Logo PTB

Rückführung anorganisch-chemischer Messungen auf das SI

Vergleichbarkeit durch Rückführung

Die Vergleichbarkeit chemisch-analytischer Messergebnisse ist im Zeitalter globalen Handels- und Informationsaustausches unabdingbar. Sie findet daher auch zunehmend Eingang in internationale Richtlinien und Normen, die die chemische Analytik betreffen.

Das Konzept, das gegenwärtig in nahezu allen Bereichen der chemischen Analytik zur Validierung von Messverfahren und zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit angewendet wird, beruht auf so genannten „Konsenswerten“. Hierbei handelt es sich um Referenzwerte, die, überwiegend als arithmetische Mittelwerte, aus Vergleichsmessungen gewonnen wurden. Anhand der Abweichungen der Messwerte von den Konsenswerten wird die Qualität der Messwerte beurteilt. Dieses Konzept ist leicht umsetzbar und in der Praxis bewährt. Die erreichte Vergleichbarkeit stellt jedoch nur eine Momentaufnahme dart, die auf den Kreis der Teilnehmer beschränkt ist und keine Einschätzung der Richtigkeit des Referenzwertes erlaubt (siehe Abb.1). Deshalb wird es kaum möglich sein, damit die Forderungen internationaler Richtlinien und Normen erfüllen zu können.

 

Abb.1: Ergebnisse einer Vergleichsmessung für Routinelaboratorien zum Thema Schwermetalle in Trinkwasser (siehe auch Spurenanalytik: Schwermetalle in Wasser), dargestellt am Beispiel von Pb [2]. Es wurden 12 Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen der Schwermetalle an die Teilnehmer verteilt. Jeder Teilnehmer erhielt nur eine dieser Proben. Die Ergebnisse sind auf Referenzwerte bezogen, die sich aus den gravimetrisch eingestellten Konzentrationen des Analyten und einer mit Hilfe der Teilnehmerergebnisse erhaltenen Korrektur für die Gehalte des Analyten im Frischwasser, aus dem die Proben hergestellt wurden, ergeben. Gelbe Punkte: Mittelwerte der Ergebnisse der Teilnehmer. Sie zeigen zum Teil signifikante Abweichungen. Rote Punkte: Messwerte die  mit Hilfe der Isotopenverdünnung (primäres Verfahren) gemessenen wurden. Blau Punkte: Unsicherheit der Referenzwerte. Hierbei zeigt sich, das die Auswertung von Vergleichsmessungen anhand der Mittelwerte der Teilnehmer sehr risikoreich sein kann.

Im Gegensatz dazu basiert das metrologische Konzept auf einer weltweiten Infrastruktur. Diese stellt die Grundlage für international vergleichbare Messergebnisse bereit. Nationale Normale, die – wann immer es technisch machbar ist – an das internationale Einheitensystem (SI) angeschlossen sind, dienen als Bezugspunkte für die Messergebnisse. Sie werden von den nationalen Metrologieinstituten (NMI) seit 1993 auch für die chemische Analytik entwickelt. Die NMIs setzen dazu geeignete Referenzmessverfahren ein, möglichst primäre Messverfahren, deren Messergebnisse in internationalen Schlüsselvergleichen [1] hinsichtlich ihrer Equivalenz überprüft werden. Dies geschieht im Rahmen der Meterkonvention (CIPM), der die wirtschaftlich bedeutensten Staaten angehören. Die Bereitstellung von Referenzwerten für Vergleichsmessungen, die auf nationale Normale rückgeführt sind, ist ein zentrales Element metrologischer Verfahrensvalidierungen. Beispiele dafür werden im Folgenden (Spurenanalytik: Schwermetalle in Wasser sowie Klinische Chemie) beschrieben.

Veröffentlichungen

[1] kcdb.bipm.org

[2] Rienitz O., Schiel D., Güttler B., Koch M., Borchers U., "A convenient and economic approach to achieve SI-traceable reference values to be used in drinking-water interlaboratory comparisons", Accreditation and Quality Assurance,
     12 (2007), S. 615-622

Spurenanalytik: Schwermetalle in Wasser

Ein Beitrag zur Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie 2000/60/EC (WFD).

Das Ziel der WFD ist es, bis 2015 bei allen Oberflächen- und Küstengewässern sowie beim Grundwasser den Zustand „guter Wasserqualität“ zu erreichen. Für die Qualitätsbewertung des Wassers wurden Wassereinzugsgebiete definiert, die unabhängig von nationalen Grenzen sind. Zuverlässige Aussagen über die Wasserqualität sind daher nur anhand EU-weit vergleichbarer Messergebnisse möglich. Im Rahmen eines Projektes der „European Association of National Metrology Institutes“ (EURAMET) wurde ein metrologisches Model für die Umsetzung der Forderung nach Vergleichbarkeit der Messergebnisse am Beispiel der vier anorganischen prioritären Substanzen Ni, Cd, Pb und Hg erprobt. Das Projekt wurde von der PTB koordiniert und in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM), dem französichen Metrologieinstitut (LNE) und dem europäischen Referenzinstitut (EC-JRC-IRMM) durchgeführt.

Als Basis für die Vergleichbarkeit der Messergebnisse der Prüflaboratorien wurde ein Rückführungs- und Weitergabesystem aufgebaut, das auf Vergleichsmessungen beruht. Dabei werden für die verwendeten Proben auf nationale Normale rückgeführte  Referenzwerte bereitgestellt. Diese Referenzwerte werden direkt von den NMIs oder von Referenzlaboratorien (Kalibrierlaboratorien) geliefert. Ein wesentliches Ziel des Projektes bestand darin, potentiellen Kalibrierlaboratorien die Möglichkeit zu geben, ihre Messverfahren metrologisch zu validieren. Damit wurden sie in die Lage versetzt, selbst rückgeführte Referenzwerte für Vergleichsmessungen bereit zu stellen, die sie für die Routinelaboratorien regelmäßig organisieren. Potentielle Kalibrierlaboratorien sind in Deutschland beispielsweise die Laboratorien der Länderbehörden. Zur Sicherstellung der Rückführung wurden diese Laboratorien, falls erforderlich, mit Elementkalibrierlösungen versorgt, die an das von der BAM und der PTB etablierte „System nationaler Normale für die Elementanalytik“ angeschlossen sind  [1, 2, 5, 6]. Damit wird ein Weitergabesystem realisiert, die die Messergebnisse der Prüflaboratorien mit den nationalen Normalen verknüpft und somit die Forderungen der WFD erfüllt (Abb. 1, 2).

    

Abb. 1: Weitergabesystem, das im Rahmen des Euramet-Projektes aufgebaut wurde. Untere Zeile: Kalibriermaterialien zur Realisierung der Rückführung. Mittlere Zeile: Von den nationalen Metrologieinstituten, den potentiellen Kalibrierlaboratorien sowie den Prüflaboratorien verwendete Methoden. Obere Zeile: Materialien, die für Vergleichsmessungen verwendet werden, mit denen die drei Ebenen des Weitergabesystems verbunden werden sowie die Probe, die vom Prüflaboratorium auf der Basis des Anschlusses gemessen wird.

    

Abb. 2.: Konzept eines Rückführungs- und Weitergabesystems für die Umsetzung der WFD. Dabei übernehmen die Kalibrierlaboratorien eine wichtige Multiplikatorfunktion.

Die Ergebnisse einer kürzlich abgeschlossenen Vergleichsmessung untermauern die hohe messtechnische Kompetenz der potentiellen Kalibrierlaboratorien. Selbst bei der Bestimmung extrem niedriger Hg-Konzentrationen von 0,05 μg/L, wie sie in der WFD gefordert werden, wurden gute Messergebnisse (relative Standardabweichung des Mittelwertes < 10 %) erhalten. An dem Projekt, das 2010 abgeschlossen wurde, nahmen 114 Laboratorien aus 17 Nationen teil. Darunter waren 22 Anbieter von Vergleichsmessungen (PT-provider), die sich als Kalibrierlaboratorien eignen würden (Abb. 3).

    

Abb.3: Die blauen Punkte sind potentielle Kalibrierlaboratorien (PCL), die roten die nationalen Metrologieinstitute (NMI), die an dem Projekt teilgenommen haben. Die Pfeile bezeichnen die Verantwortlichkeit der NMIs für die PCLs.

Parallel zum Projekt wurden von der PTB der Schlüsselvergleich CCQM-K70 über die Bestimmung von Hg [7] sowie der Vergleich EurometQM-S2 [8] über die Bestimmung von Ni, Cd und Pb auf dem Konzentrationsniveau der Umweltqualitätsnormen der WFD durchgeführt.

Metrologische Rückführung im Trinkwasserbereich

Am Beispiel der Messung von Pb, Cd, Cr, Cu und Ni in Trinkwasser konnte im Rahmen zweier nationaler Vergleichsmessungen für Prüflaboratorien ein neuer rationeller Weg aufgezeigt werden [3, 4], um rückgeführte Referenzwerte zu liefern. Dabei wurde ausgenutzt, dass die Organisatoren bis zu 12 unterschiedlich konzentrierte Proben präparieren, um unerlaubten Absprachen der Teilnehmer vorzubeugen. Die Präparation der Proben erfolgt durch gravimetrische oder volumetrische Zugabe bestimmter Mengen des Analyten zu einem Leitungswasser. Die Referenzwerte wurden aus den zugegebenen Mengen, sowie der Konzentration des Analyten im ursprünglichen Leitungswasser (Matrix) ermittelt. Problematisch ist dabei die Bestimmung der meist geringen, bereits in der Matrix vorhandenen Analytkonzentrationen.

Es konnte nun gezeigt werden, dass die Resultate der Teilnehmer zur Ermittlung der Matrixkonzentrationen herangezogen werden können, sogar wenn diese systematische Abweichungen aufweisen. Durch Extrapolation werden – in einem der Standardaddition ähnlichen Verfahren – die Matrixkonzentrationen ermittelt. Das Ergebnis ist in Abb. 4 dargestellt.

    

Abb. 4: (Oben) Konsenswerte für 12 Proben mit unterschiedlichen Pb Massenkonzentrationen ß(Pb) bezogen auf die mit IDMS ermittelten Ergebnisse. Relative Standardmessunsicherheiten sind durch Balken dargestellt. (Unten) Rückgeführte Referenzwerte und deren Unsicherheiten, ermittelt mit Hilfe des neuen Auswertungsverfahrens.

Während die Konsenswerte selbst bei hohen Konzentrationen deutliche Abweichungen zu den mit einem Primärverfahren bestimmten Referenzwerten aufweisen (Abb. 4 oben), sind alle mit dem neuen Verfahren ermittelten Referenzwerte (Abb. 4 unten) in guter Übereinstimmung damit, auch wenn ihre Unsicherheiten im Bereich kleiner Konzentrationen relativ groß sind. Als Primärverfahren wurde die Isotopenverdünnungsmassenspektrometrie (IDMS) eingesetzt.

Veröffentlichungen

[1] Kipphardt, H.; Matschat, R.; Schiel, D.; Rienitz, O.: Primäre Kalibriermaterialien für die Elementanalytik, Nachrichten aus der
     Chemie, 51, S. 827-829, Juli/August 2003, ISSN 1439-9598

[2] Kipphardt, H.; Matschat, R.; Rienitz, O.; Schiel, D.; Gernand, W.; Oeter, D.: Traceability system for elemental analysis.
     Accred Qual Assur (2006) 10: 633-639

[3] Rienitz, O.; Schiel, D.; Güttler, B.; Koch, M.; Borchers, U.: A convenient and economic approach to achieve SI-traceable
     reference values to be used in drinking-water inter-laboratory comparisons. Accreditation and Quality Assurance,
     12 (2007), S. 615-622

[4] Koch, M.; Baumeister, F: Traceable reference values for routine drinking water proficiency testing: first experiences.
     Accred Qual Assur (2008) 13: 77-82

[5] Rienitz, O.; Schiel, D.; Güttler, B.; Koch, M.; Borchers, U.: A convenient and economic approach to achieve
     SI-traceable reference values to be used in interlaboratory comparisons concerned with water analysis.
     CITAC News, LNE, February 2010

[6] Schiel, D.; Rienitz, O.; Matschat, R.; Koch, M.; Borchers, U.: Der Weg zu international vergleichbaren Messergebnissen.
     Nachrichten aus der Chemie 56 (2008), S. 455-456

[7] Schiel, D.; Rienitz, O.; Jährling, R.; Güttler, B.; Matschat, R.; Scharf, H.; Birkhahn, J.; Labarraque, G.; Fisicaro, P.;
     Quetel, C.; Borchers, U.; Schwesig, D.: Metrological concept for comparable measurement results under the Water
     Framework Directive – Demonstration of its applicability in elemental analysis. Accreditation and Quality Assurance
     (AQUAL), Volume 16, Issue 10 (2011), Page 489-498

[8] Schiel, D.; Rienitz, O.: Final report on CCQM-K70: Determination of Hg in natural water at a concentration level
     required by the European environmental quality standard (EQS). 2011 Metrologia 48 08011
     doi:10.1088/0026-1394/48/1A/08011

[9] Schiel, D.: Determination of Hg, Cd, Pb and Ni in pure and natural water at concentration levels required by the
     European Water Framework Directive. Metrologia, 2009, 46, Tech. Suppl., 08008 EUROMET.QM-S2 Final Report,
     2009, 33 pages

 

Rückführung in der Klinischen Chemie

Voraussetzung für eine zuverlässige medizinische Diagnostik und Therapie sind genaue chemisch-analytische Messergebnisse von Patientenproben. Grundlage dafür ist die Rückführung der Messergebnisse auf Normale höherer Ordnung, wie es in der EU-Richtlinie 98/79/EC „In vitro diagnostic medical devices“ formuliert wurde. Diese Normale werden weitgehend durch primäre Messverfahren realisiert, die soweit es möglich ist, an das SI angebunden sind (z.B. durch Verwendung von rückgeführten Elementkalibrierlösungen). Im Rahmen eines Rückführungssystems, das aus dem nationalen Metrologieinstitut sowie aus Routine- und Referenzlaboratorien besteht wird der Anschluss der Patientenmessung an das SI mit Hilfe von Vergleichsmessungen und der Bereitstellung von Referenzmaterialien hergestellt.

Die Rückführung wird für die Analyte angeboten, die in der "Richtlinien der Bundesärztekammer zur Qualitätssicherung in medizinischen Laboratorien" als physiologisch prioritär eingestuft worden sind. Dazu gehören sowohl organische Verbindungen (s. AG 3.12), als auch die "Elektrolyte", d. h. die Ionen der Elemente Na, K, Ca, Mg und Cl. Hinzu kommt noch das für therapeutische Zwecke verwendete Li. Bei den hierfür entwickelten primären Messverfahren wurde überwiegend die IDMS verwendet, die sich durch besonders hohe Messgenauigkeit auszeichnet. Es stehen dafür Massenspektrometer mit Ein- und Mehrkanaldetektion sowie mit thermischer (TIMS) und mit Plasmaionisierung (ICPMS) zur Verfügung. Für das monoisotopische Natrium wurde ein gravimetrisches und für Chlorid ein titrimetrisches Primärmessverfahren aufgebaut. Die Messbereiche und -unsicherheiten sind unter Prüf-und Kalibrierangebot zu finden.

Zur Rationalisierung der Messungen der Elektrolyte wurde ein ionenchromatographisches Verfahren entwickelt und mit Hilfe der primären Messverfahren validiert [1].

                                   

Abb. 1: Ionenchromatogramm eines unvollständig aufgeschlossenen Serums (A) und nach vollständigem Aufschluss (B)

Hierbei werden Kalibrierunglösungen verwendet,  die gravimetrisch aus Mono-Elementlösungen hergestellt werden und möglichst die gleiche Zusammensetzung haben, wie die Probe. Dadurch gelingt es, relative Messunsicherheiten  Urel  < 1 % zu erreichen.

                                    

Abb. 2: Schematische Darstellung der iterativen Präparationsprozedur für Kalibrierlösungen

Ein relatives junges Arbeitsgebiet der Gruppe ist die Elementspeziesanalytik. Hierbei spielen Analyte aus der klinischen Chemie eine zentrale Rolle.

Veröffentlichung

[1]  Röhker K., Rienitz O., Schiel D., "Ionchromatographic precision measurement procedure for electrolytes in human serum-
      validation with the aid of primary measurement procedures", Accreditation and Quality Assurance, 9 (2004), S. 671-677

 

Elementkalibrierlösungen

Elementlösungen mit Elementkonzentrationen von etwa c(E) = 1 g/l werden in nahezu jedem chemischen Laboratorium in allen gesellschaftlichen und industriellen Bereichen zur Kalibrierung analytischer Messverfahren verwendet. Dabei ist die Genauigkeit der stofflichen Zusammensetzung dieser Lösungen ein entscheidendes Qualitätskriterium für die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit der mit ihnen durchgeführten Analysen. Wegen dieser zentralen Bedeutung der Kalibrierlösungen für die Analytik haben die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) und die PTB ein gemeinsames Projekt zum Aufbau eines Rückführungssystems für die Elementanalytik eingerichtet [1]. Hierbei charakterisiert die BAM Reinstoffe (Metalle und Salze für die Alkalielemente, siehe Abb.1), die die nationalen Normale für die Elementanalytik darstellen und mit denen der fundamentale Anschluss an die SI-Einheiten realisiert wird.

     

Abb.1: Reinstoffe, die hinsichtlich der Gehalte nahezu aller Elemente des Periodensystems untersucht wurden und als nationale Normale der Elementanalytik von der BAM bereitgehalten werden.

Die PTB stellt aus diesen Reinstoffen primäre Elementlösungen her (Abb. 2A) und schließt mit Hilfe eines Präzisionsmessverfahrens (ICP OES) Transferlösungen (Abb. 2B) für die Weitergabe an.

    

Abb. 2: (A) In der PTB hergestellte primäre Cu-Referenzlösung mit einer Konzentration von
c(Cu) = (3500 ± 1,8) mg/l; (B) Cu-Transferlösungen zum Anschluss der Messprozeduren von Kalibrierlaboratorien an die nationalen Normale.

Die Transferlösungen stehen Herstellern kommerzieller Kalibrierlösungen im Rahmen einer Akkreditierung durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) zur Verfügung und dienen zur Kalibrierung der Messverfahren, mit denen die für den Verkauf bestimmten kommerziellen Lösungen zertifiziert werden (Abb.3).

     

Abb. 3: Weitergabe- und Rückführungssystem in der Elementanalytik

Im Rahmen dieses Projektes kann derzeit die Rückführung für die Elemente Cu, Fe, Pb, Bi, Ga, K, Na, Sn, Si und W angeboten werden. Neben der Verbesserung der Qualität wird durch den metrologischen Anschluss auch eine internationale Anerkennung der Produkte erzielt. Dies geschieht auf der Basis des Abkommens der Metrologieinstitute über die gegenseitige Anerkennung von Kalibrierungen und Referenzmaterialien (MRA).

Die primären Lösungen dienen auch zum internen Anschluss der von der PTB entwickelten und für internationale Vergleichsmessungen verwendeten primären Messverfahren.

Veröffentlichungen

[1] Rienitz O., Jährling R., Schiel D., Matschat R., Kipphardt H., Gernand W., Oeter D.: Rückführung in der Elementanalytik,
     PTB-Mitteilungen 115 (2005), S. 295-299

[2] Matschat R., Kipphardt H., Rienitz O., Schiel D., Gernand W., Oeter D.: Traceability system for elemental analysis,
     Accreditation and Quality Assurance, 10 (2006), S. 633-639

[3] Rienitz O., Röhker K., Schiel D., Han J., Oeter D.: New Equation for the evaluation of standard addition experiments applied
     to ion chromatography, Microchimica Acta, 154 (2006), S. 21-25

Kontakt

Ansprechpartner Dr. Olaf Rienitz
Tel.: 0531-592-3110
E-Mail: Olaf Rienitz