Валидация методики измерения массовой концентрации фенола в деятельности испытательной лаборатории

УДК 543.0:389.0

Н. В. Маслов, М. И. Евгеньев, Ф. М. Гумеров

ВАЛИДАЦИЯ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕНОЛА

В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Ключевые слова: валидация, фенол, газожидкостная хроматография (ГЖХ), метрологические характеристики, показатели

повторяемости, прецизионности, правильности, точности.

С целью подтверждения качества выдаваемых результатов химического анализа проведена процедура валидации для части методики измерения массовой концентрации фенола. По полученным данным установлены новые валидационные характеристики, которые могут быть использованы для аттестации методики измерений на новый срок.

Keywords: validation, phenol, gas-liquid chromatography (GLC), the metrological characteristics, indexes of repeatable, precision,

accuracy, precision.

We have carried out the procedure of validation of the methodology for measuring the mass concentration ofphenol in order to confirm the quality of issued results of chemical analysis. According to information received, we have established the new validation features that can be used for certification of measurement techniques for a new period.

аммония, нитриты, кадмий, свинец,

Введение

Оценка качества объектов окружающей среды осуществляется путем установления соответствия конечного результата измерений их предельно допустимым концентрациям. Для обеспечения достоверности результатов необходимо

применение унифицированных методик, допущенных для целей государственного экологического контроля.

Центральная специализированная инспекция аналитического контроля Министерства экологии и природных ресурсов РТ (ЦСИАК) проводит контроль качества поверхностных вод водоемов, опираясь более чем на 40 показателей, среди которых фигурируют такие загрязнители, как фенол, формальдегид, ионы нитраты, нефтепродукты, марганец и другие [1].

Используемые лабораторией методики измерений могут быть использованы, если оценена их пригодность. В соответствии с [2] лаборатория «...обязана провести процедуру валидации, подтверждающую пригодность данной методики для достижения назначенных целей». Процесс валидации - это способ установления того, что рабочие характеристики аналитического метода пригодны для предполагаемого применения. Хроматографические методы должны быть подтверждены или подтверждаться:

- перед их внедрением для обычного использования;

- всякий раз, когда условия, при которых этот метод уже был внедрен, изменены;

- всякий раз, когда метод изменяется, а изменения выходят за пределы аттестованного диапазона методики. Поскольку валидация представляет собой сложную неоднозначную процедуру, в большинстве своем не имеющую нормативно-методической поддержки, то установление и оценивание метрологических характеристик является актуальной проблемой [3].

Целью данной работы явилось установление и оценка метрологических характеристик методики измерений массовой концентрации фенола, используемой в ЦСИАК, в связи с наступлением рекомендуемого срока пересмотра данной методики.

Объекты и методы

Определение массовой концентрации фенола в ЦСИАК проводят в соответствии с ПНД Ф 14.1:2:4.177-02. Данный природоохранный нормативный документ, разработанный

Центральной специализированной инспекцией аналитического контроля Министерства экологии и природных ресурсов РТ, устанавливает методику проведения измерений массовой концентрации фенола в пробах питьевых, природных и сточных вод методом газожидкостной хроматографии в диапазоне измерений от 0,5 до 200 мкг/дм3 (от 0,0005 до 0,200 мг/дм3) без предварительного разбавления и концентрирования пробы. Метод основан на бромировании фенола в слабокислой среде, восстановлении непрореагировавшего брома раствором сернистокислого натрия, экстракции образовавшегося трибромфенола гексаном, с последующим определением фенола в виде трибромфенола в гексановом экстракте методом газожидкостной хроматографии с использованием электронозахватного детектора [4]. При выполнении измерений применяли газовый хроматограф с электронозахватным детектором «Хроматэк-Кристалл 5000» с установленной насадочной стеклянной колонкой (1 м х 3 мм), заполненной хроматоном N-AW-DMCS зернением 0,125 мм с 5% содержанием Reoplex-400. Неподвижной фазой являлась жидкая фаза Reoplex-400 (пропиленгликоль-1,2-адипинат), подвижной -газообразный азот марки осч.

За результат измерений массовой концентрации фенола в пробе принимали среднее арифметическое значение результатов двух

параллельных определений, полученных в условиях повторяемости.

Обработка полученных результатов проводилась на базе программного комплекса MS Office.

Результаты и их обработка

Под валидацией методики понимается установление пригодности этой методики для оценки качества объектов в соответствии с нормативными документами. В соответствии с [4,5,6] были получены по 30 контрольных результатов анализа аттестованной характеристики в пробах трёх стандартных образцов (СО), используемых при проведении эксперимента. Число результатов анализа признано достаточным (N>30) для обеспечения достоверной оценки характеристики систематической погрешности лаборатории. При анализе соблюдались условия

внутрилабораторной прецизионности, реализуемые в лаборатории (разное время, разные партии реактивов одного типа, разные наборы мерной посуды и т.д.). При этом число результатов единичного анализа, полученных в условиях повторяемости, соответствует установленному в методике для анализируемых проб. Для оценки выбран наиболее часто используемый диапазон измерений от 0,5 до 5,0 мкг/дм3. Значения показателей представлены в таблице 1.

Экспериментальные данные были получены с использованием программного комплекса «Хроматэк Аналитик 2.6» и внесены в таблицу 2.

Далее проведена оценка результатов анализа путем установления и сравнения с аттестованными значениями показателей: повторяемости, внутрилабораторной прецизионности, правильности и точности.

Таблица 1 - Диапазон измерений, значения показателей повторяемости, воспроизводимости, правильности и точности

Показатель повторяемости (относительное Показатель воспроизводимости (относительное Показатель правильности (границы относительной систематической погрешности при доверительной вероятности Р = 0,95), ±8С, % Показатель точности (границы относительной погрешности при доверительной вероятности Р = 0,95), ±5, %

Диапазон измерений, мкг/дм3 среднее квадратическое отклонение повторяемости), стг, % среднее квадратическое отклонение воспроизводимости), CTR, %

Питьевые, природные воды

от 0,5 до 5,0 вкл. 9 17 20 39

Таблица 2 - Результаты единичного анализа содержания компонента в образце для оценивания

№ Аттестованное Погреш-ть атт. знач-я, Номер серии Результаты единичного анализа, С

СО, значение СО, Cm (мкг/дм3) рез-в ед. Для 1-го СО Для 2-го СО Для 3-го СО

m Дот анализа, L Х11 Х12 Х21 Х22 Х31 Х32

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 1,038 1,087 2,018 2,085 3,803 3,882

2 1,105 1,057 2,014 2,077 3,967 4,044

1 1,000 0,025 3 0,988 0,943 2,131 2,166 4,031 3,982

4 1,093 1,066 2,020 2,021 4,023 4,196

5 1,156 1,176 2,033 2,020 4,063 4,011

6 0,934 0,965 2,127 2,220 4,274 4,204

2 2,000 0,025 7 0,957 0,983 2,031 2,030 4,085 4,034

8 0,989 1,015 2,100 2,184 3,895 3,934

9 1,025 1,046 2,171 2,199 4,060 4,024

3 4,000 0,027 10 0,887 0,908 2,060 2,100 4,232 4,021

11 1,057 1,069 2,105 2,125 3,978 4,022

12 1,224 1,205 2,082 2,079 4,085 4,133

13 1,025 1,072 2,013 1,960 4,073 4,024

14 1,067 1,099 1,863 1,946 3,855 3,898

15 1,155 1,112 1,872 1,894 4,033 3,973

Окончание таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

16 1,055 1,034 1,747 1,860 4,177 4,209

17 0,988 1,003 1,967 2,006 4,065 4,077

18 0,967 1,001 2,011 1,985 4,034 3,993

19 0,989 1,005 2,009 2,032 3,975 4,012

20 1,023 0,998 1,996 1,958 4,014 4,176

21 1,068 1,043 2,017 1,976 3,989 3,951

22 1,067 1,034 2,026 2,004 3,985 4,042

23 1,022 1,003 1,999 1,976 3,993 4,054

24 1,005 0,995 1,978 2,003 4,014 4,165

25 1,016 0,998 2,009 2,028 4,012 4,076

26 0,995 1,011 2,012 1,993 4,067 4,012

27 0,991 1,005 1,991 1,976 4,032 4,095

28 1,011 1,002 1,967 2,021 3,988 3,931

29 1,005 0,992 2,004 1,960 4,021 4,140

30 0,989 1,005 2,008 1,972 4,031 4,112

Таблица 3 - Результаты значений среднего арифметического и выборочных дисперсий

№ опыта Стандартный образец

1 2 3

Хср. Хср. Хср.

1 1,0625 0,0012005 2,0515 0,0022445 3,8425 0,0031205

2 1,0810 0,0011520 2,0455 0,0019845 4,0055 0,0029645

3 0,9655 0,0010125 2,1485 0,0006125 4,0065 0,0012005

4 1,0795 0,0003645 2,0205 0,0000005 4,1095 0,0149645

5 1,1660 0,0002000 2,0265 0,0000845 4,0370 0,0013520

6 0,9495 0,0004805 2,1735 0,0043245 4,2390 0,0024500

7 0,9700 0,0003380 2,0305 0,0000005 4,0595 0,0013005

8 1,0020 0,0003380 2,1420 0,0035280 3,9145 0,0007605

9 1,0355 0,0002205 2,1850 0,0003920 4,0420 0,0006480

10 0,8975 0,0002205 2,0800 0,0008000 4,1265 0,0222605

11 1,0630 0,0000720 2,1150 0,0002000 4,0000 0,0009680

12 1,2145 0,0001805 2,0805 0,0000045 4,1090 0,0011520

13 1,0485 0,0011045 1,9865 0,0014045 4,0485 0,0012005

14 1,0830 0,0005120 1,9045 0,0034445 3,8765 0,0009245

15 1,1335 0,0009245 1,8830 0,0002420 4,0030 0,0018000

16 1,0445 0,0002205 1,8035 0,0063845 4,1930 0,0005120

17 0,9955 0,0001125 1,9865 0,0007605 4,0710 0,0000720

18 0,9840 0,0005780 1,9980 0,0003380 4,0135 0,0008405

19 0,9970 0,0001280 2,0205 0,0002645 3,9935 0,0006845

20 1,0105 0,0003125 1,9770 0,0007220 4,0950 0,0131220

21 1,0555 0,0003125 1,9965 0,0008405 3,9700 0,0007220

22 1,0505 0,0005445 2,0150 0,0002420 4,0135 0,0016245

23 1,0125 0,0001805 1,9875 0,0002645 4,0235 0,0018605

24 1,0000 0,0000500 1,9905 0,0003125 4,0895 0,0114005

25 1,0070 0,0001620 2,0185 0,0001805 4,0440 0,0020480

26 1,0030 0,0001280 2,0025 0,0001805 4,0395 0,0015125

27 0,9980 0,0000980 1,9835 0,0001125 4,0635 0,0019845

28 1,0065 0,0000405 1,9940 0,0014580 3,9595 0,0016245

29 0,9985 0,0000845 1,9820 0,0009680 4,0805 0,0070805

30 0,9970 0,0001280 1,9900 0,0006480 4,0715 0,0032805

С целью оценки показателя повторяемости результатов анализа были рассчитаны среднее

арифметическое значение ^

дисперсия £ т1 результатов

и выборочная единичного анализа

содержаний компонента в т-м СО, полученных в условиях повторяемости по формулам (1):

где т = 1...3, I = 1...30 (табл. 2).

Вычисленные значения среднего

арифметического и выборочных дисперсий для полученных данных представлены в табл. 3.

На основе полученных значений выборочных дисперсий Б2т1, ... , S2mL (табл. 3) в т-м СО проверена гипотеза о равенстве генеральных дисперсий, используя критерий Кохрена.

Значения критерия Кохрена ат(тах) рассчитаны по формуле (2):

г* = (^¡¿^дх

и (так ) £

Л 3Ж£

¿-1 , (2) и сравнили ее с Отабл для числа степеней свободы и=п-1, соответствующего максимальной дисперсии, и /=Ь, соответствующего числу суммируемых дисперсий, и принятой доверительной вероятности Р=0,95:

Отабл = 0,293 при и=1, ./=30;

а

т

= 0,105 для 1-го СО;

ат(тах) = 0,194 для 2-го СО; ат(тах) = 0,211 для 3-го СО.

Если ат(тах)>атабл, то соответствующее (^ть)тах из дальнейших расчетов исключают и процедуру повторяют для следующего по значению S2mL и т.д. до тех пор, пока От(тах) не станет меньше либо равно Стабл:

От(тах) = 0,105 < Отабл = 0,293;

Ст(тах) = 0,194 < Отабл = 0,293;

О,

т

^табл

= 0,211 < Отабл = 0,293.

Неисключенные из расчетов S считаем однородными и по ним оценивают СКО, характеризующие повторяемость результатов единичного анализа (параллельных определений), полученных для содержания, соответствующего содержанию компонента в т-м СО. Эти СКО рассчитаны по формуле (3):

где в числе слагаемых нет отброшенных значений. Sг,m = 0,0195 для 1-го СО; Sг,m = 0,0331 для 2-го СО; Sг,m = 0,0593 для 3-го СО.

Показатель повторяемости результатов анализа

в виде СКО ^я,« для содержаний, соответствующих содержанию компонента в т-м

СО, сг,

установлен,

принимая равным Sr¡

= 0,0331 ~ 3,31 % для 2-го СО; = 0,0593 ~ 5,93 % для 3-го СО. Установленные значения ^л-,™ сравнили со значениями характеристики повторяемости

методики анализа

^т,™ = 1,95 % (для 1-го СО) < 9 % (табл. 1);

= 3,31 % (для 2-го СО) < 9 % (табл. 1);

^г.т,™ = 5,93 % (для 3-го СО) < 9 % (табл. 1).

Оценку показателя воспроизводимости проводят с использованием результатов анализа

, на основе которых был оценен показатель повторяемости результатов анализа.

Рассчитаны среднее арифметическое значение

результатов анализа Хи и СКО средних

арифметических по серии Хм' относительно

общего среднего Хи по формулам (4):

где т = 1.3, Ь = 30 (табл. 2).

Хи = 1,0304 для 1-го СО;

Хи = 2,0206 для 2-го СО;

Хи = 4,0380 для 3-го СО; 8Ят = 0,0639 для 1-го СО; 8Ят = 0,0812 для 2-го СО; 8Ят = 0,0814 для 3-го СО.

Проведена проверка на наличие выбросов по критерию Граббса.

Для результатов анализа каждого СО { ^».г,

/=1,...Х} найдены и ^тдплп. значения:

Х^шк = 1,2145 и ^тадат = 0,8975 для 1-го СО;

Х^шк = 2,1850 и -^тадат = 1,8035 для 2-го СО;

^к-шт. = 4,2390 и -^ягша. = 3,8425 для 3-го СО. Рассчитаны статистики Граббса по формулам

Хв

я,

,

и сравнили их с критическим значением GRтабл для числа степеней свободы /=Ь, соответствующего числу результатов анализа, и принятой доверительной вероятности Р=0,95:

ОЯтабл = 2,908 при /=30; ОЯщтох = 2,882 и ОЯщтт = 2,080 для 1-го СО; ОЯт,тах = 2,026 и ОКЩтт = 2,675 для 2-го СО; ОЯщтох = 2,470 и ОЯщтт = 2,403 для 3-го СО.

Если ОЯттах > ОЯта6л или/и СЯщтЬ1 > СЯта6л,

ТО соответствующие результаты м.шпс:: , или/и

из дальнейших расчетов исключают. Процедуру проверки на наличие выбросов продолжают до тех пор, пока не будут выполнены условия (6):

ОЯ

ОЯ,

„ах=2,882

т,тах — ОЯтабл и ОЯ)

т,тт — ОЯтабл. ,

ОЯт,тах 2,026

ОЯттт=2,080<ОЯтабл (для 1-го СО); ОЯт,тш=2,675<ОЯтабл (для 2-го СО); т,тах 2,470 , ОЯт,тт =2,403<ОЯтабл (для 3-го СО); Показатель воспроизводимости в виде СКО

для

содержаний, соответствующих

содержанию компонента в т-м СО, установлен, принимая равным СКО SR,m средних

арифметических по серии неисключенных

= 0,0195 ~ 1,95 % для 1-го СО:

(по результатам проверки на наличие выбросов по критерию Граббса) результатов анализа:

= 0,0639 :

= 0,0812 =

= 6,39 % для 1-го СО; : 8,12 % для 2-го СО;

= 0,0814 ~ 8,14 % для 3-го СО.

Установленные значения значениями характеристики методики анализа ядт:

сравнили со воспроизводимости

6,39 % (для 1-го СО) <0д,т = 17 %(табл.1);

8,12 % (для 2-го СО) <аЯт = 17 %(табл.1);

^=8.14 % (для 3-го СО) «т,1ш = 17 %(табл.1).

Далее рассчитана оценка математического ожидания систематической погрешности лаборатории 0л,т как разность между средним арифметическим значением результатов анализа

Х-а и аттестованным значением т-го СО Ст по

формуле (7):

^"м С»,

,

где т = 1...3 (табл. 2). 0л>т = 0,0304 для 1-го СО; %'лт = 0,0206 для 2-го СО; %'лт = 0,0380 для 3-го СО.

Рассчитаны значения критерия Стьюдента tm по формуле (8):

10:

Лж

, (8) где А0т - погрешность аттестованного значения т-го СО (табл. 2).

Гт = 1,64 при А0т = 0,025 для 1-го СО; Гт = 1,00 при А0т = 0,025 для 2-го СО; Гт = 1,77 при А0т = 0,027 для 3-го СО.

Полученное значение tm сравнили с tта6л(f) при числе степеней свободы f=L-1 для доверительной вероятности Р=0,95.

1табл$ = 2,04 при f=29. 4 = 1,64 (для 1-го СО) < 4аблф = 2,04; Гт = 1,00 (для 2-го СО) < 1та6лф= 2,04; Гт = 1,77 (для 3-го СО) < Гтаблф = 2,04.

Если tm < ^а6лф, то оценка математического ожидания систематической погрешности лаборатории незначима на фоне случайного разброса, и в этом случае ее принимают равной нулю (0л,т = 0). Если 4 > ^аблф, то оценка систематической погрешности значима на фоне случайного разброса.

При незначимости 0л или при принятом решении о введении в результаты анализа поправки показатель правильности результатов

анализа [верхнюю * ™ " ......А

границы, в систематическая находится с принятой вероятностью Р=0,95], рассчитывают по формуле (9):

и НИЖНЮЮ которых неисключенная погрешность лаборатории

к

л.

^Лн + К*

2 £Г

4.,« = 0,0371 ~ 3,71 % ДЛЯ 1-го СО; 4„и = 0,0414 ~ 4,14 % для 2-го СО; 4„и = 0,0431 -4.31 % для 3-го СО.

Установленные значения значениями характеристики методики анализа Ас, т:

4„™= 3,71 % (для 1-го СО) < Ас,т = 20 %(табл.1);

4.,и= 4,14 % (для 2-го СО) < Ас,ш = 20 %(табл.1);

4„и= 4,31 %

сравнили со правильности

показатель точности результатов анализа может быть рассчитан по формуле (11):

Л

= 0,58 - условие соблюдается для 1-го СО;

= 0,51 - условие соблюдается для 2-го СО;

= 0,53 - условие соблюдается для 3-го СО;

= ± 0,1278 ~ 12,78 % для 1-го СО; = ± 0,1623 ~ 16,23 % для 2-го СО;

А

ллсн),« = ± 0,1628 ~ 16,28 % для 3-го СО.

А„

Установленные значения -"лхы.и сравнили с

приписанной

:

характеристикой

погрешности

А

ллги).« = 12,78 % (для 1-го СО) < = 39 %;

= 16,23 % (для 2-го СО) < 4(н),и =

39 %;

А„

= 16,28 % (для 3-го СО) < = 39 %.

В случае, если полученное значение характеристики превышает аттестованное значение, то делают вывод о непригодности в лаборатории конкретной методики измерений и определяют мероприятия по проверке соблюдения процедуры анализа [5].

Если полученное значение характеристики не превышает аттестованное значение, то полученные показатели результатов анализа можно принять в качестве лабораторных метрологических характеристик.

Выводы

Проведенное исследование показало, что установленные метрологические характеристики методики измерения массовой концентрации фенола не превышают ранее аттестованных характеристик. Таким образом, ПНД Ф

14.1:2:4.177-02, в части проверенного диапазона измерений, можно считать допущенной к применению в установленном порядке.

Литература

1. Маслов, Н.В. Применение статистических методов при мониторинге содержания фенола в составе поверхностных вод озер экосистемы Кабан / Н.В. Маслов, Н.И. Мовчан, В.А.Трутнева // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. -№ 6. - С. 179-184.

2. ГОСТ ИСО/МЭК 17025-2009. Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий // М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2012. - 34 с.

3. L. Huber. Good Laboratory Practice and current Good Manufacturing Practice // Published by Agilent, Germany, 2002. - p. 63.

4. ПНД Ф 14.1:2:4.177-02 Количественный химический анализ вод. Методика измерения массовой концентрации фенола в пробах питьевых, природных и сточных вод методом газожидкостной хроматографии. // М.: ФБУ «ФЦАО», 2011. - 16 с.

5. РМГ 76-2014. Государственная система обеспечения единства измерений. Внутренний контроль качества результатов количественного химического анализа // М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2015. - 114 с.

6. ГОСТ Р ИСО 5725. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Части 1-6 // М.: Госстандарт России, 2002.

© Н. В. Маслов - аспирант каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КИИТУ, главный специалист Центральной специализированной инспекции аналитического контроля Mинистерства экологии и природных ресурсов Республики Татарстан, maslov.n.v@bk.ru; М. И. Евгеньев - д-р хим. наук, нроф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КЫИТУ, e-mail: evgenev@kstu.ru; Ф. М. Гумеров - д-р техн. наук, нроф., зав. каф. теоретических основ теплотехники КБИТУ, e-mail: gum@kstu.ru.

N. V. Maslov - Postgraduate, Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management KNRTU, maslov.n.v@bk.ru; M. I. Evgen'ev - Dr.SC., Prof., Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management KNRTU, evgenev@kstu.ru; F. M. Gumerov - Professor of Kazan National Research Technological University, gum@kstu.ru.