Метрологическое обеспечение аналитических исследований

Метрологическое обеспечение всех стадий лабораторных аналитических исследований представляет одну из важнейших проблем, решение которой могло бы обеспечить точность и воспроизводимость результатов анализа, а следовательно, и повысить достоверность диагностических заключений, формируемых на основании этих результатов. Однако существует ряд обстоятельств, затрудняющих ее решение в полном объеме [9]. Эти обстоятельства затрагивают различные стороны организации лабораторных исследований и требуют тщательного изучения.

В соответствии со сложившимися в метрологии подходами следует различать несколько видов лабораторных исследований [10]:

- по характеру зависимости измеряемых величин от времени: статические и динамические измерения;

- по виду уравнения измерений: прямые, косвенные, совокупные или совместные измерения;

- по условиям, определяющим точность результата: измерения максимально возможной точности, контрольно-поверочные и технические;

- по способам выражения результатов измерений: абсолютные и относительные.

Лабораторные исследования, как и всякие другие, характеризуются случайными и систематическими погрешностями, отражающими:

- точность выполнения технологических процедур;

- точность выполнения измерений (разность между полученным и истинным значениями измеряемой величины);

- воспроизводимость (близость результатов одних и тех же измерений) и достоверность (степень доверия к результатам) измерений.

Систематические погрешности в зависимости от причин возникновения могут быть разбиты на группы, каждая из которых требует своих способов их уменьшения или исключения при лабораторном анализе:

- погрешности метода – погрешности, определяемые на основании теоретического анализа идеальной схемы выполнения исследования;

- инструментальные погрешности – погрешности работы конкретных образцов приборов и систем;

- технологические ошибки – ошибки выполнения тexнoлогических операций по проведению измерений;

- субъективные (личностные) погрешности – погрешности, определяемые уровнем подготовки исследователя.

По характеру поведения в ходе измерений систематические погрешности могут быть подразделены на постоянные и переменные, а последние, в свою очередь, на прогрессивные (монотонно убывающие или возрастающие), периодические и изменяющиеся по сложным законам.

Если общим подходом, обеспечивающим уменьшение случайных погрешностей при лабораторных исследованиях, является применение аппарата математической статистики, то систематические погрешности могут быть исключены или скомпенсированы в основном путем индивидуального изучения их источников и разработки специальных методов коррекции (юстировки), что зачастую представляет собой очень сложную задачу.

Основной технической задачей метрологического обеспечения метода исследования следует считать построение схемы его поверки, начиная от эталонов биопроб и кончая образцовыми измерительными средствами.

Используются три принципа поверки аналитических методов:

- по образцовым мерам (стандартным образцам биопроб);

- по образцовым измерительным приборам;

- по методу поэлементной поверки с помощью образцовых мер или средств измерения.

Первые два принципа в большинстве задач использовать не удается ввиду отсутствия образцовых мер и приборов для конкретного класса лабораторных методов исследования. Последний метод применяется, когда невозможно использовать первые два.

Для решения задач метрологического обеспечения используют методологические подходы, основанные на применении так называемых внутренних и внешних стандартов, и др.

Внутренние стандарты – это вещества, добавляемые в пробу анализируемой жидкости и позволяющие достаточно полно исключить инструментальную и методическую погрешности и, в частности, ошибки, связанные с подготовкой пробы для исследования. К внутренним стандартам предъявляют ряд требований они должны полностью отделяться от других компонентов смеси, иметь концентрации, близкие к концентрациям анализируемых веществ, быть химически инертными, отсутствовать в исследуемой пробе жидкости. Найти вещества, которые могли бы служить надежными внутренними стандартами, для большинства лабораторных задач не удается.

Метод внешних стандартов заключается в определении калибровочных коэффициентов для расчета концентрации веществ путем предварительного ввода в аналитическую систему стандартных растворов определяемых компонентов.Этот вариант стандарта хорошо известен и используется, по крайней мере, для основных лабораторных процедур.

Состояние многих современных областей науки, в частности, медицинской и экологической лабораторной диагностики, в которых еще зачастую строго не регламентированы границы нормы определяемых показателей, затрудняет разработку обоснованных метрологических требований к аналитическим методам и средствам лабораторных измерений.

Суммарная погрешность аналитических исследований складывается из погрешностей проведения технологических операций пробоподготовки и инструментальной погрешности анализатора.

Погрешности пробоподготовительных операций делятся на две группы:

- ошибки первой группы, обусловленные способом взятия биопробы и исходным состоянием ее жидкостной основы (влиянием времени доставки, обработки после получения, условий хранения и т. п.), а также качеством используемых для обработки реактивов и инструментов;

- ошибки второй группы, обусловленные характером собственно подготовительных технологических операций (временем и точностью термостатирования, погрешностями остановки химических реакций, дозирования исследуемой жидкости и реагентов, качеством подготовки и заполнения измерительного преобразователя, наличием различного рода "мерных объемов" и т. д.).

Инструментальная погрешность складывается из ошибок, вносимых различными блоками и каскадами преобразования измеряемой физической величины в выходной сигнал, а также из погрешностей калибровки шкалы анализатора в терминах концентрации исследуемого компонента жидкости (массовой, объемной, счетной) или кинетического параметра изучаемого процесса (начальной скорости, длительности периода, активности и т. д.). Нетрудно показать, что погрешность на выходе сложного (комплексного) анализатора является линейной комбинацией погрешности отдельных блоков, причем погрешность каждого последующего блока не зависит от функций преобразования результатов получаемых в предыдущих блоках. Это обстоятельство значительно облегчает процедуру поэлементной метрологической оценки.

При разработке технологической схемы лабораторного исследования, помимо выбора оптимального метода измерений, необходимо предусматривать также применение ряда дополнительных приёмов, обеспечивающих уменьшение погрешностей результатов. Наиболее широкое распространение получил прием параметрической стабилизации, т. е. фиксации действия побочных факторов, влияющих на результат измерений, на заданном уровне. Параметрическая стабилизация используется, например, при стабилизации источников электропитания и излучения, при защите от действия пыли, вибраций, внешних электромагнитных и радиационных полей, термовоздействий, при поддержании в заданных пределах влажности и давления окружающей среды и т. п. Требования по стабилизации включаются в методические рекомендации по выполнению эксперимента с пробой.

Находит применение также прием компенсации постоянных и периодических систематических погрешностей по знаку, когда измерения выполняются попарно, причем погрешность входит в результаты измерений поочередно с различными знаками.

Наиболее универсальным приемом уменьшения погрешностей лабораторных измерений, правда, и наиболее технически сложным, является выполнение дополнительных операций по оценке значений факторов, влияющих на точность результатов, и вычислений с помощью устройств вычислительной техники сигналов коррекции погрешностей. В структуру таких лабораторных анализаторов включаются дополнительные чувствительные устройства и устройства, выполняющие по специальным программам тестовые измерения (проверку правильности функционирования отдельных элементов и систем анализатора) и производящие с помощью встроенных внутренних стандартов поверку и калибровку.

Исходя из структуры суммарной погрешности лабораторных анализаторов, можно предложить два основных подхода к решению проблемы повышения надежности и точности лабораторных исследований:

- совершенствование методов и техники исследований, изыскание наиболее специфичных и чувствительных методик, требующих минимального числа вспомогательных процедур, улучшение характеристик различных элементов измерительных схем, сведение к минимуму доли участия оператора;

- увеличение кратности исследования и оптимизации функции преобразования получаемых результатов с привлечением аппарата математической статистики.

Особую остроту приобретают проблемы надежности лабораторных измерений и качества анализов при переходе к автоматизированным системам для массовых исследований, когда появляются дополнительные источники ошибок и новые факторы, влияющие на достоверность результатов. В этих условиях значительно возрастает роль контрольных поверочных экспериментов, которые должны выполнять две функции: обеспечивать безошибочное проведение технологического процесса, а также способствовать выявлению ошибки и локализации ее источника, если все же в работе происходит сбой.

Дата добавления: 2017-02-01