基于方法验证数据用Top-down方法评估测量不确定度

殷惠民，任立军，狄一安，李玉武

国家环境分析测试中心，北京 100029

基于方法验证数据用Top-down方法评估测量不确定度

殷惠民，任立军，狄一安，李玉武

国家环境分析测试中心，北京 100029

依据现有指南和规范，在分析方法标准验证实验和报告中，常常分别评估准确度和精密度。这容易导致以加标回收率表示的准确度数据缺乏良好精密度支持的现象。基于ISO 11352原理，首次提出在不增加实验室分析人员工作量的情况下，利用自上而下技术评估方法测量不确定度，即同时考虑准确度与精密度作为一个综合性指标评估方法性能。这是标准制修订时落实测量不确定度条文一条操作性强的技术路线。利用改进后的加标回收率计算结果评估方法准确度。5组方法验证实测数据表明，用测量不确定度这一综合性指标评估方法性能比分别用准确度和精密度指标更符合实际情况。他可引导实验室分析人员在设计和处理方法验证数据时，更加重视方法精密度。在修订HJ 168—2010时，建议增加测量不确定度这一综合性指标评估方法性能。

方法标准验证；测量不确定度；自上而下评估方法

为配合实施环境质量标准和污染源排放限值标准，环保部科技司每年都有大批环境检测方法标准立项，也有大批检测方法标准颁布执行。《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》(HJ 168—2010)[1](以下简称技术导则)对这些标准的制修订提出了明确的技术要求。例如，在标准编制说明附件方法验证报告中应列出验证实验方案、全部原始测量数据、检出限、测定下限、精密度、准确度等方法性能指标的计算结果。技术导则虽然在标准内容要素大纲中提出了测量不确定度，但由于是可选项，在已颁布的标准中未见相关指标和说明。技术导则未提出用于评估测量不确定度时易于操作的实验方案和计算方法可能是原因之一。

ISO 11352[2]是近年来文献中首次颁布基于自上而下(Top-down)方法原理[3-5]评估测量不确定度的国际标准。此标准规范了利用方法验证和日常质控数据评估测量不确定度的实施步骤，明确指出测量不确定度结果应同时涵盖方法偏倚分量和以再现性标准偏差表示的精密度分量。本文基于ISO 11352原理，在不增加实验室分析人员工作量的情况下，利用Top-down技术处理方法验证数据评估方法测量不确定度，即同时考虑准确度与精密度作为一个综合性指标评估方法性能。这是标准制修订时，落实测量不确定度要素一条操作性强的技术路线。以文献[6-10]中方法验证数据和本实验室组织的方法验证数据为例，介绍了基于Top-down原理的测量不确定度评估方法。基于计算结果，讨论了目前方法验证数据处理中存在的问题以及测量不确定度评估结果对实际工作的指导意义。

1 计算方法

1.1 评估测量不确定度的Top-down法

基于ISO11352原理，测量不确定度结果包括方法偏倚分量和以再现性标准偏差表示的不确定度分量[2]。方法偏倚分量中包括标准样品标称值的测量不确定度和方法系统误差。在特定条件下，标准样品标称值测量不确定度可以忽略不计。对于方法验证数据，方法偏倚分量和精密度分量分别用数家(≥6)实验室分析结果误差和再现性标准偏差(绝对值或相对值)表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

根据技术导则规定，协作实验室间的方法验证实验需要用含量(或浓度)水平不同的3个标准样品的测定数据计算方法精密度和准确度。在不增加工作量的情况下，对相同实验数据按上述计算公式处理即可获得测量不确定度，其可作为一个兼顾准确度和精密度的综合性指标。

1.2 加标回收率计算

在方法验证实验中，合适的标准样品在许多情况下并不一定能找到。此时可采用加标回收法评定测定结果的准确度，其前提是加标量应选择在加标前测定值的附近。

设加标前测试结果为x1，加标后测试结果为x2，加标量为a，加标回收率为y。见式(8)～式(11)：

(8)

这是经典的回收率计算公式。其不足之处在于，此时他假定加标前测试结果的回收率是100%，这明显不符合实际情况。

文献[11]指出，损失的的量(x1+a)-x2应归属于总量(x1+a)，而不是仅归属于a，因此有：

(9)

其不足之处是，加入量a是标称量，与实测结果x1和x2有区别。因此，提出下列改进公式。根据加标回收率实验的前提，加标前后测定值附近，回收率基本相同, 均为y，因此加标前后表观浓度值分别为x1/y和x2/y，因此有：

(10)

经整理后有：

(11)

上述公式表明，改进后的加标回收率结果只需将经典的计算公式(8)结果开根号即可。计算公式(11)表明，经典的回收率计算结果偏低。

2 实验部分

5组数据均来源于环保部官网标准征求意见专栏公开发表的标准编制说明附件方法验证报告，分别为《水质 百菌清及拟除虫菊酯类农药的测定 气相色谱-质谱法》(HJ 753—2015)[6]，《水质 32种元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 776—2015)[7]，《空气和废气 颗粒物中金属元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》(HJ 777—2015)[8]，《土壤和沉积物 11种元素的测定 碱熔-电感耦合等离子体原子发射光谱法》(征求意见稿)[9]和《土壤和沉积物 总汞的测定 催化热解-冷原子吸收法》(征求意见稿)[10]。

3 结果与讨论

3.1 方法验证数据常见处理方法及要求

根据技术导则要求，方法验证报告应对标准编制单位统一提供的与标准方法适用范围相关的环境或工业废水(或废弃物)不少于3个不同浓度(或含量)的标准样品，实际样品或加标样品进行大于等于6次重复测定，参加验证实验的实验室应大于等于6家。测试结果的相对误差(或加标回收率)用于表示方法准确度。用样品测试的重复性标准偏差(重复性限)和再现性标准偏差(再现性限)，实验室内相对标准偏差，实验室间相对标准偏差表示精密度。这也是其他行业分析方法标准制修订的通常做法。

根据定量分析要求，准确度和精密度是反映分析方法基本性能的两个基本参数。精密度是获取准确度数据的基础，没有精密度的保证，很难得到可靠的准确度数据。但现有公开征求意见标准文本编制说明附件方法验证报告对此有所忽略。例如，在方法准确度验证实验中，有时采用加标回收的实验方式，以平均回收率、平均回收率的标准偏差、各实验室平均回收率值范围来表示准确度，但往往忽略涉及各实验室回收率数据的精密度。如果没有可靠精密度的保证，较高的回收率数值容易被人质疑。

3.2 方法验证对测量不确定度要求、评估现状及进展

技术导则在标准要素大纲列出了测量不确定度，但这只是一个可选项要素。技术导则没有提出操作性强的实验方案和计算方法，因此目前已颁布执行的标准中很少有相关内容。

目前各种标准或指南中测量不确定度的评估方法大致可分为2类：bottom-up、top-down。bottom-up法注重细节，分析、计算分析步骤中每一操作环节所涉及的不确定度分量，计算合成标准不确定度，然后乘以包含因子得到扩展不确定度。此法可完全覆盖物理测量，但对与化学和生物测量相关的特殊问题(如关于样品前处理步骤)没有特定的规定。虽然对分析程序中的单一步骤(称量、溶液移取等)、标准溶液浓度的计算、校准曲线拟合不确定度的评估，文献[12]都给予一般原则和指导，但应用于较复杂的化学测量时仍有一定局限性，且操作和计算步骤繁琐。

Top-down法利用从不同途径获得的数据，如方法验证确认、实验室内质控、实验室间协作定值和能力验证等，注重从整体上，通过数月、数年等一段期间，协作实验室(6家以上)反映样品检测全过程的精密度数据直接评估测量不确定度。如精密度法[13]、质控图法[14]、线性校准法[15]、经验模型法[16]等。由于使用了长期积累的质控数据或多家实验室实验数据，评估过程全面反映不确定度的潜在来源的机率会更大。在评估化学测量结果的不确定度时，top-down法比bottom-up法更实用。Top-down法充分利用了实验室质控数据并将检测方法测量不确定度评估与实验室质控工作紧密联系在一起，促使实验室在进行质控方案“顶层设计”时就能结合测量不确定度评估的需要，将测量不确定度评估基础工作抓实，其意义不可低估。近年来，国内文献中已出现不少用方法精密度、实验室能力验证结果来评估测量不确定度研究论文[17-20]。这些研究工作将测量不确定度与分析方法的质量和性能参数联系起来，是top-down方法的成功探索。

上述方法中，精密度法可直接用于方法验证数据的处理，得到再现性标准偏差用于评估测量不确定度，但此方法明确假定，提供数据的实验室应统计受控，测量不确定度不涉及方法偏倚。多年来，有文献[3,5]提出，应将方法偏倚分量和精密度分量进行合成，用于描述最后结果。因即使测试结果与标准值无显著性差异，但测试结果的平均值与标称值仍有差别。2012年ISO已将此观点写入标准，正式颁布执行。这种处理方式将准确度和精密度统一到一个指标中，有利于判断方法性能，可以避免实验数据处理实际操作中，虽然有好的准确度，但精密度不一定好的情形发生。

3.3 用Top-down方法处理方法验证数据示例及统计分析结果比较

U=2u=4.4 μg

Pb的结果可表示为(35.5±4.4)μg。计算方法简单明了。

表1 方法验证数据处理示例

表2是利用ICP-OES测定大气颗粒物不同无机元素方法验证数据原始数据统计分析结果。表2第3列给出了标样标称值的标准相对测量不确定度。与样品测试结果的方法偏倚和再现性标准偏差相比，标称值的测量不确定度在合成时可以忽略不计。同理，与测试结果的方法偏倚、精密度相比，加标回收实验时，加标量、移液管等操作带来的不确定度在合成时也可以忽略不计。表2结果表明，As、Be元素测量不确定度明显高于其他元素，方法偏倚和再现性精密度均有提高空间。对于大多数元素，精密度是不确定度结果中的主要分量。

表2 ICP-OES测定滤膜质控样品中金属元素方法验证数据统计分析结果

应用相同的方法分别处理GC-MS测定农药[6]、ICP-OES测定水中无机元素方法验证数据[7]，测量不确定度评估数据如表3～表8所示。由于没有合适的标样，验证实验采用了水或工厂废水、生活污水进行基体加标，利用加标回收率这一指标评估方法准确度。一般认为，加标回收率越接近100%，方法准确度越好。

从表3～表6列出的农药测试数据统计分析结果可以看出，加标回收实验中对于液液萃取，3个不同浓度系列菊酯农药、9个测试项目方法偏倚分量平均值分别为(4.3±1.9)%、(5.0±3.6)%、(4.5±2.6)%，均明显小于精密度分量(16.1±2.9)%、(11.3±1.6)%和(9.7±3.5)%。精密度是测量不确定度的主要分量，精密度随浓度增加，其数值下降。对于固相萃取3个系列浓度样品，方法偏倚分量分别为(13.9±6.0)%、(12.4±5.7)%、(16.5±5.0)%，高于精密度分量(10.4±3.2)%、(12.1±2.5)%、(10.6±5.0)%。两种萃取方式的测试结果有明显区别。但在标准不确定度结果中，两者没有明显区别，均为18%～20%。

3个不同基体加标实验中，污水处理厂和农药厂废水结果显示出液液萃取特征，对于大多数测试项目，精密度分量，再现性标准偏差明显大于基于回收率实验指标评价的方法偏倚分量。而景观水基体显示出固相萃取特征，与实验方案相符。

表3 生活污水基体加标回收数据统计分析结果

表4 农药厂废水基体加标回收数据统计分析结果

注：“—”表示无法计算，详见表7内容讨论。

表5 景观水基体加标回收数据统计分析结果

表6 农药GC-MS方法验证数据统计分析结果汇总

两组数据均表明，在表示方法准确度时，如果仅以回收率指标来判断，是片面的，可能与实际情况不符，因为有些测试数据准确度相近，但精密度不一样。例如，看起来固相萃取回收率不及液液萃取，但其综合考虑回收率和精密度指标的测量结果的不确定度基本相当，两者没有明显差别。

表7 地表水加标(溶解态)方法验证数据统计分析结果

注：元素加标量Ca为5.00 mg/L, 其他元素为0.500 mg/L。

表8 工业废水加标(电热板消解)方法验证数据统计分析结果

注：元素加标量Ca为5.00 mg/L, 其他元素为0.500 mg/L。

表9～表14汇集了碱熔法-ICP-OES测定土壤和沉积物固体样品中常量元素方法验证数据统计分析结果，分别是2个土壤标样和2个沉积物标样测定数据。从这些表中数据可以看出，对于大多元素，表示精密度的再现性标准偏差均大于方法偏倚，是不确定度的主要分量。标准不确定度略大于标样测量不确定度，这说明参加方法验证实验室技术水平与参加标样定值的实验室技术水平基本相当。表13、表14分别是1个土壤实际样品、1个沉积物实际样品加标前精密度，加标后由回收率表示的准确度和精密度统计数据。加标前，2个实际样品相对值表示的sR平均值为2.5%、3.3%，与4个标样测定数据各元素sR平均值3.5%、1.4%、2.8%、2.1%基本相当。加标后实际样品各元素sR平均值均为3.9%，略大于加标前的各元素sR平均值。由通过回收率得到的误差5.0%，4.8%明显大于直接由标样测定值计算得到的的相对标准误差：2.3%、0.35%、0.74%、0.93%。通过加标回收率表示固体样品方法准确度的实验方案并不多见，其中产生差别的原因值得深入探讨。

表9 土壤GSS-4碱熔法-ICP-OES测定数据统计分析结果

注：“*”表示CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、K2O、SiO2加标量和测定值单位为%。

表10 土壤GSS-10碱熔法-ICP-OES测定数据统计分析结果

注：“*”表示CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、K2O、SiO2加标量和测定值单位为%。

表11 沉积物GSD-1a碱熔法-ICP-OES测定数据统计分析结果

注：“*”表示CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、K2O、SiO2加标量和测定值单位为%。

表12 沉积物GSD-9碱熔法-ICP-OES测定数据统计分析结果

注：“*”表示CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、K2O加标量和测定值单位为%。

表13 土壤样品加标前后-碱熔法-ICP-OES方法验证数据统计分析结果

注：“*”表示CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、K2O加标量和测定值单位为%。

表14 沉积物样品-加标前后-碱熔法-ICP-OES方法验证数据统计分析结果

注：“*”表示CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、K2O加标量和测定值单位为%。

表15是固体样品直接进样、催化裂解、原子吸收法测定土壤、沉积物等固体样品中总汞方法验证统计分析数据结果。3个标准样品中，有2个样品测量不确定度与标样值测量不确定度相当。低含量标样(GB W07333)准确度与精密度仍有改进空间。

表15 催化热解-原子吸收测定土壤-沉积物中总Hg方法验证数据统计分析结果

3.4 基于方法验证数据得到的测量不确定度对实际工作指导意义

基于方法验证数据得到的测量不确定度对于实际工作有指导意义。根据实验室认可委要求，各实验室在应用方法标准前应该进行方法确认，利用实验室自身仪器、人员等条件，按标准规定操作步骤测试各项方法指标和实际样品。用标样测定结果判断是否存在系统性误差；将实验室测量结果的标准偏差与标准中列出的重复性标准偏差进行比较，确定是否有显著性差别，已成为实验室分析人员的共识。但用测量不确定度这个综合指标确认方法，指导实际工作可能属于起步阶段，仍需要积累经验，寻找规律。但可以肯定的是，实验室得到的测量不确定度应该小于方法标准列出的测量不确定度。随着测量条件的不断优化、操作人员技能不断熟练和提高，其效果也应该在测量不确定度上有所反映，其数值应该是稳定下降的趋势。

4 结论

在分析方法验证实验中，在不增加实验室分析人员工作量的情况下，可利用Top-down技术评估测量不确定度。该技术基于ISO 11352原理，是一条操作性强的技术路线。5组实测数据表明，用测量不确定度这一综合性指标评估方法性能是对目前标准制修订规则的一个重要补充，有利于Top-down测量不确定度评估方法在基层实验室的普及和应用，方法简便、易于操作。他可引导实验室分析人员在实验设计和处理方法验证数据时，更加重视方法精密度。在修订HJ 168—2010时，建议考虑增加测量不确定度作为一个综合指标来评估方法性能。

[1] 环境保护部科技标准司.环境监测 分析方法标准制修订技术导则:HJ 168—2010[S].北京：中国环境科学出版社，2012.

[2] International Organization for Standardization.Water quality—Estimation of Measurement Uncertainty Based on Validation and Quality Control Data:ISO 11352—2012[S].Published in Switzerland,2012

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[8] 环境保护部科技标准司.空气和废气 颗粒物中金属元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法编制说明[EB/OL].(2015-02-16)[2016-04-07].http://www.mep.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201503/W020150 305644878339248.pdf.

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Estimation of Measurement Uncertainty Based on Validation Data by Top-Down Method

YIN Huimin，REN Lijun，DI Yian，LI Yuwu

National Research Center for Environmental Analysis and Measurements, Beijing 100029， China

Normally accuracy and precision as two indexes to evaluate analysis method performance are separately used according to guidelines and specifications in force based on inter-laboratory collaboration experimental data. It is easily lead to accuracy data being lack of good precision data as bases. Based on the principle of ISO 11352, this paper proposes a method to estimate measurement uncertainty from validation data by top-down method without increasing staff workload in analysis laboratory. It is taking into account the accuracy and precision as a comprehensive index to evaluate the performance of method. This is a workable technology roadmap to implement the article of the measurement uncertainty in the standard of HJ 168. Improved calculation method for recoveries is used to evaluate the method accuracy. Five sets of method validation experimental data show that the measurement uncertainty as a comprehensive index to evaluate method performance is more realistic than two indexes of accuracy and precision. It can guide the laboratory analyst in the experiment design and data processing which will pay more attention to the method precision. It is proposed to add the measurement uncertainty as a comprehensive index for evaluation method performance when amending the guideline of HJ 168—2010.

method validation;measurement uncertainty;top-down

2016-02-17;

2016-03-07

国家重大科学仪器设备开发专项(2014YQ060773，2011YQ140147，2011YQ170065)

殷惠民(1963-)，男，北京市人，本科，高级工程师。

李玉武

X830.5

A

1002-6002(2016)03- 0042- 11

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.03.06