Extensão e desafios da análise do nitrogênio

O nitrogênio é um dos componentes essenciais do organismo vivo, cuja quantidade cobre uma gama dinâmica extremamente ampla. No setor agrícola, o teor total de nitrogênio nos fertilizantes pode ser superior a 10%; Na indústria alimentar, o teor de proteína é obtido pelo teor de nitrogênio multiplicado pelo coeficiente de conversão; No monitoramento ambiental, o teor de amoníaco e nitrogênio na água de superfície pode ser inferior a 0,1 mg por litro. Desde constantes até traços, a análise do nitrogênio abrange várias áreas importantes.

No entanto, existem muitos fatores de interferência durante a análise. Os efeitos do matriz afetam o sinal de resposta dos componentes a serem testados, o pré-tratamento da amostra pode levar à perda do alvo e a deriva do instrumento pode introduzir erros do sistema. Essas combinações dificultam a comparação direta de resultados obtidos em diferentes laboratórios, em diferentes momentos e métodos.

Pedra angular da comparabilidade dos resultados de medição

Para garantir a confiabilidade dos dados de análise do nitrogênio, é necessário confiar em substâncias de referência com rastreabilidade metrológica. O uso de substâncias padrão para medir o teor de nitrogênio é um “veículo de transferência de valores” que permite estabelecer ligações entre diferentes sistemas de medição, garantindo comparabilidade temporal e espacial dos resultados das medições.

A substância padrão certificada é um elemento central neste sistema. Não é uma amostra comum, mas uma substância de referência especial, rigorosamente avaliada e com características métricas claras.

Definição rigorosa de substâncias padrão para a determinação do teor de nitrogênio

Definição baseada nas especificações técnicas de medição nacionais

De acordo com a JJF 1001-2011, Terminologia e Definições Gerais de Metrologia, uma substância padrão certificada é uma substância padrão acompanhada de um certificado, cujos valores de uma ou mais propriedades são determinados por meio de procedimentos de rastreabilidade estabelecidos para que sejam rastreados a unidades de medida que representam exatamente o valor da propriedade, cada valor padrão acompanhado de um determinado nível de incerteza de confiança.

Aplicando esta definição geral à medição do teor de nitrogênio, as seguintes definições profissionais podem ser obtidas:

Substâncias padrão para medição do teor de nitrogênio referem-se a substâncias de referência com uniformidade e estabilidade, cujos valores de teor de nitrogênio são determinados por meio de procedimentos de rastreabilidade metrológica e podem ser rastreados até unidades SI, e cada valor padrão é acompanhado de um nível de confiança dado que estende a incerteza.

Definição de quatro elementos

A uniformidade é uma premissa para garantir a representatividade da amostragem. Para substâncias padrão de nitrogênio sólido, como a amostragem de solo, o teor de nitrogênio deve ser bem consistente entre diferentes garrafas e em diferentes locais dentro da mesma garrafa. Somente quando a uniformidade é atingida e o usuário usa qualquer parte para medir, seus resultados podem representar o valor quantitativo de todo o lote de substâncias padrão.

A estabilidade é a garantia da confiabilidade dos valores durante o período de validade. As substâncias padrão de nitrogênio podem ser alteradas durante o armazenamento e o transporte devido à degradação microbiana, adsorção em recipientes ou alterações químicas. A avaliação de estabilidade visa determinar o período de validade da substância padrão em condições específicas de armazenamento, garantindo que os valores quantitativos permanecem dentro dos limites prescritos durante esse período.

A rastreabilidade é um valor que pode ser rastreado até unidades SI. A quantidade da substância padrão de nitrogênio não pode ser gerada do nada, mas deve ser ligada a unidades básicas do Sistema Internacional de Unidades, como o quilograma e o mol, através de uma cadeia de comparação contínua com incertezas especificadas. Esta cadeia geralmente começa a partir de um reagente de alta pureza, após uma operação de pesagem precisa, capacitação, titulação e assim por diante, que finalmente atribui a substância padrão um valor quantitativo.

A incerteza é o parâmetro de cada valor padrão. O valor sem incerteza é incompleto. O certificado da substância padrão de nitrogênio deve dar a incerteza estendida de cada valor padrão, normalmente usando o fator de contenção k igual a dois, correspondendo a uma probabilidade de confiança de cerca de noventa e cinco por cento. Essa incerteza é a síntese da incerteza de valor, da componente de incerteza de uniformidade e da componente de incerteza de estabilidade.

Estrita distinção de conceitos relacionados

Existe uma diferença essencial entre a substância padrão comprovada e a amostra de controle de qualidade comum. As amostras de controle de qualidade normais podem ter apenas valores de referência e não necessariamente ser submetidas a avaliações rigorosas de uniformidade e estabilidade, e seus valores geralmente não são rastreáveis. A substância padrão certificada deve atender a todos os requisitos das especificações metrológicas.

A substância padrão também é diferente do reagente de referência. O reagente de referência é usado principalmente para a pesagem direta na análise de titulação, cuja pureza é o indicador central; A substância padrão dá mais ênfase à correspondência de matriz para simular todo o processo de análise de amostras reais.

Os materiais padrão e os produtos de calibração têm foco. O calibrador é usado principalmente para estabelecer a relação entre o sinal de resposta do instrumento e a concentração; As substâncias padrão podem ser usadas para diversos fins, como calibração, validação de métodos e controle de qualidade.
Classificação sistemática de substâncias padrão para a determinação do teor de nitrogênio

Classificação por tipo de substrato

O tipo de matriz é a dimensão de classificação mais central da substância padrão de nitrogênio, porque o matriz determina diretamente as técnicas analíticas aplicáveis ​​e os requisitos técnicos críticos da substância padrão.

Categoria I: Substâncias padrão de substrato em solução pura

O substrato típico de uma substância padrão em solução pura é a concentração de 0,5 molar por litro de solução de ácido sulfúrico ou água pura. Essas substâncias padrão são usadas principalmente em cromatografia iônica, analisadores de fluxo contínuo e espectrofotomia ultravioleta.

Seus principais requisitos técnicos incluem a adição de estabilizantes para inibir o crescimento de micróbios, o controle rigoroso da temperatura de conservação e a validação experimental da estabilidade hidrolítica durante o período de validade. Os principais fatores de interferência são a degradação microbiana e a adsorção do recipiente, e o armazenamento a longo prazo pode levar a uma diminuição das concentrações.

Categoria II: Substâncias padrão de substâncias ambientais ou agrícolas complexas

Matrizes típicas de substâncias padrão com matrizes complexas incluem solo, sedimentos, tecidos vegetais e fertilizantes. Essas substâncias padrão são aplicáveis ao método de nitrogênio de Kelownia e ao método de combustão a alta temperatura de Dumas.

Os principais requisitos técnicos são a necessidade de fornecer valores diferenciais entre o nitrogênio total e o nitrogênio orgânico, bem como indicar claramente as condições de dissolução, como a proporção do catalisador e a temperatura de dissolução. Os principais fatores de interferência incluem o envoltório cristalino do nitrógeno por minerais de silicatos e a dissolução incompleta da matéria orgânica. Se esses fatores não forem controlados, podem resultar em resultados inferiores.

Categoria 3: Substâncias padrão de compostos de alta pureza

Matrizes típicos de substâncias padrão de compostos de alta pureza incluem acetamina, ácido tetraacetico de etildiamina, ácido aspartico e sulfato de amônio. Essas substâncias padrão são usadas principalmente como padrão de trabalho do analisador de elementos para a correção do instrumento.

Os principais requisitos técnicos são a pureza de 99,9% ou mais e o fornecimento de certificados detalhados de análise de impurezas. Esse tipo de matriz é fixo em proporção de carbono e nitrogênio, sem interferência do matriz, e é adequado para estabelecer curvas de calibração e validar o estado do instrumento.

Classificação por Área de Aplicação

Dependendo da área de aplicação, as substâncias padrão de nitrogênio podem ser classificadas em alimentos ou rações, ambiente ou solo, químicos ou fertilizantes, clínicos ou biológicos. As substâncias padrão em diferentes áreas diferem em termos de composição de matriz, gama de valores e requisitos de certificação.

Classificação por nível de quantidade

De acordo com o nível de quantidade, a substância padrão de nitrogênio pode ser dividida em substâncias padrão de nitrogênio constante, com um conteúdo superior a 1%; Traceas de substâncias padrão de nitrogênio com um teor entre 0% e 1%; Traça de nitrogênio é uma substância padrão com um teor inferior a 0,1%. Os níveis de medição são diferentes e os requisitos de limpeza para a sensibilidade do instrumento de análise e o processo de pré-tratamento também são diferentes.

Núcleo metrológico de substâncias padrão para a determinação do teor de nitrogênio

Estabelecimento retrospectivo de valores

A quantidade de substâncias padrão de nitrogênio estabelece a rastreabilidade de duas maneiras principais.

A avaliação combinada do método de peso-capacidade é principalmente para substâncias padrão de solução. Este método utiliza compostos de nitrogênio de alta pureza, que são medidos com precisão após secagem constante, dissolvidos e condensados a um volume específico para obter valores de formulação. Os valores da formulação são verificados por meio de um método de titulação ou peso confirmado. Sua cadeia de transferência de valor é clara: a partir das unidades SI kg e mol, após a análise de pureza do reagente de alta pureza, até a operação de pesagem e capacitação, que finalmente atribui valores padrão.

Os valores legais de medição absoluta são principalmente para substâncias padrão de matrizes complexas. Para a amostragem de substâncias complexas como solos e plantas, métodos absolutos de alta precisão como cromatografia iônica ou análise de Cullen são frequentemente usados para a determinação. Outra maneira é avaliar em colaboração com vários laboratórios qualificados, geralmente não menos de oito, usando estimativas Bayesianas ou critérios de Grabbes para calcular a média total como valor padrão depois de excluir os valores anormais. O princípio da prova mútua de vários métodos garante ainda mais a confiabilidade dos resultados de avaliação.

Modelos estatísticos para testes de uniformidade

Para substâncias padrão de nitrogênio sólido, o teste de uniformidade geralmente usa uma análise de variação de fator único. Este método de teste extrai aleatoriamente um determinado número de unidades de um lote de amostras, cada unidade medida várias vezes em condições repetitivas. A estatística F é obtida calculando a diferença entre os grupos e a diferença dentro do grupo.

Os critérios de determinação são os seguintes: se o valor F calculado for menor ou igual ao valor F crítico sob um determinado nível de confiança e a componente de incerteza padrão resultante da desigualdade não for maior do que o ponto zero da componente de incerteza padrão, considerará-se que a substância padrão do lote é bem homogênea.

Modelo dinâmico de monitoramento de estabilidade

A avaliação de estabilidade usa um esquema de estudo de estabilidade isotemporária, com o tempo como variável auto e o valor medido como variável causal, para realizar análise de regressão linear. Neste modelo, se a inclinação não tiver diferenças significativas no teste t, ou seja, se o valor absoluto da inclinação for menor do que o produto do valor crítico de t e do desvio padrão da inclinação em um dado nível de confiança e grau de liberdade, a substância padrão é considerada estável durante esse período de tempo.

A componente de incerteza da estabilidade a longo prazo é calculada pelo produto da incerteza da inclinação e do período válido. Esta componente será sintetizada com outras componentes de incerteza para a incerteza padrão final.

Síntese e expressão da incerteza

A incerteza da substância padrão de nitrogênio vem de três aspectos principais: a incerteza da valorização, a repetitividade do método de valorização e os erros do sistema; Componente de incerteza de uniformidade, derivado da comparação de variações entre grupos e variações dentro de grupos na análise de variação de fator único; A componente de incerteza de estabilidade a longo prazo é derivada da incerteza da inclinação e do produto do período válido em um modelo de regressão linear.

A incerteza padrão de síntese é igual a cada componente quadrado e raiz quadrada reaberto. A incerteza estendida é obtida pela incerteza padrão sintética multiplicada pelo fator de inclusão k igual a dois, correspondendo a uma probabilidade de confiança de cerca de 95%.

A expressão completa do valor padrão é: valor padrão mais incerteza de extensão. Essa expressão indica que o valor verdadeiro está dentro desse intervalo com uma dada probabilidade de confiança.

V. Cenários de aplicação para a determinação do teor de nitrogênio com substâncias padrão

Correção de viés para sistemas analíticos

Para medir o teor de proteína em grãos com o método de combustão Dumas, a curva de calibração é necessária para a utilização de substâncias padrão de alta pureza do ácido aspartínico ou do ácido tetraacetico de dietiamina. O teor de proteína é obtido pelo teor de nitrogênio multiplicado pelo coeficiente de conversão 6:25.

Os modelos de calibração recomendam a regressão ponderada não linear, como a regressão ponderada secundária, para reduzir os resíduos de ajuste em pontos de baixa concentração e melhorar a precisão da medição em toda a escala. O software de suporte do analisador de elementos da Taizhou DeSpectrum Analytical Instruments Technology Co., Ltd. incorpora vários modelos de regressão para otimizar automaticamente as curvas de calibração para garantir a precisão dos resultados da análise.

Validação para eficiência pré-processamento

Ao determinar o nitrogênio total do solo, o pré-tratamento da amostra é a principal fonte de erros. O processo operacional correto deve ser: ao mesmo tempo, chamar a amostra de solo para medição e a substância padrão comprovada de nitrogênio do solo, sob as mesmas condições para a dissolução, destilação e titulação. Calcule a taxa de recuperação da substância padrão certificada, isto é, a porcentagem do valor medido após a dedução do valor em branco com o valor certificado.

O critério de determinação é: se a taxa de recuperação cair dentro de 100% mais menos o dobro da incerteza comprovada da expansão da substância padrão, o processo de pré-tratamento é provavelmente eficaz e não introduz erros do sistema.

Síntese de componentes para avaliações de incerteza

Quando o laboratório avalia a incerteza de medição de acordo com as orientações para a representação da incerteza de medição, a incerteza introduzida pela própria substância padrão provada de nitrogênio deve ser sintetizada como componente.

Se a substância padrão comprovada for usada para a construção da curva de calibração, a incerteza deve ser transferida para o resultado final através da covariança mínima duplicada. Se uma substância padrão comprovada for usada para a correção da taxa de recuperação, a incerteza deve ser sintetizada em conjunto com o desvio padrão do experimento de taxa de recuperação para obter a incerteza de síntese corrigida. O método de síntese é a correção da incerteza igual à raiz quadrada da soma da incerteza da substância padrão provada por nitrogênio e do desvio padrão da taxa de recuperação.

Como escolher corretamente a substância padrão para medir o teor de nitrogênio

Pontos técnicos da interpretação do certificado

Ao escolher uma substância padrão de nitrogênio, não se deve concentrar apenas nos valores de concentração, mas também deve interpretar em profundidade seu relatório de certificação.

Deve-se considerar se o método de valorização é um único método ou múltiplos métodos de prova mútua. Os valores padrão obtidos por múltiplos métodos são mais confiáveis do que por um único método.

É necessário verificar se o volume de amostra do teste de uniformidade é suficiente para cobrir as diferenças entre garrafas. Um tamanho de amostra muito pequeno pode não detectar problemas de uniformidade subjacentes.

É necessário avaliar se o impacto do armazenamento a longo prazo é coberto na componente de incerteza. Os certificados que contêm apenas incertezas de valor são incompletos.

É necessário verificar a razoabilidade do prazo de validade e se as condições de armazenamento atendem às condições reais do laboratório.

Princípio de correspondência de matriz

O substrato da amostra de análise e da substância padrão deve estar o mais próximo possível. Quanto maior a diferença de matriz, maior o risco de erro introduzido pelo efeito de matriz.

As amostras de solução pura devem escolher a substância padrão de solução pura. As amostras de matrizes complexas, como solos e sedimentos, devem escolher substâncias padrão de matrizes semelhantes. A calibração do instrumento deve escolher a substância padrão de compostos de alta pureza para garantir a precisão da curva de calibração.

Correspondência do intervalo de valores

A quantidade da substância padrão deve abranger a faixa de concentração esperada para a amostra a ser testada. Calibrar com substâncias padrão com valores muito superiores ou muito inferiores às concentrações da amostra pode levar a curvas de calibração extravertidas, trazendo incertezas adicionais.

Para tarefas de análise com grandes intervalos de concentração, recomenda-se a escolha de substâncias padrão com vários valores de quantidade diferentes para criar curvas de calibração, evitando as limitações da calibração em um único ponto.

VII. Conclusões

A medição do teor de nitrogênio com substâncias padrão é a pedra angular para garantir a precisão e a confiabilidade dos dados de análise do nitrogênio. Seu núcleo tecnológico consiste em quatro elementos: uniformidade, estabilidade, rastreabilidade quantitativa e incerteza.

A classificação por tipo de substrato é o principal princípio na escolha de substâncias padrão. A substância padrão de matriz em solução pura é adequada para cromatografia iônica e analisadores de fluxo contínuo, a substância padrão de matriz complexa é adequada para o método de nitrogênio de K e o método de combustão de Dumas, e a substância padrão de compostos de alta pureza é adequada para a calibração de analisadores elementares.

As características metrológicas são as propriedades essenciais da substância padrão. A incerteza não é um erro, mas um intervalo de confiança de um valor. Traçabilidade não é um conceito abstrato, mas uma cadeia de transferência de valor criada por meio de operações específicas; A uniformidade e a estabilidade não são descrições qualitativas, mas indicadores técnicos validados por modelos estatísticos.

Somente com base na compreensão aprofundada das características técnicas acima, a escolha razoável da substância padrão de nitrogênio correspondente ao matriz da amostra e sua integração inteira no sistema de controle de qualidade, pode realmente desempenhar o papel central da substância padrão de nitrogênio na garantia da precisão, comparabilidade e rastreabilidade dos dados analíticos.

Taizhou DeSpectral Analytical Instrument Technology Co., Ltd. fornece uma gama completa de instrumentos e suporte técnico que cobrem todos os tipos de necessidades de análise de substâncias padrão de nitrogênio, ajudando a construir um sistema de garantia de qualidade de análise de elementos de nitrogênio* em laboratório.

Anexo: Explicação de termos-chave

Explicação de termos

Substâncias-padrão certificadas: substâncias-padrão acompanhadas de certificados cujos valores quantitativos são determinados por meio de procedimentos de rastreabilidade, com incertezas associadas a cada valor-padrão

Traçabilidade: ligação dos resultados de medição às unidades SI através de uma cadeia de comparação contínua com incertezas definidas

Incerteza: parâmetros não negativos que caracterizam a dispersão racionalmente atribuída ao valor medido

Uniformidade: coerência dos valores padrão das propriedades da matéria na distribuição espacial

Estabilidade: capacidade de manter os valores padrão das propriedades da substância constantes ao longo do tempo

Matriz: soma de todos os outros componentes da amostra, exceto os componentes a serem testados

Efeito da Matriz: Efeito do Componente da Matriz no Tratamento do Sinal de Resposta do Componente de Medição

Incerteza estendida: a incerteza padrão sintética e o produto dos fatores incluídos

Fator de inclusão: o fator numérico multiplicado pela incerteza padrão sintético para obter a incerteza estendida, geralmente tomando k = 2

Referências

JJF 1001-2011 Termos e definições gerais de medição

JJF 1343-2022 Princípios gerais e estatísticos para a valorização de substâncias

ISO Guide 30:2015 Terminologia e definições relacionadas com substâncias padronizadas/substâncias de referência

ISO Guide 35:2017 - Valorização de substâncias padronizadas e orientações para a avaliação da uniformidade e estabilidade

GB/T 15000 Série de normas de orientação de trabalho de substâncias

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