VIS ABSORPČNÍ SPEKTROSKOPIE
KALIBRACE PŘÍSTROJE
ETALON ABSORBANCE ETALON PRO VLNOVOU DÉLKU
např. roztok dvojchromanu draselného např. holmiový filtr
SPEKTROFOTOMETR OBECNĚ
KALIBRACE METODY SPEKTROFOTOMETR V URČITÉ METODĚ
STANDARDY CÍLOVÉHO ANALYTU PRO URČENÍ VZTAHU ABSORBANCE/KONCENTRACE
např. roztoky Fe++ pro sestrojení kalibrační křivky. CM založeno na tvorbě barevného chelátu mezi železem (II) a fenathrolinem
Stanovení výtěžnosti 1. Referenční materiály (certifikované hodnoty) - omezená dostupnost, nákladné 2. Matrice s přídavkem známého množství čisté látky (spike) - nenahrazuje "nativní" formy analytu (incurred residues) 3. Isotopové zřeďování – MS, radiochemické metody,.. 4. Vnitřní standard - svými vlastnostmi modeluje chování analytu ale není totožné: pro analyty obtížně dostupné v čisté formě (metabolity, nová farmaka či pesticidy)
Zdroje nejistot při stanovení výtěžnosti 1. Opakovatelnost experimentu pro zjišťování výtěžnosti 2. Nejistota hodnot referenčního materiálu, resp. standardu 3. Nejistota přídavku čisté látky (dávkování "spiku") 4. "Spike" v matrici nemodeluje chování (vazby) nativního analytu 5. Rozdíly mezi různými matricemi rutinně analyzovanými a materiálem použitým pro stanovení výtěžnosti 6. Koncentrační rozdíly mezi vzorky rutinně analyzovanými a materiálem použitým pro stanovení výtěžnosti
Je stanovená výtěžnost validní ? Validita (platnost): jen pro typy matric, pro které byla experimentálně zjištěna, jen v určitém koncentračním rozmezí, jen je-li analytický systém ve statisticky zvládnutém stavu, popř. jsou uplatňovány jiné nástroje QC, hodnoty výtěžnosti jsou vyjádřeny jako průměr většího počtu opakování
Korigovat výsledek na výtěžnost ? argumenty pro: korekce nízkých výtěžností přibližuje výsledky pravé hodnotě, různé výtěžnosti vedou k neporovnatelnosti výsledků různých laboratoří - překážka vzájemného uznávání, moderní techniky umožňují stanovit výtěžnost s malou nejistotou argumenty proti: výtěžnosti zjištěné spikováním jsou často významně vyšší, výtěžnosti významně kolísají mezi jednotlivými matricemi a mění se s koncentrací, popř. s časem, nejistota stanovení korekčního faktoru významně zvyšuje celkovou nejistotu výsledku, maximální limity určené legislativou bývají založeny na souborech nekorigovaných dat (rezidua pesticidů)
Nejistoty korigovaných výsledků Výtěžnost R = xobs /cref
xcor = x / R
Nejistota nekorigovaných výsledků: ux/x Nejistota korigovaných výsledků: ucor/xcor = (ux/x)2 + (uR/R)2
Je výtěžnost významně nižší než 1 ?
Studentův test !
|R-1| /uR > tcrit
ano, zvážit možnost korekce
|R-1| /uR ≤ tcrit
ne, lépe nekorigovat
Hodnoty výtěžnosti raději uvádět v analytickém protokolu vždy, a to společně s informací, zda byla použita pro korekci výsledků anebo ne
Provádět korekci výsledků na výtěžnost ?
100 %
R
RA = RB SA A
B
>
SB
Stopové koncentrace – vliv na výtěžnost ?
100 % R
C
0
C
CÍLEM ANALYTICKÉ CHEMIE JE MINIMALIZOVAT NEJISTOTU INFORMACE O SLOŽENÍ OBJEKTU
REÁLNÁ KVALITA
Informace považovaná za správnou
Analytická informace rutinně produkovaná
ABSOLUTNÍ SPRÁVNOST
NEJISTOTA
REFERENČNÍ KVALITA
ABSOLUTNÍ INFORMACE
Přesnost
IDEÁLNÍ KVALITA
JEN 5-10% POTŘEBY VHODNÝCH ANALYTICKÝCH STANDARDŮ PRO CM JE POKRYTO – V POROVNÁNÍ S 80 – 90 % PRO FM !
BEZ KVALITNÍCH REFERENCÍ NEMÁ ANALYTIKA SMYSL ! Chemická metrologie nevystačí jen s kalibranty (standardy) jako pro FM ⇒ jsou potřebné též MATRICOVÉ CRM ! PROBLÉM: Pro velký rozsah CM je potřeba mimořádně velký počet CRM...
Centra excelence Referenční laboratoře
SPOLEHLIVÉ ALTERNATIVNÍCH POSTUPY PRO ZAJIŠTĚNÍ KVALITY VÝSLEDKŮ metoda standardního přídavku izotopové zřeďování
Primární metody
MEZILABORATORNÍ POROVNÁNÍ
