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Handbuch der Bodenuntersuchung

Aktuelles Grundwerk

Terminologie,Verfahrensvorschriften und Datenblätter –
Physikalische, chemische, biologische Untersuchungsverfahren –
Gesetzliche Regelwerke, in Ordnern

2000

ISBN 3-527-19080-5

S. Kromidas

Handbuch Validierung in der Analytik

2000

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2000

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Validierung in der Analytik

1999

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Wasserchemische Gesellschaft, Fachgruppe in der GDCh; in Gemeinschaft mit dem Normenausschuss Wasserwesen (NAW) im DIN e.V. (Hrsg.)

Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlamm-Untersuchung

Physikalische, chemische, biologische und bakteriologische Verfahren.

Aktuelles Grundwerk, in Ordnern, Lieferung 1-61, Stand: Januar 2005

1981

ISBN 3-527-19010-4

image

Autoren

Werner Funk images

Dipl.-fng. Vera Dammann

Fachhochschule GieRen. Friedberg

Fachbereich Krankenhaus- und

Medizintechnik, Umwelt- und

Biotechnologie

Wiesenstraße 14

35390 Gießen

Dipl.-Ang. terhild Donnevert

Fachhochschule Gießen-Friedberg

Fachbereich Mathematik.

Natutwissenschaften. Informatik

Wiesenstraße 14

35390 Gießen

In Memoriam Professor Werner Funk

Vorwort zur zweiten, überarbeiteten Auflage

In den mehr als 10 Jahren seit Erscheinen der ersten Auflage des vorliegenden Buches hat die analytische Chemie aufgrund technologischen Fortschritts nicht nur eine enorme wissenschaftliche Entwicklung erlebt, sondern hat eine Auswei­tung ihrer Anwendungsbereiche erfahren und ist zum Teil zu einer grenzüber­schreitenden Dienstleistung geworden. Parallel nahm das Bewusstsein für die Qua­lität analytischer Ergebnisse zu. Zunächst wurde versucht, die in etlichen Berei­chen der Analytik bereits bestehenden Qualitätssicherungssysteme auf der Basis der internationalen Qualitätsmanagement-Normen der ISO 9000-Serie zertifizieren zu lassen. Diese Normen wurden ursprünglich zur Steigerung der Qualität in der Güterproduktion geschaffen. Die Zertifizierung bescheinigt, dass ein Qualitätssi­cherungssystem vorliegt und die Prüfungen systemkonform durchgeführt werden. Eine Beurteilung der Fachkompetenz für die Durchführung bestimmter Prüfungen erfolgt danach jedoch nicht. Basierend auf dem ISO-Guide 25 „General Requirements for the Technical Competence of Calibration and Testing Laboratories“ – in Europa ab 1994 in der Normenreihe EN 45001 ff. umgesetzt – wurde Mitte der 1990er Jahre den besonderen Anforderungen an die Fachkompetenz bei Prüflaboratorien durch die Einführung des Akkreditierungsgedankens in die Qualitätsnor­men Rechnung getragen. Die Akkreditierung stellt die Bestätigung nicht nur der Konformität mit vorgegebenen technischen Regeln, sondern auch der Kompetenz des Laboratoriums durch einen unparteiischen Dritten dar. Inzwischen wurde die Norm EN 45001 durch die ISO/IEC-Norm 17025 „Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf und Kalibrierlaboratorien“ ersetzt, die weltweit anerkannt ist.

Die in der ersten Auflage beschriebenen Verfahren der Analytischen Qualitäts­sicherung haben sich dabei in der Praxis bewährt, sind weiterentwickelt und ergänzt worden. So wurde der vor 1990 bei der Angabe eines Analysenergebnisses zumeist ungewohnte Begriff des Vertrauensbereiches inhaltlich erweitert und umbenannt zu „Messunsicherheit“ . Ausgelöst durch den Kostendruck bei der Dienstleistung „Analytik“ hat die „Gleichwertigkeit“ von schnelleren, automatisierbaren, sparsame­ren Analysenverfahren im Vergleich zum Referenzverfahren zunehmende Bedeu­tung erfahren.

All diesen neuen Anforderungen an die Qualitätssicherung trägt die jetzt vorlie­gende zweite Auflage Rechnung. Checklisten und das ausgearbeitete Rechenbeispiel im Anhang, das als Excel-Tabelle auch auf der beigefügten CD zur Verfügung steht, sollen konkrete Hilfestellung bei der täglichen Arbeit im Labor leisten.

Wir widmen diese zweite Auflage Professor Werner Funk, der 1996 leider viel zu früh verstarb.

Gießen, im März 2005

Vera Dammann
Gerhild Donnevert

Formelzeichen

a Ordinatenabschnitt der Kalibriergeraden bzw. der Kalibrierfunktion 2. Grades
Δa Prognosebereich des Achsabschnittes
ac Ordinatenabschnitt der Kalibriergeraden des analytischen Grundverfahrens
af Ordinatenabschnitt der Wiederfindungsgeraden
ARL Average Run Length
b Steigung der Kalibriergeraden bzw. Regressionskoeffizient des linearen Gliedes der Kalibrierfunktion 2. Grades
dc Steigung der Kalibriergeraden des analytischen Grundverfahrens
bf Steigung der Wiederfindungsgeraden
bA Steigung der Aufstockkalibrierfunktion
c Regressionskoeffizient des quadratischen Gliedes der Kalibrierfunktion 2. Grades
d Leitabstand der V-Maske
di Residuen bzw. Differenzen für die Differenzen-Regelkarte oder den Ringversuch nach Youden
image Mittelwert der Differenzen di
ds Differenz der Analysenergebnisse xAs - xBs des ausreißerverdächtigen Labors beim Ringversuch nach Youden
d2 Faktor zur Berechnung der Standardabweichung aus der Spannweite
D Abweichung des Prozessmittelwertes vom Referenzwert, die erkannt werden sol1
Di Einzeldifferenz zwischen dem Ergebnis des Vergleichsverfahrens und dem Ergebnis des Referenzverfahrens
D* ausreißerverdächtige Einzeldifferenz
image Differenz der Mittelwerte der Ergebnisse des Vergleichsverfahrens und der Ergebnisse des Referenzverfahrens
image Faktoren zur Berechnung der Warn- und Kontrollgrenzen bei der Range-Regelkarte
DS2 Differenz der Abweichungsquadratsummen (Varianzen)
e Entfernung des neuen Gesamtmittelwertes von der alten oberen Kontrollgrenze einer Qualitätsregelkarte
image standardisierte Entfernung e
E(x) Empfindlichkeit
E(image) Empfindlichkeit in der Arbeitsbereichsmitte
f Freiheitsgrad
fb Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz image
fi Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz image
ft Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz image
fw Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz image
fR Freiheitsgrad für die Daten des Referenzverfahrens
fv Freiheitsgrad für die Daten des Vergleichsverfahrens
Ff1f2:P Tabellenwert der F -Verteilung
h Entscheidungsintervall für die numerische Auswertung der Cusum- Regelkarte
i laufende Nummer der Konzentrationsstufen bzw. laufende Nummer von Untergruppen/Analysenserien (1, 2,..., N )
j laufende Nummer der Analysen je Konzentrations stufe xi bzw. laufende Nummer der Analysen je Untergruppe/Analysenserie (1, 2,..., ni)
k Faktor zur Berechnung der Bestimmungsgrenze bzw. Erweiterungsfaktor für die Berechnung der erweiterten Messunsicherheit bzw. Referenzwert für die Cusum-Regelkarte
K Entscheidungsgrenze für die numerische Auswertung der Cusum-Regelkarte bzw. Vielfaches der Standardabweichung s, um das sich der Gesamtmittelwert einer Kontrollkarte verschiebt bzw. Anzahl der Wiederholbestimmungen beim Ringversuch
Koben obere Entscheidungsgrenze K
Kunten untere Entscheidungsgrenze K
KO obere Kontrollgrenze einer Qualitätsregelkarte
KU untere Kontrollgrenze einer Qualitätsregelkarte
l Anzahl der an einem Ringversuch teilnehmenden Labors
L0 ARL für den Fall, dass das Analysenverfahren unter Kontrolle ist
L1 ARL für den Fall, dass das Analysenverfahren außer Kontrolle ist
msoll konventionell richtige Konzentration eines Parameters (Sollwert) bei einem Zulassungsringversuch
ni Anzahl der Analysen je Konzentrationsstufe xi bzw. je Untergruppe /Analysenserie
N Anzahl der gewählten Konzentrationsstufen bzw. von Untergruppen /Analysenserien
Na Anzahl der Mehrfachanalysen einer Probe
Nc Anzahl der Kalibrier-Konzentrationsstufen
Nf Anzahl der Konzentrationsniveaus bei der Ermittlung der Wiederfindungsgeraden
NA1 Anzahl Konzentrationsstufen vor der Ausreißereliminierung
NA2 Anzahl Konzentrationsstufen nach der Ausreißereliminierung
NL Anzahl Blindwerte (Leerwerte)
NR Anzahl der Analysenergebnisse des Referenzverfahrens
NV Anzahl der Analysenergebnisse des Vergleichsverfahrens
P Signifikanzniveau, statistische Wahrscheinlichkeit
PW Prüfwert zur Durchführung des F - bzw. t - bzw. Grubbs-Tests
q Anzahl Standardabweichungen bei der Skalierung der Cusum- Regelkarte
Qi Quotient aus dem Ergebnis des Vergleichsverfahrens und dem Ergebnis des Referenzverfahrens
Q* ausreißerverdächtiger Quotient
image Mittelwert der Quotienten Qi
image Quadratsummen
r Korrelationskoeffizient bzw. Wiederholbarkeit im Ringversuch
r(P= 99%, f ) Schwellenwert zur Prüfung des Korrelationskoeffizienten
R Spannweite (Range)
Ri Spannweite der Serie i
image Mittelwert der Spannweiten Ri
s Standardabweichung
image Standardabweichung des Achsabschnittes af
image Standardabweichung der Steigung bf
Sb Standardabweichung zwischen den Serien (between batch)
Sd Standardabweichung der Differenzen di bzw. gemittelte Standardabweichung zweier Analysenserien beim Mittelwert-t -Test bzw. Messgenauigkeit bei Ringversuchen nach Youden
Si Standardabweichung der Messwerte für Analysen von Standardproben mit der Konzentration xi
image Varianz der Messwerte für Analysen von Standardproben mit der Konzentration xi
Sr Wiederholstandardabweichung
St Gesamt-Standardabweichung (total)
Sw Standardabweichung in der Serie (within batch)
sxi Einzelstandardabweichung bei Schätzung der Messunsicherheit
sxo Verfahrensstandardabweichung
sxo1 Verfahrensstandardabweichung der 1. Analysenserie
sxo2 Verfahrensstandardabweichung der 2. Analysenserie
sxoc Verfahrensstandardabweichung des analytischen Grundverfahrens
Sy Reststandardabweichung
image Reststandardabweichung der Kalibrierfunktion 1. Grades bzw. Reststandardabweichung der 1. Analysenserie
image Reststandardabweichung der Kalibrierfunktion 2. Grades bzw. Reststandardabweichung der 2. Analysenserie
image Reststandardabweichung der Kalibriergeraden vor Ausreißereliminierung
image Reststandardabweichung der Kalibriergeraden nach Ausreißereliminierung
image Reststandardabweichung der Wiederfindungsgeraden
ssoll Streumaß zur Berechnung der Qualitätsgrenzen für Zulassungsringversuche
SA Standardabweichung der Analysenergebnisse von Probe A (Ringversuch nach Youden)
sB Standardabweichung der Analysenergebnisse von Probe B (Ringversuch nach Youden)
image maximal zulässiger Wert der Standardabweichung sA
image maximal zulässiger Wert der Standardabweichung sB
sD Standardabweichung der Differenzen beim verbundenen t -Tests
SL Standardabweichung des Blindwertes (Leerwertes) bzw. Standardabweichung zwischen den Labors
SQ Standardabweichung der Quotienten Qi
sR Standardabweichung der Ergebnisse des Referenzverfahrens bzw. Vergleichsstandardabweichung aus einem Ringversuch
sV Standardabweichung der Ergebnisse des Vergleichsverfahrens
SRV Hilfsgröße für den χ2-Test
SWFR Standardabweichung der Wiederfindungsraten
image Varianz der Messwerte an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
image Varianz der Messwerte an der oberen Grenze des Arbeitsbereichs
S cumulative Summe (Cusum)
SN Serien
s- negative systematische Abweichung bei der Cusum-Regelkarte
s+ positive systematische Abweichung bei der Cusum-Regelkarte
image Tabellenwert der t -Verteilung
Ti Summen der Wertepaare xAi,xBi beim Ringversuch nach Youden
image Mittelwert der Summen Ti
u(xi) Standardunsicherheit
u(γ ) kombinierte Unsicherheit
u(B) Unsicherheit aufgrund der Laborkomponente des Bias
u(Ccrm) Unsicherheit der Konzentration von zertifiziertem Referenzmaterial
u(Cref) Unsicherheitskomponente des Methoden-Bias
u(e) Unsicherheit aufgrund zufälliger Fehler unter Wiederholbedingungen
u(bias) kombinierte Unsicherheit aus Methoden-Bias und Laborkomponente des Bias
u(Rw) Unsicherheitskomponente der Reproduzierbarkeit innerhalb des Labors
image Unsicherheit der mittleren Wiederfindungsrate des Referenzmaterials
U(γ) erweiterte Unsicherheit
vs Aufstockvolumen
vR Variationskoeffizient der Analysenergebnisse des Referenzverfahrens
VV Variationskoeffizient der Analysenergebnisse des Vergleichsverfahrens
vxo Verfahrensvariationskoeffizient
VxoR Verfahrensvariationskoeffizient des Referenzverfahrens
VxoV Verfahrensvariationskoeffizient des Vergleichsverfahrens
VB(af) Vertrauensbereich des Achsabschnittes af
VB(bf) Vertrauensbereich der Steigung bf
VB(image) Vertrauensbereich der Konzentration image
VB(x1) Vertrauensbereich an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
VBrel(x1) relative Analysenpräzision an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
VBrel,zulässig geforderte Mindestprä zision von Analysenergebnissen
VB(xi) Vertrauensbereich des Einzelergebnisses
VB(image) Vertrauensbereich des Mittelwertes
image Prognosebereich der Regressionsgeraden nach Ausreißereliminierung fär die Konzentration xA
VBx(Y) Vertrauensbereich (in Konzentrationseinheiten) des Messwertes γ
w Skalierungsfaktor der Cusum-Regelkarte
WFR Wiederfindungsrate
WFRi Wiederfindungsrate der Serie i
image mittlere Wiederfindungsrate
WO obere Warngrenze
WU untere Warngrenze
x Konzentration bzw. Analysenergebnis
Δx Ergebnisunsicherheit
Δxrel relative Unpräzision bzw. Ergebnisunsicherheit
xo über die Kalibrierfunktion geschätzter Probengehalt beim Verfahren der Standardaddition
x1 Konzentration der Standardprobe an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
xc Kalibrierkonzentration
Xf gefundene Konzentration
Xi Konzentration der i -ten Standardprobe
Xic Standardkonzentration Nr. i bei der Kalibrierung des analytischen Grundverfahrens
Xif über die Kalibrierfunktion des analytischen Grundverfahrens berechnete gefundene Konzentration
Xi,j j-test Analysenergebnis für die Untergruppe / Analysenserie i
xp Prüfwert zur Absicherung der unteren Arbeitsbereichsgrenze
xsoll addierte Standardkonzentration bzw. konventionell richtiger Wert beim Ringversuch
xist Differenz der berechneten Konzentrationen der aufgestockten Probe und der Urprobe
XA Konzentration des eliminierten Ausreißer-Messwertes
xA1 erste zugesetzte Aufstockkonzentration
xA4 maximal zugesetzte Aufstockkonzentration
xN Konzentration der Standardprobe an der oberen Grenze des Arbeitsbereichs
xvi Analysenergebnis des Vergleichsverfahrens
XRi Analysenergebnis des Referenzverfahrens
xNG Nachweisgrenze
xEG Erfassungsgrenze
xBG Bestimmungsgrenze
ΔxBG Ergebnisunsicherheit an der Bestimmungsgrenze
image Mittelwert der Standardkonzentrationenxi
image Mittelwert der Analysenergebnisse von Probe A (Ringversuch nach Youden)
image Mittelwert der Analysenergebnisse von Probe B (Ringversuch nach Youden)
xAi Analysenergebnisse von Probe A (Ringversuch nach Youden)
xBi Analysenergebnisse von Probe B (Ringversuch nach Youden)
image Mittelwert der Analysenergebnisse einer Untergruppe
image Mittelwert der Analysenergebnisse des Referenzverfahrens
image Mittelwert der Analysenergebnisse des Vergleichsverfahrens
image Gesamtmittelwert
image Mittelwert der Kalibrierkonzentrationen
image über die Kalibrierfunktion berechnete Konzentration einer untersuchten Probe rnit dem Messwert image
image über die Kalibrierfunktion berechnete Konzentration der aufgestockten Probe
x2 Prüfgröß für denimage
image Messwert der Urprobe beim Verfahren der Standardaddition
image über lineare Regression berechneter Achsabschnitt der Aufstockkalibrierfunktion
image kritischer Wert der Messgröße (Hilfswert zur Ermittlung von xNG)
image Messwert der i-ten Standardprobe
image j -ter Messwert für die Konzentration xi
image Hilfswert zur Ermittlung von xp
image eliminierter Ausreißer-Messwert
image Messwerte der aufgestockten Proben
image Blindwert (zur Berechnung des Analysenergebnisses mittels der Aufstockkalibrierfunktion)
image Blindwert (Leerwert)
image Mittelwert der Messwerte xγi aus dem Kalibrierexperiment
image mittlerer Blindwert
image Prognoseintervall für zukünftige Blindwerte
image Messwert einer untersuchten Probe
image über die Kalibrierfunktion errechneter Messwert zur Standard konzentration xi
image über die Kalibrierfunktion errechneter Messwert zur Standard konzentration xA
z Z-Score
α Signifikanzniveau
β Signifikanzniveau
Δ2 sukzessive Differenzenstreuung
δ Methoden-Bias
η Wiederfindungsrate
θ Winkel der V-Maske
image Schwellenwert derimage-Verteilung (sprich: chi-Quadrat) für die'
s- Regelkarte

0 Einleitung

Fast jeder Bereich unseres Lebens ist heutzutage von physikalisch-chemischen Mess- und Analysenergebnissen tangiert: So fordern wir z. B. nachweisbar schadstofffreie Lebensmittel, erwarten therapeutisch wirksame Pharmaka-Konzentrationen, empfinden Umweltverschmutzung auch dann als bedrohlich, wenn wir die Schadstoffe nicht direkt mit unseren eigenen Sinnen empfinden können und statt dessen in unserer Phantasie ein Abbild der Wasser-, Boden- und Luftqualität in Form eines Systems aus Grenzwerten und Analysenergebnissen entstehen lassen. Schließilich stellt sogar unser eigener Körper das Objekt der Analytik dar, wenn wir uns im Vorbeuge- oder Krankheitsfall der klinischen Diagnostik unterziehen.

Analysenergebnisse werden mit unterschiedlicher Zielsetzung in großier Zahl und mit erheblichem Aufwand erstellt ().

Etliche der genannten Analytikbereiche unterliegen gesetzlichen Auflagen, welche Aussagen über Art und Häufigkeit der durchzuführenden Analysen machen. Als Beispiel seien genannt:

Ziel jeder analytischen Arbeit ist, zuverlässige Analysenergebnisse definierter Qualität zu erhalten. Qualitätsmerkmale des Analysenverfahrens sind deshalb:

. Zeilsetzung and Einsatzgebeite für Analysen.

Analysenzweck Besondere Anforderungen an das Analysenveifahren Beispiele
Auffinden von
Schadstoffen,
Screening
– hohe Spezifität
– niedrige Nach weis- grenze
– schnell durchführbar
– preiswert
– med. Vorbeugeuntersuchungen (z. B. mit Blutzucker-Teststäbchen)
– Toxikologie und Gerichtsmedizin: Identifikation von Giftstoffen und Drogen
– Schadstoffidentifikation und Verursacherermittlung bei Umweltkatastrophen
Vorbereitung einer Entscheidung – hohe Spezifität
– hohe Genauigkeit
– Beweismittel in der Kriminologie
– Diagnostik in der Medizin
– Beurteilung schadstoffemittierender Anlagen (Grenzwerte)
– Gebührenfestsetzung (z. B. Abwasserabgabe, Abfallentsorgung, Abluftabgabe)
– Eingangs-Qualitätsprüfung von Rohstoffen
Sicherstellung des Schutzes von Mensch und Umwelt – hohe Spezifität
– hohe Genauigkeit
– Warnsysteme (z. B. Gasspürsysteme)
– Lebensmittelüberwachung
– Qualitätskontrolle von Pharmazeutika, sonstigen Chemikalien, Betriebs-und Werkstoffen
Erfolgskontrolle durchgeführter Maßnahmen – hohe Spezifität
– hohe Genauigkeit
– Analysen im Rahmen der Abnahmeverfahren neuer und modifizierter technischer Anlagen
– Umweltsanierungen
– Erfolgskontrollen medizinischer Therapie
Monitoring, Prozessüberwachung und -regelung – hohe Spezifität
– hohe Genauigkeit
– schnell durchzuführen
– laufende Produktionsüberwachung von Lebensmitteln, Pharmazeutika, Chemikalien, Werkstoffen etc.
– Emissionsüberwachung beim Betrieb umweltrelevanter Anlagen
– Verlaufskontrolle von Langzeittherapien
Allgemeiner Informationsgewinn – hohe Spezifität
– hohe Genauigkeit
– schnell durchzuführen
– Grundlagenforschung aller Fachdisziplinen
– Erstellung von Umweltkatastern

Aufgabe des Analytikers ist demnach auch, die Qualität jedes von ihm angewandten Analysenverfahrens zu ermitteln, gegebenenfalls zu verbessern sowie sicherzustellen und zu dokumentieren, dass die erreichte Qualität zu jedem Zeitpunkt der Routineanalytik auch eingehalten wird. Erst dann kann von einem zuverlässigen Analysenverfahren gesprochen werden.

Die Untersuchungsaufgaben der physikalisch-chemischen Analytik lassen sich in der Regel auf die Beantwortung einer der folgenden fünf Grundfragen zuruckführen:

1. 1st ein Inhaltsstoff in der Probe vorhanden oder nicht?
2. In welchem Konzentrationsbereich liegt die betreffende Substanz vor?
3. Liegt die Konzentration weit unterhalb eines entsprechenden Grenzwertes?
4. Ist ein Grenzwert überschritten?
5. In welcher Konzentration (plus/minus Vertrauensbereich) liegt der interessierende Inhaltsstoff in der Probe vor?

Diese verschiedenen Fragestellungen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Qualität des anzuwendenden Analysenverfahrens.

0. 1 Allgemeine Unterscheidung der Analysenverfahren

Aufgrund der Zielsetzung, des notwendigen Arbeitsaufwandes und der geforderten Aussagekraft der Analysenergebnisse lassen sich Analysenverfahren in fünf Gruppen einteilen:

1. Referenzverfahren sind in nationalen bzw. internationalen Richtlinien- und Normenwerken (z. B. DIN, EN, BS, ASTM, ISO) oder anderen gesetzlichen Regelungen beschrieben. Referenzverfahren stellen den anerkannten Stand der Technik dar; ihre Anwendung kann im Rahmen von Verordnungen und Richtlinien verbindlich vorgeschrieben sein.
2. Laborvergleichsvetfahren sind quantitätive Analysenverfahren, die methodisch zwar vom Referenzverfahren abweichen, deren Gleichwertigkeit mit dem Referenzverfahren jedoch überprüft wurde.
3. Sonstige quantitätive Analysenverfahren werden im Labor in unterschiedlichen Anwendungsfällen – jedoch außerhalb der vom Gesetzgeber reglementierten Bereiche – mit unterschiedlicher Zielsetzung eingesetzt. Hierzu zählen auch die – noch – nicht genormten neuesten Analysenverfahren.
4. Feldmethoden können auch außerhalb des Labors eingesetzt werden und liefern mit Hilfe von objektiven Messmethoden in Abhängigkeit von Probenvorbehandlung und Qualitätssicherungsmaßnahmen halbquantitätive bis quantitätive Ergebnisse.
5. Orientierungstests/Screening-Verfahren [88] sind Tests mit einer subjektiven Beurteilung, die einen bestimmten Stoff Qualitätiv nachweisen und eine größsenordnungsmäßige Abschatzung der Konzentration erlauben.

Die unter 4. und 5. genannten Verfahren werden unter dem Begriff „ready-to-use“-Verfahren zusammengefasst [121].

0.2 Qualität von Analysenergebnissen und -verfahren

Das zur Beantwortung einer bestimmten Fragestellung geeignete Analysenverfahren muss nicht unbedingt das aus naturwissenschaftlicher Sicht „beste Verfahren“ sein (). Wichtig dagegen ist jedoch, dass ein Analysenergebnis, welches bei der Überprüfung der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften gewonnen wurde, gegebenenfalls auch vor Gericht haltbar, d. h. rechtsmirtelfest ist.

. Cenauigkeitsanforderungen an Analysenverfahren in Abhängigkeit von der analytischen Fragestellung.

Fragestellung Eiforderliche Qualität des Analysenverfahrens
Ist ein Stoff vorhanden oder nicht? Ja/Nein-Entscheidung – ein ausreichend empfindlicher Orientierungstest ist einsetzbar.
In welchem Konzentrationsbereich ist die betreffende Substanz vorhanden ? Ein Orientierungstest mit entsprechender Abstufung der angezeigten Konzentrationsbereiche ist einsetzbar.
Liegt die Konzentration weit unterhalb eines zu prüfenden Grenzwertes? Es ist keine hohe Präzision des Analysenergebnisses erforderlich, Orientierungstests und Feldmethoden sind einsetzbar.
Ist ein Grenzwert überschritten? Eine hohe Genauigkeit (Präzision und Richtigkeit) des Analysenergebnisses ist erforderlich, d.h. nur Referenzverfahren und gegebenenfalls Laborvergleichsverfahren sind einsetzbar.
In welcher Konzentration ± Vertrauensbereich liegt der interessierende Inhaltsstoff in der Probe vor? Eine hohe Genauigkeit (Präzision und Richtigkeit) des Analysenergebnisses ist erforderlich. Ist für das Analysenergebnis Rechtsmittelfestigkeit erforderlich, so sind nur Referenzverfahren, gegebenenfalls Laborvergleichsverfahren zulässig. Andernfalls kön auch sonstige Analysenverfahren eingesetzt werden, deren Zuverlässigkeit sichergestellt ist.

0.3 Das System der Analytischen Qualitätssicherung

Ziel der Analytischen Qualitätssicherung ist es, zuverlässige Analysenergebnisse zu gewinnen, deren Genauigkeit ermittelt, regelmäßig überprüft und dokumentiert ist.

Testreihen im Rahmen der Qualitätskontrolle von pharmazeutischen Produkten und toxischen Chemikalien unterliegen darüber hinaus den Regeln der „Guten Laborpraxis“, „Good Laboratory Practice“ (GLP), die Anforderungen an die Zielsetzung, Planung, Durchfuhrung, Überwachung, Aufzeichnung, Beurteilung und Dokumentation von Labor-Versuchsreihen definiert [19, 20, 181, 182, 184]. Das über die OECD ebenfalls international organisierte GLP-System [166–174] ist nicht Teil der Analytischen Qualitätssicherung und damit auch nicht Gegenstand des vorliegenden Buches.

Alle Arbeitsschritte zur Gewinnung und Beurteilung eines Analysenergebnisses im kommerziellen und staatlich geregelten Bereich sind eingebunden in ein hierarchisch organisiertes System der laborinternen und -externen Qualitätssicherung (s. auch ).

. Aufgaben und wechselweise Beziehungen der externen Analytischen Qualitätssicherung.

image

Auf nationaler und europäischer Ebene definiert der Gesetzgeber Grenzwerte, Zielwerte und Qualitätsanforderungen, schreibt zur Überwachung der Qualität von Produkten gegebenenfalls auch Referenzverfahren vor, fordert den Aufbau eines Analytischen Qualitätssicherungssystems und fòrdert zum Teil auch die Gründung und den Betrieb von Zertifizierungs-, Akkreditierungs- und Überwachungsinstitutionen [21,102, 144, 152, 177, 180, 185, 189, 207].

Internationale (ISO, CEN) und nationale (z.B. DIN, BSI, AFNOR, NEN) Normen definieren Begriffe, beschreiben Qualitätssicherungssysteme, Vorgehensweisen, Analysenverfahren, Messgeräte und bilden die Grundlagen für die Beurteilung des Betriebes und der Kompetenz von Laboratorien im Verlauf von Akkreditierung und Zertifizierung.

Eine Zertifizierung bescheinigt einem Laboratorium, dass es ein funktionsfähiges Qualitätsmanagementsystem [66, 76] aufgebaut hat und betreibt.

Für eine Akkreditierung dagegen muss das Laboratorium nachweisen, dass es die Kompetenz für die Durchführung bestimmter Analysen bei bestimmten Probenarten besitzt und alle Anforderungen, die in den entsprechenden Vorschriften und Normen aufgeführt sind, erfüllt [142].

Jede chemische Analyse basiert in irgendeiner Form auf der Messung einer physikalischen oder chemischen Größse mit Hilfe von Messgeräten. Die Sicherstellung der Genauigkeit der eingesetzten Messgeräte ist Aufgabe der sog. Prüfrnittelüberwachung.

Die Überprüfung der Befähigung des Laboratoriums beinhaltet auch die Teilnahme an Ringversuchen zum Vergleich mit anderen Laboratorien. Das den Ringversuch (RV) organisierende Laboratorium stellt dazu eine größere Menge einer sehr homogenen Probe her und versendet Teilproben hiervon an die am RV teilnehmenden Laboratorien zur Analyse. Die Analysenergebnisse der Teilnehmer werden gesammelt und ausgewertet. Die Beurteilung der Leistung eines Labors erfolgt anhand von Richtigkeit und Präzision seiner Ergebnisse.

Ringversuche werden nicht nur zur Beurteilung der analytischen Leistung von Laboratorien durchgeführt, sondern auch

0.4 Das 4-Phasen-Modell der Analytischen Qualitätssicherung

Die Ermittlung, ggf. Verbesserung und Wahrung der Qualität der Analysenergebnisse sind unabdingbare Voraussetzung für die Akkreditierung eines Laboratoriums Für die Anwendung dieses Analysenverfahrens zur Analyse einer bestimmten Probenart. Auch wenn eine Akkreditierung nicht vorgesehen ist, sollte Analytische Qualitätssicherung im eigenen Interesse betrieben werden.

Für den Analytiker lassen sich die QS-Maßnahmen in vier Phasen, mehr oder weniger chronologisch aufeinander aufbauend, darstellen:

Nur durch die Einbindung aller analytischen Tätigkeiten in ein geschlossenes System sowohl der laborinternen als auch -externen Qualitätssicherung ist die Zuverlässigkeit der gewonnenen Analysenergebnisse gewährleistet: Sie sind einerseits rechtsmittelfähig und können andererseits zu Vergleichen im Rahmen von Trend-untersuchungen, Analysenwertkatastern etc. eingesetzt werden.

1

Phase I: Erstellung eines neuen Analysenverfahrens

1.1 Einführung

1.1.1 Zielsetzung der Phase I

Bevor ein neues, insbesondere kalibrierbedürftiges Analysenverfahren Eingang in die Routineanalytik finden kann, gilt es, nicht nur die einzelnen Verfahrensschritte festzulegen, sondern sie gegebenenfalls zu optimieren und das gesamte analytische Grundverfahren auf seine Leistungsfähigkeit hin zu überprüfen. Die hierbei gewonnenen Leistungskenndaten werden gemeinsam mit der Analysenvorschrift dokumentiert und/oder publiziert und bilden die Grundlage für eine spätere Qualitätssicherung in der Routineanalytik.

1.1.2 Wann werden die Kenndaten gewonnen?

Die im Folgenden beschriebenen statistischen Methoden finden in erster Linie ihre Anwendung während der Erstellung eines neuen Analysenverfahrens. Darüber hinaus sind sie geeignet, dem Analytiker während der Erprobung/Einübung eines kalibrierbedürftigen Analysenverfahrens Informationen über die aktuell erreichte Analysenqualität zu geben (s. auch Abschnitt 2.3).

Die Verfahrenskenndaten (lineare Kalibrierfunktion einschließlich Präzisionsmaße) sollten bei jeder Neukalibrierung des Analysenverfahrens neu ermittelt werden, so z. B. nach

– Reagenzienwechsel (neue Chargen),
– technischen Eingriffen in Analysengeräte (nach technischen Modifikationen, Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten, z. B. Lampenwechsel in der Photometrie),
– Personalwechsel,
– usw.

1.1.3 Ablauf der Phase I

. Arbeitsablauf der Phase I: Ablauf-Diagramm.

image
image
image
image

Phase I beinhaltet im Wesentlichen die sechs Hauptschritte (s. ):

– Linearität der Kalibrierfunktion,
– Präzision (Varianzenhomogenität, Ausreißerfreiheit, Absicherung des unteren Arbeitsbereichsendes),

Von besonderer Bedeutung ist hierbei die gezielte Korrektur des Analysenverfahrens während der Prüfphase, sobald das Ergebnis einer Teilprüfung auf eine nicht akzeptable Qualität der Analytik hinweist. Sind alle Möglichkeiten der Qualitätsverbesserung im Rahmen des Analysenverfahrens ausgeschöpft und haben zu keiner Verbesserung geführt, so kann in den meisten Fällen eine Einengung des Arbeitsbereiches – speziell Reduzierung der gewählten höchsten Stoffmengenkonzentration – zu einer akzeptablen Präzision und zur Linearität der Kalibrierfunktion sowie der geforderten Varianzenhomogenität führen.

1.1.4 Ergebnisse der Phase I; Statistische Kenndaten

Die Phase I der Analytischen Qualitätssicherung liefert grundlegende Qualitätskenndaten für die spätere Routineanalytik.

Hierzu gehören in erster Linie:

– im Fall der linearen Kalibrierfunktion 1. Grades (y = a + bx): Achsabschnitt a und Steigung b (Maß für die Empfindlichkeit des Analysenverfahrens),
– im Fall der Kalibrierfunktion 2. Grades (y = a + bx + cx2): Achsabschnitt a, Koeffizient b des linearen Gliedes sowie der Koeffizient c des quadratischen Gliedes; die aus der Funktion abgeleitete Empfindlichkeit E des Analysenverfahrens,

Für die allgemeine Beurteilung des Analysenverfahrens werden darüber hinaus die Kenndaten

dokumentiert.

1.2 Kalibrierung des analytischen Grundverfahrens (Grundkalibrierung)

Bei einem kalibrierbedürftigen/kalibrierfähigen Analysenverfahren führt die Anwendung des physikalischen Messprinzips nicht direkt zum Analysenergebnis; der erhaltene Messwert stellt lediglich ein physikalisches Messergebnis dar, das über die zuvor empirisch im Rahmen eines Kalibrierexperiments gewonnenen Verfahrenskenndaten in das Analysenergebnis umgerechnet werden muss [101].

Die Verwendung einer Analysenfunktion

Analysenergebnis = Funktion des Messwertes

bzw. in kürzerer mathematischer Schreibweise:

image = f (image)

(mit image als Messwert und image als Substanzgehalt/Analysenergebnis)

basiert auf der Anwendung der im Kalibrierexperiment gewonnenen Kalibrierfunktion

Messwert = Funktion des Substanzgehalts bzw.

y = f(x)

(mit x - Substanzgehalt der Standardlösung und y = zugehöriger Messwert)

und deren Präzisionskenndaten für die Bestimmung eines unbekannten Substanzgehaltes in einer Analysenprobe. Die Kalibrierfunktion wird hierzu – nach x aufgelost – zur Analysenfunktion, die nach Einsetzen des Messwertes der untersuchten Probe image das Analysenergebnis image liefert [101].

Eine Grundkalibrierung stellt die Kalibrierung des analytischen Grundverfahrens (Analysenprinzip) dar, d. h. hierbei werden keine Probenaufbereitungsschritte wie Extraktion oder Aufschluss durchgeführt, sondern lediglich Standards in reinem Lösungsmittel (z. B. destilliertes Wasser) analysiert.

1.2.1 Festlegung des Arbeitsbereichs

Jede Kalibrierung beginnt mit der Wahl eines vorläufigen Arbeitsbereiches. Dieser richtet sich nach

a) dem praxisbezogenen Anwendungsziel.
Er soll einen größeren Anwendungsbereich weitgehend abdecken. Außerdem soll die Arbeitsbereichsmitte etwa gleich der haüfigst zu erwartenden Probenkonzentration sein, wenn dies im Einzelfall realisierbar ist.
b) den technisch realisierbaren Möglichkeiten.
b1) Die Messwerte an der unteren Arbeitsbereichsgrenze müssen sich von den Messwerten des Verfahrensblindwertes signifikant unterscheiden. Eine untere Arbeitsbereichsgrenze ist nur dann sinnvoll, wenn sie mindestens gleich oder größer der Erfassungsgrenze (s. Abschnitt 1.3.2) dieses Verfahrens ist. Außerdem sollen Verdünnungs- und Konzentrierungsschritte bequem und fehlerfrei realisierbar sein.
b2) Die geforderte Analysenpräzision muss im gesamten Arbeitsbereich erreichbar sein (vgl. auch „Bestimmungsgrenze“, Abschnitt 1.3.3). Da mit zunehmendem Stoffmengengehalt die Analysenunpräzision (absolut) zunimmt, ist darauf zu achten, dass der jeweils betrachtete Arbeitsbereich nicht zu groß gewählt wird. Ist für die Routineanalytik insgesamt ein weiter Arbeitsbereich erforderlich, so sollte dieser in überlappende Teilbereiche aufgeteilt werden.
Für die Anwendbarkeit der einfachen linearen Regressionsrechnung wird weiterhin gefordert:
b3) Die Analysenpräzision muss über den Arbeitsbereich konstant sein [151] (Homogenität der Varianzen). Bei Nichtbeachtung einer vorliegenden Varianzeninhomogenität ergibt sich eine starke Erhöhung der Messunsicherheit für die folgenden, mit der Kalibrierfunktion ermittelten Analysenergebnisse (s. Abschnitt 1.2.4.2.1).
b4) Zwischen Substanzgehalt und Messwert muss ein linearer Zusammenhang vorliegen (Linearitat der Kalibrierfunktion s. Abschnitt 1.2.4.1).
Bei Varianzeninhomogenität oder Unlinearität ist entweder der gewählte Arbeitsbereich so weit zu verkleinern, bis diese Bedingungen erfüllt sind, oder es sind aufwändigere Kalibrierungsmodelle zu wählen, z. B. Regressionsfunktion höheren Grades (s. Abschnitt 1.2.3.2) [72, 79], gewichtete Regressionsrechnung [16, 159].

1.2.2 Vorbereitung der Standardproben

Anforderungen an eine Standardprobe:

– chemisch ähnliche Verbindung,
– gleiche Oxidationsstufe, etc.

Herstellung der Standardproben:

Nach der Festlegung des vorläufigen Arbeitsbereiches werden N= 5…10 Standardproben so angesetzt, dass deren Konzentrationen möglichst äquidistant über den gewählten Arbeitsbereich verteilt liegen.

1.2.3 Ermittlung der Kalibrierfunktion und der Verfahrenskenndaten

Aus den für diese Standardproben ermittelten Messwerten werden die vorläufigen Kalibrierfunktionen 1. und 2. Grades berechnet, deren Verfahrenskenndaten für weitere statistische Tests benötigt werden.

Anmerkungen:

1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden im Folgenden die physikalischen Einheiten von Messsignalen, Konzentrationen, statistischen Kennzahlen während des Rechenganges weggelassen und erst dem Endergebnis wieder hinzugefügt. Die Plausibilität der physikalischen Einheit eines Ergebniswertes lässt sich jedoch bei Bedarf durch eine Dimensionsanalyse überprüfen.
Beispiel:
Steigung der linearen Kalibrierfunktion:
Substanzgehalt x: mg/1
Messwert: Peakhöhe y : mm

Steigung der Kalibrierfunktion:

[Peakhöhe pro Substanzgehalt] = image

Überprüfung anhand der Berechnungsformel:

image
image