Ringversuche und Rückführbarkeit Dr.-Ing. Michael Koch Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart Abteilung Hydrochemie Bandtäle 2 D-70569 Stuttgart Tel.: 0711 685 65444 / Fax:

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Transcript Ringversuche und Rückführbarkeit Dr.-Ing. Michael Koch Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart Abteilung Hydrochemie Bandtäle 2 D-70569 Stuttgart Tel.: 0711 685 65444 / Fax:

Ringversuche und Rückführbarkeit
Dr.-Ing. Michael Koch
Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft
der Universität Stuttgart
Abteilung Hydrochemie
Bandtäle 2
D-70569 Stuttgart
Tel.: 0711 685 65444 / Fax: 0711 685 67809
E-Mail: [email protected]
Was ist Rückführbarkeit?
• „Eigenschaft eines Messergebnisses oder
des Wertes eines Normals, durch eine
ununterbrochene Kette von
Vergleichsmessungen mit angegebenen
Messunsicherheiten auf geeignete Normale
bezogen zu sein“ (VIM)
• Geeignete Normale sind in der Regel die
Realisierung der SI-Einheiten durch die
Metrologie-Institute
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Rückführbarkeit
• stellt sicher, dass ein Gramm (oder ein
mg/l oder ein ng/kg) im Labor X in
Deutschland exakt gleich viel ist, wie
ein Gramm (oder ein mg/l oder ein
ng/kg) überall sonst auf der Welt
• nur über den Nachweis der
Rückführbarkeit ist die Richtigkeit eines
Wertes nachgewiesen
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Rückführbarkeitsketten
Länge
Stoffmenge
Länge, die dem X-fachen der Wellenlänge
eines stabilisierten I2-Lasers entspricht
SI-Einheit für die
Stoffmenge – Realisierung?
Wert
Wert
Referenz-Standard
Kalibriernormal 2
Wert
Kalibriernormal 1
Wert
Wert
Arbeits-Standard
Maßband
Wert
Wert
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Stoffmenge einer
Verbindung X in
einer Lösung
Rückführbarkeitsstrukturen
• In vielen Bereichen gibt es feste
Strukturen, z.B.
• Massenbestimmung, Temperatur 
Eichämter, Kalibrierlaboratorien
• Klinische Chemie  Referenzlaboratorien
• In der Umweltanalytik gibt es solche
Strukturen nicht
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Sicherstellung der Rückführbarkeit in
der Umweltanalytik und ihre Probleme
• Verwendung rückgeführter Standardlösungen
• häufig wird die Richtigkeit der Analytik durch die Matrix
stark beeinflusst
• Analytik zertifizierter Referenzmaterialien
• passt die Matrix des Ref.-Materials zu den Routineproben?
• gibt es überhaupt ein geeignetes Ref.-Material?
• ist die Unsicherheit des Referenzwertes klein genug für
meinen Anwendungszweck?
• Teilnahme an Ringversuchen
• Vorgabewerte sind in der Regel nicht rückgeführt
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Ermittlung rückgeführter Referenzwerte für Ringversuchsproben
• In Zusammenarbeit mit der PTB und der
BAM
• Möglichkeiten:
• Referenzmessungen durch die
Metrologieinstitute mit Primärmethoden
• sehr aufwändig und teuer, wenn überhaupt möglich
• Ermittlung aus den Einwaagen bei der
Probenherstellung
• nur bei aufgestockten Proben möglich
• Matrixgehalt muss (rückgeführt) bestimmt werden
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Vorgehensprinzip für die Ermittlung
der Einwaagen
• Die Probenherstellung erfolgt durchgehend
auf gravimetrischer Basis
• Anschluss der Waagen ans SI-System über
Kalibrierung mit geeichten Gewichtssätzen
• Umrechnung auf Konzentration durch
gravimetrische Dichtebestimmung
(Temperaturmessung mittels geeichtem
Thermometer)
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Ermittlung der Einwaagen und ihrer
Unsicherheit
• Vorgehensweise (Bsp. Cd)
• Einwaage von CdCl2 (mEinwCdCl2) bekannter Reinheit (P) in eine
Stammlösung der Gesamtmasse mStlsg
• Umrechnung von CdCl2 auf Cd mit Faktor FCd/CdCl2
• Einwaage von Stammlösung (mEinwStlsg) in eine Verdünnung der
Gesamtmasse mVerd
• Einwaage der Verdünnung (mEinwVerd) in den Ansatz der
Gesamtmasse mAnsatz
• Gravimetrische Bestimmung der Dichte des Ansatzes (Ansatz)
mittels Pyknometer
• Berücksichtigung der Auftriebskorrektur für alle Wägungen mittels
Korrekturfaktor K
• Modellgleichung
c Ansatz 
mEinwCdCl 2  FCd / CdCl 2  P  mEinwStlsg  mEinwVerd   Ansatz
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
mStlsg  mVerd  mAnsatz  K
Ermittlung der Unsicherheitsquellen
Linearität 1
mEinwCdCl2
Linearität 3
mStlsg
mgesamt
Präzision 1
Präzision 3
Linearität 3
mtara+Stlsg
Linearität 3
Linearität 4
mtara
Präzision 3
Präzision 4
mgesamt
mEinwVerd
Präzision 3
mtara
Linearität 3
mtara
Lienarität 3
mVerd
Präzision 3
mtara
Linearität 1
Linearität 3
mv erd
mtara+Stlsg
mgesamt
mtara
mgesamt
mEinwStlsg
Richtigkeit
Temperatur
Tabelle
Linearität 4
mAnsatz
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Ans
Reinheit
Auftriebskorrektur K
FCd/CdCl2
Und für die Dichte
Probe 
mPykn Probe  mPykn
mPykn  Wasser  mPykn
mPy kn
  Wasser

Luft

 1 
  Wasser
mPy kn+Wasser
mPy kn+Probe
Linearität
Volumenpräzision
Volumenpräzision
Wägung
Präzision
Linearität
Wägung
Linearität Präzision
Präzision
Temperatur
Tabelle
Wasser
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit

  Luft

Luf t
Wichtigste
Beiträge
Auftriebskorrektur K
Gesamtmasse Ansatz mAnsatz
Gesamtmasse Verdünnung mVerd
Gesamtmasse Stammlösung mStlsg
Dichte Ansatz 2 rAnsatz
Einwaage Verdünnung mEinwVerd
Einwaage Stammlösung mEinwStlsg
Umrechnungsfaktor
Einwaage Cd-Chlorid mEinwCdCl2
Purity P
0,E+00
5,E-10
1,E-09
2,E-09
2,E-09
Unsicherheitsbeitrag
Dichte Luft
Dichte Wasser
Masse Pyknometer plus
Wasser
Masse Pyknometer plus
Probe
Masse Pyknometer
0
0,005
0,01
0,015
Unsicherheitsbeitrag
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
0,02
0,025
3,E-09
3,E-09
Bestimmung des Matrixgehalts
• Auftragung der Mittelwerte der Teilnehmer
über die Einwaagen analog zum Standardadditionsverfahren
• Unsicherheiten in x-Richtung (Einwaagen)
aus Unsicherheitsbudget
• Unsicherheit in y-Richtung (Mittelwerte)
gemäß ISO 13528 aus den Daten
sR
u  1,25 
n
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Bestimmung des Matrixgehalts
Arsen
Arsen
3
12
11,8
Arsen
2,5
11,6
Mittelwert in µg/l
11,4
Mittelwert in µg/l
Mittelwert in µg/l
20
11,2
11
10,8
15
10,6
10,4
10,2
10
2
1,5
1
10
9
10
11
Aufstockungen in µg/l
0,5
5
0
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
Aufstockungen in µg/l
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Aufstockungen in µg/l
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
13
14
15
16
17
18
19
20
Berechnung des Matrixwertes
• Gewichtete lineare Regression (generalised
least square regression)
• Rechenprogramm B_LEAST der BAM
• Die Regressionsrechnung berücksichtigt
dabei die Unsicherheiten in x- und yRichtung und gewichtet entsprechend
• Der negative x-Achsenabschnitt ist - wie bei
der Standardaddition - der Matrixwert
• Das Programm berechnet auch dessen
Unsicherheit
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Referenzwert und seine Unsicherheit
xref  xEinwaage  xMatrix
uref  u
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
2
Einw
u
2
Matrix
Unsicherheiten im Vergleich
(Bsp.: LÜRV 17)
Erw.
Erw. Unischerheit
Unischerheit in
in %
%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
123456123456123456123456123456123456123456123456123456123456
Hg
Zn
Ni
Cu
Fe
Cr
Cd
U(Einw)
U(Einw)
U(Einw+Matrix)
U(Mittelw)
U(Einw)
U(Einw+Matrix)
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Pb
As
Al
Vergleich: Mittelwert – Referenzwert
z.B. Cu im 17. LÜRV
Niveau 1
Niveau 2
64
Niveau 3
308
405
306
63
400
62
61
60
59
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
304
302
300
298
296
294
292
58
395
390
385
380
290
57
288
Mittelwert
Einwaage + Matrix
375
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Niveau 5
Niveau 4
Niveau 6
780
605
940
775
600
Einwaage + Matrix
930
590
585
580
575
765
760
755
750
745
740
570
735
565
730
560
725
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Konzentration in µg/l
595
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
770
920
910
900
890
880
870
860
Mittelwert
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Vergleich: Mittelwert – Referenzwert
z.B. Pb im 17. LÜRV
Niveau 2
82,0
22,5
52,0
80,0
22,0
51,0
21,5
21,0
20,5
20,0
Konzentration in µg/l
53,0
50,0
49,0
48,0
47,0
78,0
76,0
74,0
72,0
19,5
46,0
70,0
19,0
45,0
68,0
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Niveau 4
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Niveau 5
114,0
Einwaage + Matrix
Niveau 6
140,0
180,0
138,0
110,0
108,0
106,0
104,0
175,0
136,0
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
112,0
Konzentration in µg/l
Niveau 3
23,0
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
Niveau 1
134,0
132,0
130,0
128,0
126,0
102,0
170,0
165,0
160,0
124,0
100,0
122,0
Mittelwert
Einwaage + Matrix
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
155,0
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Vergleich: Mittelwert – Referenzwert
z.B. Bentazon im RV 2/07
Niveau 1
Niveau 2
0,12
0,14
Niveau 4
0,14
0,12
0,1
0,2
0,18
0,12
0,06
0,04
0,1
0,08
0,06
0,04
Konzentration in µg/l
0,08
Konzentration in µg/l
0,16
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
Niveau 3
0,1
0,08
0,06
0,04
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0,02
0,02
0
0
0
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Niveau 5
Einwaage + Matrix
0
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Niveau 7
0,42
0,41
0,35
0,02
Mittelwert
Niveau 6
0,4
0,8
0,9
0,7
0,8
0,2
0,15
0,1
0,39
0,38
0,37
0,36
0,35
0,34
0,6
Konzentration in µg/l
0,25
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
0,3
0,5
0,4
0,3
0,2
0,32
0
0,31
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Einwaage + Matrix
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,33
0,05
Einwaage + Matrix
Niveau 8
0,4
Konzentration in µg/l
0,14
0,1
0,1
0
0
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Vergleich: Mittelwert – Referenzwert
z.B. Benzol im 18. LÜRV
Niveau 2
20
180
18
160
16
140
Niveau 4
300
450
400
10
8
6
120
100
80
60
4
40
2
20
0
0
Konzentration in µg/l
12
Konzentration in µg/l
14
200
150
100
Einwaage + Matrix
200
100
0
Mittelwert
Einwaage + Matrix
200
150
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Niveau 7
800
900
1000
700
800
900
700
800
600
500
400
300
200
600
500
400
300
200
700
600
500
400
300
200
100
100
100
0
0
0
Mittelwert
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Einwaage + Matrix
Einwaage + Matrix
Niveau 8
Konzentration in µg/l
300
250
0
Mittelwert
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
500
400
Einwaage + Matrix
Niveau 6
600
300
50
0
Mittelwert
Niveau 5
350
100
50
Mittelwert
Konzentration in µg/l
Niveau 3
250
Konzentration in µg/l
Konzentration in µg/l
Niveau 1
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Mittelwert
Einwaage + Matrix
Wozu die Referenzwerte?
• Der übliche Vergleich mit dem Mittelwert
liefert streng genommen nur die
Vergleichbarkeit zwischen den Laboratorien
• Der Vergleich mit einem rückführbaren
Referenzwert liefert eine Aussage über die
Richtigkeit
• Diese Richtigkeit kann zur Messunsicherheitsabschätzung (DEV-Leitfaden) und als
Nachweis der Rückführbarkeit bei der
Akkreditierung genutzt werden
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Wie geht es weiter?
• Wir werden versuchen, diese Berechnungen bei
möglichst vielen Ringversuchen durchzuführen
• Organische Spurenanalytik ist dabei eine besonders
große Herausforderung
• Durch unerkannte Unsicherheitsquellen (z.B.
unerkannte systematische Abweichungen durch
Adsorption etc.) könnte der Referenzwert falsch sein
• Bislang ungeklärt: Inwieweit kann der so ermittelte
Matrixwert als rückführbar betrachtet werden?
• Wir werden versuchen, Forschungsmittel für eine
Zusammenarbeit mit der BAM (für organische Stoffe)
und mit der PTB (für anorganische) zu bekommen
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit
Wie geht es in den Ringversuchen
weiter?
• Bis zum Vorliegen umfangreicher
Erfahrungen bleibt der Vorgabewert
der Mittelwert der Laboratorien
M. Koch: Ringversuche und Rückführbarkeit