化学检测实验室内部质量控制方法及结果评价探讨

苏 鑫,尹本涛,蔡元青,王加忠,毛寒冰,周 静,赖东辉,刘 剑

(贵州中烟工业有限责任公司技术中心,贵阳550009)

质量是企业发展之本,关系消费者的切身利益。在日益激烈的市场竞争中,企业愈发意识到质量管理的重要意义。质量控制是质量管理的一个重要组成部分,GB/T 19000－2016[1]对质量控制的定义是“质量管理的一部分,致力于满足提供质量要求”。对于化学检测实验室,保证检测结果有效性是最重要的质量要求之一。

实验室内部质量控制方法是将分析测定结果的误差控制在允许限度范围内所采取的控制措施,为测定结果的有效性提供保证。中国合格评定国家认可委员会(CNAS)等同采用ISO/IEC 17025:2017《检测和校准实验室能力的通用要求》的认可准则CNAS-CL001:2018《检测和校准实验室能力认可准则》[2]“确保结果有效性”中提出要求,实验室应监控结果有效性,如可行,应采用统计技术审查结果。化学检测领域相关认可应用准则CNAS-CL01-A002:2018《检测和校准实验室能力认可准则在化学检测领域的应用说明》[3]“确保结果有效性”中指出内部质量控制方法应包括但不限于空白分析、重复检测、比对、加标和控制样品的分析中的一种或几种。因此,为了更好地满足质量管理和实验室认可相关要求,确保检测结果的准确、可靠、科学、严谨,掌握化学检测实验室内部质量控制方法及结果评价具有十分重要的意义。

本文介绍了空白分析、使用标准物质检查、重复检测、加标回收、内部比对、质量控制图等多种内部质量控制方法,并结合统计技术对质量控制结果评价进行了探讨。

1 实验室内部质量控制方法

1.1 空白分析

空白分析,又叫“空白试验”,是指在不加待测样品(特殊情况下可采用不含待测组分,但有与样品基本一致基体的空白样品代替)的情况下,按照与待测样品分析同样的条件、方法和操作进行试验,获得分析结果的过程,空白分析获得的结果称为“空白值”[4]。空白分析又可以分为试剂空白和样品空白,通常所说的空白分析为试剂空白。空白值来源于测量仪器的噪声、试剂的杂质、器皿和环境的污染、基体对待测组分的干扰等,反映了测量过程的系统误差,直接影响方法的准确度和精密度[5]。在痕量分析中,空白值对最终测定结果影响尤其显著。一般每制备一批样品或每20个样品做一次空白分析,样品的检测结果应消除空白造成的影响[3]。

1.2 使用标准物质检查

标准物质在实验室内部质量控制中可以用于校准测量设备、检查检测方法的正确度和监控检测过程等。

1.2.1 校准测量设备

简单基质的有证标准物质,如纯度大于99%的标准物质或配制于简单基质中的标准溶液,主要用于校准测量设备。通过配制不同含量的标准溶液,制作校准曲线。

1.2.2 检查检测方法的正确度

与被测样品基质近似或一致的实物标准样品,可用于检查检测方法的正确度。利用标准不确定度或t检验评价实物标准样品多次的测量结果与标准物质认定值是否存在显著性差异。

对于部分化学检测,严格意义上的有证实物标准样品可能并不容易获得,但由某些机构参照国家标准物质相关技术规范,组织开发、制备并经过共同试验数据统计分析,给出重复性值、再现性值和平均值的标准样品,根据GB/T 27407－2010《实验室质量控制利用统计质量保证和控制图计划评价分析测量系统的性能》[6]“测量系统准确度的核查标准样本使用”,这类标准样品在一定程度上也可以用于检查检测方法的正确度。1.2.3 监控检测过程

实物标准样品的每次测定结果还可用于建立质量控制图(质量控制图的绘制见本文2.6节),进行统计分析,监控检测过程的准确度是否处于控制状态。

实物标准样品可能存在获取困难、价格昂贵、能提供的待测物含量与实际所需控制范围相差较大等问题。因此,除了标准物质,均匀性和稳定性良好的实验室控制样品也可用于监控检测过程,操作方法类似于实物标准样品。

当经过实物标准样品或实验室控制样品测试证明检测水平处于稳定和可控制状态下,可适当减少实物标准样品或实验室控制样品的测试频率。

1.3 重复检测

重复检测是指在重复性条件下进行两次或多次检测,也被称为平行样检测。重复检测反映实验室在重复性试验条件下的精密度。重复性条件是指在同一实验室,由同一操作人员使用相同的设备,按相同的测试方法,在短时间内对同一被测对象相互独立进行的测试条件[7]。重复检测无法降低测量的系统误差,但能减少随机误差。

1.4 加标回收

加标回收率一般是将已知含量的被测物质添加到待测样品中,同时测定添加前后样品,计算添加物的测定值与已知含量的百分比。加标回收率的计算见公式(1)[8]:

加标回收试验虽然因对加标前、后样品测试过程相同,无法识别相对误差,存在一定的局限性,但因方法简单、易操作,可结合其他方法用于评价检测方法的准确度[9],评估测量的系统误差。对于经过验证或确认的检测方法,加标回收率也可通过制作质量控制图用于监控检测过程。

加标回收试验过程的加标量应尽量与待测样品中被测组分含量相等或接近,注意加标后样品的组成不被显著改变。日常检测工作中,因为被测组分含量未知,常需先测定待测样品中被测组分含量,以估计加标量。当被测组分含量接近检出限时,加标量控制在校准曲线的低含量范围内;当被测组分含量低于检出限时,以检出限的量作为加标量[10]。

1.5 内部比对

比对试验的形式多种多样,根据比较因素的不同,可分为人员比对、仪器比对、方法比对、留样再测等。化学检测实验室影响结果的因素很多,通常采用单因素的比对试验,即一次比对试验只考察一个主要的试验因素。

内部比对可以监控某种试验因素对测量结果的影响,如人员比对,可以检查不同人员检测技术能力是否存在显著性差异;留样再测可以监控“时间间隔”这一因素是否会对测量结果产生显著影响。此外,方法比对,可用于评价检测标准方法的偏离或实验室内部方法的正确度。

1.5.1 人员比对

当需要考察新进人员、在培人员的检测技术能力时,可以安排相应岗位经验丰富的检测人员与待考察人员进行人员比对,以经验丰富的检测人员的测量结果为参考值,比较待考察人员的测量结果是否与之存在显著性差异。在日常检测工作中,也可以采用人员比对监督检测人员技术水平的持续能力。

1.5.2 仪器比对

仪器比对可用于评价实验室内部相同或不同型号的仪器设备的测量结果之间是否存在显著性差异,也可用于考察新增设备或修复后设备是否能满足检测要求。

1.5.3 方法比对

当使用的检测标准方法产生偏离,如改进前处理的条件或方法后,以标准方法的测量结果为参考值,评价偏离方法是否存在显著性差异。当需要评价非标准方法或实验室内部方法的适用性,可采用已获认可的标准方法作为参考,检查方法间测量结果是否存在显著性差异。

1.5.4 留样再测

在待测样品的稳定性有保证时,可对有检出值的留存样品在一定时间间隔内,再次对同一样品进行检测,通过评价前后两次测量结果的一致性,控制测量结果的重复性。

1.6 质量控制图

质量控制图是将具有质量特性的控制值按特定顺序绘制在图中,通过评估控制值分布及变化趋势来判断过程和结果是否处于控制状态。在化学检测实验室中常用的计量控制图是基于控制样品分析结果随机变化的正态分布统计特性。控制图由中心线(CL)、警告限(WL)和上、下控制限(UCL、LCL)组成,化学检测实验室内部质量控常用到的控制图包括X图和R图(r%图)。以单个分析结果或多个分析结果的均值绘制的X图可用于监控控制值的系统效应和随机效应。空白值X图和回收率X图是X图的两个特殊应用。R图中R是指两个或两个以上独立样品的单个测量结果中最大值和最小值之差。极差通常与样品含量成比例,因此,控制图中控制值更适宜采用相对极差值(r%)。

2 实验室内部质量控制结果评价

2.1 空白分析结果评价

空白分析中为了获得可靠地空白值,测试过程中通常取2个以上空白样品进行分析。① 若空白值在控制限内,可不进行处理;② 若获得多个空白值,在排除空白值的异常结果后,计算空白值的平均值,用于样品测定值中扣除;③ 若空白值明显超过正常值,则需认真检查测试过程出现异常,防止样品测定结果不可靠[6]。

2.2 使用标准物质检查结果评价

2.2.1 校准测量设备

对于定量分析方法,使用标准溶液制作的校准曲线的线性相关系数通常不低于0.99[11]。

2.2.2 检查检测方法的正确度

使用标准物质检查检测方法的正确度时,可利用标准不确定度或t检验进行结果评价。

例如,实验室利用标准不确定度对实物标准样品(烟叶粉末)中总糖的10次测量结果进行评价,以检查检测方法的正确度。

如果实验室能获得定值数据组数N,可查到tα,ν(ν＝n＋N－2),也可利用t检验进行结果评价[见公式(2)][12]。

表1 实物标准样品(烟叶粉末)中总糖的结果评价Tab.1 Evaluation of results of total sugar in physical standard sample(tobacco powder)

t≤tα,ν(ν＝n＋N－2),说明测量结果与标准物质认定值无显著性差异;反之,说明测量结果与标准物质认定值存在显著性差异。

2.3 重复检测结果评价

重复检测一般至少每制备一批样品或每个基体类型或每20个样品进行一次。当经过试验表明检测水平处于稳定和可控制状态下,可适当减少重复检测频率[3]。重复检测结果的可接受性检查方法,不同的检测方法或标准会有不同的要求。如果检测方法或标准中没有相关规定,可以采用以下几种常见的方法进行结果评价。2.3.1 利用重复性限[13]

在重复性条件下获得的两个测试结果之差的绝对值不大于2.8sr,说明可以接受这两个测试结果;反之,则不接受这两个测试结果,需查找原因或重新测试。其中,sr为重复性条件下两个测试结果的标准差。

2.3.2 利用相对偏差(RPD)[4]

相对偏差(RPD)[4]的计算见公式(3):

若检测方法或标准中没有明确规定,当两次测试结果RPD不大于20%时,可认为这两次测试结果能接受。

2.4 加标回收结果评价

对于加标回收率,若检测标准有明确规定的,可按照规定范围进行结果评价;若检测标准无相关规定,可参考某些通用要求进行评价。当加标回收率数据达到一定数量时,可建立加标回收率质量控制图监控检测过程。

2.4.1 利用规范要求

GB/T 27404－2008《实验室质量控制规范食品理化检测》[14]给出了食品理化检测加标回收率参考范围,具体见表2。

表2 回收率范围Tab.2 Range of recovery

2.4.2 利用质量控制图

当有一定数量(通常大于25个)加标回收率数据时,可以通过启动建立加标回收率质量控制图分析测定结果的准确度[15],质量控制图的绘制见本文2.6节。

2.5 内部比对结果评价

内部比对结果评价应根据对试验项目内容、范围,选择合适的数据统计分析方法,以便能够反映出比对结果数据的差异程度。

2.5.1 利用允许差

若检测方法规定了允许差(两组测量结果的绝对差或相对偏差),则测量结果不超过允许差时,可认为比对结果满意;反之,则认为比对结果不满意。

2.5.2 利用重复性限r和再现性限R

若检测方法给出了重复性限r和再现性限R,可通过计算CD95值[12]对比对试验结果进行评价。

式中:r为检测方法的重复性限;n1、n2分别为两组测量次数。

当两组测量结果平均值|y1－y2|≤CD95时,可认为比对结果满意;当|y1－y2|＞CD95时,进一步用公式(5)进行判断:

式中:R为检测方法的再现性限;n1、n2分别为两组测量次数。

当两组测量结果平均值|y1－y2|≤CD95时,也可认为比对结果满意;反之,则认为比对结果不满意。

2.5.3 利用不确定度[16]

若实验室具有测量结果的扩展不确定度,可利用下式进行比对结果评价:

式中:y1、y2分别为比对试验的测定值;U1、U2分别为比对试验测定值的测量扩展不确定度。

实际工作中,可能需要对多台准确度等级相同的仪器进行比对。表3为利用测量扩展不确定度对5台仪器的测定结果进行评价。

表3 5台准确等级相同仪器的测定结果的比对Tab.3 Comparison of the determination results of 5 instruments with the same accuracy level

2.5.4 利用t检验[12]

当每组检测的平行测量次数n较多(n≥6)时,可先对两组比对试验结果进行F检验[公式(7)],判断两组测量值的精密度是否存在显著性差异。

式中:s大为两组数据中较大的标准差;s小为两组数据中较小的标准差。

若F＜Fα/2(ν1,ν2),说明两组测量值的精密度无显著性差异,按t检验对比对试验结果进行评价:

式中:s1、s2分别为两组测量值标准差。

若t≤tα,ν,说明两组比对试验结果无显著性差异;反之,说明两组比对试验结果有显著性差异。

2.6 质量控制图的建立和使用

2.6.1 质量控制图的建立和数据解释[17-19]

以卷烟中焦油的测定为例,每个分析批分析一个控制样品,累积59个控制样品焦油测定值,用单个控制值绘制X图(图1)。

图1 卷烟中焦油的X图Fig.1 X-chart of tar in cigarette

采用平均值(11.40 mg/支)为中心线,计算控制值的标准差s(0.30 mg/支),设警告限为±2 s,控制限为±3 s。

控制图数据解释有3种可能情况:方法受控、方法受控但统计失控、方法失控。方法受控:① 控制值落在警告限内;② 控制值在警告限和控制限之间,但前两个控制值在警告限之内。方法受控,可报告分析结果。方法受控但统计失控:① 连续7个控制值连续上升或下降;② 连续11个控制值中10个落在中心线的同一侧。这种情况下,可报告分析结果,但应尽早发现可能存在的变化趋势,采取预防措施。方法失控:① 控制值落在控制限之外;② 控制值落在警告限和控制限之间,且前两个控制值中至少有一个也落在警告限和控制限之间。这种情况下,不得报告分析结果,在上一个受控的控制值之后分析的样品需重新分析。

图1显示该方法在本段时间内处于受控状态。

2.6.2 质量控制图的长期评估[18]

一般当新增20个数据点后可进行一次评估,评估控制图上最后60个数据点。精密度分析:若落在警告限之外的点数多于6个或少于1个,表明精密度有变化。平均值分析:计算这60个数据平均值,若与上次平均值(现使用的中心线)之差大于0.35 s,表明这些数据平均值有变化。若精密度或平均值有变化,采用F检验或t检验,判断变化是否显著。若变化显著,根据风险控制等因素,需谨慎调整控制限。

实验室内部质量控制不是对检测结果百分百的保证,是对检测过程是否处于受控状态的监控。利用各种内部质量控制手段是为了及时发现问题,对可能或潜在的原因进行分析,采取纠正或预防措施。因此,内部质量控制仍然是确保检测结果最主要的手段,通过实施内部质量控制可以更好地满足化学检测实验室质量要求,提高实验室质量管理水平。