1.9　实验室质量控制

实验室质量控制是保证测量数据准确可靠的重要环节，是消除实验过程中的系统误差、过失误差和降低偶然误差的实验室控制方法。通过质量控制，使误差控制在容许限度内，使分析数据在给定的置信水平内，有把握达到所要求的精密度和准确度。实验室质量控制包括实验室内质量控制和实验间质量控制两方面内容。

1.9.1　实验室内质量控制

（1）质控程序与质控指标

①校准曲线的绘制和检验　一般依据4～6个浓度单位所获得的测量信号值绘制校准曲线。在特殊的情况下，如ICP-AES，由于光源稳定性高，校准曲线的线性范围宽，可以用两个浓度单位所获得的测量信号值绘制校准曲线（或称二点标准化）。

1）校准曲线的检验。

线性检验——一般要求相关系数|r|≥0.999，否则应找出原因，加以纠正，对于石墨炉原子吸收法，可适当放宽|r|≥0.99。

截距检验——校准曲线准确度检验。在线性合格的基础上对其线性回归，得回归方程Y=a+bx；然后将所得截距a与0做t检验，当取95%置信水平，经检验无显著性差异时，a做0处理，方程简化为Y=bx，移项后x=Y/b，在线性范围内，样品测量信号校正空白后由曲线查阅并计算出试样的浓度。

当a与0有显著性差异时，说明代表校准曲线的回归方程的计算结果准确度不高，应找出原因并予以纠正后，重新绘制校准曲线，并经线性检验合格后再计算回归方程，重新检验截距合格后才能使用，否则必将给测量结果带来相当截距a的系统误差。

2）截距统计检验方法。计算剩余标准差So：

（1-48）

计算截距标准偏差Sa：

（1-49）

计算统计量：

（1-50）

查t分布表，得临界值t0.05（f）与计算t值比较，若|t|≥tα（n-2），则a与0存在显著差异，若|t|<tα（n-2），则α与0差异不显著。

斜率检验——方法灵敏度检验。方法的灵敏度是随条件的变化而改变的。在完全相同的分析条件下，仅由于操作中的随机误差而引起的斜率变化不应超出一定的允许范围，这个范围会因为分析方法的精密度不同而不同。例如，一般而言，分子吸收分光光度法要求其相对差值小于5%，而原子吸收分光光度法要求其相对差值小于10%等。

3）斜率统计检验方法。斜率即回归系数，它是反应灵敏度的参数。

计算统计量t：

（1-51）

查t分布表，确定显著性水平，如t0.05（f），查得临界值，比较计算的t值与临界值的大小，差|t|≥t0.05（n-2），则b与b0有显著性差异，若|t|<t0.05（n-2），则b与b0无显著性差异。

②空白值的测定　在常规分析中，空白值的测定需每次做平行实验，要求其相对偏差一般不大于50%，取其平均值作为同批试样测量结果的空白校正值。

③平行双样测定　进行平行双样的测定，有助于减少偶然误差，也有助于估计同批测定的精密度。

测定率：随机抽取10%～20%的样品进行平行双样测定，当同批样品数量较少时，应当增加双样的测定率。无质量控制样品和质量控制图的分析项目，应对全部样品进行平行双样测定。

控制方法：分析人员在测定样品时，对同一样品称量两份，或由质控人员将平行双样密码编号及其他测定样品发给分析人员测定后检查；将质控样品的测量结果标在质控图中进行判断，环境样品测定所得的相对偏差不得大于标准方法，或统一方法所规定相对标准偏差的2.83倍（见表1-34）。

在痕量分析中，测量结果的相对偏差小于25%时认为良好；在25%～50%之间可以接受；若大于50%，结果不好。

实践经验表明，农业环境土壤样品中铜、锌、铅、铬、镍、镉、砷、汞的测定平行双样的结果允许相对偏差可参考表1-35；对未列出允许误差的方法，当样品均匀性和稳定性较好时请参考表1-36的规定。

平行双样测定不合格率<95%时，除对不合格者重新平行双样测定外，应再增加测定10%～20%平行双样，到合格率≥95%以上。

④加标回收测定　是检验测定结果准确度的一种方法，尤其是没有质控样品时经常使用加标回收的方法进行准确度的质量控制。

测定率：在一批试样中随机抽取10%～20%的试样进行加标回收测定，当同批试样较少时，应适当加大测定率，每批同类试样中加标试样不应少于2个。

控制方法：分析人员在分取样品的同时另取一份并加入适当标样，或由质控人员做密码加标样发给分析人员测定后判定检验结果是否合格。有准确度控制图的分析项目，将测定结果标入图中进行判断；无控制图的均匀性较好的样品，其测定结果不得超出监测分析方法中规定的加标回收率范围。未列入回收率范围的，以95%～105%为目标值计算出95%的置信区间，作为正常允许范围。

回收率目标值95%置信区间计算方法：

（1-52）

（1-53）

式中，t0.05（f）为由t分布表查得临界值；S为几个加标量的标准偏差；D为加标量（单位与计算S相同）。

⑤质控样测定　在同一批试样中加入质控样，可以是明码样，也可以是由质控人员加的密码样，因为质控样一般采用的是标准样品，具有准确的测定值及范围，它可以检验测定结果的准确性。在大批样品的测定时，用质控样进行质量控制。

⑥室内互检　在同一实验室内的不同分析人员之间相互检查和比对分析。不同的分析人员使用同一种分析方法独立测量同一种样品，通过对结果的检验达到考核分析人员的目的。具体方法是质控人员将质控样品密码编号发给分析人员，或者是将平行试样发给分析人员，各自独立完成相同项目的测定，结果由质控人员进行准确度、精密度和系统误差的检验。

⑦室间外检　将同一样品的子样分别发给不同实验室进行分析，以检验分析结果的系统误差。方法是可以发给质控样（或试样），将测定结果用t检验或F检验，考察室间是否存在系统误差。

⑧方法比较实验　应用具有可比性的不同分析方法，对同一样品进行测定，并将结果进行准确度和精密度的比较。凡遇到对测定结果有争议的样品，或者是建立新的分析方法，或者是使用一种新的设备，经常会使用方法比较实验。

⑨质量控制图的使用　农业环境样品，特别是土壤样品属于同种类的样品，在大批量的样品测定时，使用质控图进行质量控制可以直观地描绘数据质量的变化情况，能及时发现分析过程的变化趋势，测量过程是否有明显的系统偏差，并能指出偏差的方向，也是在例行分析中数据取舍的最好标准和依据。

（2）质控图的绘制和使用

用于分析的质控图有均值控制图、均值-极差控制图、准确度控制图、多样控制图等，但目前经常使用的是均值控制图、均值-极差控制图和准确度控制图。

①均值控制图

1）质控图组成：分析质量控制图是以±3S为控制界限，±2S为警告界限，±S为辅助线；为中心线；测定值在±3S范围内置信概率为99.73%，在x±2S内的概率为95.45%，在x±S内的概率为68.26%。质量控制图的基本组成见图1-3。

2）质控图要求

a.根据质量控制样品积累数据，总数不少于20个，计算平均值和标准偏差S，绘制上述的质控图。然后将控制样的原始数据依照测定的顺序点在图的相应位置上。如果超出控制限，应剔除，要保证落在控制限内的数据≥20个，如数据不够，应补充新的数据，重新计算各参数并绘图，再标上各数据。

b.落在±S范围内的点数应占总点数的68%，如果落在此范围的点数<50%，则由于分布不合适，此图不可靠。

c.连续七点位于中心线的同一侧，表示数据失控，此图不适用。如果出现上述情况之一，需要查明原因，加以纠正，重新测定质控样品，重新计算参数，重新绘图，直至分布合适为止。

3）质控图使用。在例行分析时，每批样品中都带两个平行质控样，将两个质控样的测定平均值点在质控图上，按下列规定检验分析过程是否处于控制状态。

a.如果该点位于中心线附近、上下警告线之间的区域内，则本次测定过程正常，处于控制状态，此批样品的测量结果可靠。

b.如果该点超出上下警告线，但仍在上、下控制限之间，则提示分析质量变劣，有“失控”的倾向，数据虽然还可以接受，但应进行检查，采取相应的校正措施。

c.如果该点落在上、下控制限之外的区域，则表示测量过程失去控制，应立即检查原因，予以纠正，并重新测定该批全部样品。

d.如遇有七点连续上升或下降时，表示有失去控制的倾向，应立即查明原因，加以纠正。

e.如遇有相邻6点位于中心线一侧，或相邻4点有3点超越一侧辅助线，或相邻10点中有8点位于中心线一侧时，虽然分析过程仍处于“控制状态”，数据仍然可以接受，但是已经说明过程有失去控制的可能，应查明原因，采取措施纠正。

4）应用实例。a.空白试验控制图：用氢化发生-原子荧光光谱法测量土壤中砷，每次测量带空白样两个，经不同天数10次测量收集数据20个，数据见表1-37。

计算：=0.010，标准偏差S=0.004；上控制限UCL=+3S=0.019；上警告线UWL=+2S=0.016；上辅助线UAL=+S=0.013；中心线CL==0.010。控制见图1-4。

b.土壤空白试验值中8种重金属元素的质控图。在《农业环境背景值研究》中，使用土壤第二参考样品绘制的几种重金属均值控制见图1-5。

②均值-极差控制图（-R图）　均值-极差控制图实际上是由均值控制图（x图）和极差控制图（R图）组成的，即用和平行样品的极差R以及有关常数来绘制的。它可以同时观察均值和极差的变化情况和趋势，以达到观察批间分析结果变化情况（均值图）和批内分析结果差异大小（极差图）。为了建立-R控制图，需要积累20对以上平行质控样的测量数据，这些数据应该是日常积累起来的。求出每对的平均值和极差R，然后再求出总的平均值和平均值极差。

质控图组成如下。

1）均值控制图部分包括：中心线；上、下控制限；上、下警告线；上、下辅助线。

2）极差控制图部分包括：中心线；上控制限；下控制限（为0）；上警告线。

上式中，A2、D3、D4可从表1-38查到。或将系数值直接代入式中绘制-R控制图（见图1-6）。

图1-6　-R控制图

③准确度控制图

1）组成和绘制。准确度控制图是以试样中加标回收率的测定值为数据，用均值控制图绘制而成的。为此，至少需完成20份试样和加标试样的测定，先计算出各次的加标回收率P，然后再计算出全体的平均加标回收率和加标回收率的标准偏差SP。

（1-54）

（1-55）

式中，C2为加标后测量值；C1为试样测量值；D为加标量。

（1-56）

根据和SP计算控制限、警告线和辅助线，绘制控制图。其中，中心线CL=；上、下控制限UCL（LCL）=±3SP；上、下警告线UWL（LWL）=±2SP；上、下辅助线UAL（LAL）=±SP。准确度控制见图1-7。

2）对加标量的规定：加标量应尽量与样品中相应的待测组分含量相等或相近；加标量不得大于样品中相应的待测组合含量的3倍；加标后的测定值不得超过校准曲线的测定上限。

（3）实验室应建立的质控图档案

农业环境分析实验室在日常的例行分析中，遇到样品量最大的是土壤样品，而土壤样品是属于同种类的样品，很适合用质控图的方法控制分析过程的质量。实验室应建立起土壤中8种重金属的质量控制图。

①不同分析方法各自建立质控图　目前，土壤中8种重金属的测定方法通常采用原子吸收法、氢化发生-原子荧光法或电感耦合等离子体质谱法，不同的方法应对所测定的元素分别建立质控图。

②建立空白质控图　可以随时发现实验用水、试剂的纯度问题，对痕量分析尤为重要。

③质控图的调整　在质控图的使用过程中，应积累更多的合格数据，合格数据越多，控制图的可靠性就越大。如以每增加20个数据为一个单元，逐次计算新的平均值（）来调整中心线的位置，以不断提高其准确度。逐次计算新的控制限来调整上、下控制限的位置，从而不断提高其灵敏度，直至中心线和控制限的位置基本稳定为止。

④建立质控图技术档案　通过计量认证的实验室，应逐步建立起质控图技术档案，质控人员可以借此执行质量控制。

1.9.2　实验室间质量控制

（1）目的

①建立统一的质量控制体系　在农业环境监测体系的范围内，应建立起国内省级的统一质控体系，成立由农业部环境监测总站为核心及部分省级监测站参加的专家技术组，负责统一的质控工作。这一体系可以称为一级质控体系。各省监测总站可以建立本省系统的二级质控体系。

②建立协作项目的质控体系　参与协作项目的实验室，应建立质控体系的专家技术组，负责质控工作，内容包括人员培训、统一方法、仪器校准、现场盲样考核、数据处理规则、精密度和准确度的要求及样品的互检与抽查等。

③建立上级管理机构对下属实验室性能评价和人员技术评定的质控体系。

（2）质控程序

①建立工作机构　通常由上级单位的实验室或专门组织的专家技术组负责主持工作。

②制定质控方案　根据目的，制定质控方案，提出明确要求。

③实验室按质控方案完成各项考核，按规定要求上交考核报表。

④专家技术组对实验室的数据质量进行评价。

⑤向参加单位通知技术考核结果。

（3）质量控制方法

实验室间的质量控制是在各实验室内部质控基础上进行的，其目的只有一个就是减少各实验室的系统误差，使所得数据具有可比性，提高实验室的监测水平。为此，实验室间质控在许多方面应在统一规定的前提下进行的，如分析方法，包括样品的处理方法、仪器设备的种类和性能、标准溶液的校准、样品的测试、精密度和准确度的要求范围、数据的统计处理方法、结果的表达方式等都必须有一个统一规定。实验室间只有在诸多统一规定的基础上才能达到减少或消除彼此之间的系统误差，使所测定数据具有可比性和可靠性。为了达到这一个目的，实验室间的质控过程都是围绕检查系统误差展开的。

①统一分析方法　在实施质控中，首先应该统一分析方法。应从国家标准方法或行业标准方法中选定统一的分析方法，其中包括样品的化学处理方法也必须统一。目前，农业环境样品中重金属测定的标准方法以原子吸收法为主，汞、砷的测定以氢化发生-原子荧光方法为主；这两种方法应是首选的统一方法。随着新方法的发展和推广，如等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）和等离子体质谱法（ICP-MS）在国外已经列入环境法规中的标准方法中，在我国农业环境监测实验室仍处于引进阶段，还未形成标准方法。当工作中需要用标准方法以外的其他方法时，必须将该方法与相应的标准方法进行比较实验，比较实验的方法可参考相关方法进行，确定无显著性差异后方可作为“统一”分析方法使用。

②仪器性能、指标的考核　统一分析方法确定之后，应对各实验室使用的同种类仪器的性能指标进行考核，以确保仪器均处于正常的合格状态。仪器的性能指标的考核内容应是检出限、精密度和准确度。考核的方法以质控中心组统一准备的标准溶液，建立各待测元素的校准曲线，考察斜率、相关性和空白值，并对浓度居中的标准参考点进行20次的测量，计算平均值（）和单次测量的标准偏差（S）。以上各项测定结果应达到仪器的检出限、精密度和准确度指标要求，以保证各实验室间同类仪器性能指标的一致性，也是实验室间质控的前提条件。

③统一样品的考核　统一样品的考核应该在统一方法和仪器性能指标考核合格的基础上进行的综合水平考核。统一样品最好使用国家标准样品并且进行现场考核。这项考核包括样品的处理过程、实验室用水和试剂的纯度、标准系列的配制、校准曲线的建立、操作人员的熟练程度、数据的处理、结果的表达方式、报告的格式等一系列的内容检查，最后以测量结果的准确度、平行样品的精密度以及空白值的大小和平行空白的相对偏差来判断该实验室的考核结果是否符合要求。准确度的判断依据为测量结果应落在标样推荐值范围内为合格，平行样的精密度以相对偏差来表示，因为待测元素的含量范围不同，所以要求的相对偏差也不一样，土壤样品中镉、汞的含量很低，在ng/g数量级允许相对偏差<25%，其他含量在mg/g数量级以上的元素，要求允许相对偏差应<15%。对于空白平行双样，其相对偏差应<50%，其数值越小越好。

④第二参考样品的互检　国家标准样品视为第一参考样品，协作的各实验室可能有各自的参考样品，这里称为第二参考样品。将第二参考样品作为实验室间的互检样品，互检样品暂以样品制备单位所提供的数值为基础，测量结果可以考虑将精密度的要求适当放宽些，一般为20%（镉和汞为30%）为可接受数据。

⑤系统误差的检查　系统误差的检查是实验室间质控的重要内容，实验室间的误差主要是系统误差。为检查实验室间是否存在系统误差，它的大小和方向以及对分析结果的可比性是否有显著影响，可不定期地对各有关的实验室进行“误差检查”，如发现问题则应及时采取必要的校正措施。下面介绍判断实验室间是否存在系统误差的方法。

1）双样图法。这种方法是将两个浓度不相同，但较接近的试样（约±5%），同时发给各实验室，分别对其做单次测定，并于规定日期上报分析结果x和y。分别计算各实验室测定结果x、y的平均值、。以方格坐标图的横坐标和纵坐标分别代表适当范围的x和y值，画出值垂直线的值的水平线。将各实验室的测定结果（x，y）标在双样图中，如图1-8所示。

如果各实验室不存在系统误差，如图1-8（a）所示，代表各实验室的测定点应随机分布在四个象限中，大体分布在代表两个均值的直线交点为圆心的圆形图范围内。如果各实验室存在系统误差，则各实验室的测定数据可能会双双偏高或偏低，数据点将主要分布在++和--两个象限中，如图1-8（b）所示。形成了一个与纵轴约为45°方向倾斜的椭圆形分布。根据椭圆形的长轴与短轴之差及其位置可估计实验室间系统误差的大小和正负方向，还可以根据数据点的分散情况来估计各实验室间的精密度和准确度的程度。

利用双样图法的实验数据进行统计处理后，可更为准确地判断实验室间是否存在系统误差。

标准偏差分析：先将多对数据xi、yi分别做如下计算：

　　

用和值（T）计算各实验室数据的标准偏差：

（1-57）

上式中的分母乘以2的原因是数据T包括两个样品的测定结果（x，y），因而应包含有2倍的误差。用差值（D）计算出随机标准偏差：

（1-58）

由于差值D是两个类似样品测量结果相减，消除了系统误差，所以Sr是随机误差。

如果比较S和Sr，若S=Sr，表示总的标准偏差等于随机误差，而没有系统误差；若S>Sr，表明有系统误差存在。但是这个系统误差的程度如何则需要进一步进行方差分析。

方差分析：当标准偏差分析结果S>Sr时，可用F统计量检验。

（1-59）

用计算的F值与查F数值表的临界值比较（0.05是给定的显著性水平，f1、f2是估算S与Sr的自由度）。F<，表明各实验室分析结果之间不存在显著性差异，此时实验室间的系统误差对分析结果的可比性无显著性影响；若F>，表明各实验室分析结果之间存在显著性差异，此时实验室间的系统误差将显著影响结果的可比性，必须寻找原因，采用措施进行校正。

2）最大方差检验（Cochran检验）。用于各实验室测定值一致性检验，设有L个实验室参加协作实验，每个实验室对同一样品重复测量n次，分别计算出各实验室的方差为、、、…、，用下式进行统计检验：

（1-60）

式中，为L个实验室中方差最大的； 是L个实验室方差之和。

如果n=2，可以用两个结果差值的平方R 2代替S 2，则上式可写成：

（1-61）

然后根据L和n及显著性水平（α）从Cochran最大方差检验临界值表1-39中查出临界值CL，n（α），用计算值与临界值比较，判断是否为离群值。判断的标准如下：若CL，n（计算值）>CL，n（0.01的临界值），则被检验的为异常值，所代表的一组数据为离群值，可以剔除；CL，n（计算值）<CL，n（0.01的临界值），则被检验的为正常值，所代表的一组数据为正常值；若计算值在两者之间，CL，n（0.05）<CL，n（计算值）<CL，n（0.01），被检验的为偏离值，所代表的某个实验室测量的一组数据为偏离值，但还不是显著性差异，一般不予以剔除。除非只确定显著性差异为5%时，那么只要是计算的统计是CL，n>CL，n（0.05），即为具有显著性差异，应将被检验的S 2所代表的实验室剔除。表1-39为Cochran最大方差检验的临界值表。

3）F检验法。F检验法也属于方差检验法的一种，它可以用于在一组方差中最大方差和最小方差的异常值检验的方法。具体方法可如下进行：将各实验室的方差值由小至大顺序排列，S ，…，S ，用S S 和计算统计值F

（1-62）

将F计算与查F表的F临界值比较，如显著性水平为0.05，若F计算<F（0.05，f），那么两者之间不存在显著性差异，则处于两者之间的方差也无显著性差异；若F计算>F临界值（0.05，f），则两者之间存在显著性差异，应继续。

4）平均值检验法。各实验的方差检验可能不存在显著性差异，但只凭这一点还不能保证各实验室的平均值之间的一致性。因为系统误差将会导致平均值显著偏高或偏低，所以各实验室数据经过方差检验后还要进行平均值的一致性检验。具体检验方法参照（1.6.1部分离群数据的检验）t检验法和实验室间离群数据检验Grubbs检验法。实验室间离群值的检验是在实验室内数据的离群值检验基础上进行的，若某一个实验室的测量数据被判定是离群的，则剔除的是一组数据而不是个别的数据，因此必须谨慎进行，往往是使用平均值法和方差法相结合同时判断。

1.9.3　协作项目质控程序——六步质控法

在2003年，农业部组织的由农业部环境监测总站牵头的10省优势农产品（小麦和大豆）环境调查课题中执行的六步质控法的质控程序取得了良好效果。从课题起动（7月中旬）组织培训开始至实验室测量全部结束完成报告（8月下旬）仅用了不到一个半月时间，顺利、圆满地完成了这个课题。这其中的一个重要原因是组织者设计了一个具有比较合理性、严密性、跟踪性和可操作性的六步质控法。

（1）统一技术培训

要求参加课题的所有省站技术负责人必须参加培训工作，要有教材，做到人手一份。培训内容包括以下内容。

①统一采样方法　统一使用卫星自动定位仪（GDP），规定采样布点方法，每省站至少采样500个样点以上。土样自然风干、粉碎、研磨过100目，将全部样品按统一规定方法编号后，送至农业部环境监测总站。

②统一分析方法　测量项目有标准方法的，首选“国家标准”，然后选“行业标准”，无标准的选择公认、成熟可行的方法，并进行现场的实验操作培训。

③统一样品处理方法。

④统一数据处理方法。

⑤统一报告格式。

（2）现场考核

包括的内容：a.仪器指标、性能考核；b.人员操作考核；c.盲样考核；d.实验报告格式及内容考核。

（3）全部样品加平行密码质控样跟踪控制

农业部环境监测总站将10个省送到的5000个样品，按10%的加样率，加入平行密码质控样，并重新给各省样品编号后返回各省站，开始实验室的测量工作。

（4）中期数据汇总检查

①各省站将测定的样品数据整理报告后按规定时间送报至总站。

②总站质控组负责审核各站数据中质控样的准确度和精密度，若合格后，立即通知省站继续完成余下的样品测定工作；若发现不合格的数据，及时与省站沟通，指明偏差的性质，是系统误差（偏高或是偏低）还是精密度问题，并协助寻找原因，立即纠正。不合格样品重新测定，再次审核合格后继续测定后面的样品。

（5）样品的抽查与互检

目的是检查实验间是否存在系统误差：a.由总站对各省站样品进行随机抽查检验；b.总站有针对性地抽取小批量的试样，组织有关省站实验室间的互检。

（6）全部数据汇总、整理、统计、检验、评价、形成最终报告。