MATERIALI DI RIFERIMENTO CERTIFICATI

Roberto MorabitoENEA – UTS PROT

morabito@casaccia.enea.it

CORSO CIMACQ Qualità del dato analitico e

validazione dei metodi di analisi chimica Ferrara, 15-16 aprile 2003

METODO ANALITICO

• CAMPIONAMENTO• CONSERVAZIONE DEL CAMPIONE• TRATTAMENTO DEL CAMPIONE

– Estrazione– Derivatizzazione– Purificazione

• ANALISI• ELABORAZIONE E PRESENTAZIONE DEI

RISULTATI

UNCERTAINITY OF ENVIRONMENTAL MEASUREMENTS

UT = (USampling + UStorage + UTreatment + UAnalysis + …)2 1/2222

50403020100

GC Determination

Dilution

Concentration

Clean-up

Extraction

Weighing

Homogeneity

Uncertainty components for measurement of trace organophosphorus pesticide in bread. From: B. King, Analyst, 112, 197-204 (1997).

RSD (%)

SOURCES OF ERRORS IN ENVIRONMENTAL ANALYSIS

• SAMPLING– Contamination– Losses– Change in speciation– Representativeness

• STORAGE– Adsorption on the

containers walls– Contamination– Stability

• TREATMENT– Contamination– Losses– Change in speciation– Low extraction recovery– Low derivatization yields

• ANALYSIS– Interferents– Matrix effects– Calibration– Blanks– Analytical staff expertise

BASSA QUALITA’ DEI DATI

• Rischi sanitari– Alimenti, farmaci, cosmetici, diagnosi,etc.

• Rischi ambientali– Ecosistemi, biodiversità, gestione ambientale, etc.

• Rischi economici– Ripetizione di analisi, distruzione di merci, etc.

I Paesi industrializzati spendono circa il 6% del PIL in misure ed operazioni correlate con le misure. Fonte: Dati Unione Europea 1991

IMPATTO ECONOMICO DELLE MISURE

Germania 1982ca. 12 miliardi di marchi (6 miliardi di EURO)

USA 1988ca. 5 miliardi di dollari (5 miliardi di EURO)

UK 1993 ca. 1.3 miliardi di sterline (2 miliardi di EURO)

Il costo per la ripetizione di misure “non adeguate Il costo per la ripetizione di misure “non adeguate allo scopo” è stato stimato essere in:allo scopo” è stato stimato essere in:

TOOLS FOR QUALITY ASSURANCE

MEASUREMENT QUALITY

CONTROL

GLP

SOP’s

Staff Training

Instrument Control

Calibrants and Blank Control

MEASUREMENT QUALITY

ASSESSMENT

Independent methods

Spiking experiments

Reference materials

Interlaboratory studies

Statistic analysis

STANDARD OPERATION PROCEDURE

a) Collection of samples.

b) Pretreatment and storage of samples.

c) Analysis of samples.

d) Analytical quality control.

e) Storage of data.

TOOLS FOR QUALITY ASSURANCE

MEASUREMENT QUALITY

CONTROL

GLP

SOP’s

Staff Training

Instrument Control

Calibrants and Blank Control

MEASUREMENT QUALITY

ASSESSMENT

Independent methods

Spiking experiments

Reference materials

Interlaboratory studies

Statistic analysis

SPIKING EXPERIMENTSSPIKING EXPERIMENTSSPIKING EXPERIMENTSSPIKING EXPERIMENTS

Binding to the matrixChemical form

Suitable matricesEquilibration time long enoughRecovery tests for each single speciesOptimization of the operating conditions

MAJOR PROBLEMS

RECOMMENDED APPROACHES

SPIKING EXPERIMENTSSPIKING EXPERIMENTSSPIKING EXPERIMENTSSPIKING EXPERIMENTS

Results of spiking experiments should be used in a conservative way:

If quantitative recoveries are obtained on spikedsamples, this does not mean that the same efficiency willbe achieved on unknown samples, but if quantitativerecoveries are not obtained on spiked samples, it is surethat no quantitative extraction will be achieved onunknown samples.

TOOLS FOR QUALITY ASSURANCE

MEASUREMENT QUALITY

CONTROL

GLP

SOP’s

Staff Training

Instrument Control

Calibrants and Blank Control

MEASUREMENT QUALITY

ASSESSMENT

Independent methods

Spiking experiments

Reference materials

Interlaboratory studies

Statistic analysis

A certified reference material (also known as “Standard Reference Materials) is defined as a reference material, one or more of whose property values are certified by a technically valid procedure, accompanied by or traceable to a certificate or other documentation that is issued by a certifying body.

A reference material (also known as “Laboratory Reference Materials) is defined as a material, one or more properties of which are sufficiently well established to be used for the calibration of an apparatus, the assessment of measurement method or for assigning values to materials.

According to ISO:

LRMs CRMs

LA FONDAMENTALE DIFFERENZA E’ NEL FATTO CHE I PARAMETRI CERTIFICATI SONO NOTI CON

UNA ELEVATA ACCURATEZZA ED UNA PICCOLA INCERTEZZA

A certified reference material (also known as “Standard Reference Materials) is defined as a reference material, one or more properties of which are certified, with a stated uncertainity, by a technically valid procedure, which are traceable to a stated reference and accompanied by a certificate or other documentation issued by an accreditated body, to be used for the evaluation of the accuracy of the method(s) used by the laboratory.

A reference material (also known as “Laboratory Reference Materials) is defined as a material, one or more properties of which are sufficiently well established to be used in an interlaboratory exercise for the evaluation of the comparability of data provided by the laboratories, or in the establishment of a quality control chart to evaluate the long term reproducibility of the laboratory.

R. Morabito: EU Workshop on the “Needs for Improvement of theMeasurement Infrastructure in Europe”, (1999).

MATERIALE DI RIFERIMENTO DI LABORATORIO

VERIFICA DELLA RIPRODUCIBILITA’ E DELLA CONFRONTABILITA’ DEI DATI

TRA LABORATORI

MATERIALE DI RIFERIMENTO CERTIFICATO

VERIFICA DELL’ACCURATEZZASTIMA DELL’INCERTEZZA

CERTIFIED REFERENCE MATERIALS (CRMs) CAN

BE:• Pure substances or solutions for calibration

and/or identification• Matrix RMs with a composition close to real

samples with a certified content of elements/compounds

• Methodologically defined RMs for parameters such as leachable or extractable elements/compounds (certified value defined according to a very strict protocol)

CRMs FOR ENVIRONMENTAL ANALYSIS

Certified for chemical, sometimes physical, parameters

Classical matrices are:

• Waters, soils, sediments and wastes for QC of inorganic and organic analysis (e.g. river, lake, sea, ground, and rainwaters, urban, agricultural and industrial soils, fresh and marine sediments, etc.)

• Biological samples for QC of environmental monitoring (e.g. mussels, oysters, plankton, fish tissues, aquatic, marine and terrestrial plants)

MATERIALI DI RIFERIMENTO Caratteristiche

RappresentativitàImplica la piu’ elevata similarità tra il materiale di riferimento e i campioni routinariamente analizzati (simili fonti di errore)

in termini di:• Composizione della matrice• Concentrazione degli analiti

• Modo con cui gli analiti sono legati alla matrice• Stato fisico del materiale

Omogeneità/stabilità- Omogeneità all’interno delle singole unità e tra le unità -

- Stabilità a lungo termine -

Certificazione del materiale- Metodo primario utilizzato da un laboratorio specializzato –

- Metodo validato utilizzato da un laboratorio di un Ente certificante -- Metodi indipendenti utilizzati da un laboratorio di un Ente certificante -

- Metodi indipendenti utilizzati da laboratori indipendenti -

Certifying Bodies

• BCR (Standards, Measurements and Testing Programme - EU)

• NIST (National Institute for Standards and Technology - USA)

• NRCC (National Research Council - Canada)

• NIES (National Institute for Environmental Sciences - Japan)

• IAEA (International Atomic Energy Agency - NATO)

• LGC (Laboratory for Government Chemist - UK)

PROPERTIES OF ENVIRONMENTAL RMs

HOMOGENEOUSMaximum particle sizes: 60 m and 40 m

- Soil, Plant Ash, Coal, Milkpowders- City Waste Ash, Freshwater Plankton

Maximum particle sizes: 90 m- Soils, Sediments, Sewage Sludges, Waste Material

Maximum particle sizes: 125 m- Plants, Foods, Animal Feeding Stuff, Tissues

STABLEStabilization by irradiation

Stabilization by drying (oven-drying; freeze-drying)

TRITURAZIONE

parti a contatto del materiale: in plastica o teflonate;

Centrifuga con setaccio 1 mm

 liofilizzazione in bulk (ca. 1m2)

Tmin = - 40° C

Tmax = 30°C o 40°C

Pmin 30 mtorr

Linea suoli (e sedimenti)

Valutazione dell’ omogeneità e della stabilità

• Utilizzo di metodi adeguati• metodi in grado di evidenziare piccole

differenze tra i campioni• metodi, non importa se accurati, altamente

riproducibili,utilizzati in condizioni di maggiore ripetibilità (stesso giorno, stesso operatore, stessa strumentazione, stessa calibrazione)

• Stabilità ripetuta ad intervalli periodici per l’intera “vita” del CRM

TEST di OMOGENEITA’

Numero di campioni (unico lotto)

• Tra unità (Between-bottles):

singole analisi su un numero di unità pari al 2 – 5 % del lotto (tipicamente 20)

• Entro l’unità (Within-bottle):

5 o 6 analisi in ciascuna di 2 unità

Valutazione del grado di inomogeneità

• Il grado di inomogeneità (sinh) di un materiale viene valutato come differenza tra la varianza complessiva osservata (so

2) e la varianza del metodo (sa

2) (sinh= so2

- sa

2) • è importante ridurre quanto più

possibile la varianza del metodo per migliorare la valutazione del grado di inomogeneità di un materiale.

CAUSE di INSTABILITA’• degradazione o trasformazione termica;• decadimento spontaneo;• crescita microbiologica;• evaporazione, diffusione, perdite;• reazioni con (o aiutate da) O2,CO2

umidità• decomposizioni fotoindotte• modificazioni della distribuzione

granulometrica• modificazioni dell’attività biologica

dovute ad irraggiamento

Prove di stabilità

PARAMETRI (combinati tra loro)

• tempo

• temperatura

• umidità

• illuminazione

• pressione (per valutazione della tenuta delle chiusure)

PROVE di STABILITA’

Temperatura ambiente Sotto stress luminosoSolar box (550 Watt/m2)

Sotto stress termico

T = 40°C e 70°C

Risultati prove di stabilità

• nessun cambiamento = materiale stabile da conservare e trasportare senza particolari precauzioni

• cambiamenti a 4°C = materiale da conservare in freezer e da trasportare al freddo

• cambiamenti a –20°C = materiale non stabile = da non preparare e/o certificare

o al quale è necessario aggiungere stabilizzanti

-3s -2s -1s 0 1s 2s 3s

99.7%

95%

67%

AGGIUNTA DI STABILIZZANTI

• Mantenere il più possibile la rappresentatività del materiale a scopo analitico

• Verificare omogeneità

STIMA DELL’INCERTEZZA DEI RISULTATI ANALITICI

• UNI ENV 13005 (2000) – (GUM)

• APPROCCIO MISTO GUM/CONVALIDA DEL METODO– IUPAC/EURACHEM

• CONVALIDA DEL METODO– Utilizzo di metodi standardizzati– Materiali di riferimento certificati– Partecipazione a studi interlaboratorio

• UTILIZZO DI CRITERI GUIDA– Horwitz

Il metodo non è normato ma esistono MRC con matrice adeguati. Se lo scarto tipo di ripetibilità stretta è ritenuto di qualità sufficiente, allora basta confrontare la media con il valore certificato verificando che sia soddisfatto il seguente criterio:

dove: è lo scarto tipo del valore certificato e è il valore della variabile di Student per un livello di probabilità p (di solito pari a 0,95) e un numero di gradi di libertà ricavabile dalla relazione

Nel caso di verifica positiva, l’incertezza estesa U si ricava allora dalla seguente espressione:

dove m è il numero di ripetizioni effettuate in condizioni routinarie.

x

,

22 p

r

t

sn

s

x

s ,pt

s s

sn

r

r

2 2 2

41

x

U ts

msp

r ,

22

ANALISI DI MATERIALI DI RIFERIMENTO CERTIFICATI

CONVALIDA DEL METODO

VALUTAZIONE DELL’ACCURATEZZA

C – Uc < T + Ut < C + Uc

GERARCHIA DEI MATERIALI DI GERARCHIA DEI MATERIALI DI RIFERIMENTO AMBIENTALIRIFERIMENTO AMBIENTALI

GERARCHIA DEI MATERIALI DI GERARCHIA DEI MATERIALI DI RIFERIMENTO AMBIENTALIRIFERIMENTO AMBIENTALI

MATERIALI DI RIFERIMENTO CERTIFICATI

MATERIALI DI RIFERIMENTO CERTIFICATI

MATERIALI DI MATERIALI DI RIFERIMENTO DI RIFERIMENTO DI LABORATORIO IILABORATORIO II

MATERIALI DI RIFERIMENTO DI LABORATORIO I

NUMERO CRESCENTE

QUALITÀ CRESCENTE

CARATTERISTICHE COMUNI DELLE 3 CATEGORIECARATTERISTICHE COMUNI DELLE 3 CATEGORIE

- OMOGENEI- OMOGENEI - STABILI- STABILI - COMPOSIZIONE DELLA MATRICE NOTA- COMPOSIZIONE DELLA MATRICE NOTA - DISPONIBILITÀ COMMERCIALE- DISPONIBILITÀ COMMERCIALE

PRODUZIONE

OMOGENEITÀ DELLA MATRICE

ANALISI ORIENTATIVE

ANALISI AVANZATE

CERTIFICAZIONECERTIFICAZIONE

AUMENTO DELLA QUALITÀ DEL MATERIALE DI AUMENTO DELLA QUALITÀ DEL MATERIALE DI RIFERIMENTORIFERIMENTO

AAUUMMEENNTTOO DDEEI I

CCOOSSTTII