Способы улучшения качества многоэлементных стандартных образцов состава природных сред

Актуальность темы

.

Данные о составе веществ природного происхождения являются необходимой информацией при фундаментальных и прикладных исследованиях, выполняемых в геологии, геохимии и других науках, в сферах природопользования, при разработках и контроле технологических процессов и экологическом мониторинге окружающей среды. Основным средством обеспечения правильности аналитической информации при таких исследованиях является использование стандартных образцов (СО) состава природных сред — особым образом подготовленных веществ, материал для которых отобран в полевых условиях и представляет собой определенный компонент окружающей среды (горная порода, минерал, растение и т. д.), с достаточно достоверно установленными значениями содержания элементов/компонентов в нем. Использование СО недостаточного качества при градуировании методик количественного химического анализа и контроле правильности их результатов влечет за собой ложную цепь аналитических сравнений и, в конечном счете, неверные выводы. Улучшение качества СО может быть достигнуто через выявление и понимание сущности закономерных ошибок, возникающих в процессе создания СО, и является важным звеном прогресса аналитической химии в целом.

Цель работы — предложить способы улучшения качества многоэлементных стандартных образцов состава природных сред. Для этого решались следующие задачи:

1. Определить критерии выбора лабораторий-участниц межлабораторных экспериментов (МЛЭ).

2. Разработать алгоритм предварительной (до вычисления аттестованных характеристик) обработки выборок результатов аттестационных исследований.

3. Разработать способы подтверждения правильности полученных аттестованных значений.

Научная новизна работы.

1. Предложена модификация рейтингового критерия Abbey для оценки квалификации лабораторий-участниц МЛЭ, состоящая в замене параметра, с помощью которого формируют интервалы содержания при вычислении критерия, на значение допустимой погрешности аттестации.

2. Для определения рейтинга лаборатории предложено использовать оценку ее информационной способности, учитывающую количество элементов, аналитические интервалы и методы, освоенные лабораторией.

3. Разработан алгоритм предварительной экспертизы результатов МЛЭ, основанный на совмещении статистического и аналитического подходов, который обеспечивает корректность установления аттестованных характеристик при аттестации стандартных образцов состава природных сред.

4. На основе рассмотрения большого объема фактических данных, показано, что для оценки правильности предварительных и окончательных аттестованных значений содержания микроэлементов в многоэлементных СО состава природных сред и при отсутствии СО, аналогичных разрабатываемым, возможно использование эксперимента по сличению разрабатываемых СО с государственными/сертифицированными СО (ГСО/CRM) схожего состава при условии согласованности разрабатываемых СО с ГСО/CRM по основным (макро-) элементам. Критерием согласованности служит как визуальная интерпретация согласованности, так и коэффициент детерминации R2, установленный для основных (макро-) элементов >0,97, для микроэлементов >0,95.

Практическая значимость работы.

При сопоставлении алгоритмов установления метрологических характеристик СО, изложенных в различных редакциях ГОСТ 8.532 (1985 и 2002 годов), показано, что последний алгоритм снижает влияние промахов на оценку аттестованного значения, что повышает возможность аттестации СО на большее число элементов.

Модифицированный критерий Abbey и оценка информационной способности лабораторий были применены для определения рейтинга лабораторий, участвовавших в межлабораторной аттестации государственных стандартных образцов (ГСО) состава черных сланцев СЧС-1 (№ 8549−2004) и СЛг-1 (№ 8550−2004) и СО состава гранат-биотитового плагиогнейса ГБПг-1.

Предложенный алгоритм предварительной обработки данных МЛЭ позволяет устанавливать корректные значения содержания элементов в СО состава природных сред, выборки результатов по которым часто имеют асимметричный и резкоасимметричный вид распределения. Алгоритм был применен при аттестации ГСО СЧС-1 и СЛг-1 и доаттестации по редкоземельным и редким элементам ГСО состава траппа СТ-2А (№ 8671−2005) и габбро эссекситового СГД-2А (№ 8670−2005). Последовательность обработки результатов МЛЭ (построение гистограмм и оценка параметров первичных, усеченных и конечных выборок данных) включена в отчет по аттестации СО ГБПг-1, разработка которого выполнялась в рамках проекта «Оптимальная система стандартных образцов состава природных и техногенных сред региона озера Байкал» (Грант РФФИ № 01−03−97 201, окончен в 2003 г.), соисполнителем которого был автор.

Проверка согласованности разрабатываемых СО с ГСО схожего состава (при отсутствии аналогичных ГСО) использовалась для подтверждения правильности аттестованных значений ГСО состава золотосодержащих руд СЗР-З (№ 8815−2006) и СЗР-4 (№ 8816−2006) и предварительно установленных аттестованных значений СО состава листа березы ЛБ-1, травосмеси луговой Тр-1 и элодеи канадской Эк-1 (все вышеперечисленные образцы разработаны или разрабатываются в настоящий момент ИГХ СО РАН). Разработка СО ЛБ-1, Тр-1 и ЭК-1 осуществляется согласно согласованной теме КООМЕТ № 293/RU/03 «Создание и применение стандартных образцов составов растительных и животных тканей и сухого остатка воды» (начата в 2003 г.), ответственным исполнителем которой является автор.

На защиту выносятся:

1. Способ рейтинговой оценки по информационной способности лаборатории при планировании МЛЭ.

2. Способ рейтинговой оценки с использованием модифицированного критерия Abbey по итогам участия лаборатории в предыдущих МЛЭ или межлабораторных сравнительных испытаниях.

3. Алгоритм предварительной экспертизы результатов МЛЭ.

4. Способ подтверждения правильности установленных аттестованных значений проверкой согласованности разрабатываемых СО с ГСО схожего состава (при отсутствии аналогичных ГСО) с помощью визуальной оценки согласованности и по значению коэффициента детерминации.

Личный вклад автора.

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены лично автором. Постановка задачи определения рейтинговых оценок лабораторий и алгоритмизации предварительной обработки выборок данных МЛЭ осуществлялась под руководством д.х.н. Петрова Л. Л., который также принимал участие в обсуждении всех выводов. Остальные соавторы совместных публикаций принимали участие в получении экспериментальных данных.

Апробация работы. Материалы работ докладывались на следующих конференциях: Некоторые современные проблемы геохимии и аналитического обеспечения: Конференция молодых ученых'98 (г.Иркутск, 1998 г.) — Второй международный Сибирский геоаналитический семинар «INTERSIBGEOCHEM2001» (г.Иркутск, 2001 г.) — Всероссийская конференция «Актуальные проблемы аналитической химии» (г.Москва, 2002 г.) — 7-ая международная конференция по ядерным методам в науках о жизни NAMLS7 (г.Анталия, Турция, 2002 г.) — Международный форум «Аналитика и аналитики». (г.Воронеж, 2003 г.) — 5-ая Международная конференция по анализу геологических и природных материалов «Geoanalysis 2003» (г.Рованиеми, Финляндия, 2003 г.) — 9-ый Международный симпозиум по биологическим и природным стандартным образцам «BERM9» (г.Берлин, Германия, 2003 г.) — V Всероссийская конференция по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2003» с международным участием (г. С. Петербург, 2003 г.) — Научная конференция молодых ученых ИНЦ СО РАН «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2004 г.) — VII Конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (г. Новосибирск, 2004 г.) — Международный симпозиум по метрологии в химии (г.Пекин, Китай, 2004 г.) — Международная конференция «Аналитическая химия и химический анализ (АС&СА-05)» (г.Киев, Украина, 2005 г.) — IV Международная конференция по неорганическому анализу объектов окружающей среды (г.Пардубице, Чехия,.

2005 г.) — Всероссийская конференция с международным участием «Стандартные образцы в измерениях и технологиях». (г.Екатеринбург, 2006 г.) — Международный конгресс по аналитической химии ICAS-2006 (г.Москва,.

2006 г.) — 6-ая Международная конференция по анализу геологических и природных материалов «Geoanalysis 2006» (г.Пекин, Китай, 2006 г.).

Автор является соисполнителем научно-исследовательских работ (НИР) по аттестации ГСО состава черных сланцев СЧС-1 и СЛг-1, габбро эс-секситового СГД-2а, траппа СТ-2а, золотосодержащих руд СЗР-З и СЗР-4 (регистрационные номера по Государственному реестру ГСО РФ 8549−2004, 8550−2004, 8670−2005, 8671−2005, 8815−2006 и 8816−2006, соответственно), ответственным исполнителем НИР по аттестации СО состава гранат-биотитового плагиогнейса (отчет проходит экспертизу Головного органа Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ, из них 7 статей.

Выводы к главе 4.

Для оценки правильности предварительных (полученных в процессе МЛЭ) и окончательных (полученных по завершению аттестационных исследований) аттестованных значений содержания микроэлементов в многоэлементных СО состава природных сред в отсутствии аналогичных разрабатываемым СО доказана возможность использования эксперимента по сличению разрабатываемых СО с государственными/сертифицированными СО схожего состава при условии согласованности разрабатываемых СО с rCO/CRM по основным (макро-) элементам.

Необходимо учитывать, что для СО состава природных сред проверка согласованности может быть осуществлена только построением градуировочных графиков, т.к. СО состава природных сред — всегда новый тип материала и rCO/CRM, выбранные для сличения, не могут быть признанными аналогичными СО более высокого ранга, в первую очередь, в силу различий в матричном составе. Для осуществления такого эксперимента необходимо подобрать государственные/сертифицированные СО схожего состава, интервалы содержания определяемых элементов в которых перекрывали бы или были бы сравнимы с интервалами содержания аттестованных элементов в разрабатываемых СО. Оценку согласованности по основным и микроэлементам предложено вести как по значению коэффициента детерминации R2, так и визуально по градуировочным графикам, построенным с учетом опорных значений для исследуемых СО (как среднее арифметическое, среднее взвешенное или медиана выборки данных) и аттестованных/сертифицированных значений для выбранных rCO/CRM. Для графиков по основным элементам R2 должно быть не менее 0,97, по микроэлементам не менее 0,95, хотя, это, конечно, рекомендуемые значения, т.к. в каждом случае необходимо учитывать аналитические возможности определения конкретного элемента конкретной методикой. Визуальная интерпретация может дать гораздо больше информации, чем простое констатирование согласованности представленных на графиках значений. Можно, например, видеть, по какой причине величина /?2< 1. Является ли это следствием общего разброса точек, причиной чего могут быть особенности применяемых аналитических методик (влияние случайных и систематических факторов на процесс анализа), или отклонения всего одной точки от общего линейного тренда, что требует объяснения возможных причин, за счет которых значение, соответствующее отклоненной точки, не воспроизвелось. Кроме того, рассмотрение положения точек на построенных градуировочных графиках позволяет судить о согласованности точек, соответствующих значениям содержания элементов для каждого комплекта СО и между комплектами СО, подтвердить возможность использования разрабатываемых СО как комплект для градуирования аналитических методик, предположить существование методических проблем при анализе данного типа материалов и, для трудноанализируемых элементов, оценить вероятность достижения аттестованного значения, отвечающего требованиям МЛЭ, или целесообразность продления аттестационных исследований по определению их содержания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Как уже отмечалось (раздел 1.3), работы по созданию СО представляют собой ряд последовательных операций. На каждом этапе существуют возможности оптимизации процесса, которые должны приводить к улучшению качества создаваемых СО. В результате проведенных исследований предложено несколько способов обработки результатов МЛЭ, направленных на улучшение качества СО состава природных сред. В частности, рассмотрение результатов МЛЭ согласно предложенному алгоритму позволило аттестовать СО СЧС-1 и СЛг-1 в ранге государственных по содержанию таких трудноанализируемых элементов, как золото и сереброа применение проверки согласованности СО с ГСО схожего состава при отсутствии аналогичных ГСО подтвердило правильность установленных аттестованных значений для ГСО СЗР-З и СЗР-4. Основные результаты сводятся к следующему:

1. Сопоставлены алгоритмы установления метрологических характеристик СО, изложенные в различных редакциях ГОСТ 8.532 (1985 и 2002 годов). Показано, что алгоритм редакции 2002 г. снижает влияние результатов, резко отличающихся от диапазона содержания, в котором сосредоточено основного количество результатов выборки, что повышает возможность аттестации СО на большее число элементов. Однако при статистической обработке выборок резко асимметричного вида процедура, изложенная в ГОСТ 8.532−2002, не всегда дает достоверную оценку содержания элементов, что объясняет необходимость в предварительной (до статистической) обработке данных для выявления недостоверных результатов и обоснованного исключения их из дальнейших вычислений.

2. Разработан алгоритм предварительной экспертизы результатов МЛЭ, повышающий корректность установления метрологических характеристик при аттестации СО состава природных сред. Алгоритм основан на оценке степени асимметрии распределения аттестационных результатов для каждого элемента/компонента с помощью построения диаграмм распределения результатов и определения параметров выборки данных (медианы, среднего арифметического, критериев асимметриии и эксцесса) — при асимметричных видах распределений — последовательное исключение результатов, находящихся вне диапазона содержания, в которых находится большинство результатов выборки, до получения симметричного распределения с обязательным выполнением правила: методами, с помощью которых получены результаты, признанные сомнительными, должны быть представлены и результаты в «усеченной» выборке. Если исключили все результаты, выполненные конкретным методом, то должно существовать обоснованное объяснение возможности систематической погрешности результатов при определении содержания рассматриваемого элемента в образце данного состава, используя конкретную методику.

Алгоритм был применен при аттестации ГСО СЧС-1 и CJlr-1, СО ГБПг-1 и доаттестации по редкоземельным и редким элементам ГСО СТ-2А и СГД-2А.

3. Для оценки рейтинга лабораторий, участвующих в межлабораторных экспериментах, применен модифицированный критерий Abbey. Процедура оценки включала в себя распределение результатов, представленных каждой лабораторией, в зависимости от «попадания» в тот или иной интервал, сформированный с учетом допустимой погрешности аттестованного значения. В отличие от прежнего критерия, основанного на распределении результатов сертификационных исследований по интервалам, сформированным в зависимости от значения стандартного отклонения, предложенный критерий не зависит от количества результатов в выборке, что дает возможность объективной оценки рейтинга лаборатории, регулярно участвующей в МЛЭ или межлабораторных сравнительных испытаниях.

Применив модифицированный критерий Abbey и оценку информационной способности лабораторий, оценен рейтинг лабораторий, участвовавших в межлабораторной аттестации ГСО СЧС-1 и СЛг-1 и СО ГБПг-1.

4. Предложено использовать эксперимент по сличению разрабатываемых СО с государственными/сертифицированными СО (ГСО/CRM) схожего состава при условии их согласованности по основным (макро-) элементам для оценки правильности предварительных (полученных в процессе МЛЭ) и окончательных (полученных по завершению аттестационных исследований) аттестованных значений содержания микроэлементов в многоэлементных СО состава природных сред и при отсутствии ГСО, аналогичных разрабатываемым. Степень согласованности предложено оценивать по значению коэффициента детерминации R2, для основных (макро-) элементов установленный >0,97, для микроэлементов >0,95.

Предложенный способ использовался для подтверждения правильности аттестованных значений ГСО СЗР-З и СЗР-4 и предварительно установленных аттестованных значений СО ЛБ-1, Тр-1 и Эк-1 (все вышеперечисленные образцы разработаны или разрабатываются в настоящий момент ИГХСО РАН).

Для дальнейшего улучшения метрологических характеристик МВИ наиболее перспективные направления могут быть связаны с определением оптимального назначения погрешности аттестованного значениявозможностью доказать прослеживаемость разработанных СОрассмотрением вопросов «соответствия цели» при использовании СО для градуирования и контроля правильности различных аналитических методикпоиском выбора объекта для СО при разработках серии СО (напр., состава почв) или разработки СО промежуточного состава из имеющихся ГСОфундаментальными исследованиями термодинамических и кинетических процессов, происходя-(щих при «ускоренном старении» СО на этапе определения стабильности и назначения срока годности СО.