Gabriele Tartari & Aldo Marchetto

C.N.R. Istituto per lo Studio degli Ecosistemi Verbania Pallanza (Italy) http://www.iii.to.cnr.it Gabriele Tartari & Aldo Marchetto e-mail: g.tartari@ise.cnr.it Utilizzo delle carte di controllo in cromatografia ionica Applicazioni pratiche al CNR-ISE Verbania Quality Control Sul campo In laboratorio QC interno QC esterno Campionamento, trasporto e conservazione dei campioni Formazione del personale. Validazione dei metodi analitici. Scelta della strumentazione analitica più adatta e regolare manutenzione. Utilizzo di vetreria tarata e di sistemi di dosaggio di qualità. Elevata purezza dei reagenti e dell acqua ultrapura, ecc. Ottimizzazione del metodo e calibrazione. Bianchi, LOD e LOQ. Analisi replicate. Uso di carte di controllo preparate da standard o da campioni naturali. Archivio dei risultati opportunamente organizzato. Criteri di valutazione dei risultati (bilancio ioni e conducibilità). Analisi di campioni certificati o di altri materiali di riferimento. Esercizi interlaboratorio (Proficiency Test). 1

Carte di controllo - introduzione La carta di controllo è un grafico in cui vengono riportati in funzione del tempo i risultati analitici di un campione di riferimento per il controllo di qualità. La fluttuazione dei valori nella carta di controllo consente il monitoraggio continuo e l interpretazione delle prestazioni della tecnica analitica. Esistono vari tipi di carte di controllo, le più diffuse sono la carta Shewhart e la carta CUSUM (CUmulative SUM). In questo contesto Valore NON atteso Limite di controllo superiore (+3 SD) tratteremo la carta Shewhart dove sull asse Limite di attenzione superiore (+2 SD) delle ordinate sono riportate x le misure consecutive di x i Linea +1 SD i in concentrazione del campione di controllo, mentre sulle ascisse sono riportati i tempi (o il numero ordinale) in cui le misure sono state effettuate. Valore atteso Linea centrale di riferimento Linea -1 SD Limite di attenzione inferiore (-2 SD) Limite di controllo inferiore (-3 SD) Valore NON atteso date o numero ordinale Carte di controllo Shewhart - costruzione Nella costruzione della carta Shewhart i limiti (di controllo e di attenzione) sono vincolati alla precisione (SD o RSD) del metodo a quella concentrazione media (x m ) in un laboratorio, questi valori dovrebbero essere indicati nei metodi di riferimento con il termine ripetibilità (non la riproducibilità che invece è la variabilità tra laboratori). Nel caso il metodo sia stato validato internamente al laboratorio si può utilizzare la (SD o RSD) ottenuta in precedenti misure di ripetibilità. In alternativa si possono eseguire analisi replicate (2-3) Valore NON atteso giornaliere con un minimo di 3 determinazioni, ed utilizzare la SD ottenuta in queste determinazioni preliminari. x i La carta Shewhart avrà 2 aree principali: 1. la regione esterna ai limiti di controllo (valori NON attesi); 2. area interna ai limiti di controllo (± 3 SD = 99,7 %). Valore atteso Valore NON atteso Limite di controllo superiore (+3 SD) Limite di attenzione superiore (+2 SD) Linea +1 SD Linea centrale di riferimento Linea -1 SD Limite di attenzione inferiore (-2 SD) Limite di controllo inferiore (-3 SD) date o numero ordinale 2

Carte di controllo - interpretazione All interno della serie analitica dei dati costituenti la carta di controllo, si possono evidenziare situazioni sotto o fuori controllo statistico, evidenziando così situazioni anomale di scostamenti persistenti attorno al valore atteso. La tabella elenca alcuni valori critici, possibili cause che li hanno generati e decisioni da adottare. Carte di controllo alcuni riferimenti ISO 8228:1991. Shewhart control charts. ISO 133/TR:1997. Water quality. Guide to analytical quality control for water analysis. ISO 133:9. Water quality. Guidance on analytical quality control for chemical and physicochemical water analysis. A.P.H.A., A.W.W.A., W.E.F.. Standard Methods for the examination of water and wastewater. B. Quality control. Am. Publ. Health Ass., Washington APAT IRSA-CNR. 3. Metodi analitici per le acque. 4. Qualità del dato analitico. Vol. 1. 113 pp ISS.PGA.93.REV Istituto Superiore di Sanità. Metodi analitici di riferimento per le acque destinate al consumo umano ai sensi del DL.vo 31/1. Controllo di qualità. Rapporti ISTISAN 7/31. Miller J.N. & J.C. Miller.. Statistics and chemometrics for analytical chemistry. Pearson Education Limited. 268 pp. Corsi UNICHIM Costruzione e gestione delle carte di controllo. Materiali di riferimento. Prove interlaboratorio. 3

Carte di controllo della ripetibilità applicazioni pratiche al CNR ISE Verbania La carta di controllo è un campione stabile nel tempo, analizzato per un lungo periodo (da 2 mesi ad 1 anno), dal quale si ottengono elaborazioni grafiche dei dati analitici finalizzate a verificare la ripetibilità (espressa come RSD) delle misure nel tempo, rispetto al suo valore medio di concentrazione. Il valore di RSD atteso viene scelto sulla base di precedenti ripetibilità o dai valori indicati nei metodi di riferimento (generalmente 3 7 %) Tipi di carte di controllo: singolo analita (standard) multi elemento (standard) preparate da acque superficiali stabilizzate acque naturali ad uso potabile acquistate in bottiglia. Preparazione di un volume adeguato (1 litri): filtrazione se necessaria a,2 µm aggiunta di stabilizzanti (cloroformio o acido a ph~4) conservazione in frigorifero al buio a 4 C. Durante l utilizzo attenzione agli inquinamenti con la manipolazione. Esempio di carta di controllo Prime 2 analisi dopo la preparazione del campione (1 litro) da usare come carta di controllo per la determinazione dei solfati. 24 23 22,96,12 19 22/4/9 Dati Media Media dati SD dati RSD dati SD attesa RSD attesa,4 4

Esempio di carta di controllo Alle prime 2 analisi si fissano i limiti di controllo ed attenzione sulla base delle indicazioni contenute nel metodo di riferimento o da esperienze precedenti. ISO 34-1: 7 24 23 UCL 22 UWL Dati Media RSD = SD / media x LWL 19 22/4/9 29/4/9 //9 12//9 26//9 8/6/9 18/6/9 2/7/9 7/7/9 14/7/9 /7/9 22/7/9 3/7/9 17/8/9 2/8/9 1/9/9 /9/9 1/9/9 24/9/9 7//9 13//9 22//9 3/11/9 9/11/9 17/11/9 24/11/9 2/12/9 14/12/9 22/12/9 12/1/ 18/1/ 27/1/ 2/2/ SD = RSD x media / Ponendo RSD attesa al 3 % SD = 3 x,4 / =,63 Media dati SD dati RSD dati SD attesa RSD attesa,4 9/2/ 22/2/ 2/3/ 9/3/ 17/3/,63 3 LCL 24 Esempio di carta di controllo Fissati i limiti di attenzione (WL) e di controllo (CL) attorno al valore medio, si procede con l utilizzo giornaliero della carta di controllo. Da questo momento questi limiti NON verranno più cambiati e resteranno indipendenti dall andamento dei dati introdotti nella carta di controllo. 23 22 + 3 SD + 2 SD UCL UWL Dati Media 19 Media dati SD dati RSD dati 22/4/9 29/4/9 //9 12//9 26//9 8/6/9 18/6/9 2/7/9 7/7/9 14/7/9 /7/9 22/7/9 3/7/9 17/8/9 2/8/9 1/9/9 /9/9 1/9/9 24/9/9 7//9 13//9 22//9 3/11/9 9/11/9 17/11/9 24/11/9 2/12/9 SD attesa RSD attesa,4 14/12/9 22/12/9 12/1/ 18/1/ 27/1/ 2/2/ 9/2/ 22/2/ 2/3/ 9/3/ 17/3/,63 3-2 SD -3 SD LWL LCL

Esempio di carta di controllo L andamento dei risultati giornalieri ci segnalerà le anomalie analitiche, sarà nostra cura intervenire per individuare e risolvere i malfunzionamenti. 24 23 UCL 22 UWL Dati Media LWL 19 22/4/9 29/4/9 //9 12//9 26//9 8/6/9 18/6/9 2/7/9 7/7/9 14/7/9 /7/9 22/7/9 3/7/9 17/8/9 2/8/9 1/9/9 /9/9 1/9/9 24/9/9 7//9 13//9 22//9 3/11/9 9/11/9 17/11/9 24/11/9 2/12/9 14/12/9 22/12/9 12/1/ 18/1/ 27/1/ 2/2/ 9/2/ 22/2/ 2/3/ 9/3/ 17/3/ LCL Esempio di carta di controllo 24 23 UCL 22 UWL Dati Media LWL 19 22/4/9 29/4/9 //9 12//9 26//9 8/6/9 18/6/9 2/7/9 7/7/9 14/7/9 /7/9 22/7/9 3/7/9 17/8/9 2/8/9 1/9/9 /9/9 1/9/9 24/9/9 7//9 13//9 22//9 3/11/9 9/11/9 17/11/9 24/11/9 2/12/9 14/12/9 22/12/9 12/1/ 18/1/ 27/1/ 2/2/ 9/2/ 22/2/ 2/3/ 9/3/ 17/3/ LCL 6

24 Esempio di carta di controllo La carta di controllo si considera terminata quando è circa 1/ del volume iniziale o quando si evidenziano andamenti non giustificabili analiticamente. Media dati SD dati RSD dati SD attesa RSD attesa,12,3 2,,63 3 23 UCL 22 UWL Dati Media LWL 19 22/4/9 29/4/9 //9 12//9 26//9 8/6/9 18/6/9 2/7/9 7/7/9 14/7/9 /7/9 22/7/9 3/7/9 17/8/9 2/8/9 1/9/9 /9/9 1/9/9 24/9/9 7//9 13//9 22//9 3/11/9 9/11/9 17/11/9 24/11/9 2/12/9 14/12/9 22/12/9 12/1/ 18/1/ 27/1/ 2/2/ 9/2/ 22/2/ 2/3/ 9/3/ 17/3/ LCL 22 aprile 9 17 marzo Utilizzo dei risultati della carta di controllo Terminato il periodo di utilizzo in laboratorio della carta di controllo, i valori di SD e RSD ottenuti dai dati e riferiti alla media, possono essere utilizzati come informazione sulla ripetibilità del metodo. E consigliabile l eliminazione di eventuali dati anomali generati da situazioni fuori controllo. 1 Media dati,12 SD dati,3 RSD dati 2, RSD dati 2, % SD attesa RSD attesa,63 3 1 2 3 3 4 4 6 Media,12 7

1 1 6 1 6 Utilizzo dei risultati della carta di controllo Riportando in questo grafico della ripetibilità (RSD) i dati relativi alle carte di controllo a diverse concentrazioni analizzate per un lungo periodo, si ottiene una rappresentazione della variabilità analitica per questo metodo applicato nel laboratorio. 1 Ripetibilità CNR-ISE Verbania laboratorio idrochimica periodo 1989 9 1 2 3 3 4 4 6 Esempio di carta di controllo multi elemento in IC. Per la determinazione dei nitrati sono stati utilizzati 2 rivelatori (CDM e UV nm ). Le determinazioni sono state eseguite su 2 diverse linee analitiche, una con eluente KOH con CDM e UV, l altra eluente Na 2 CO 3 -NaHCO 3 solo CDM. Esempio di carta di controllo Ripetibilità CNR-ISE Verbania Anioni in Cromatografia Ionica - loop µl Campione analizzato dal 22/4/9 al 17/3/ Cl NO 3 CDM N-NO 3 UV SO 4 Statistica Media 4,28 9,16 9,26,12 Deviazione Standard,13,23,14,3 S.D attesa,13,27,28,63 3,1 2, 1, 2, attesa 3, 3, 3, 3, Minimo misurato 3,83 8,27 8,83 19,1 Massimo misurato 4,6 9,6 9,9 22,43 Numero di dati 187 187 1 187 UCL Upper Control Limit (massimo accettato) = Media + 3 D.S. attesa UWL Upper Warning Limit (massimo consigliato) = Media + 2 D.S. attesa LWL Lower Control Limit (minimo consigliato) = Media - 2 D.S. attesa LCL Lower Warning Limit (minimo accettato) = Media - 3 D.S. attesa 4,9 4,7 4, 4,3 4,1 3,9 3,7 3,,3 9,8 9,3 8,8 8,3 7,8 24 23 22 19 18 6 11 11 16 Cloruri 26 31 36 41 46 1 6 61 66 71 76 81 86 91 96 1 6 111 116 1 126 131 136 141 146 11 16 161 166 171 176 181 186 191 Nitrati (rivelatore CDM & UV) 11 16 26 31 36 41 46 1 6 61 66 71 76 81 86 91 96 1 6 111 116 1 126 131 136 141 146 11 16 161 166 171 176 181 186 191 Inquinamento? 16 26 31 36 41 46 1 6 61 66 71 76 81 86 91 96 1 6 111 116 1 126 131 136 141 146 11 16 161 166 171 176 181 186 191 Dati Media UCL UWL LWL LCL 8

Ripetibilità in cromatografia ionica 1 Cloruri 1 2 3 4 6 7 8 9 11 1 1 Nitrati In verde i dati UV nm mg N L -1 3 3 4 6 1 1 Ripetibilità CNR-ISE Verbania laboratorio idrochimica Anioni: periodo 1989 9 Cationi: periodo 199 9 Sodio 1 2 3 4 6 7 8 Magnesio 1 2 3 4 6 7 1 1 Potassio 2 4 6 Calcio 3 4 La ripetibilità nel metodo analitico 9

1 1 Carte di controllo prodotte da acque naturali Sono campioni di acque superficiali analizzabili per molti elementi inorganici in un ampio intervallo di concentrazioni. I valori in etichetta sono solo indicativi delle concentrazioni di nostro interesse; NON sono standard certificati! Acquistabili in confezione da 6 o più bottiglie da, o 1, litri, al costo di pochi euro. All interno dello stesso lotto di produzione le bottiglie si possono ritenere omogenee e confrontabili. Si possono conservare per mesi (o anni?) Costo trascurabile se confrontato con il costo di standard multi elemento nella stessa matrice acquosa Queste caratteristiche rendono le acque naturali in bottiglia perfettamente adatte all utilizzo come carte di controllo C.N.R. I.S.E. Laboratorio Idrochimica Verbania Pallanza Acque naturali in bottiglia - esempi mg N L -1,8,8,7 Azoto nitrico IC 1 a bottiglia 2 a bottiglia Azoto nitrico dal 28//2 al 2/8/3 media,77 SD,13 RSD 1,7 % RSD attesa 2 %,7 11 31 41 1 61 71 81 91 1 1 1 13 14 1 16 17 18 19 Calcio dal 28//2 al 4/6/3 media,99 SD,14 RSD 2,3 % RSD attesa 3 % 7, 2 23 6, 6,,, 11 31 41 1 61 71 81 Calcio IC 1 a bottiglia 2 a bottiglia C.N.R. I.S.E. Laboratorio Idrochimica Verbania Pallanza 9 1 111 1 131 141 11 161 171 181 191 UCL UWL Media LWL LCL Dati

Acque naturali in bottiglia - esempi Carta di controllo multielemento per IC, ICP-OES, ecc. analisi eseguita sulla stessa bottiglia per un lungo periodo. Campione da analizzare periodicamente per tutte le variabili, apertura di una bottiglia ogni 2 settimane 18 bottiglie di acqua naturale analizzate dal /9/2 al 13//3 ph χ C T.Alc. Cl SO 4 N-NO 3 Ca Mg Na K TN Si µs cm -1 meq l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 mg l -1 Media di tutti i dati 8,7 7,8,44 1,49,3,776,88 3, 3,43 1,18,8 7,6 S.D.,,6,6,3,6,7,17,3,,,3,28 S.D. consigiata,24 2,1,16,4,1,23,18,,,4,2,23 3 1 1 2 1 1 3 1 1 4 4 4 consigliato 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Minimo misurato 7,2 69,4,3 1,4 4,86,762,69 3,4 3,37 1,8,74 6,98 Massimo misurato 8,26 71,8,4 1,8,12,786 6,23 3,6 3,3 1,27,83 7,86 Numero di dati 18 18 18 18 18 18 18 18 18 17 13 13 Valori in etichetta 8, 7,,2 1,1 4,7,768,7 3,4 3, 1,2 7,8 C.N.R. I.S.E. Laboratorio Idrochimica Verbania Pallanza Carte di controllo dei segnali in area degli standard La carta di controllo applicata al monitoraggio dei segnali in area degli standard in IC, è un valido strumento per: 1. seguire prestazioni e stabilità della linea analitica (colonne e soppressori); 2. evidenziare errori nella preparazione degli standard o progressivi inquinamenti tipici per gli standard a concentrazione più bassa (Cl e Na). 11

Carte di controllo dei segnali in area degli standard ST, ppm ST, ppm ST, ppm Area loop µl,9,8,7,6,,4,3 8/1/9 9/2/9 23/3/9 27/4/9 18/6/9 /8/9 //9 23/11/9 11/1/ 16/2/ Area loop µl,17,1,13,11,9,7 14/1/9 12/2/9 24/3/9 //9 18/6/9 22/7/9 9/9/9 //9 17/11/9 11/1/ 23/2/ Area loop µl,27,2,23,,19,17,1 8/1/9 11/2/9 16/3/9 27/4/9 /6/9 /7/9 7/9/9 13//9 17/11/9 17/12/9 3/2/ 17/3/,6 ST, ppm 2,6 ST 2, ppm 6,6 ST, ppm Area loop µl,6,, Area loop µl 2,4 2,2 2, Area loop µl 6,1,6,1,4 1,8 4,6 8/1/9 9/2/9 16/3/9 22/4/9 /6/9 22/7/9 9/9/9 13//9 17/11/9 17/12/9 3/2/ 17/3/ 12/1/9 11/2/9 16/3/9 27/4/9 18/6/9 22/7/9 7/9/9 13//9 11/11/9 14/12/9 3/2/ 1/3/ /1/9 17/2/9 26/3/9 11//9 2/7/9 28/7/9 14/9/9 //9 24/11/9 11/1/ 1/2/ Carte di controllo dei segnali in area degli standard aree dei picchi Cromatografia Ionica Dionex DX3 - colonne AG19-AS19-ASRS3 loop µl Aree dei picchi relative al periodo 8 gennaio 9 24 marzo 1,1,1 1,,, Concentrazione degli standard ( ) Cloruri Nitrati CDM Nitrati UV nm 12

Carte di controllo in Chromeleon 6.8 In Chromeleon con una query si possono estrarre i cromatogrammi necessari alla costruzione della carta di controllo (filtro su nome, data, tipo campione, ecc.). La query viene poi personalizzata con valori imposti o calcolati dai dati selezionati. Carte di controllo in Chromeleon 6.8 Esempio della carta di controllo Rip A2-7 Valori di riferimento (mg/l): media,14 SD,634 13

Carte di controllo in Chromeleon 6.8 Esempio della carta di controllo area standard Cl 2 mg/l Valori di riferimento area media (µs min) SD dei dati Conclusioni Le carte di controllo sono uno strumento indispensabile per il continuo esame critico e dell attività analitica. Permettono di seguire nel tempo l evoluzione delle metodologie ed assicurarne la confrontabilità nel tempo. Le carte di controllo regolarmente applicate nell analisi di routine, sono un valido strumento per evidenziare derive strumentali, anomalie nella preparazione degli standard ed i conseguenti errori sistematici. Permettono di monitorare diverse fasi dei processi analitici per produrre le informazioni necessarie alla valutazione dell affidabilità dei risultati. 14