Что значит следовых количеств
Что значит следовых количеств
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЛЕДОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Критерии эффективности методик выполнения измерений, общие положения и способы подготовки проб
Foodstuffs. Determination of trace elements. Performance criteria, general considerations and sample preparation
Дата введения 2014-07-01
Предисловие
Цели, основные принципы и общие правила проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Государственным научным учреждением «Всероссийский научно-исследовательский институт консервной и овощесушильной промышленности» (ГНУ «ВНИИКОП»)
2 ВНЕСЕН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии
3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 25 марта 2013 г. N 55-П)
За принятие проголосовали:
Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97
Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Госстандарт Республики Беларусь
Госстандарт Республики Казахстан
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 июня 2013 г. N 238-ст межгосударственный стандарт ГОСТ EN 13804-2013 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2014 г.
5 Настоящий стандарт идентичен европейскому стандарту EN 13804:2002* «Продукты пищевые. Определение следовых элементов. Критерии эффективности методик выполнения измерений, общие положения и способы подготовки проб» («Foodstuffs. Determination of trace elements. Performance criteria, general considerations and sample preparation», IDT).
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
6 Настоящий стандарт подготовлен на основе применения ГОСТ Р ЕН 13804-2010*
* Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 июня 2013 г. N 238-ст ГОСТ Р ЕН 13804-2010 отменен с 15 февраля 2015 г.
8 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Декабрь 2019 г.
Информация о введении в действие (прекращении действия) настоящего стандарта и изменений к нему на территории указанных выше государств публикуется в указателях национальных стандартов, издаваемых в этих государствах, а также в сети Интернет на сайтах соответствующих национальных органов по стандартизации.
В случае пересмотра, изменения или отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована на официальном интернет-сайте Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации в каталоге «Межгосударственные стандарты»
1 Область применения
Для целей применения настоящего стандарта под следовыми элементами следует понимать элементы, как правило, присутствующие в пробе в столь малых количествах, что их анализ требует учета дополнительных факторов, связанных с возможностью привнесения в пробу аналита или его потерь в степени, влияющей на результат испытания.
При выборе методики определения для данной матрицы (конкретного пищевого продукта) более предпочтительна методика, регламентированная специальным стандартом для данного продукта, чем методика, распространяющаяся на все пищевые продукты. При этом в задачи аналитика входит актуализация информации о действующих на текущий момент соответствующих специальных стандартах.
2 Нормативные ссылки
ISO 5725-1:1994 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results. Part 1. General principles and defnitions [Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 1. Основные положения и определения]
ISO 5725-2:1994 Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results. Part 2. Basic method for the determination of repeatability and reproducibility of a standard measurement method [Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. Часть 2. Основной метод определения повторяемости и воспроизводимости стандартного метода измерений]
ISO/IEC 17025 General requirements for the competence of testing and calibration laboratories (Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий)
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 валидация методики (method validation): Процедура получения совокупности данных, показывающих, что методика по обеспечиваемой ею правильности и прецизионности результатов приемлема для анализа конкретных аналитов и типов проб.
3.2 прецизионность (precision): Степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных в конкретных регламентированных условиях.
3.3. повторяемость (repeatability): Прецизионность в условиях повторяемости (ISO 5725-1:1994).
3.4 условия повторяемости (repeatability conditions): Условия, при которых независимые результаты испытаний получают одним и тем же методом на идентичных объектах испытаний в одной и той же лаборатории одним и тем же оператором с использованием одного и того же оборудования в пределах короткого промежутка времени (ISO 5725-1:1994).
3.5 воспроизводимость (reproducibility): Прецизионность в условиях воспроизводимости.
3.6 условия воспроизводимости (reproducibility conditions): Условия, при которых результаты испытаний получают одним и тем же методом на идентичных объектах испытаний в разных лабораториях разными операторами с использованием различного оборудования (ИСО 5725-1:1994).
3.7 относительное стандартное отклонение повторяемости 
(relative within laboratory standard deviation): Характеристика прецизионности, относящаяся к рассеянию результатов в пределах одной лаборатории. Представляет собой стандартное отклонение, выраженное в процентах от среднего значения определения, полученного в условиях повторяемости. Расчет ведется по формуле
%. (1)
3.8 относительное стандартное отклонение воспроизводимости 
(relative between laboratory standard deviation): Характеристика прецизионности, относящаяся к рассеянию результатов между лабораториями. Представляет собой стандартное отклонение, выраженное в процентах от среднего значения определения, полученного в условиях воспроизводимости. Расчет ведется по формуле
%. (2)
Уравнение Горвица: W.Hortwitz. Evaluation of analytical methods for regulation of foods and drugs. Anal. Chem., 1982, 54, 67A-76A*.
3.11 правильность (trueness): Степень близости среднего значения, полученного на основании большой серии результатов испытаний, к принятому опорному значению.
3.12 практичность (practicability): Нестандартизованная характеристика процедуры анализа, зависящая от области применения методики, ее производительности по количеству образцов и затрат на проведение анализа [9].
3.13 применимость (applicability): Перечень продуктов, по отношению к которым предполагаемая методика может быть применима в исходном виде или с незначительными изменениями [9].
3.14 специфичность (specificity): Способность методики избирательно определять аналит в присутствии других компонентов пробы [9].
3.15 предел обнаружения (limit of detection): Наименьшее содержание аналита, при котором он может быть обнаружен с приемлемой доверительной вероятностью. Предел обнаружения численно равен трехкратной величине стандартного отклонения среднего значения определения в холостом опыте ( >20) [9].
3.16 предел определения (limit of quantification): Наименьшее содержание аналита, которое может быть количественно определено с приемлемой неопределенностью. Если значения характеристик правильности и прецизионности постоянны в диапазоне содержаний вблизи предела обнаружения, то предел определения численно равен шестикратной величине стандартного отклонения среднего значения определения в холостом опыте ( >20) [9].
3.17 образец сравнения (reference material): Материал или вещество, достаточно однородное в отношении одной или нескольких надежно установленных характеристик, чтобы быть использованным при калибровке прибора, оценке методики выполнения измерений или приписыванию значений или характеристик материалам и веществам [4].
3.18 аттестованный образец сравнения (стандартный образец) (certified reference material): Сопровождающийся официальным свидетельством (сертификатом) образец сравнения, одна или несколько характеристик которого установлены по процедуре, связывающей их с точной реализацией соответствующей единицы измерения; каждое значение характеристики сопровождается значением неопределенности с указанным уровнем достоверности.
3.19 холостая проба (blank): Раствор, получаемый в результате проведения процедуры анализа без аналитической пробы.
3.20 лабораторная проба (laboratory sample): Продукт в определенном количестве, содержащийся в том виде и состоянии, в котором он поступил в лабораторию для испытания.
3.21 аналитическая проба (test sample): Часть лабораторной пробы, отобранная от нее, представительная по отношению к ней по химическому составу и подготовленная таким образом, чтобы быть пригодной для взятия навесок непосредственно для анализа.
3.22 аналитическая навеска (test portion): Представительное количество аналитической пробы, целиком используемое для проведения анализа.
4 Критерии эффективности методик выполнения измерений
Приведенные в таблице 1 критерии эффективности методик даны с целью оказания помощи аналитикам в выборе подходящего метода для решения своих задач. При этом аналитик отвечает за правильность выбора метода. Выбранный метод должен пройти полную валидацию, то есть значения его метрологических характеристик должны базироваться на опубликованных официальных обобщенных результатах межлабораторных испытаний по показателям содержания следовых элементов, проведенных в соответствии с ISO 5725-1, ISO 5725-2 или [8].
Характеристика параметра методики
По возможности максимально исчерпывающая и представительная группа пищевых продуктов
Значения индексов повторяемости и воспроизводимости Горвица ( и ), определенные в результате межлабораторных испытаний, не должны превышать 2 (отдельные организации могут оговаривать значения индексов Горвица менее 2)
Не допускается заметное влияние других компонентов пробы на результат анализа
Оценивается путем испытаний стандартных образцов. Результат испытания (среднее арифметическое значение) должен находиться либо внутри доверительного интервала аттестованного значения (отлично), либо доверительные интервалы результата испытания и аттестованного значения должны частично налагаться друг на друга (приемлемо)
Достаточно низкий для измерения требуемых величин
Что значит следовых количеств
Рассмотрены обнаружение и количественное определение следов веществ в различных объектах. Отмечена роль нехимических, прежде всего физических, методов анализа.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ ВЕЩЕСТВ
КАК ПРОБЛЕМА СОВРЕМЕННОЙ
Казанский государственный университет
Проблема определения следовых количеств актуальна не только для анализа объектов окружающей среды. Существуют области науки и техники, в которых необходимость определения примесей на уровне следов элементов и соединений является важной задачей. Специалистам известно о влиянии таких примесей на широкий круг разнообразных физических свойств материалов и химических процессов, воздействию которых эти материалы подвергаются. Современная техника связана с использованием электрических, магнитных и оптических свойств сверхчистых материалов, например при изготовлении полупроводников, волоконной оптики, сверхпроводников и ферромагнетиков. Следовые количества примесей зачастую определяют качество этих материалов. Незначительные изменения в составе примесей варьируют свойства базового полупроводникового материала до такой степени, что могут изменить тип его проводимости прямо на противоположный (p- и n-полупроводники). Следовые количества примесей влияют и на качество питьевой воды. Процессы жизнедеятельности живой клетки также обусловлены содержанием в ней микроэлементов, что предполагает необходимость контроля их перемещения в биосистемах, особенно от почв к растениям и животным и, следовательно, к человеку.
Можно проследить многогранные связи между аналитической химией следовых количеств органических веществ и другими областями науки, а также политикой, социологией, экономикой, медициной. Однако, по-видимому, экологические проблемы и охрана здоровья человека могут стать движущей силой развития и дальнейшего совершенствования методов определения следовых количеств органических соединений.
Само понятие «следы» может меняться в зависимости от решаемой задачи, поэтому не существует общепринятого мнения относительно уровня концентрации, при котором для его характеристики применяют термин «следовые количества». Так, два-три десятилетия назад следовыми количествами считали содержание компонента в смеси на уровне 0,01%. Учитывая всевозрастающий интерес к определению содержаний на уровне 10- 7 % и ниже, стали пользоваться также термином «ультраследы» для концентраций ниже 10- 4 %. Четкое разделение этих понятий, конечно, излишне, так как оно зависит от определяемого компонента, метода анализа и аналитика, проводящего анализ. Диапазон концентраций следов веществ в различных объемах охватывает несколько порядков величин от микрограммов (10- 6) до аттограммов (10- 18) в единице массы или объема.
ЧТО ТАКОЕ ПРЕДЕЛ ОБНАРУЖЕНИЯ
Все аналитические методы основаны на получении и измерении аналитического сигнала, то есть любого проявления химических и физических свойств вещества, фиксируемых прибором, которое можно использовать для его обнаружения или количественного определения. Этот сигнал функционально зависит от концентрации определяемого компонента.
Аналитический сигнал по своей природе специфичен, то есть присущ только вполне определенным атомам, молекулам или другим частицам. На практике же аналитические сигналы различных веществ часто бывают настолько близки, что измеряющая аппаратура не в состоянии их различить. Кроме того, на аналитический сигнал могут накладываться сигналы от растворителя, примесей в нем, реагентов, других близких по свойствам частиц, а также шумы, возникающие в измерительной аппаратуре. Обычно посторонние сигналы и шумы учитывают при проведении контрольного опыта, в котором изучаемая проба не содержит определяемого компонента. В этом случае сигнал, измеряемый аппаратурой с поправкой на сигнал контрольного опыта, будет называться полезным сигналом. Разработчики аналитической аппаратуры и конкретного метода определения стремятся максимально уменьшить сигнал фона и, главное, его колебания. Аналитическое приборостроение последнего десятилетия демонстрирует порой выдающиеся успехи в решении этой проблемы.
Если аналитический метод позволяет обнаружить разницу между весьма малыми количествами компонента, то говорят, что он обладает высокой чувствительностью. Иногда это понятие применяют к малым количествам вещества или концентрациям, которые вообще могут быть обнаружены в какой-либо пробе или матрице. В этом случае применяют термин «предел обнаружения» (ПрО), который характеризуется разностью между полезным сигналом определяемого компонента и сигналом контрольной пробы (или фона). Чаще всего полезный сигнал линейно связан с количеством определяемого компонента или его концентрацией Сx :
Коэффициент K может принимать значения 2, 3, 10 и выше (обычно 3). Чем больше K, тем надежнее обнаружение аналитического сигнала, а отсюда и определяемого компонента. Рис. 2 иллюстрирует эти рассуждения. В итоге для оценки ПрО нужно найти стандартное отклонение в контрольном опыте (лучше всего провести не менее 20 повторных, так называемых параллельных измерений) и коэффициент чувствительности измерения:
ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЛЕДОВ ВЕЩЕСТВ
Физический эффект, измеряемый с целью обнаружения или количественного определения компонента, вызванный энергетическим воздействием на него, является аналитическим сигналом. В результате нескольких или многих измерений сигнала и их усреднения получают аналитический сигнал, который должен быть функционально связан с содержанием определяемого компонента.
Именно разработка и применение физических методов анализа позволили снизить ПрО элементов в 100-1000 раз и более. Из физических методов, особенно при анализе объектов неорганической природы, распространение получили спектроскопические методы, из которых атомно-эмиссионный анализ (АЭА) и атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) занимают наиболее видное место. В случае АЭА атомы возбуждаются, например, искровым разрядом или дугой электрического тока и испускают световую энергию. Каждый элемент характеризуется своим набором спектральных линий, поэтому элементы легко отличить друг от друга. Интенсивность такого излучения определяется его концентрацией в образце. Этот метод позволяет проводить и количественные определения и устанавливать природу элемента, то есть идентифицировать его. Сущность метода ААС состоит в измерении поглощения света свободными атомами элементов. В специальном устройстве (атомизаторе) молекулы веществ разлагаются на отдельные атомы (для этого применяют графитовую печь, пламя). Последние избирательно поглощают свет определенной длины волны, поэтому, измеряя поглощение света атомами, находящимися, например, в пламени с распыленной в нем пробой, можно судить о наличии и количестве (концентрации) в ней того или иного элемента.
Из других методов, с помощью которых можно определять следовые количества примесей, следует отметить группу разнообразных масс-спектрометрических методов. Они основаны на различимом отклонении в магнитном поле веществ, отличающихся по массе и заряду ионов. Ионизация исходной пробы осуществляется, например, путем воздействия потока электронов на образец, так называемого электронного удара. Эти методы широко применяют для определения примесей как в чистых неорганических веществах, так и в анализе различных органических соединений.
Для устранения или уменьшения погрешностей при измерении аналитического сигнала и снижения ПрО большое значение имеют способы выделения этого сигнала (например, нужной спектральной линии) из шумов, то есть уменьшения величины или SB (уравнения (3), (4)).
В современной аппаратуре это снижение или устранение помех осуществляется при помощи средств микроэлектроники и микропроцессорной техники, фоновые шумы учитываются с помощью компьютера, способного запоминать и хранить сведения о влиянии помех и автоматически вводить соответствующую поправку в аналитический сигнал. На рис. 3 в качестве примера даны абсолютные величины ПрО, достигнутые различными методами. Если какой-либо метод требует перевода пробы в раствор, то, как отмечалось выше, величины ПрО выражают в мкг/мл или мкМ/мл.
К весьма высокочувствительным методам анализа относятся и радиохимические методы. Они основаны на явлении радиоактивности. В специальном реакторе вещество облучают нейтронами, гамма-квантами или же заряженными частицами. При взаимодействии такого рода излучения с ядрами атомов элементов в веществе происходят ядерные реакции. При этом образуются, как правило, радиоактивные элементы или изотопы, а количество определяемого элемента в веществе устанавливают по величине индуцированной радиоактивности. Радиохимические методы обладают исключительно низким ПрО и поэтому позволяют определять ничтожные примеси элементов в чистых веществах, в водах различного происхождения, геологических образцах и других объектах вплоть до концентраций 10- 8-10- 9 %.
В анализе неорганических материалов применяют и рентгеновские методы, один из которых основан на облучении вещества рентгеновскими лучами и измерении энергии и интенсивности вторичного, то есть инициированного этим воздействием, рентгеновского излучения. Это метод рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Метод РФА имеет ПрО на уровне 10-14-10-15 г, он незаменим при анализе полупроводниковых материалов и готовых изделий из них, например подложек микросхем и т.п.
Физические методы определения следовых примесей обладают поистине фантастическими возможностями. Даже в чистых и ультрачистых веществах имеются шансы уловить присутствие следов наиболее распространенных в земной коре элементов: кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия, калия и кислорода. Само понятие чистого или ультрачистого вещества становится неопределенным. Поэтому несколько странно звучит вывод: абсолютно чистых индивидуальных веществ в природе нет.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ ЭЛЕМЕНТОВ
Как уже отмечалось выше, следы элементов определяют, как правило, в присутствии матрицы, то есть основных компонентов образца. Матрица может иметь неорганическую (металлы, сплавы, керамика, геологические образцы, воды) и органическую (нефть и нефтепродукты, полимеры, биологические материалы) природу. Если компоненты и их сочетание в матрице не оказывают влияния на определение следов элементов, а концентрация их достаточно высокая, то возможно прямое определение этих следов с помощью высокочувствительных инструментальных методов. Однако этот подход встречает трудности, если аналитический сигнал от основных компонентов матрицы «забивает» сигнал определяемого элемента.
с константой устойчивости образующегося комплекса
который и экстрагируется органическим растворителем, распределяясь между двумя фазами:
где величина K называется константой распределения.
В большинстве экстракционных систем в органическую фазу при определенных условиях переходят некоторые металлы. Подбором экстракционного реагента HR, pH среды и других условий добиваются достаточно высоких значений K, а отсюда и избирательного извлечения ионов Mn +. После концентрирования следов элементов их экстракт анализируют каким-либо из рассмотренных выше методов.
Выше отмечалось важное значение задачи определения следов органических веществ в различных объектах. Новые проблемы возникли перед этой областью аналитической химии не только в связи с возрастающим вниманием к контролю состояния окружающей среды. Помощь государства в охране здоровья населения напрямую зависит от уровня развития клинического, фармацевтического и токсикологического анализа, а также анализа пищевого сырья и пищевых продуктов. А это, в свою очередь, уже задача следового органического анализа. Перечень органических токсикантов воздушного бассейна может достигать нескольких тысяч, и это только так называемые приоритетные загрязнители. В поверхностных водах могут находиться следы не только пестицидов, но и фенолов, нефтепродуктов, детергентов и т.д. В клиническом анализе внимание исследователей привлекают задачи определения содержания гормонов, биогенных аминов, аминокислот и транквилизаторов. В токсикологическом анализе определяют различные яды, токсиканты, природные соединения, наркотики и другие вещества. В организме человека и животных эти соединения претерпевают метаболизм, продукты которого также являются предметом внимания исследователей. И все эти компоненты присутствуют в следовых количествах. При этом матрица может иметь органическую природу (растения, мясо, ткани, молоко, пищевые продукты, кровь, экскременты, промышленные органические продукты, например полимеры) или неорганическую (вода, воздух, минералы).
Однако высшие достижения в величинах ПрО, пожалуй, относятся к методам флуоресценции и зонного капиллярного электрофореза (ЗКЭФ). Эти методы позволяют фиксировать количества на уровне аттограммов. В методе флуоресценции исследуемое соединение облучают светом определенной длины волны l, причем это облучение сопровождается вторичной эмиссией излучения молекулами вещества при длине волны l или отличающейся от нее. Метод чувствителен к тем химическим структурам, которые содержат системы сопряженных связей, ароматические кольца и т.п.
В методе ЗКЭФ разделение заряженных частиц или молекул осуществляют в тонком капилляре, на концы которого наложено высокое напряжение. В электрическом поле благодаря различию в подвижности частиц и молекул происходит разделение. На конце капилляра, из которого разделенные частицы или молекулы выходят по зонам, находится детектор, который и фиксирует момент выхода этой зоны из капилляра, подобно детектору в методе жидкостной хроматографии.
Кроме этих методов используют и другие, например тонкослойную хроматографию, где разделение смеси веществ и обнаружение следов происходят на сорбенте, нанесенном тонким слоем на пластинку, по которой и перемещается подвижная фаза, вызывающая разделение. Метод прост, экспрессен, характеризуется низким ПрО (до 0,005 мкг).
Жизнь постоянно ставит перед аналитиками новые проблемы, связанные с необходимостью обнаружения и определения веществ на уровне следов и ультраследов. Так, недавно была поставлена задача обнаружения одной молекулы в жидкостях, которую оценили как вызов современному химику-аналитику. В первых работах в этом интереснейшем направлении исследований использованы методы флуоресценции, а объем раствора достигал
1 фемтолитра (10-15). Есть уверенность, что эта задача будет решена в ближайшее время, а это, в свою очередь, означает крупный прорыв в определении фрагментов ДНК, мониторинге грунтовых и подземных вод, иммунном анализе, фундаментальных исследованиях физических и химических явлений на уровне одной молекулы.
1. Физические методы анализа следов элементов / Под ред. И.П. Алимарина. М.: Мир, 1967. 355 с.
2. Золотов Ю.А. Аналитическая химия: Проблемы и достижения. М.: Наука, 1992. 285 с.
3. Байерман К. Определение следовых количеств органических веществ. М.: Мир, 1987. 462 с.
4. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия, 1986. 319 с.
Рецензент статьи Г.В. Лисичкин