Et nyt baseline-studie over de samlede laboratorie-prøveforberedelsesfejl, især masseneddeling ift. den rene analysefejl, tillader for første gang at økonomiske og praktiske hensyn sammenlignes på et videnskabeligt grundlag. Dette er muligt pga. anvendelse af »Theory of Sampling« (TOS).
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2005 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Johnny W. Madsen1, A/S AnalyCen, Anette Ørnskov, Lotte Højbjerg, Julie L. Johnsen og Kim H. Esbensen, Aalborg Universitet Esbjerg, ACABS
På miljøområdet er flere nye initiativer p.t. sat i gang for at højne prøvetagningskvaliteten, bl.a. i form af nye certificeringsordninger under Nordtest og udarbejdelse af diverse håndbøger. Disse tiltag er primært rettet mod feltarbejdet, der omfatter primær og sekundær prøvetagning, hvor det er alment kendt, at fejlstørrelserne kan være meget større (ofte 50-100 gange eller mere) end analyseusikkerhederne. Tilstrækkelig kompetence, god sporbarhed og detaljerede metodebeskrivelser er afgørende for at kunne sikre pålideligheden af vurderingsgrundlaget for de endelige analyseresultater. Tiltagene kan ses som et resultat af den seneste tids debat om størrelsen af de usikkerheder, der påvirker analyseresultatet »fra bor til bord«. En debat, der har kastet nyt lys over de faktiske usikkerheder i vore analyseresultater, og som er meget vigtig for hele miljøbranchen. Teorien om sampling er med rette blevet introduceret i denne debat og ligger også til grund for herværende baseline-studie.
At sikre kvaliteten af feltprøvetagningen er særlig vigtig, men også prøvetagningsmetoderne i laboratorierne må være repræsentative og veldokumenterede. Laboratorierne modtager typisk primære jordprøver med en størrelse på ½-2 kg, hvorfra der skal udtages delprøver til de forskellige analyser med prøvemasser på f.eks. 2-50 g. I den forbindelse er det relevant at undersøge forskelle mellem dagens alternative prøveneddelingsmetoder med varierende overensstemmelse med principperne i TOS samt at afgøre, i hvilken grad disse principper med fordel kan implementeres i laboratoriets prøvetagningsmetodik i praksis. TOS tilbyder også værktøjer til sammenligning af prøvetagningsmetoder m.v. For yderligere information omkring TOS henvises til artikelserien TOS I–V, der tidligere er bragt i Dansk Kemi [1] og til [2].
Laboratorieprøvetagning af jord til metalanalyse
Der er undersøgt syv metaller (As, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn), som hyppigt bestemmes i forbindelse med miljøundersøgelser af forurenet jord. Dagens neddelingspraksis (fra en primærprøve på f.eks. 1 kg) omfatter udtagning af én delprøve på 2 g (sampling rate 1:500), der analyseres på ICP-AES. I mange tilfælde udtages denne delprøve som en sammensat prøve bestående af inkrementer (delprøver), udtaget fra tilfældige steder i hele udgangsprøven. Forud for prøvetagningen fjernes større sten, blade og grenstumper i overensstemmelse med gældende normer. I denne undersøgelse er det valgt at tørre de indsendte udgangsprøver ved 60°C i en foliebakke forud for prøvetagningen. Derved lettes den praktiske håndtering i forbindelse med homogenisering og masseneddeling.
Der er testet fem metoder for udtagning af samme analysemængde (2 g); de beskrives nedenstående, jvf. figur 1.
Metode 1: En enkelt tilfældig 2 g prøve udtages fra en foliebakke, hvor primærprøven er overført uden specielle tiltag. Metoden kaldes populært for »grab-sampling« og opfylder så absolut ikke principperne i TOS. Ved gentagne prøveudtagninger forventes det, at denne metode resulterer i den største samplingsvarians vedr. indholdet af de kritiske komponenter (metaller) pga. stor fordelingsmæssig heterogenitet i materialet. Metoden er udbredt.
Metode 2: Der udføres alternativt en forudgående homogenisering af det tørrede prøvemateriale i en spand, som rystes og vendes i 5 min efterfulgt af 5 min omrøring. Dette svarer ifølge mange laboratorietraditioner til »rimelig homogenisering«. Prøven udtages derefter på samme måde som i metode 1, altså ved »grab-sampling« et tilfældigt sted i foliebakken. Det forventes, at homogeniseringstrinnet reducerer den fordelingsmæssige heterogenitet i prøven, samt at variansen mellem replikater også reduceres.
Metode 3: Efter homogenisering udtages minimum 10 delprøver på omkring 0,2 g forskellige steder i en foliebakke, som endeligt sammensættes til den påkrævede 2 g prøve. Metoden kaldes »sammensat prøvetagning« og svarer til den metode, laboratoriet normalt anvender. Det forventes, at variansen mellem replikater reduceres yderligere ift. metode 2, idet sammensat prøvetagning også medvirker til udjævning af den fordelingsmæssige heterogenitet.
Metode 4: Fra den homogeniserede jordprøve udtages en delprøve på ca. 32 g, sammensat af min. 16 tilfældige inkrementer fra foliebakken, hvert á ca. 2 g. Delprøven homogeniseres grundigt 30 sekunder ved omrøring med en ske, hvorefter der udtages ca. 5 inkrementer á 0,4 g, som sammensættes til den endelige 2 g analyseprøve. Ift. metode 3 udtages altså 10 x større inkrementer, som sammensættes til en prøve på ca. 32 g, hvorfra der udtages 5 mindre inkrementer. Strategien er at udtage en større masse fra den oprindelige prøve end tidligere, hvilket ifølge TOS vil gøre prøven endnu mere repræsentativ for udgangsmaterialet.
Metode 5: Den homogeniserede jordprøve fyldes i en morter og partikelgrupperinger knuses bedst muligt. Småsten og lignende fjernes ved en grundig screening. Efter homogenisering udtages ca. 32 g prøve (som i metode 4), der homogeniseres og efterfølgende neddeles i en spaltedeler med 12 spalter af fire omgange, indtil den ønskede prøvestørrelse på 2 g er opnået. Nedknusning af kornstørrelsen vil ifølge TOS reducere materialets sammensætningsmæssige heterogenitet, hvilket er en materialespecifik egenskab. Jo mindre partikler, des mindre indflydelse får partikler med højt indhold af de kritiske komponenter under prøveudtagningen. En mindre kornstørrelse øger samtidig muligheden for en bedre homogenisering, så rumlige autokorrelationer kan nedbrydes maksimalt. Anvendelse af spaltedeler sikrer, at enhver virtuel enhed i prøvematerialet har samme sandsynlighed for at blive udtaget til den endelige prøve (probabilistisk prøvetagning), som er TOS’ mest fundamentale krav for repræsentativ prøvetagning. Metode 5 bør for heterogene materialer ifølge erfaringer fra TOS være den bedste.
En optimal neddelingsmetode resulterer i en fuldstændig repræsentativ prøvetagning, dvs. indholdet af kritiske elementer er ens for alle inkrementer eller delprøver, der udtages. Formålet med alle laboratoriemæssige fremgangsmåder er at komme tættest muligt på denne situation – naturligvis underlagt praktiske og kommercielle konkurrencekrav.
Der er inddraget tre forskellige typiske jordarter i undersøgelsen: sandjord, lerjord og muldjord. Her ses kun på resultaterne for lerjorden, da stort set tilsvarende konklusioner kan udledes for de andre jordarter. For at kunne vurdere de fem prøvetagningsmetoder er der udført omfattende replikatforsøg på de forskellige jordarter. Af tabel 1 fremgår størrelsen af det udgangsmateriale, der var til rådighed for de enkelte metoder. Antallet af udtagne prøver for de fem metoder fremgår af figur 1.
Resultater og diskussion
Til vurderingen beregnes heterogenitetsbidraget hi for alle udtagne prøver. Det giver den enklest mulige sammenligning af resultater for forskellige komponenter og jordarter, idet hi er uafhængig af forskellige koncentrationsniveauer og variationer i prøvestørrelsen, ifølge TOS. Definitionen af hi er som følgende:
ai indholdet af den kritiske komponent i inkrement »i«
aL udgangsprøvens sande indhold af den kritiske komponent
Mi massen af inkrement »i«
Mgns, Fi den gennemsnitlige masse af alle inkrementer.
Det målte indhold i de enkelte prøver sættes ift. den »sande« værdi, aL, der karakteriserer hele den primære prøves koncentration af de(t) pågældende stof(fer). Denne referenceværdi er i dette studie bestemt ud fra 50 gentagne prøver, udtaget med metode 5, hvilket må anses som det absolut mest repræsentative estimat herfor.
Sammenligning af metoder
I figur 2 er heterogenitetsbidragene for arsen i lerjord ved anvendelse af metode 1–5 afbildet.
Hver vandret stolpe i figur 2 repræsenterer ét heterogenitetsbidrag (én analyse) for de individuelle 2 g analyseprøver.
Metode 1: En del prøver har et forholdsvist højt heterogenitetsbidrag og dermed et højt indhold af arsen ift. den »sande« værdi (metode 5). Det indikerer en markant heterogen fordeling af arsen i udgangsjordprøven, og at den anvendte prøvetagningsmetode let kan resultere i en delprøve med et for højt eller for lavt indhold. Er antallet af ekstreme værdier højt, bør man overveje at anvende en anden prøveforbehandling eller prøvetagningsmetode. Vurderingen af metoden skal ikke kun baseres på antallet af ekstreme værdier, idet metaller i jordprøver typisk forekommer på partikulær form. De kræver evt. en effektiv partikelnedknusning, før repræsentative prøver kan genereres. Ses bort fra ekstreme værdier, indikerer den tilbageværende variationsbredde, om metoden overordnet genererer repræsentative delprøver og vil i denne kontekst blive anvendt som sammenligningsgrundlag, idet en effektiv partikelnedknusning ikke har været mulig i dette indledende baseline-studie.
Metode 2: Der ses en vis reduktion i antallet af høje heterogenitetsbidrag og i den generelle variationsbredde. Det indikerer, at det anvendte homogeniseringstrin virkelig bidrager til at reducere materialeheterogeniteten. En ekstremværdi på 7,75 tyder igen på, at arsen kan være partikulært fordelt i materialet, og at nedknusning kan være nødvendig.
Metode 3: Resultaterne udviser generelt en endnu mindre variationsbredde, men der ses flere ekstreme værdier end for metode 2. Det høje antal af ekstreme værdier antages at skyldes tilfældigheder som følge af den faktuelle partikulære rumlige fordeling af arsen i jordarten. Der vil altså altid kunne være sådanne ekstreme analyseresultater, hvis der ikke anvendes partikelnedknusning.
Metode 4 og 5: Resulterer i meget ens heterogenitetsbidrag og variationsbredden er ikke ændret signifikant sammenlignet med metode 3. Derimod ses en reduktion i antallet af ekstreme værdier. Det tyder på, at disse metoder virkelig kan medføre mere repræsentativ laboratorieprøvetagning.
Heterogenitetsbidragene for de andre undersøgte metaller viser omtrent samme tendens i reduktion af variationsbredden med stigende overensstemmelse med principperne i TOS. For visse andre metaller end arsen observeres der undertiden en yderligere tendentiel reduktion af variansen for metode 5. Antallet af ekstreme værdier er markant usystematisk fordelt over jordartstyper og neddelingsalternativer – og det er vanskeligt at drage endelige konklusioner på dette grundlag. Hvis metallerne findes på partikelform i prøvematerialet, har det naturligvis afgørende betydning, i hvilket omfang (tilfældigt) de enkelte metalpartikler bliver en del af den endelige prøve eller ikke. Det er kun muligt at reducere denne effekt ved effektivt at reducere partikelstørrelsen, f.eks. i en kuglemølle el.lign. Dette er dog endnu ikke afprøvet i praksis, men svarer til TOS’ praktiske erfaringsbase.
Usikkerhed på prøvetagningen og analysen
For at kunne vurdere variansen af heterogenitetsbidragene ift. selve analysemetodens egen varians, er der parallelt analyseret 10 certificerede referenceprøver i replikat over flere forskellige dage. Analysevariansen er omregnet til varians af heterogenitetsbidraget og kan derfor direkte sammenlignes med forsøgsresultaterne. Forholdet mellem de to varianser (sampling/analyse) er beregnet med og uden heterogenitetsbidrag over 2,5 (som skyldes de omtalte ekstremanalyser); middelværdien for alle metaller er beregnet for hver metode. Resultaterne for arsen (uden de ekstreme værdier) viser et stort fald i prøvetagningsvarians mellem metode 1 og de øvrige metoder, hvilket også er den generelle tendens for næsten alle de andre metaller. Konklusionen er klar: grab-sampling kan under ingen omstændigheder retfærdiggøres.
Inddrages de ekstreme værdier i beregningerne, ses en markant forøgelse af prøvetagningsusikkerheden, der skyldes partikulær metalfordeling i alle jordartstyperne. Det betyder, at der for alle fem metoder er risiko for at udtage prøver, hvor analyseresultatet ender med at indikere et »for højt« metalindhold, hvis der ikke er foretaget specifik nedknusning. Effektiv nedknusning er en central del af enhedsoperationerne i TOS, men har ikke været mulig at udføre i denne sammenhæng. Sammenholdes resultaterne for lerjord med resultaterne fra de øvrige jordarter ses dog en klar generel tendens til at frekvensen af ekstreme prøver reduceres fra metode 1 til metode 5. Disse til dels modstridende konklusioner er et resultat af den »fundamentale samplingsfejl« for heterogene materialer, der altid vil være til stede i et vist omfang i et heterogent materiale som f.eks. jord [1].
Ud fra rent økonomiske og praktiske synsvinkler er det vanskeligt at argumentere for at anvende metode 4 og 5 grundet betydelige forøgelser af den nødvendige arbejdsindsats pr. prøve. Herværende resultater er ikke entydige, men en generel accept af metode 3 synes rimelig for metalanalyser i jord – til rutineformål. Metode 3 kan også bruges på våde/klæbrige prøvematerialer, hvilket i praksis ikke er tilfældet for metode 5 i den udformning, der er anvendt her. Der findes imidlertid andre varianter af spaltedelingsprincippet, som også kan behandle våde jordartsprøver.
Metode 3 kan altså accepteres til rutineanalyser for typiske jordartstyper i Danmark, men skal kvaliteten af analyserne være i topklasse, skal nedknusning og metode 4, eller helst metode 5 alligevel bruges. Der foreligger et grundigt, systematisk studie, som giver ethvert analyselaboratorium anledning til at foretage sine egne faglige og økonomiske vurderinger [3].
Fodnote
1) JWM er erhvervsstipendiat ved ACABS med ansættelse hos A/S AnalyCen.
Referencer
1. Artikelserie bragt i Dansk Kemi, TOS I (Dansk Kemi, 83, nr. 9 , 2002), TOS II (Dansk Kemi, 83, nr. 10 , 2002), TOS III (Dansk Kemi, 83, nr. 11 , 2002), TOS IV (Dansk Kemi, 83, nr. 12 , 2002), TOS V (Dansk Kemi, 84, nr. 4 , 2003), Kim H. Esbensen, Lars Petersen, Kaj Heydorn et.al.
2. Esbensen, K.H. & Minkkinen, P. (Red.). 50 years of Pierre Gy’s Theory of Sampling. Proceedings: First World Conference on Sampling and Blending (WCSB1. Tutorials on Sampling: Theory and Practise. Special Issue: Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, vol. 74, Issue 1. Nov. 2004.
3. Korrekt laboratorieprøvetagning af bjergarter og forurenet jord samt evaluering af industriel pulverprøvetagning, Anette Ørnskov, Lotte Højbjerg, Julie Johnsen. Afgangsprojekt (speciale), ACABS forskningsgruppe, Aalborg Universitet Esbjerg, 2003.
Figur 1. Beskrivelse af de alternative prøveforberedelsesmetoder, der er sammenlignet i denne undersøgelse.
Tabel 1. Oversigt for masse af udgangsmateriale for de tre jordtyper.
Figur 2. Heterogenitetsbidrag for arsen i lerjord. Metoderne er angivet i rækkefølge med metode 1 øverst og metode 5 nederst. De røde linjer er indsat for overskuelighedens skyld. -0,2 og 0,2 er valgt (modsvarende +/- 20% relativ afvigelse), da de fleste heterogenitetsbidrag ligger inden for dette interval. Denne grafiske sammenstilling er valgt, fordi den giver et umiddelbart visuelt indtryk af replikatvariansen for disse fem metoder.
Tabel 2. Forholdet mellem variansen af heterogenitetsbidragene for prøverne og analyseusikkerheden omregnet til varians af heterogenitetsbidrag. Dette forhold angiver direkte, hvor mange gange større laboratoriesampling og neddelingsfejlen er ift. analysefejlen.
