عدم قطعیت در آنالیز مواد شیمیایی

علم آنالیز به طور فوق العاده‌ای یک دانش کمی است، زیرا در بسیاری از موارد یک جواب کمی بیش از یک پاسخ کیفی با ارزش است. یک جواب کمی برای تشخیص حضور ترکیب یا عنصر مورد نظر در نمونه، می‌تواند پاسخی برای آنالیز کیفی آن نیز باشد. در بسیاری از موارد نیز فقط جواب کمی دارای ارزش است زیرا مثلا تمام نمونه‌های سرم خون انسان حاوی آلبومین می‌باشند و تنها سئوال اساسی این است که مقدار آن در نمونه‌های خون افراد مختلف چقدر است؟ نابراین  ارزش بالای داده های کمی در آنالیز نشان دهنده اهمیت مبحث عدم قطعیت در آنالیز مواد شیمیایی نیز هست.

شاخه‌های مختلف علوم تجربی اعم از رشته های مختلف مهندسی، پزشکی، زیست محیطی و غیره در اکثر مواقع نتایج به دست آمده از آزمون ها و پژوهش‌های خود را به صورت اعداد و ارقام ارائه می‌نمایند. در واقع اکثر پژوهش‌ها و آزمایشات به صورت کمی انجام می‌شود تا به صورت کیفی. همه این اعداد از تعداد معینی رقم تشکیل شده‌اند که تمام ارقام تشکیل دهنده آنها به یک اندازه با معنی نیستند. پس همه داده های اندازه گیری شده قطعا با انواع خطا همراه خواهند بود.

تعریف عدم قطعیت

به طور کلی عدم قطعیت (uncertainty) یعنی نداشتن قطعیت. عدم قطعیت نشانه شک و گمان در نتیجه اندازه گیری ست و نشان دهنده شرایطی ست که به دلیل دانش ناکافی امکان اظهار نظر قطعی در مورد شرایط حال یا آینده آن وجود ندارد.

اندازه گیری ها اطلاعاتی در مورد خاصیت یا ویژگی مورد نظر فراهم می کنند. بسیاری از ما با عدم تطابق داده های یک اندازه گیری از یک خاصیت یکسان در نمونه های یکسان مواجهه شده ایم. حتی در شرایط کاملا مشابه مقادیر یک اندازه گیری یکسان نخواهد بود. این موضوع به عدم قطعیت در پارامترهای موثر بر اندازه گیری مرتبط است. عدم قطعیت در همه اندازه گیری ها وجود دارد. اندازه عدم قطعیت کیفیت نتیجه را مشخص می کند. به عبارت ساده تر، عدم قطعیت میزان شک و تردیدی ست که در نتیجه هر اندازه گیری به وجود می آید.

به علت وجود انواع خطاهای موجود در روش‌ها، ابزار و دستگاه‌های به کار رفته و خطای شخص آزمایش کننده، هر اندازه‌گیری کمی با درجه‌ای از عدم قطعیت همراه است. از آنجایی که خطا یک مفهوم ایده آل است و امکان شناخت همه منابع خطاها وجود ندارد، مقدار خطا در هر اندازه گیری هیچ‌گاه نمی‌تواند به طور کامل حذف شود و فقط می‌تواند تا حد قابل قبولی کاهش یابد.

 

وظیفه یک آنالیست یا تجزیه‌گر به کارگیری صحیح ابزار‌ها، دستگاه‌ها و روش‌های مناسب تجزیه‌ای است تا مقدار اندازه‌گیری شده، هرچه بیشتر به مقدار واقعی نزدیک باشد. تعیین عدم قطعیت اندازه گیری‌ها اغلب دشوار است و نیاز به سعی فراوان، مهارت و قضاوت منصفانه دارد. معمولا یافتن روشی ساده و روشن که بتوان توسط آن مقدار یک نتیجه تجربی را با قطعیت مطلق تعیین کرد، امکان‌پذیر نیست. در نتیجه همان قدر که برای به دست آوردن داده های درست و دقیق باید تلاش کرد، تعیین ارزشیابی آنها مستلزم کوشش جدی ست.

روش‌های اندازه‌گیری معمولا با استفاده از روش‌های استاندارد انجام می‌شوند. روش‌های استاندارد شامل روش‌هايي است که توسط افراد خبره پیشنهاد شده و توسط چندین آزمایشگاه مرجع بین المللی تائید شده باشد. روش‌های استاندارد شامل شرح دقیق تمام مراحل آزمایش از جمله نمونه‌برداری، شرایط نمونه‌گیری، مقدار نمونه، معرف‌های مورد نیاز، وسایل مورد نیاز، روش کالیبراسیون، نحوه محاسبه نتایج و .. می‌باشد. روش‌های استاندارد توسط مجامع بین المللی مثل سازمان بین المللی استاندارد (ISO)، انجمن آمریکایی آزمایش و مواد (ASTM) و .. با شماره‌های مشخصی برای هر روش اندازه‌گیری چاپ می‌شوند.

روش‌های آنالیزی که ممکن است برای نخستین بار استفاده شوند و یا در اندازه‌گیری یک ترکیب جدید به کار رفته باشند، باید قابلیت پذیرش در مجامع علمی بین المللی و یا آزمایشگاه‌های مرجع را داشته باشند، یعنی در واقع شامل پارامترهایی باشند که توانایی و قابلیت روش آنالیزی مورد نظر را به خوبی نشان دهند.

روش‌های آنالیزی که ممکن است برای نخستین بار استفاده شوند و یا در اندازه‌گیری یک ترکیب جدید به کار رفته باشند، باید قابلیت پذیرش در مجامع علمی بین المللی و یا آزمایشگاه‌های مرجع را داشته باشند، یعنی در واقع شامل پارامترهایی باشند که توانایی و قابلیت روش آنالیزی مورد نظر را به خوبی نشان دهند.

دو روش برای قابلیت پذیرش روش‌های آنالیزی وجود دارد که عبارتند از: روش کلاسیک و روش تناسب برای هدف. روش اول روش کلاسیک یا سنتی (Traditional approach) است که اساس آن بر پایه تعریف مفاهیم کارایی و مقادیر ارقام شایستگی (figure of merit) استوار است. شاخصه‌های سنتی در ارزیابی یک روش عبارتند از: صحت، قابلیت کاربردی (Applicability) شامل ماتریس نمونه، محدوده غلظتی و ارجحیت عمومی نسبت به روش‌های دیگر، حدود تشخیص و حدود اندازه‌گیری (Detection and determination limits)، خطی بودن کالیبراسیون (Linearity calibration) و …

روش دوم که به آن تناسب برای هدف یا (fitness for purpose) گویند براساس اندازه‌گیری و تخمین عدم قطعیت استاندارد در هر مرحله و در نهایت تخمین عدم قطعیت کل آزمایش یا اندازه‌گیری است. این روش تمامی مراحل آزمایش از نمونه‌برداری تا انجام محاسبات و ارزیابی نتایج را در برمی‌گیرد. امروزه استفاده از این روش معمول‌تر از روش اول است چون با نظارت دقیق در تمام مراحل اندازه‌گیری، می‌توان ضمن پی بردن به عوامل ایجاد خطا و شناخت منابع آنها، آزمایش را در جهت کاهش خطاها  ادامه داد. با انتخاب این روش آنالیست می‌تواند روش آزمایشی را بر اساس اطلاعات موجود خود انتخاب کند و نتایج آزمایش را بر اساس عدم قطعیت نهایی در آزمایشگاه خود توضیح دهد.

برنامه‌ریزی برای اندازه گیری عدم قطعیت در آنالیز مواد شیمیایی

ساده سازی مراحل روش آنالیزی برای جلوگیری از پیچیدگی مراحل کار و کاهش زمان آنالیز بسیار با اهمیت است. برای یک روش تجزیه‌ای می‌توان مراحل زیر را برای آنالیز یک یا چند آنالیت در نمونه به صورت اندازه‌گیری همزمان و یا متوالی به کار برد.

• انتخاب روش آنالیزی با صحت مورد نظر ( از نظر محدوده غلظتی، حد تشخیص و حساسیت روش آنالیزی)
• برنامه‌ریزی آنالیزی به‌طوری که تمام اطلاعات مفید را بتوان از داده‌ها استخراج کرد و حداقل هزینه و زمان را در برداشته باشد
• شناسایی و تعیین محدودیت‌ها برای اندازه‌گیری ماده مورد آزمایش
• تعیین تمام فاکتورهای موثر بر صحت و دقت نتیجه تجزیه‌ای. فاکتور‌های موثر بر نتیجه یک آزمایش باید تا حد زیادی کنترل شوند به طوری که تکرار یک آزمایش در زمان‌های متفاوت تحت شرایط آزمایشی یکسان، نتایجی با محدوده قابل قبولی از عدم قطعیت همراه باشد.

مراحل 4-2 را می‌توان با روش‌های طراحی آزمایش ( Experimental design) مناسب انجام داد.

• انجام آزمایش، به دست آوردن نتایج خام و انجام محاسبات
• تخمین عدم قطعیت هر مرحله و بدست آوردن عدم قطعیت کل

منابع اصلی عدم قطعیت باید در هر مرحله از اندازه‌گیری مشخص باشد. بهتر است بر روی دلایل یا منابع با عدم قطعیت بالا بیشتر متمرکز شویم. منابع عدم قطعیت‌هایی که بزرگتر یا مساوی یک سوم عدم قطعیت کل هستند را باید با جزئیات بیشتری مورد ارزیابی مجدد قرار داد. رسم دیاگرام علت- معلولی ( Cause and effect diagram) برای مشخص شدن عدم قطعیت‌ها و منابع آنها در یک روش آزمایشی اغلب می‌تواند بسیار سودمند باشد.

اگر به مباحث تخصصی تر عدم قطعیت در آنالیز مواد شیمیایی علاقه مندید مقالات زیر توصیه می شود:

محاسبه عدم قطعیت در آنالیزهای شیمیایی: مفاهیم اولیه، اصطلاحات و تعاریف، مراحل محاسبه

محاسبه عدم قطعیت نتایج وزنی ترازوی آناليتيكی: انواع خطاها، روش کالیبراسیون و  تعيين عدم قطعيت

عدم قطعیت وسایل حجم‌ سنجی

عدم قطعیت در اندازه گیری عناصر با جذب اتمی