Validatie van kuvettentests voor drinkwateranalyse

Transcriptie

1 APPLICATIEBERICHT LABORATORIUMANALYSES KUVETTENTESTS DRINKWATER Validatie van kuvettentests voor drinkwateranalyse In 2007 ontving het Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasser Beratungsund Entwicklungsgesellschaft mbh (IWW) in de Duitse deelstaat Noordrijn- Westfalen opdracht voor een onderzoek naar de formele toelaatbaarheid van het gebruik van kuvettentests voor de analyse van drinkwater volgens de Duitse drinkwaterverordening Resultaat: de onderzochte LANGEkuvettentests voldoen wat betreft nauwkeurigheid, juistheid en detectiegrens aan de eisen die de Duitse drinkwaterverordening (Trinkwasserverordnung, TVO) aan de analysemethodes stelt. Zij zijn daarom in principe geschikt voor officiële drinkwateranalyses. Auteur: Ralf König - Diplom-Chemiker - Vertical Market Manager HACH LANGE

2 2 DRINKWATERANALYSE_EISEN Voldoen kuvettentests aan de eisen van de drinkwaterwetgeving? Accreditatie In principe mogen er ook niet-gestandaardiseerde methoden in de accreditatie worden opgenomen, mits hun geschiktheid voor de gebruiker is aangetoond en zij overeenkomstig zijn gevalideerd. De analysemethode moet voldoen aan de eisen zoals gesteld in bijlage 5 van de Duitse drinkwaterverordening. Naast het bewijs dat de methodes vergelijkbaar zijn (bijv. door een onderzoek), moet een laboratorium bovendien de procedure van de analyse voldoet aan de gestelde eisen. De analysemethode moet in het kader van de accreditatie (ISO 17025) worden erkend door het accreditatie-instituut en in het certificaat (resp. de bijlage ervan) worden opgenomen. Daartoe is een bewijs van geschiktheid van de methode voor het gebruiksdoel vereist (doelmatigheidsbeginsel volgens paragraaf 5.4 van ISO 17025). De vereiste validatiewerkzaamheden moeten door het laboratorium en eventueel door de producent van de methode worden uitgevoerd. Het laboratorium hanteert voor de betreffende methode de voorgeschreven interne (controlekaarten) en externe kwaliteitsborging (het succesvol deelnemen aan ringonderzoeken). Ten slotte moet het voldoen de bovenvermelde eisen ook formeel volgens 15 (5) van de Duitse drinkwaterverordening door een officiële instantie worden bevestigd resp. erkend. Als er aan deze voorwaarden is voldaan, is er wettelijk gezien geen enkele reden om de kuvettentest niet als analysemethode te gebruiken. Achtergrond In Duitsland zijn officiële drinkwateranalyses wettelijk geregeld. Zij mogen alleen door speciaal geautoriseerde en geïnstrueerde laboratoria volgens methodes conform de drinkwaterverordening (TVO) worden uitgevoerd. Omdat de Duitse drinkwaterverordening nagenoeg volledig de inhoud van de Europese drinkwaterrichtlijn omvat, gelden de meeste voorwaarden en eisen ook in de overige lidstaten van de EU. In tegenstelling tot bij afvalwater stelt de drinkwaterwetgeving geen concrete eisen aan de meetmethode. In principe zijn alle methodes toegestaan die voldoende betrouwbare meetwaarden opleveren en daarnaast voldoen aan de eisen die omschreven staan in bijlage 5, 15 van de Duitse drinkwaterverordening. Deze prestatie variabelen (PV) hebben betrekking op de juistheid, de nauwkeurigheid en de detectielimiet zijn als percentage (in dit geval 10 %) van de TVO grenswaarde gedefinieerd. Een ander, niet minder belangrijk criterium is de eis dat de alternatieve methode moet voldoen aan de algemeen erkende normen. Bovendien moet een laboratorium dat kuvettentests als alternatief voor gestandaardiseerde methodes wil gebruiken, beschikken over een geldige accreditatie volgens DIN ISO Eisen ten aanzien van accreditatie Als een opdrachtgever geen specifieke methode voorschrijft [3], is het laboratorium verplicht om de meest geschikte analysemethodes te gebruiken. Deze methodes dienen te zijn vastgelegd in een internationale, regionale of nationale norm, te zijn gepubliceerd door gerenommeerde organisaties in relevante wetenschappelijke tijdschriften, of uitgebreid beschreven door de producent van de methode (bijv. kuvettentests). Methodes die het laboratorium zelf heeft ontwikkeld of heeft overgenomen, mogen eveneens worden gebruikt mits zij geschikt zijn voor de betreffende toepassing en overeenkomstig zijn gevalideerd. De opdrachtgever moet op de hoogte worden gebracht van de gebruikte methode. Basisvalidatie van de kuvettentests Een testmethode wordt gevalideerd door het volgende te onderzoeken: - meetonzekerheid - detectie- en bepalingsgrens - selectiviteit van de analyse - lineariteit - nauwkeurigheid - juistheid - gevoeligheid voor externe invloeden (interferentie, matrixinvloeden) Bovendien moet het alternatief resultaten opleveren die voldoende kunnen worden vergeleken met de originele gestandaardiseerde analysemethode.

3 3 Alle metingen werden uitgevoerd met de HACH LANGE UV-VIS-spectrofotometer DR 5000 (zie. afb. 1). De kalibratie werd uitgevoerd met standaarden die werden bereid door additie van de te bepalen stoffen aan matrixvrije oplossingen (ultrapuur water) [1]. Als monsters voor de analyses werd gebruik gemaakt van gecertificeerde standaarden. De bepalingsgrens werd bepaald door tien dagen lang, tien standaarden met gelijk oplopende concentratiestappen te meten. De standaard met de laagste concentratie was gelijk aan de waarde voor de detectielimiet van de betreffende kuvettentest. Het totale meetbereik werd gevalideerd door nog eens twee tot vijf standaarden tot aan de bovengrens te analyseren. Voor de validatie van de kuvettentests werden de gegevens van de kalibratie geëvalueerd en gebruikt om de volgende specificaties te berekenen. Bepaling van de kalibratie en de variabelen, - Richtingscoëfficient (b, maatstaf voor de gevoeligheid), - Snijpunt met X-as of Y-as - Reststandaardafwijking (s y, spreiding van de meetwaarden om de regressielijn) - Standaardprocesafwijking (s x0, absolute nauwkeurigheidsmaatstaf van de kalibratie) - Variatiecoëfficient (V x0, relatieve standaardafwijking van de analyse, relatieve nauwkeurigheidsmaatstaf van de kalibratie) Controle van de lineariteit en Vaststellen van de detectie- en bepalingsgrenzen volgens DIN Bovendien is de homogeniteit van de varianties over het werkbereik gecontroleerd. De berekening van de variabelen is uitgevoerd met behulp van de Software für die statistische Kontrolle analytischer Daten SQS (versie1.51, Perkin Elmer, Rodgau-Jügesheim). Afb. 1: spectrofotometer DR 5000 met touchscreen, barcode-rotatiemeting en automatische foutopsporing voor een betrouwbare evaluatie van alle LANGE-kuvettentests Nr. Parameter LANGE-kuvettentest Norm Meetbereik kuvettentest Grenswaarde TVO PV (%) PV (mg/l) 1 Aluminium LCK301 DIN ISO ,02 0,5 mg/l 0,2 mg/l 10 0,02 (chromazurol S) (pyrocatecholviolet) 2 Ammonium LCK304 DIN ,02 2,5 mg/l 0,5 mg/l 10 0,05 (indofenolblauw) (indofenolblauw) 3 Chloor, vrij LCK310 DIN EN ISO ,05 2 mg/l Min. 0,1 mg/l, - - (na desinfectie) (DPD) (DPD) max. 0,3 mg/l 4 Chloor, totaal LCK310 DIN EN ISO ,05 2 mg/l (DPD) (DPD) 5 IJzer, sporen LCK521 DIN E1-1 0,01 1 mg/l 0,2 mg/l 10 0,02 (1,10-fenantroline) (1,10-fenantroline) 6 Mangaan, sporen LCW532 DIN E2 0,005 0,5 mg/l 0,05 mg/l 10 0,005 (PAN-indicator) (formaldoxim) 7 Nitraat LCK339 (2,6-dimethylfenol) DIN38405 D9-1 (2,6-dimethylfenol) 1 60 mg/l 50 mg/l Nitriet, sporen LCK541 DIN EN ,005 0,1 mg/l 0,5 mg/l, resp. 0,1 mg/l 10 0,01 (diazotering) (diazotering) aan de uitgang van de installatie 9 Ortho-fosfaat LCK349 (molybdeenblauw) DIN EN ISO 6878 (molybdeenblauw) 0,15 4,5 mg/l 6,7 mg/l - - Tabel 1: methodes, grenswaarden en prestatie variabele (PV) van de geselecteerde analyseparameters volgens de Duitse drinkwaterverordening (TVO) 2001

4 4 DRINKWATERANALYSE_VALIDATIE Validatie van kuvettentests: nauwkeurigheid Afb. 2: rechthoekige kuvet van 5 cm voor het nauwkeurig bepalen van ijzer, mangaan en nitriet in het sporenbereik V x0 (%) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 LCK301 aluminium LCK304 ammonium Variatiecoëfficiënten kuvettentests Nauwkeurigheid Evaluatie van de nauwkeurigheid d.m.v. het variatiecoëfficiënt (VK) Voor de beoordeling van de nauwkeurigheid van de kalibratie wordt gebruikgemaakt van de variatiecoëfficiënt (relatieve standaardafwijking van de analyse, V x0 ). Dit is een maatstaf voor de kwaliteit van de methode. Met de variatiecoëfficiënt kunnen bovendien analyses met verschillende meetbereiken onderling worden vergeleken. Alle variatiecoëfficiënten van de onderzochte kuvettentests (afb. 3) zijn kleiner dan 3 %. Dit betekent dat de nauwkeurigheid van de methodes goed tot zeer goed is. De kuvettentests voor ammonium, ijzer, nitraat en fosfaat waarvan de VK s duidelijk lager zijn dan 1 % en dus als zeer nauwkeurig kunnen worden beschouwd, verdienen speciale vermelding. 2,2 2,21 2,13 1,84 0,42 LCK521 ijzer, sporen 0,70 1,19 LCW532 mangaan, sporen LCK339 nitraat LCK541 nitriet, sporen LCK349 ortho-fosfaat LCK310 chloor, vrij LCK310 chloor, totaal Afb. 3: variatiecoëfficiënten (V x0 ) van de LANGE-kuvettentests afkomstig uit de kalibratie 0,51 0,74 De nauwkeurigheid van analyses en de grenswaarde ( 10 %) In de analytische chemie is de nauwkeurigheid van een analyse afhankelijk van de concentratie van de te bepalen parameter. Deze neemt in de buurt van de ondergrens van een analyse duidelijk af. Volgens de drinkwaterwetgeving mogen de resultaten van toegestane meetmethode een spreiding van max. 10 % rondom de gestelde grenswaarden hebben. De in de Duitse drinkwaterverordening genoemde waardes voor de nauwkeurigheid hebben betrekking op de concentratie in de buurt van de grenswaarde. Hierdoor is men ervan verzekerd dat de toegepaste methode nauwkeurig genoeg is om voor de betreffende parameter bij deze waarde een betrouwbaar resultaat te leveren. De nauwkeurigheid van de kuvettentests is berekend met behulp van de Software für die statistische Kontrolle analytischer Daten SQS (Version 1.51, Perkin Elmer, Rodgau-Jügesheim) en de gegevens van de basisvalidatie. Alle gevalideerde kuvettentests waarvoor in de Duitse drinkwaterverordening informatie of voorwaarden zijn te vinden (aluminium, ammonium, ijzer, mangaan, nitriet en nitraat) hebben een hoge nauwkeurigheid bij de gestelde waarde. Ze liggen onder de genoemde spreiding van max. 10 %. Bij ammonium, aluminium, ijzer en nitraat is de spreiding zelfs minder dan 3 %. Voor de parameters chloor (vrij/ tot.) en ortho-fosfaat zijn in de Duitse drinkwaterverordening geen voorwaarden vastgelegd.

5 5 Nauwkeurigheid bij veelvuldig gebruik Een andere doelstelling voor routineanalyses is het garanderen van een hoge nauwkeurigheid en de juistheid van de resultaten over een lange periode. Door het systematisch herhalen van controleanalyses bij drinkwatermonsters met standaard additie (tien stuks in duplo) is de nauwkeurigheid van de kuvettentests gecontroleerd en beoordeeld. Deze controle is uitgevoerd op verschillende meetdagen over een periode van twee tot drie weken. Voor deze resultaten is de standaardafwijking binnen de reeks (duplo bepalingen per meetdag), tussen de reeks en de totale standaardafwijking volgens Funk et al. [5] berekend. Ook bij herhaaldelijk testen over een lange periode behouden alle gecontroleerde kuvettentests een hoge tot zeer hoge nauwkeurigheid. Er is geen tijdsafhankelijkheid van de resultaten geconstateerd. Continuïteit: invloed van verschillende reagens-charges op de nauwkeurigheid Met de continuïteit van een methode wordt de relatieve ongevoeligheid van een analyse voor veranderingen in de analytische randvoorwaarden bedoeld. Om de continuïteit van de kuvettentests te controleren, zijn reagentia uit verschillende charges getest. Hiervoor is een standaardoplossing in een matrixvrije oplossing (ultrapuur water) herhaaldelijk een reeks van 3 kuvettentests uit twee verschillende charges geanalyseerd. De verschillen tussen de gemiddelde waarden van de beide meetreeksen (elk N=3) met verschillende charges zijn bij alle kuvettentests minimaal. De relatieve standaardafwijking voor alle meetwaarden (N=6) is een maat voor de spreiding en deze is voor alle onderzochte kuvettentests goed tot zeer goed. De relatieve standaardafwijking is bij alle kuvettentests minder dan 3 %. Er is dus geen invloed van de charges op de nauwkeurigheid van de kuvettentests. Juistheid Bepalen van de recovery De juistheid een maat voor de afwijking van de meetwaarde (resp. van het gemiddelde van meerdere meetwaarden) ten opzichte van de juiste, werkelijke waarde veroorzaakt door een systematische fout. Ter controle van de juistheid van de kuvettentests zijn de te analyseren stoffen met gecertificeerd referentiemateriaal aan echte drinkwatermonsters [1] toegevoegd. Deze oplossingen zijn met behulp van de kuvettentests zes keer onder gelijke omstandigheden geanalyseerd. Voor het bepalen van de juistheid met behulp van de recovery worden de meetwaarden eerst gecontroleerd (volgens Grubbs, P=99 %) op uitschieters. De recovery is de gemeten concentratie (gemiddeld, N=6) in procenten ten opzichte van het toegevoegde referentiemateriaal. Afb. 4: kuvettentest LCK310 chloor (vrij en totaal) Afb. 5: kuvettentest LCK349 ortho-fosfaat

6 6 DRINKWATERANALYSE_VALIDATIE Validatie van kuvettentests: juistheid De recovery van de onderzochte kuvettentests ligt tussen 91,2 en 100,8 %. Met de kuvettentests voor ijzer en orthofosfaat werd in alle matrices de hoogste recovery gevonden (96,9 98,6 %). Afb. 6: voor de bepaling van lage concentraties mangaan LCW532 LCK/parameters Recovery in % LCK301 aluminium 91,8 LCK304 ammonium 98,2 LCK310 chloor, vrij 94,9 LCK310 chloor, totaal 91,5 LCK521 ijzer, sporen 99,2 LCW532 mangaan, sporen 98,0 LCK339 nitraat 100,8 LCK541 nitriet, sporen 91,2 LCK349 ortho-fosfaat 97,6 Tabel 2: recovery van de LANGE-kuvettentests in ultrapuur water Hiermee wordt voldaan aan de eisen van de Duitse drinkwaterverordening betreft de vereiste juistheid (max 10 % afwijking t.o.v. de grenswaarde). Recoverywaarden in verschillende matrices Een belangrijk criterium van een testmethode is de toepasbaarheid op echte monsters. Matrixeffecten en afzonderlijke analysestappen kunnen resulteren in een grotere onnauwkeurigheid en/of een constante of proportioneel systematische afwijking van de resultaten t.o.v. de werkelijke waarden. Een goede methode voor het evalueren van matrixinvloeden is het bepalen van de recovery in een aangepaste matrix. Voor deze matrices is aan echt drinkwater hypochloriet (0,8 mg/l vrij Cl 2 ), calcium (365 mg/l CaCO 3 = 20 dh), ijzer (2 mg/l Fe) of mangaan (1 mg/l Mn) toegevoegd. Met elke kuvettentest is voor de 4 matrices de recovery over het hele bereik geanalyseerd. Het resultaat van de onderzochte kuvettentests lagen tussen 90 en 100 %, en vallen binnen de in de Duitse drinkwaterverordening 2001 vastgelegde criteria voor de juistheid. Een uitzondering hierop was de kuvettentest voor aluminium. Hiermee werd voor de matrix met mangaan een recovery van slechts 85,1 % bereikt. Voor alle kuvettentests is de recovery, afhankelijk van de matrix, goed tot zeer goed te noemen. Controle van de detectielimiet (volgens DIN 32645) In de Duitse drinkwaterverordening zijn in bijlage 5 voorwaarden voor de detectiegrens als % van de grenswaarde vastgelegd. De detectiegrens is de kleinste concentratie van de parameter die kwalitatief nog kan worden gedetecteerd. De bepalingsgrens de kleinste concentratie van een parameter die kwantitatief kan worden bepaald. De bepalingsgrens is de concentratie vanaf waar de meting voldoet aan de eis betreft de nauwkeurigheid. Omdat bij drinkwateronderzoek de concentraties van de verschillende parameters kwantitatief worden bepaald, is voor deze validatie de bepalingsgrens en niet de detectiegrens gehanteerd voor de beoordeling van de methodes. De bepalingsgrens is volgens DIN (kalibratielijnmethode) vastgesteld. De bepalingsgrens werd bepaald door tien dagen lang, tien standaarden met gelijk oplopende concentratiestappen te meten. De laagste concentratie is gelijk aan de ondergrens van de betreffende kuvettentest.

7 7 De kuvettentests voor de bepaling van aluminium, ammonium, ijzer (sporen), mangaan (sporen), nitraat en nitriet (sporen) voldoen aan de gestelde voorwaarden voor de detectiegrens. Voor de parameters chloor (vrij en totaal) en ortho-fosfaat zijn in de Duitse drinkwaterverordening 2001 geen voorwaarden vastgelegd. De bepalingsgrenzen van deze kuvettentests is vergelijkbaar met die van de gestandaardiseerde fotometrische methodes. Nr. Onderzochte kuvettentest Meetbereik kuvettentest in mg/l Bepalingsgrens in mg/l Bepalingsgrens in % 1 LCK301 aluminium 0,02 0,5 0,017 8, LCK304 ammonium 0,02 2,5 0,0086 1, LCK310 chloor, vrij 0,05 2 0, LCK310 chloor, totaal 0,05 2 0, LCK521 ijzer, sporen 0,01 1 0, LCW532 mangaan, sporen 0,005 0,5 0, LCK339 nitraat ,44 0, LCK541 nitriet, sporen 0,005 0,1 0,0063 6, LCK349 ortho-fosfaat 0,15 4,5 0,045 0,67 - Proceskarakteristieken van de TVOdetectiegrens in % Tabel 3: bepalingsgrenzen van de onderzochte LANGE-kuvettentests vergeleken met de gespecificeerde proceskarakteristieken van de Duitse drinkwaterverordening Vergelijking tussen kuvettentests en gestandaardiseerde fotometrische methodes Dit onderzoek is gebaseerd op vergelijking van de eigenschappen van de beide methodes (kuvettentests t.o.v. gestandaardiseerde fotometrische methodes). Bij dit onderzoek zijn de eigenschappen van de gestandaardiseerde fotometrische methodes apart bepaald [1]. Om de vergelijkbaarheid van resultaten bij drinkwatermonsters te beoordelen zijn monsters met een matrix dat representatief is voor drinkwatertoepassingen met de kuvettentests en de volgens de gestandaardiseerde methodes in reeksen van 6 analyses bepaald. Voor zowel de onderzochte gestandaardiseerde fotometrische methodes als de kuvettentests ligt de recovery (een maat voor de juistheid) in de monsters tussen 91,0 en 103,8 %. Het resultaat voor de relatieve standaardafwijking (als maat voor de nauwkeurigheid) van onderzochte methodes was goed tot zeer goed, namelijk tussen 0,29 en 2,6 %. Een uitzondering hierop is de gestandaardiseerde fotometrische methode voor nitraat, die met een variatiecoëfficiënt van 4,9 % duidelijk hoger dan de grenswaarde van 3 % ligt. Het vermelden waard is dat de kuvettentests voor mangaan en nitraat in vergelijking met de gestandaardiseerde fotometrische methode nauwkeuriger zijn. Over het algemeen liggen de bepalingsgrenzen van de kuvetten tests in dezelfde orde van grootte als de bepalingsgrenzen van de gestandaardiseerde fotometrische methodes. Afb. 7: kuvettentest LCK521 ijzer, sporen

8 DRINKWATERANALYSE_SAMENVATTING Beoordeling van de validatie In het kader van de door het IWW uitgevoerde validatiestudie zijn negen LANGE-kuvettentests gevalideerd en volgens de eisen van de Duitse drinkwaterverordening 2001 (Bijlage 5) op hun prestaties gecontroleerd en beoordeeld. De kuvettentests voor aluminium, ammonium, ijzer (sporen), mangaan (sporen), nitraat en nitriet (sporen) voldoen aan de voorwaarden die in de Duitse drinkwaterverordening 2001 aan voor de juistheid, nauwkeurigheid en bepalingsgrens worden gesteld. De prestatievariabelen liggen steeds onder 10 %. Op basis van de vastgestelde prestatievariabelen zijn deze kuvettentests in principe geschikt voor gebruik bij het onderzoek van drinkwater en ongezuiverd water. Voor drie van de onderzochte LANGEkuvettentests (chloor vrij, chloor totaal en ortho-fosfaat) zijn in de Duitse drinkwaterverordening 2001 geen voorwaarden opgenomen. Alle prestatievariabelen van de kuvettentest voor ortho-fosfaat (juistheid, nauwkeurigheid en bepalingsgrens) liggen onder 10 %. Daarmee zou deze kuvettentest ook aan de drie voorwaarden voldoen. De prestatievariabelen voor de nauwkeurigheid en bepalingsgrens liggen bij de kuvettentests voor chloor vrij en chloor totaal boven 10 %, voor de juistheid onder 10 %. LANGE-kuvettentest Meetprincipe volgens norm Juistheidsafwijking 10 % Nauwkeurigheidsafwijking 10 % Bepalingsgrens afwijking 10 % LCK301 aluminium Nee Ja Ja Ja LCK304 ammonium Ja Ja Ja Ja LCK521 ijzer, sporen Ja Ja Ja Ja LCW532 mangaan, sporen Nee Ja Ja Ja LCK339 nitraat Ja Ja Ja Ja LCK541 nitriet, sporen Ja Ja Ja Ja Tabel 4: proceskarakteristieken van de LANGE-kuvettentests Afb. 8: kuvettentest LCK339 nitraat Met dit resultaat liggen de karakteristieken merendeels in dezelfde orde van grootte als de karakteristieken bij de gestandaardiseerde fotometrische methode. De reden hiervoor is de beperkte stabiliteit van de standaardoplossingen die steeds opnieuw moeten worden gemaakt, en is dus niet afhankelijk van het analyseproces. Literatuur [1] Prüfung und Bewertung ausgewählter HACH LANGE Prüfverfahren für die Untersuchung von Trinkwasser gemäß Trinkwasserverordnung 2001, 2008, IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasser Beratungs- und Entwicklungsgesellschaft mbh, Moritzstraße 26, Mülheim an der Ruhr [2] Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch (Trinkwasserverordnung TrinkwV 2001) vom 21. Mai 2001; BGBl., Teil I, Nr. 24 vom , S [3] DIN EN ISO/IEC 17025: ; Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien (ISO/ IEC 17025:2005); Deutsche und Englische Fassung EN ISO/IEC 17025:2005 [4] Liste der Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren gemäß 11 Trinkwasserverordnung 2001, Umwelt Bundesamt 2004 [5] Qualitätssicherung in der Analytischen Chemie, Funk W., Dammann V., Donnevert G, 2005; Wiley-VCH, Weinheim DOC Apr09