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Handbuch der Bodenuntersuchung

Aktuelles Grundwerk

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1981

ISBN 3-527-19010-4

Autoren

Werner Funk

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

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Print ISBN 9783527311125

Epdf ISBN 978-3-527-62451-5

Epub ISBN 978-3-527-66052-0

Mobi ISBN 978-3-527-66051-3

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
a_c	Ordinatenabschnitt der Kalibriergeraden des analytischen Grundverfahrens
a_f	Ordinatenabschnitt der Wiederfindungsgeraden
ARL	Average Run Length
b	Steigung der Kalibriergeraden bzw. Regressionskoeffizient des linearen Gliedes der Kalibrierfunktion 2. Grades
d_c	Steigung der Kalibriergeraden des analytischen Grundverfahrens
b_f	Steigung der Wiederfindungsgeraden
b_A	Steigung der Aufstockkalibrierfunktion
c	Regressionskoeffizient des quadratischen Gliedes der Kalibrierfunktion 2. Grades
d	Leitabstand der V-Maske
d_i	Residuen bzw. Differenzen für die Differenzen-Regelkarte oder den Ringversuch nach Youden
	Mittelwert der Differenzen d_i
d_s	Differenz der Analysenergebnisse x_As - x_Bs 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
D_i	Einzeldifferenz zwischen dem Ergebnis des Vergleichsverfahrens und dem Ergebnis des Referenzverfahrens
D*	ausreißerverdächtige Einzeldifferenz
	Differenz der Mittelwerte der Ergebnisse des Vergleichsverfahrens und der Ergebnisse des Referenzverfahrens
	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
	standardisierte Entfernung e
E(x)	Empfindlichkeit
E()	Empfindlichkeit in der Arbeitsbereichsmitte
f	Freiheitsgrad
f_b	Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz
f_i	Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz
f_t	Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz
f_w	Freiheitsgrad für die Berechnung der Varianz
f_R	Freiheitsgrad für die Daten des Referenzverfahrens
f_v	Freiheitsgrad für die Daten des Vergleichsverfahrens
F_f1f2: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 x_i bzw. laufende Nummer der Analysen je Untergruppe/Analysenserie (1, 2,..., n_i)
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
K_oben	obere Entscheidungsgrenze K
K_unten	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
m_soll	konventionell richtige Konzentration eines Parameters (Sollwert) bei einem Zulassungsringversuch
n_i	Anzahl der Analysen je Konzentrationsstufe x_i bzw. je Untergruppe /Analysenserie
N	Anzahl der gewählten Konzentrationsstufen bzw. von Untergruppen /Analysenserien
N_a	Anzahl der Mehrfachanalysen einer Probe
N_c	Anzahl der Kalibrier-Konzentrationsstufen
N_f	Anzahl der Konzentrationsniveaus bei der Ermittlung der Wiederfindungsgeraden
N_A1	Anzahl Konzentrationsstufen vor der Ausreißereliminierung
N_A2	Anzahl Konzentrationsstufen nach der Ausreißereliminierung
N_L	Anzahl Blindwerte (Leerwerte)
N_R	Anzahl der Analysenergebnisse des Referenzverfahrens
N_V	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
Q_i	Quotient aus dem Ergebnis des Vergleichsverfahrens und dem Ergebnis des Referenzverfahrens
Q*	ausreißerverdächtiger Quotient
	Mittelwert der Quotienten Q_i
	Quadratsummen
r	Korrelationskoeffizient bzw. Wiederholbarkeit im Ringversuch
r(P= 99%, f )	Schwellenwert zur Prüfung des Korrelationskoeffizienten
R	Spannweite (Range)
R_i	Spannweite der Serie i
	Mittelwert der Spannweiten R_i
s	Standardabweichung
	Standardabweichung des Achsabschnittes a_f
	Standardabweichung der Steigung b_f
S_b	Standardabweichung zwischen den Serien (between batch)
S_d	Standardabweichung der Differenzen d_i bzw. gemittelte Standardabweichung zweier Analysenserien beim Mittelwert-t -Test bzw. Messgenauigkeit bei Ringversuchen nach Youden
S_i	Standardabweichung der Messwerte für Analysen von Standardproben mit der Konzentration x_i
	Varianz der Messwerte für Analysen von Standardproben mit der Konzentration x_i
S_r	Wiederholstandardabweichung
S_t	Gesamt-Standardabweichung (total)
S_w	Standardabweichung in der Serie (within batch)
s_xi	Einzelstandardabweichung bei Schätzung der Messunsicherheit
s_xo	Verfahrensstandardabweichung
s_xo1	Verfahrensstandardabweichung der 1. Analysenserie
s_xo2	Verfahrensstandardabweichung der 2. Analysenserie
s_xoc	Verfahrensstandardabweichung des analytischen Grundverfahrens
S_y	Reststandardabweichung
	Reststandardabweichung der Kalibrierfunktion 1. Grades bzw. Reststandardabweichung der 1. Analysenserie
	Reststandardabweichung der Kalibrierfunktion 2. Grades bzw. Reststandardabweichung der 2. Analysenserie
	Reststandardabweichung der Kalibriergeraden vor Ausreißereliminierung
	Reststandardabweichung der Kalibriergeraden nach Ausreißereliminierung
	Reststandardabweichung der Wiederfindungsgeraden
s_soll	Streumaß zur Berechnung der Qualitätsgrenzen für Zulassungsringversuche
S_A	Standardabweichung der Analysenergebnisse von Probe A (Ringversuch nach Youden)
s_B	Standardabweichung der Analysenergebnisse von Probe B (Ringversuch nach Youden)
	maximal zulässiger Wert der Standardabweichung s_A
	maximal zulässiger Wert der Standardabweichung s_B
s_D	Standardabweichung der Differenzen beim verbundenen t -Tests
S_L	Standardabweichung des Blindwertes (Leerwertes) bzw. Standardabweichung zwischen den Labors
S_Q	Standardabweichung der Quotienten Q_i
s_R	Standardabweichung der Ergebnisse des Referenzverfahrens bzw. Vergleichsstandardabweichung aus einem Ringversuch
s_V	Standardabweichung der Ergebnisse des Vergleichsverfahrens
S_RV	Hilfsgröße für den χ²-Test
S_WFR	Standardabweichung der Wiederfindungsraten
	Varianz der Messwerte an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
	Varianz der Messwerte an der oberen Grenze des Arbeitsbereichs
S	cumulative Summe (Cusum)
S_N	Serien
s^-	negative systematische Abweichung bei der Cusum-Regelkarte
s⁺	positive systematische Abweichung bei der Cusum-Regelkarte
	Tabellenwert der t -Verteilung
T_i	Summen der Wertepaare x_Ai,x_Bi beim Ringversuch nach Youden
	Mittelwert der Summen T_i
u(x_i)	Standardunsicherheit
u(γ )	kombinierte Unsicherheit
u(B)	Unsicherheit aufgrund der Laborkomponente des Bias
u(C_crm)	Unsicherheit der Konzentration von zertifiziertem Referenzmaterial
u(C_ref)	Unsicherheitskomponente des Methoden-Bias
u(e)	Unsicherheit aufgrund zufälliger Fehler unter Wiederholbedingungen
u(bias)	kombinierte Unsicherheit aus Methoden-Bias und Laborkomponente des Bias
u(R_w)	Unsicherheitskomponente der Reproduzierbarkeit innerhalb des Labors
	Unsicherheit der mittleren Wiederfindungsrate des Referenzmaterials
U(γ)	erweiterte Unsicherheit
v_s	Aufstockvolumen
v_R	Variationskoeffizient der Analysenergebnisse des Referenzverfahrens
V_V	Variationskoeffizient der Analysenergebnisse des Vergleichsverfahrens
v_xo	Verfahrensvariationskoeffizient
V_xoR	Verfahrensvariationskoeffizient des Referenzverfahrens
V_xoV	Verfahrensvariationskoeffizient des Vergleichsverfahrens
VB(a_f)	Vertrauensbereich des Achsabschnittes a_f
VB(b_f)	Vertrauensbereich der Steigung b_f
VB()	Vertrauensbereich der Konzentration
VB(x₁)	Vertrauensbereich an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
VB_rel(x₁)	relative Analysenpräzision an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
VB_{rel,zulässig}	geforderte Mindestprä zision von Analysenergebnissen
VB(x_i)	Vertrauensbereich des Einzelergebnisses
VB()	Vertrauensbereich des Mittelwertes
	Prognosebereich der Regressionsgeraden nach Ausreißereliminierung fär die Konzentration x_A
VB_x(Y)	Vertrauensbereich (in Konzentrationseinheiten) des Messwertes γ
w	Skalierungsfaktor der Cusum-Regelkarte
WFR	Wiederfindungsrate
WFR_i	Wiederfindungsrate der Serie i
	mittlere Wiederfindungsrate
WO	obere Warngrenze
WU	untere Warngrenze
x	Konzentration bzw. Analysenergebnis
Δx	Ergebnisunsicherheit
Δx_rel	relative Unpräzision bzw. Ergebnisunsicherheit
x_o	über die Kalibrierfunktion geschätzter Probengehalt beim Verfahren der Standardaddition
x₁	Konzentration der Standardprobe an der unteren Grenze des Arbeitsbereichs
x_c	Kalibrierkonzentration
X_f	gefundene Konzentration
X_i	Konzentration der i -ten Standardprobe
X_ic	Standardkonzentration Nr. i bei der Kalibrierung des analytischen Grundverfahrens
X_if	über die Kalibrierfunktion des analytischen Grundverfahrens berechnete gefundene Konzentration
Xi,j	j-test Analysenergebnis für die Untergruppe / Analysenserie i
x_p	Prüfwert zur Absicherung der unteren Arbeitsbereichsgrenze
x_soll	addierte Standardkonzentration bzw. konventionell richtiger Wert beim Ringversuch
x_ist	Differenz der berechneten Konzentrationen der aufgestockten Probe und der Urprobe
X_A	Konzentration des eliminierten Ausreißer-Messwertes
x_A1	erste zugesetzte Aufstockkonzentration
x_A4	maximal zugesetzte Aufstockkonzentration
x_N	Konzentration der Standardprobe an der oberen Grenze des Arbeitsbereichs
x_vi	Analysenergebnis des Vergleichsverfahrens
X_Ri	Analysenergebnis des Referenzverfahrens
x_NG	Nachweisgrenze
x_EG	Erfassungsgrenze
x_BG	Bestimmungsgrenze
Δx_BG	Ergebnisunsicherheit an der Bestimmungsgrenze
	Mittelwert der Standardkonzentrationenx_i
	Mittelwert der Analysenergebnisse von Probe A (Ringversuch nach Youden)
	Mittelwert der Analysenergebnisse von Probe B (Ringversuch nach Youden)
x_Ai	Analysenergebnisse von Probe A (Ringversuch nach Youden)
x_Bi	Analysenergebnisse von Probe B (Ringversuch nach Youden)
	Mittelwert der Analysenergebnisse einer Untergruppe
	Mittelwert der Analysenergebnisse des Referenzverfahrens
	Mittelwert der Analysenergebnisse des Vergleichsverfahrens
	Gesamtmittelwert
	Mittelwert der Kalibrierkonzentrationen
	über die Kalibrierfunktion berechnete Konzentration einer untersuchten Probe rnit dem Messwert
	über die Kalibrierfunktion berechnete Konzentration der aufgestockten Probe
x²	Prüfgröß für den
	Messwert der Urprobe beim Verfahren der Standardaddition
	über lineare Regression berechneter Achsabschnitt der Aufstockkalibrierfunktion
	kritischer Wert der Messgröße (Hilfswert zur Ermittlung von x_NG)
	Messwert der i-ten Standardprobe
	j -ter Messwert für die Konzentration x_i
	Hilfswert zur Ermittlung von x_p
	eliminierter Ausreißer-Messwert
	Messwerte der aufgestockten Proben
	Blindwert (zur Berechnung des Analysenergebnisses mittels der Aufstockkalibrierfunktion)
	Blindwert (Leerwert)
	Mittelwert der Messwerte xγ_i aus dem Kalibrierexperiment
	mittlerer Blindwert
	Prognoseintervall für zukünftige Blindwerte
	Messwert einer untersuchten Probe
	über die Kalibrierfunktion errechneter Messwert zur Standard konzentration x_i
	über die Kalibrierfunktion errechneter Messwert zur Standard konzentration x_A
z	Z-Score
α	Signifikanzniveau
β	Signifikanzniveau
Δ²	sukzessive Differenzenstreuung
δ	Methoden-Bias
η	Wiederfindungsrate
θ	Winkel der V-Maske
	Schwellenwert der-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:

in der Medizin: Seuchenkontrollgesetze,
in der Pharmazie: das Arzneimittelgesetz,
bei der Produktion von Stoffen: das Chemikaliengesetz,
im Gesundheitsschutz/Arbeitsschutz: Gefahrstoffverordnung, Lebensmittelrecht
und schließelich im Umweltschutz: Trinkwasserverordnung, Abwasserabgabe-gesetz, Immissionsschutzgesetz etc.

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

die Spezifität: sie beschreibt die Fähigkeit des Analysenverfahrens, den gesuchten Analyten in allen relevanten Formen zu erfassen;
die Selektivität: sie beschreibt die Fähigkeit des Analysenverfahrens, nur den gesuchten Analyten zu erfassen, wobei andere in der Probe anwesende Bestandteile/Merkmale – die Matrix – das Analysenergebnis nicht beeinflussen;
die Empfindlichkeit des Analysenverfahrens: sie gibt die angezeigte Messwertänderung pro Analytkonzentrationsänderung an;
die Genauigkeit im Sinne der Richtigkeit (Fehlen systematischer Fehler) und der Präzision (Maß an Übereinstimmung zwischen Ergebnissen, wie sie bei wiederholter Anwendung eines festgelegten Analysenverfahrens auf dieselbe Probe gewonnen werden. Eine UnPräzision wird durch zufällige Fehler verursacht).

. 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.

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

zur Prüning von neuen Analysenverfahren auf ihre Praxistauglichkeit,
zur Gewinnung von Verfahrenskenndaten sowie
zur Ermittlung der Kenndaten von Referenzmaterial.

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:

In Phase I wird ein neues, insbesondere kalibrierbedürftiges Analysenverfahren auf seine Qualitätsmerkmale hin untersucht und gegebenenfalls verbessert und beschrieben.
In Phase II, der so genannten vorbereitenden Qualitätskontrolle, wird ein Analysenverfahren, dessen Qualitätsmerkmale bereits dokumentiert sind, für die Routi-neanalytik einsatzfahig gemacht. Hierzu zählen das Erreichen und die Wahrung einer ausreichenden Analysenqualität vor Beginn der Routineanalytik.
Phase III umfasst alle laborinternen Maßnahmen der Qualitätssicherung in der Routineanalytik, begleitet durch die
laborexternen analytischen Qualitätssicherungsmaßnahmen der Phase IV (externe Qualitätssicherung in Form von Ringversuchen).

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.

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

Vorbereitung des Kalibrierexperimentes,
Prüfung auf:

– Linearität der Kalibrierfunktion,

– Präzision (Varianzenhomogenität, Ausreißerfreiheit, Absicherung des unteren Arbeitsbereichsendes),

endgültige Ermittlung der Kalibrierkenndaten,
Prüfung auf Einfluss von einzelnen Verfahrensschritten oder von Matrixeffekten auf die Kalibierkenndaten,
Prüfung auf zeitliche Beeinflussung des Analysenverfahrens.

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:

der geprüfte Arbeitsbereich,
die Koeffizienten der Kalibrierfunktion:

– 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,

die Verfahrensstandardabweichung s_xo als absolutes Präzisionsmaß der Kalibrierung und
der Verfahrensvariationskoeffizient V_xo als relatives Präzisionsmaß.

Für die allgemeine Beurteilung des Analysenverfahrens werden darüber hinaus die Kenndaten

Nachweisgrenze x_NG, als derjenige Stoffmengengehalt, der mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit α (z. B. α = 5%) einen Messwert größer als den Blindwert ergibt,
Erfassungsgrenze x x_EG, als derjenige Stoffmengengehalt, der mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit β (z. B. β = 5%) größer als der Blindwert ist,
Bestimmungsgrenze x_BG, als derjenige Stoffmengengehalt, der mit einer maximal zulässigen relativen Ergebnisunsicherheit ermittelt werden kann,
Prüfgröβe x_p zur Validierung des praxisgerechten Arbeitsbereiches,
festgestellte konstant- und/oder proportional-systematische Abweichungen bei bestimmten Matrices sowie Hinweise auf die zeitliche Abhängigkeit der Analysenergebnisse, den Zeitaufwand und sonstige besondere Hinweise

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:

= f ()

(mit als Messwert und 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 das Analysenergebnis 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:

Reinheit, Matrixfreiheit bzw. definierte Matrix,

Homogenität,

Repräsentativität: Die zu analysierende Substanz muss in der Standardprobe in vergleichbarer Art vorliegen wie in den später zu erwartenden Analysenproben, d. h.

– chemisch ähnliche Verbindung,

– gleiche Oxidationsstufe, etc.

Haltbarkeit, Konservierbarkeit,

Aufbewahrung: keine Probenbeeinflussung durch Gefäße, äußere Bedingungen.

Herstellung der Standardproben:

Bei der Herstellung von Standardproben muss die Präzision von Waage und Volumenmessgerät mitberücksichtigt werden. Dabei ist die Wädiese Standardproben ermitteltengung die genaueste Form der Probenvorgabe und daher dem Abmessen von Volumina vorzuziehen [107]. Diese Geräte müssen regelmäßig auf ihre ordnungsgemäße Funktion überprüft und kalibriert werden.

Es sollten insbesondere keine sukzessiven Verdünnungen erfolgen, da hierbei das Risiko der Fehlerfortpflanzung besteht.

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] =

Überprüfung anhand der Berechnungsformel: