60
Kvalita v laboratorní a výrobní praxi Část: Metrologická návaznost a kalibrace Praha, 2020 Vladimír Kocourek
Kvalita v laboratorní a výrobní praxi
Část: Metrologická návaznost a kalibrace
Praha, 2020
Vladimír Kocourek
Historie metrologieMíry 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 (2015):
6,5 % HDP nebo až 15 % výrobních nákladů
Historie metrologie - jednotky
F (Fahrenheit) = °C * (9/5) + 32
psi
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)
ppb
AU nebo OD ?
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.“
VýsledkyZkoumaný
systém Měření...
Fyzikální měření
Kalibrované
ZAŘÍZENÍVzorek Výsledky
Chemické měření (stanovení)
Vzorek VýsledkyVALIDOVANÝ
ANALYTICKÝ
PROCES
Proces měření
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.
Definice „návaznosti“
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.
ISO, 1993
Koncentrace
(ISO Guía 25)
Analytický výsledek
NÁVAZNOST
Hmotnost analytu
Hmotnost vzorkuREFERENČNÍ
KILOGRAM
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.
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.
M ±N
„CHEMICKÁ“
REFERENCE
Definice „návaznosti“ - vývoj
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 ?
KG MOL AMPERE SECOND
HMOTNOSTC-12
NAVOGADRO
FARADAY
ATOMOVÉHMOTNOSTI
ULTRAČISTÉSTŘÍBRO
PRIMÁRNÍSTANDARDY
PRACOVNÍSTANDARDY
Pracovní
reference
Hierarchie návaznosti ?
B
B
B
B
B
A
A
A
A
A
A
Výsledky LAB. 1
Výsledky LAB. 2
Výsledky LAB. 3
STANDARDY
ZÁKLADNÍSTANDARDY
(jednotky S.I.)
A. Metrologická návaznost; B. Porovnatelnost
Návazností měření ke srovnatelnosti výsledků
VZOREK
VÝSLEDKY
ANALYTICKÝ
PROCES
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
Návazností měření ke srovnatelnosti výsledků
Prokazování návaznosti analytických výsledků
VZOREK
CRM
(matricový)
VÝSLEDKY
Porovnání oproti
certifikované hodnotě
Návaznost měření k referencím nutno prokázat !
Míry, metody a přístroje pro referenční účely
Primární metoda:
Kvalitativně nejvyšší metrologická metoda, kterou, je-li
uplatňována, lze plně popsat a pro kterou lze poskytnout
úplný rozbor nejistoty v jednotkách SI, a proto lze její
výsledky přijmout bez odkazu na etalon měřené veličiny.
Etalon, referenční materiál:
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.
Primární metody
Certifikované referenční materiály
Referenční analytické metody
Mezilaboratorní studie
Referenční přístroje / laboratoře
Interní referenční materiály
“Spikované” vzorky
Alternativní techniky
„Chemické“ reference a jejich hierarchie
g Fe = (hmotnost produktu)2 Fe
Fe O2 3
standard
kilogramu etalonová
závaží
(KALIBRACE)
VZOREK Fe3+ Fe(OH)
3Fe O2 3
dissolution OH
PŘÍKLAD 1 :G R A V I M E T R IE
vážení
mol , C12
Etalon-kg
závažíetalonová
(KALIBRACE)
PŘÍKLAD 2 : T I T R A ČNÍ METODY
(vzorek)
TITRAČNÍ ROZTOK
STANDARDPRIMÁRNÍ
(standardizace?)
VÁŽENÍ
KALIBRACE
TITRAČNÍ
OBJEM
NA
V N fB B B
VA
mol , C12
VA NA = VB NB fB
VÁŽENÍ
VZOREK
PŘÍPRAVA
VZORKU
STANDARD
KALIBROVANÝ PŘÍSTROJ
Conc.
Sig
nal
•••••••
ANALYTICKÁ
KALIBRACE
y = a + bx
b
ayConc
.
weightsample
weightanalyteConc .
“KALIBRACE PŘÍSTROJE”
pro ujištění, že přístroj
pracuje odpovídajícím
způsobem a dosahuje
potřebných
parametrů.
“ANALYTICKÁ KALIBRACE”
pro definování specifického
vztahu mezi signálem
(odezvou) přístroje a
koncentrací analytu
PŘÍKLAD 3 : INSTRUMENTÁLNÍ ANALÝZA
Etalon-kgetalonová
(KALIBRACE)
závaží
CRM-IS
(IDMS)
Některé typy RM
A1. Čisté látky charakterizované čistotou a relevantními parametry
(např. bod tání, izotopová čistota, poměr izomerů aj.)
A2. Směsi čistých látek v původním skupenství (směsi plynů, tuků,
uhlovodíků, alkoholů,…)
B. Standardní roztoky čistých látek nebo jejich směsí (vodné,
organické), připravované zpravidla gravimetricky.
C. Matricové RM (přirozené nebo syntetické: potraviny, krmiva, půda,..)
D. „Fyzikálně-chemické“ charakterizované fyzikálními vlastnostmi,
nikoli obsahem jednotlivých látek (b.t., viskozita, tvrdost, oktanové č…)
E. Referenční předměty a artefakty: barevné stupnice, mikrobiologické
vzorky, aj.…
Výběr a zacházení s RM
Při výběru RM (CRM) se uvažuje ve vztahu k účelu přiměřenost:
druhu, formy a povahy materiálu; u matricových tzv. komutabilita
množství, obalu, popř. rozpouštědla (ve vztahu k dalšímu zacházení),
identity, čistoty a koncentrace, vč. metod použitých pro určení hodnot*,
údajů o nejistotách,
údajů o metrologické návaznosti,
data exspirace, vč. použitelnosti po otevření jednotky,
údajů o homogenitě a stabilitě.
*viz ISO 17025 a ISO 17034
Výběr a zacházení s RM / CRM
Při manipulaci s RM a jeho uchování je nutno:
dodržet všechny pokyny výrobce - je to podmínka pro platnost
certifikovaných (a indikativních) hodnot a dalších vlastností materiálu !
respektovat minimální množství navážky pro analýzu; pokud to není
možné nebo vhodné, je třeba uvážit rozšíření nejistoty výsledku.
pokud není jednotka spotřebována jednorázově (např. ampule), zajistit
uzavření obalu, případně přebalení, obnovení inertní atmosféry aj.
před opětovným odebráním navážky matricového RM provést re-
homogenizaci celé jednotky (pokud nelze předpokládat, že homogenita
obsahu je zachována).
zabránit kontaminaci RM, těkání jeho složek nebo změnám vlhkosti.
vyřadit z používání CRM, který překračuje exspiraci a nelze prokázat,
že jeho vlastnosti zůstaly zachovány, případně RM, u kterého byly
hrubě porušeny pokyny pro uchování a manipulaci.
Certifikovaný Referenční Materiál (CRM, RM)
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
CÍL KALIBRACE
KALIBRAČNÍ
STANDARD
„ANALYTICKÁ“
KALIBRACE
ZAVEDENÍ VZTAHU
MEZI ODEZVOU PŘÍSTROJE
A MNOŽSTVÍM
CÍLOVÉHO ANALYTU
OBSAHUJE CÍLOVÝ ANALYT
(kromě stanovení faktoru
- např. u volumetrie)
KALIBRACE
MĚŘIDLA
STANOVENÍ
PROVOZNÍCH
CHARAKTERISTIK
MĚŘIDLA
MĚŘIDLO + ETALON
Poskytnutí důkazu, že přístroj
Pracuje ve shodě se
specifikacemi
ZPRAVIDLA
NEOBSAHUJE CÍLOVÝ
ANALYT
Fyzikální měření
Chemické měření
PROSTŘEDEK
KALIBRACE V ANALYTICKÉ CHEMII
MĚŘIDLO + STANDARD
Charakteristika závislosti mezi
signálem a analytem jak pro
kvalitativní tak i kvantitativní
účely
UV-VIS ABSORPČNÍ SPEKTROSKOPIE
PŘÍKLAD
KALIBRACE
PŘÍSTROJE
SPEKTROFOTOMETR
OBECNĚ
STANDARDY CÍLOVÉHO ANALYTU PRO
URČENÍ VZTAHU ABSORBANCE/KONCENTRACE
ETALON
ABSORBANCE
ETALON PRO
VLNOVOU DÉLKU
např. roztok
dvojchromanu draselného
např. holmiový filtr
např. roztoky Fe++ pro sestrojení kalibrační křivky.
CM založeno na tvorbě barevného chelátu
mezi železem (II) a fenathrolinem
KALIBRACE
METODY
SPEKTROFOTOMETR
V URČITÉ METODĚ
KALIBRACE V ANALYTICKÉ CHEMII
10. Kalibrace
Příloha B normy popisuje 3 základní kalibrační modely, vč. vyhodnocení nejistot:
jednobodovou kalibraci,
„bracketing“,
vícebodovou kalibraci
Kalibrace se má kontrolovat kalibrátorem, který byl použit v předchozím případě –
nebo jiným způsobem prokázání souladu s předchozími kalibracemi.
11. „Přidělení hodnot dalším materiálům“
Pro kalibraci se v chemii připravují další referenční materiály mísením,
rozpouštěním, ředěním aj.
Hodnota vlastnosti (koncentrace) takto nově připraveného materiálu je založena
zpravidla na gravimetrii nebo volumetrii.
Koncentrace a přidružená nejistota se vypočtou na základě údajů o čistotě a
přípravě.
800 µg/l
(10 ml)
100 000 µg/l
20 000 µg/l
(5 ml)8000 µg/l
(5 ml)
4000 µg/l
(10 ml)
2000 µg/l
(10 ml)
400 µg/l
(10 ml)240 µg/l
(10 ml)
80 µg/l
(10 ml)
1000 μl 400 μl 400 μl 200 μl
400μl 200 μl 120 μl100 μl
12. „Konvenční stupnice“
Příklady zmíněné v normě:
stupnice pH,
Mohrova stupnice tvrdosti,
oktanové číslo,
……
Požadavky na realizaci stupnice:
1. CRM poskytující pevný bod / body,
2. SOP pro postup a podmínky měření
Stupnice pH:
pH je neexaktní fyzikální veličinou, kde absolutní aktivita iontů se nahrazuje konvenční
stupnicí, která je definována referenčními roztoky s přidělenými hodnotami pH.
Hodnoty stanoveny měřením
článku s vodíkovou a AgCl
elektrodou a metodou výpočtu dle
konvence.
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 měření, tedy systém
kalibrací, ověřování, případně i servisních zásahů u měřidel
(zařízení). Návaznost měření je zajišťována prostřednictvím
nepřerušeného řetězce kalibrací nebo porovnání až k mezinárodním
etalonům nebo certifikovaným referenčním materiálům. Návaznost
měření je nutno realizovat prostřednictvím:
• pracovišť národní či evropské metrologické autority, (ČMI, BIPM ),
• akreditovaných kalibračních laboratoří,
• interních kalibrací.
Požadavky ČSN EN ISO/IEC 17025
44
Všechna měřidla vedená laboratoří a
vyžadující kalibraci musí být označena
stavem kalibrace – datem, kdy:
• měřidlo bylo kalibrováno,
• končí platnost jeho kalibrace.
doba platnosti ?
Požadavky ČSN EN ISO/IEC 17025
45
Příklady kalibrací a kontrol měřidel
Druh zařízení Požadavek Navrhovaná frekvence
Přesné váhy (a) Servis (b) Úplná návaznost kalibrace
(a) Každé dva roky (b) Každé dva roky
Skleněné teploměry
Úplná návaznost kalibrace Každých pět roků
Vodní lázně (a) Sledování teploty (b) Vypuštění, vyčištění, desinfekce a opakované naplnění
(a) Při každém použití (b) Ročně
Odměrné a laboratorní sklo
Úplná návaznost kalibrace (ověření)
Při zahájení používání (povinnost výrobce)
Automatické dávkovače (pipety)
Úplná návaznost kalibrace
Ročně
Chladničky, mrazáky, lednice
(a) Vyčištění a desinfekce vnitřních prostorů (b) Sledování teploty (c) Úplná návaznost kalibrace teploměru v zařízení
(a) Dle potřeby (např. čtvrtletně) (b) Denně/ při každém použití (c) Každých pět roků
Měřidla času (minutky) Kontrola proti národnímu časovému signálu
Každý rok
Autoklávy
(a) vizuální kontrola těsnění, vyčištění, vysušení komory (b) revize tlakové nádoby
(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
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
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)
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)
Rezidua pesticidů: pokud je průměrná výtěžnost mezi 80 až 120 % a rozšířená
nejistota < 50 %, pak nekorigovat
Nejistoty korigovaných výsledků
Výtěžnost R = xobs /cref xcor = x / R
Nejistota nekorigovaných výsledků: ux/x
Nejistota korigovaných výsledků: (ucor/xcor)2 = (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 společně s informací, zda byla použita pro
korekci výsledků anebo ne.
Provádět korekci výsledků na výtěžnost ?
100 %R
A B
R
S S
A
A
B
B
R=
>
Stopové koncentrace – vliv na výtěžnost ?
100 %R
CC 0
CÍLEM ANALYTICKÉ CHEMIE JE MINIMALIZOVAT
NEJISTOTU INFORMACE O SLOŽENÍ OBJEKTU
Analytická informace
rutinně produkovaná
Informace považovaná
za správnou
REFERENČNÍ
KVALITA
ABSOLUTNÍ INFORMACEIDEÁLNÍ
KVALITA
ABSOLUTNÍ
SPRÁVNOST
Pře
sn
ost
NE
JIS
TO
TAREÁLNÁ
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 !
PROBLÉM:
Centra excelence
Referenční laboratoře
SPOLEHLIVÉ ALTERNATIVNÍCH
POSTUPY PRO ZAJIŠTĚNÍ
KVALITY VÝSLEDKŮ
Chemická metrologie nevystačí jen s kalibranty (standardy)
jako pro FM jsou potřebné též MATRICOVÉ CRM !
Pro velký rozsah CM je potřeba mimořádně
velký počet CRM...
MEZILABORATORNÍ
POROVNÁNÍ
metoda
standardního
přídavku
izotopové
zřeďování
Primární
metody
