Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » О метрологии » Калмановский В.И., "Методики количественного химического анализа"

Методики количественного химического анализа




В.И. Калмановский, д.т.н, профессор, научный консультант "Регионального центра экологического мониторинга" (г. Дзержинск)

Часть вторая

Содержание основных этапов

Постановка задачи разработки методики количественного химического анализа должна обычно основываться на исходных данных (исходном задании) заказчика - будущего потребителя результатов анализа. В этом задании должны содержаться:

а) сведения об объекте анализа:

- физическая форма;

- распределение физических свойств объекта по его объему;

- гранулометрический состав (для дисперсных объектов);

- химические свойства объекта в целом (например, реакционная способность по отношению к атмосфере, включая атмосферу заводов и заводских лабораторий, или к материалам контейнеров, возможность продолжительного хранения пробы);

- определяемые вещества и их формы;

- химический состав объекта (возможные интервалы варьирования содержаний определяемых веществ и сопутствующих компонентов, предполагаемое распределение содержаний определяемого и сопутствующих компонентов по объему объекта);

- возможные интервалы колебаний параметров объекта (давление, температура и др.);

б) оперативные и экономические требования к  методике количественного химического анализа:

- область применения, новая разработка или замена старой методики анализа новой;

- ограничения квалификации кадров и аппаратурного оснащения в местах внедрения методики;

- максимально допустимые трудоемкость и стоимость анализа;

- продолжительность разработки методики и стоимость этой разработки;
- предполагаемый экономический эффект от внедрения методики;

в) метрологические требования к разрабатываемой методики количественного химического анализа:

- нижняя Сн и верхняя Св границы интервала определяемых содержаний измеряемых компонентов;

- допустимая неопределенность результатов анализа для каждого компонента во всем интервале определяемых содержаний;-

- максимальная масса пробы, которая может быть использована для анализа;

- требования к локальности анализа (допустимые погрешности в установлении местоположения участка объекта с найденным по результатам анализа содержанием определяемого компонента);

- перечень нормируемых метрологических характеристик и нормативов контроля: оперативного, периодического и стабильности результатов измерений в пределах лаборатории.

Получение полных сведений в указанном объеме часто затруднительно. Однако ясно, что четкие и полные исходные данные ускоряют разработку методики количественного химического анализа и повышают надежность результатов анализа. Эти исходные данные являются основой для технического задания на разработку методики количественного химического анализа .

Дальнейшее изложение ведется с учетом [1]. Первой задачей является определение измеряемой величины. Это определение должно быть однозначным, например, объем должен относиться к определенной температуре, а концентрация - к определенному компоненту или виду частиц. Иногда измеряемая величина определяется через процедуру, например, массовая доля экстрагируемого свинца (такие величины называют эмпирическими). Это требует указания условий экстракции.

При описании измеряемой величины следует обратить особое внимание на следующие характерные моменты.

- идентичность определяемого компонента. Во многих случаях необходимо количественное определение конкретных молекулярных или атомных частиц. Если возможны различные химические формы вещества, и это различие важно для решения аналитической задачи, то определение необходимых форм должно быть обеспечено конкретными операциями или процедурами в составе методики количественного химического анализа .

- условия измерений. Их следует оговорить в описании измеряемой величины, т.к. формальное описание измеряемой величины необходимо для рассмотрения прослеживаемости.

- поправка на извлечение. Необходимо указать, характеризует ли измеряемая величина содержание компонента в субстрате или в анализируемом материале.

- описание измеряемой величины через процедуру. Это приводит к более детальному перечню установленных параметров.

Анализ требуемой неопределенности необходим для обоснованного выбора эталонов (реперов), неопределенность которых должна быть меньше неопределенности результата. Неопределенность результата возникает как сумма неопределенностей в опорных значениях и неопределенностей, связанных с методикой измерения и вызванных как случайной изменчивостью, так и другими причинами. Достижение меньшей неопределенности требует более детального контроля условий измерения.

После того, как измеряемая величина определена и охарактеризована, производится выбор подходящей методики. Этот этап требует участия наряду со специалистами по методам анализа (химиками-аналитиками) также метролога. Как правило, методика включает следующие этапы:

- пробоотбор и хранение (доставка в лабораторию);

- подготовка пробы (концентрирование, перевод в аналитическую форму и др.);

- введение стандартных образцов (реперов) в измерительную систему;

- градуировка, если необходимо, учет холостой пробы;

- проведение аналитических операций (метод добавки, внутренний стандарт и др.), устранение эффекта матрицы и мешающих влияний;

- измерение аналитического сигнала;

- обработка данных;

- представление результатов;

- интерпретация данных.

Выбор методики предполагает рассмотрение ряда факторов, в том числе:

- опыта применения различных методик;

- наличия оборудования и квалификации персонала;

- продолжительности и стоимости анализа и должен учитывать мнение заказчика.

Необходимо принять во внимание следующие соображения [2]. Анализ можно упрощенно описать в виде стадии выделения и стадии определения. Лишь в редких случаях аналит может быть определен без предварительного отделения от матрицы. Таким образом, целью стадии выделения является упрощение состава образца, в котором, в итоге, определяется аналит. Часто процедура выделения может очень мало изменяться для широкого крута аналитов в целом ряде матриц образца. Хорошим примером общей методики выделения является техника разложения для выделения следов металлов в продуктах питания.

Аналогичным образом, как только аналит выделен из матрицы образца и представлен в сравнительно чистой среде, например, в растворителе, становится возможным применить один общий метод для определения широкого круга аналитов. Примером могут служить газовая хроматография, а также спектрофотометрия в видимой и ультрафиолетовой областях.

Документация таких общих методов должна быть построена так, чтобы ее можно было легко приспособить к незначительным изменениям, которые касаются экстракции, очистки или определения различных аналитов. Возможны изменения размера образца, типа и объема экстрагирующих растворителей, условий экстракции, хроматографических колонок или условий разделения и т.п.

Методика должна включать необходимые вычисления и устанавливать контрольные процедуры, в том числе и те, которые требуются в соответствии с определением измеряемой величины.

Обычно это выражают в виде спецификации метода, т. е. уравнения или набора уравнений для вычисления результата измерения, а также перечня условий, которых надлежит строго придерживаться, - например, время, температура, концентрация реагентов и т. д. Все величины, указанные в спецификации метода, рассматриваются как соответствующие влияющие величины.

Валидация методики (“оценка пригодности метода” [3]) - подтверждение путем исследования и представления объективных доказательств того, что конкретные требования к специфическому целевому использованию метода выполняются. Этот раздел предусматривает выполнение операций, подтверждающих правильность ключевых допущений и принятой модели измерения. Валидация должна подтверждать адекватность спецификации метода, т.е. содержать обоснованную проверку уравнения и условий измерения. Реперы, используемые в ходе валидации для контроля, градуировки и проверок, сами должны быть прослеживаемы. Валидация в одной лаборатории может включать, в частности, следующие процедуры:

- оценку селективности и специфичности: наличие отклика на конкретные определяемые вещества и отсутствие на другие;

- проверку по стандартному образцу (реперу), подтверждающую незначимость смещения относительно прослеживаемого значения измеряемой величины;

- проверку возможных влияющих величин, не включенных в спецификацию, что подтверждает отсутствие значимых непредвиденных эффектов;

- исследование возможных специфических источников систематической погрешности, включая введение добавок и исследование степени извлечения;

- исследование прецизионности при широком варьировании экспериментальных условий и в течение достаточного интервала времени;

- проверку линейности для подтверждения однородности используемых единиц.

Очень полезно для выявления возможных недостатков методики сличение результатов между аналитиками и между лабораториями и, если это возможно, сравнение с другими методами.

Подтверждение (confirmation) не следует путать с повторяемостью. В то время как повторяемость требует выполнения анализа несколько раз по одной и той же методике, подтверждение требует, чтобы анализ был выполнен более чем по одной методике. Подтверждение увеличивает уверенность в контролируемой методике и особенно полезно там, где имеются дополнительные методики, работающие на существенно иных принципах. В ряде практических приложений, например, при анализе неизвестных органических соединений газохроматографическим методом, совершенно необходимо использование подтверждающих методик [4].

Существенность влияющих величин необходимо изучить для обоснования необходимой степени контроля или градуировки. Существенными признают величины, в сильной степени влияющие на результат. Обычно физические величины, такие как время, масса и объем, хорошо контролируются и легко измеряются. Практически градуировка по эталону далеко не всегда требуется для каждой влияющей величины. Достаточно следить за условиями окружающей среды с помощью поверенных приборов. На практике нужно в гораздо большей степени заботиться о химических эффектах, чем об измерениях промежуточных физических величин. В частности, следует иметь ввиду следующие возможные составляющие методической погрешности:

- неадекватность объекта и модели,

- использование не вполне точных коэффициентов в уравнениях*,

- искажения при передаче размера измеряемой величины,

- эффекты квантования (например, замена интегрирования суммированием),

- упрощенный алгоритм расчета,

- непредставительность пробы,

- влияющие факторы пробы,

- неполноту процессов преобразования или реакций: степень извлечения, сорбция - десорбция или экстракция и др.

Эффективным средством оценки относительной важности различных влияющих факторов является формальная оценка неопределенности. Если неопределенность, связанная с конкретным влияющим фактором, мала в сравнении с общей неопределенностью, то какой-либо дополнительный контроль этого фактора не требуется.

Выбор подходящих реперов обеспечивает прослеживаемость результатов измерений. Следует проанализировать выбор реперов применительно к следующим проблемам:

- физическим измерениям, выполняемым в ходе анализа;

- подтверждению идентичности;

- градуировке с помощью стандартных образцов, других образцов, либо справочных данных;

- валидации и верификации методики.

Обычно лаборатория располагает поверенным оборудованием для измерения таких величин, как масса, длина, объем, температура, время, электрические величины. Свидетельства о поверке или градуировке подтверждают прослеживаемость к соответствующим эталонам при физических измерениях.

Подтверждение идентичности обычно не рассматривается как прослеживаемость. Как правило, оно основано на сравнении с сертифицированным образцом чистого вещества. Могут быть использованы образцы от надежного источника. В некоторых случаях идентичность может быть установлена путем использования справочных данных, если известно, что они получены в сходных условиях, либо определением основных физико-химических характеристик (молекулярная масса, наличие конкретных функциональных групп). Наиболее надежным является выполнение анализа по нескольким методикам, основанным на разных принципах.

Градуировка предъявляет наиболее жесткие требования к выбору реперов. В идеальном случае они должны обладать прослеживаемостью к национальным или международным эталонам с указанием неопределенности. Этому условию в полной мере соответствуют государственные стандартные образцы [6] (ГСО - “certified reference material (CRM)”), сопровождаемые сертификатом. Стандартный образец - это образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более физических величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Одна или несколько характеристик ГСО установлены по процедуре, связывающей их с точной реализацией соответствующих единиц измерения, и каждое значение характеристики сопровождается неопределенностью с указанным уровнем достоверности.

Для создания аттестованных смесей могут быть использованы две категории измерительных средств: меры и стандартные образцы состава, а также чистые вещества с надежно установленным содержанием основного вещества. Под мерой понимают техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение заданного времени. Образцовые средства измерений [7] называют теперь рабочими эталонами.

Возможно использование для градуировки чистых веществ. Однако установление степени чистоты является предметом особой заботы лаборатории. Приготовление из чистых веществ растворов низких концентраций и с низким уровнем примесей требует устранения нежелательных эффектов, таких, как сорбция на стенках сосудов, загрязнение, окисление и др. Необходимы меры предосторожности при использовании и хранении таких растворов.

При разработке, валидации и верификации методики необходимо использование образцов сравнения, сходных по матрице с анализируемым объектом (адекватность) и формирующих опорные значения, Матричные эффекты и близость по концентрации часто более важны, чем неопределенность аттестованного значения. Более подробная информация приведена в [4].

Характеристики методики количественного химического анализа

Несмотря на принципиальное различие понятий погрешности и неопределенности [8], в аналитической практике необходимо уметь пользоваться обеими группами характеристик качества измерений и уметь переходить от одних к другим. Это обусловлено тем обстоятельством, что в действующей нормативной и технической документации большинство нормативов сформулировано в терминах погрешности - таковы традиции российской метрологии! Это относится как к точечным, так и к интервальным оценкам. При разработке и описании характеристик  методики количественного химического анализа принято использовать показатели неопределенности.

Выражая результаты аттестации методики количественного химического анализа в терминах неопределенности (что разрешено действующими НД [9]), необходимо уметь сопоставить полученные числовые значения -стандартной, суммарной и расширенной неопределенности, - с установленными нормативами погрешности. Наиболее простое соотношение состоит в том, что относительная расширенная неопределенность U измерений (при коэффициенте охвата 2) соответствует границам относительной погрешности измерений A=±U при доверительной вероятности Р=0,95. Подробное сопоставление формул для оценивания характеристик неопределенности по [10] и погрешности по российским нормативным документам [11,12] приведено в [13]. Подчеркивается практическое совпадение оценок доверительных границ погрешности и расширенной неопределенности измерений и даже рекомендована схема их прямого сопоставления.

Рассмотрим более подробно характеристики погрешности методики количественного химического анализа . Для нас представляют интерес две группы [12] таких характеристик: задаваемые в качестве требуемых или допускаемых - нормы погрешностей измерения, и приписываемые совокупности измерений, выполняемых по определенной (аттестованной) методике, - приписанные характеристики погрешности. Нормы используются для выражения нормативов показателей качества природных объектов, в технических требованиях на разработку методик анализа и т.п. Приписанные характеристики используются для выражения погрешностей  методики количественного химического анализа.

Нормативные документы ГСП допускают две формы представления характеристик погрешности:

- задание границ интервала, в которых погрешность методики находится с принятой вероятностью Р;

-указание наибольшего возможного среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности методики и задание границ интервала, в которых неисключенная систематическая погрешность методики находится с заданной вероятностью Р.

Первая форма принята для методик, где результат анализа рассчитывают по одному измеренному значению сигнала, вторая - для тех, где результат рассчитывают по среднему значению сигнала из двух или нескольких измерений. В обоих случаях для норм принято указывать пределы допускаемых значений (соответствующие доверительной вероятности Р=1), а для приписанных характеристик - наибольшие возможные значения, соответствующие Р=0,95. Если характеристики погрешности не являются окончательными, а предназначены для совместного использования с другими характеристиками, то вместо интервальных характеристик целесообразно использовать точечные.

Наряду с метрологическими характеристиками в аналитике используются т.н. “характеристики эффективности” (performance characteristics)  методики количественного химического анализа. К ним относятся: предел обнаружения, предел определения, селективность, линейность отклика, степень извлечения и др. Эти характеристики принято устанавливать по данным экспериментального исследования методики, предпочтительно на основе межлабо-раторного эксперимента.

Аттестация и экспертиза методики количественного химического анализа

В соответствии со статьей 13 Закона [14] Российской Федерации "Об обеспечении единства измерений” к сфере государственного метрологического контроля и надзора, осуществляемых с целью проверки соблюдения метрологических норм и правил, относятся следующие виды деятельности, в которых широко применяется химический анализ: здравоохранение, ветеринария, охрана окружающей среды, обеспечение безопасности труда, обеспечение обороны государства, испытание и контроль качества продукции в целях определения соответствия обязательным требованиям государственных стандартов, обязательная сертификация продукции и услуг и некоторые другие.

Одной из форм реализации указанного контроля и надзора является метрологическая аттестация методик химического анализа на государственном уровне.

Под метрологической аттестацией понимают исследование, направленное на определение такой процедуры, условий и режимов выполнения всех стадий анализа, которые обеспечивают минимальные погрешности, априорную оценку значений этих погрешностей и выдачу документа с указанием полученных результатов. Формально аттестация МВИ определена как процедура установления и подтверждения соответствия МВИ предъявляемым к ней метрологическим требованиям.

При аттестации методики количественного химического анализа необходимо найти приписанные характеристики погрешности, т.е. характеристики, распространяющиеся на все результаты измерения, выполняемые по данной методики количественного химического анализа (в области ее применения). Вторая особенность состоит в том, что эти характеристики должны распространяться не на отдельное значение измеряемой величины, а на определенный интервал ее значений (диапазон измерений). Третья особенность: при аттестации часто проводятся итерационные процедуры, т.е. в методику вносятся те или иные изменения, после которых оценивание необходимо повторить.

Следовательно, аттестация является одним из этапов разработки методики, причем этапом, определяющим важнейшие характеристики и весь “облик” методики. Именно аттестация обеспечивает выбор оптимальной процедуры анализа.

Метрологическая экспертиза МВИ - это анализ и оценка выбора методов и средств измерений, операций и правил проведения измерений и обработки их результатов с целью установления соответствия МВИ предъявляемым метрологическим требованиям [1].

За аттестованными методиками выполнения измерений установлен государственный метрологический надзор (ст. 12 Закона [14]).

В заключение приведем примерную структуру методики количественного химического анализа  (по Г.Р. Нежиховскому):

Введение (назначение и область использования)

1. Характеристики точности измерений

2. Средства измерений, вспомогательные устройства, материалы и реактивы

2.1. Средства измерений

2.2. Вспомогательные устройства

2.3. Реактивы и материалы

3. Метод измерений

4. Требования безопасности

5. Требования к квалификации оператора

6. Условия измерений

7. Подготовка к выполнению измерений (на примере хроматографической методики)

7.1. Подготовка хроматографа к работе

7.2. Заполнение и кондиционирование накопительных колонок

7.3. Подготовка установки для перегонки

7.4. Подготовка установки для газовой экстракции

7.5. Подготовка дистиллированной воды к применению

7.6. Приготовление аттестованного раствора

7.7. Определение градуировочного коэффициента

7.8. Отбор и подготовка проб к измерению

8. Выполнение измерений

9. Обработка результатов измерений

10. Контроль точности результатов измерений

10.1. Контроль приемлемости выходных сигналов хроматографа при последовательных вводах пробы

10.2. Контроль точности результатов измерений

11. Оформление результатов

Информационные данные

Список литературы

1. ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Ч.6., Использование значений точности на практике.

2. Руководство по качеству в аналитической химии. CITAC/Eurachem Guide, изд.2002.

3. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий.

4. Прослеживаемость в химических измерениях. Руководство по достижению сопоставимых результатов химического анализа. Руководство ЕВРАХИМ/СИТАК. - СПб.: ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. - 2005.

5. Кондрашов, А.П. Большая энциклопедия афоризмов. Законы жизни от великих. - М.: Рипол классик. - 2005.

6. ГОСТ 8.315-97. ГСИ. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения.

7. Артемьев, Б.Г., Голубев, С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб. Книги 1,2 - М.: Издательство стандартов. - 1986.

8. Брянский, Л.Н., Дойников, A.C., Крупин, Б.Н. Метрология. Щкалы, эталоны, практика. - М.: ВНИИФТРИ. - 2004.

9. ГОСТ Р 8.563-96. ГСИ. Методики выполнения измерений.

10. Руководство по выражению неопределенности измерения. - СПб.: ВНИИМ им.Д.И.Мен-делеева.- 1999.

11. ГОСТ 8.207-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения.

12. МИ 1317-2004. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров.

13. МИ 2552-99. Применение “Руководства по выражению неопределенности измерений”.

14. Закон РФ от 27 апреля 1993 г., N 4871-1 “Об обеспечении единства измерений”.


Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » О метрологии » Калмановский В.И., "Методики количественного химического анализа"