Độ không đảm bảo đo môi trường phản ánh khoảng tin cậy thế nào?

Điểm quan trọng là độ không đảm bảo không phải “sai số” của phép đo và cũng không có nghĩa kết quả chắc chắn lệch đi một lượng cố định. Theo cách dùng thuật ngữ của VIM và GUM, nó là một tham số đặc trưng cho độ phân tán của các giá trị quy cho đại lượng đo. Vì vậy, khi báo cáo một kết quả dưới dạng giá trị đo kèm độ không đảm bảo, phòng thử nghiệm đang cho người đọc biết không chỉ “đo được bao nhiêu” mà còn “mức độ nghi ngờ định lượng quanh kết quả đó là bao nhiêu”.

Trong phân tích môi trường, thông tin này đặc biệt quan trọng khi kết quả được dùng để so sánh giữa các lần đo, giữa các phòng thử nghiệm hoặc với một giới hạn kỹ thuật, quy chuẩn hay tiêu chí đánh giá.

Độ không đảm bảo đo môi trường là gì và khác sai số ở điểm nào?

Độ không đảm bảo đo là một đặc trưng của kết quả đo, còn sai số đo được định nghĩa là chênh lệch giữa giá trị đo và giá trị tham chiếu. Hai khái niệm này không thể dùng thay thế cho nhau.

Sai số, trong nhiều tình huống thực tế, không biết chính xác vì giá trị “đúng” của đại lượng cần đo thường không được biết. Ngược lại, độ không đảm bảo được ước tính từ những thông tin mà phép đo có thể cung cấp, chẳng hạn độ phân tán của phép đo lặp, dữ liệu hiệu chuẩn, độ tinh khiết của chất chuẩn, độ phân giải thiết bị, dữ liệu thu hồi, độ lặp lại của quy trình hoặc các nghiên cứu xác nhận phương pháp.

Ví dụ, một phép phân tích kim loại trong nước cho kết quả 48 µg/L. Không nên diễn giải rằng “sai số là ±6 µg/L” nếu con số 6 µg/L thực chất là độ không đảm bảo mở rộng. Cách hiểu đúng hơn là kết quả được báo cáo kèm một khoảng bất định được xác định từ mô hình đo và các thành phần không đảm bảo đã đánh giá.

Độ không đảm bảo cũng không đồng nghĩa với việc phép đo “không chính xác”. Một phương pháp có thể được kiểm soát tốt nhưng vẫn có độ không đảm bảo hữu hạn. Mục tiêu của đánh giá là lượng hóa phần bất định còn lại để người sử dụng kết quả có cơ sở diễn giải phù hợp.

Trong phân tích hóa học, hướng dẫn Eurachem/CITAC về định lượng độ không đảm bảo nhấn mạnh rằng việc đánh giá này phải gắn với toàn bộ quy trình phân tích, thay vì chỉ nhìn vào độ lặp lại của thiết bị.

Độ không đảm bảo phản ánh khoảng quanh kết quả như thế nào?

Kết quả đo thường được biểu diễn theo dạng:

y = x ± U

Trong đó:

·         x là giá trị đo hoặc giá trị ước lượng của đại lượng cần đo

·         U là độ không đảm bảo mở rộng nếu kết quả được báo theo dạng này

Đằng sau U thường có độ không đảm bảo chuẩn kết hợp u₍c₎, được tổng hợp từ các thành phần bất định khác nhau. Trong cách biểu diễn thường gặp của GUM:

U = k × u₍c₎

Trong đó k là hệ số phủ.

Điều này giải thích vì sao cụm từ “khoảng tin cậy” cần được sử dụng cẩn thận. Khoảng được tạo bởi giá trị đo cộng trừ độ không đảm bảo mở rộng thường đi kèm một xác suất phủ hoặc mức độ bao phủ đã nêu, nhưng độ không đảm bảo đo không mặc nhiên đồng nhất với khoảng tin cậy thống kê trong mọi trường hợp. Ý nghĩa của khoảng phụ thuộc vào phương pháp đánh giá, phân bố xác suất và hệ số phủ đã sử dụng.

Chẳng hạn, nếu một kết quả được báo cáo là:

48 ± 6 µg/L, k = 2

thì khoảng biểu diễn tương ứng là từ 42 đến 54 µg/L. Trong nhiều điều kiện thực hành, k = 2 được sử dụng để tạo mức bao phủ xấp xỉ 95%, nhưng không nên hiểu rằng cứ thấy “±6” là tự động có xác suất 95%. Phòng thử nghiệm phải xác định và báo cáo cách biểu diễn phù hợp với mô hình đo và giả định thống kê của mình.

Vì vậy, điều người đọc cần quan tâm không chỉ là “khoảng rộng bao nhiêu” mà còn là khoảng đó được xây dựng từ đâu, với mức bao phủ nào và áp dụng cho đại lượng đo nào.

Những nguồn nào làm tăng độ không đảm bảo trong phân tích môi trường?

Độ không đảm bảo của một kết quả môi trường thường không đến từ một nguyên nhân duy nhất. Các thành phần có thể nối tiếp và kết hợp trong toàn bộ chuỗi đo.

Nguồn đầu tiên là lấy mẫu. Nếu mẫu không đại diện cho môi trường cần đánh giá, bản thân quá trình lấy mẫu có thể tạo ra thành phần bất định đáng kể. Với nhiều phép đo môi trường, đây là điểm không thể bỏ qua vì nồng độ chất phân tích có thể thay đổi theo vị trí, thời gian, độ sâu hoặc điều kiện thời tiết.

Tiếp theo là chuẩn bị và xử lý mẫu. Các bước đồng nhất, lọc, chiết, pha loãng, cô đặc hoặc bảo quản có thể tạo ra biến thiên. Một sai khác nhỏ ở thể tích pha loãng hoặc khối lượng mẫu ban đầu cũng có thể truyền vào kết quả cuối.

Hiệu chuẩn và thiết bị là một nhóm khác. Độ không đảm bảo có thể liên quan đến giá trị chuẩn, độ phân giải, độ ổn định hoặc đặc tính của thiết bị đo. Tuy nhiên, không nên mặc định rằng toàn bộ độ không đảm bảo của phép phân tích chính là độ phân giải của máy.

Độ lặp lại và độ tái lập của phương pháp cũng là thành phần quan trọng. Việc thực hiện cùng một quy trình nhiều lần cho phép đánh giá mức dao động thực nghiệm. Trong đánh giá phân tích, dữ liệu xác nhận phương pháp có thể cung cấp thông tin về độ chụm, độ lệch, độ thu hồi và các đặc tính liên quan.

Ngoài ra còn có hiệu ứng nền, chất trắng, độ tinh khiết của chất chuẩn, điều kiện môi trường, mô hình tính toán và các đại lượng đầu vào. Hướng dẫn Eurachem/CITAC tiếp cận việc đánh giá theo hướng xác định các nguồn đóng góp, lượng hóa chúng và kết hợp chúng thành độ không đảm bảo của kết quả cuối cùng.

Điểm cốt lõi là không phải mọi nguồn đều có mức đóng góp như nhau. Một số thành phần có thể chiếm tỷ trọng lớn và cần được ưu tiên kiểm soát; những thành phần rất nhỏ không nhất thiết phải dành cùng mức nguồn lực để giảm thiểu.

Độ không đảm bảo được ước tính và kết hợp ra sao?

Việc đánh giá thường bắt đầu bằng việc xác định rõ đại lượng cần đo và mô hình đo. Khi không xác định đúng measurand, toàn bộ phép tính độ không đảm bảo phía sau có thể trở nên thiếu ý nghĩa.

Sau đó, phòng thử nghiệm xác định các nguồn bất định và lượng hóa từng thành phần. Theo GUM và cách tiếp cận của Eurachem, các thành phần thường được đánh giá theo Type A khi dựa trên phân tích thống kê của các phép đo lặp, hoặc Type B khi dựa trên các thông tin khác như chứng chỉ, thông số kỹ thuật, dữ liệu hiệu chuẩn hay kinh nghiệm kỹ thuật.

Các thành phần được quy đổi về độ không đảm bảo chuẩn phù hợp rồi kết hợp theo mô hình đo. Trường hợp các đại lượng đầu vào độc lập, công thức kết hợp có thể biểu diễn dưới dạng tổng bình phương có trọng số theo các hệ số nhạy. Nếu có tương quan giữa các đại lượng đầu vào, thành phần hiệp phương sai cũng có thể cần được xem xét.

Sau khi có độ không đảm bảo chuẩn kết hợp, phòng thử nghiệm có thể chọn hệ số phủ thích hợp để tính độ không đảm bảo mở rộng. Đây là lý do hai phép thử cho cùng một nồng độ trung tâm nhưng báo độ không đảm bảo khác nhau không nhất thiết có nghĩa một kết quả “đúng” còn kết quả kia “sai”. Hai phòng thử nghiệm có thể sử dụng phương pháp, thiết bị, mô hình và nguồn dữ liệu khác nhau, dẫn đến độ không đảm bảo khác nhau.

Một điểm quan trọng khác là độ không đảm bảo không phải chỉ là phép cộng các sai số tuyệt đối. Cách kết hợp phải dựa trên mô hình đo và tính chất thống kê của các thành phần. Vì vậy, một giá trị U chỉ có ý nghĩa khi biết nó được xây dựng trên cơ sở nào.

Vì sao phải xem độ không đảm bảo khi so sánh với ngưỡng môi trường?

Giá trị đo thường được dùng để trả lời một câu hỏi quyết định: kết quả có vượt giới hạn hay không, có phù hợp tiêu chí hay không, hoặc hai kết quả có khác nhau đủ lớn để coi là thực sự khác nhau hay không.

Hãy dùng một giới hạn giả định 50 µg/L để minh họa. Nếu phép thử cho kết quả:

48 ± 6 µg/L

thì giá trị trung tâm 48 µg/L nằm dưới ngưỡng, nhưng khoảng bất định trải từ 42 đến 54 µg/L và cắt qua ngưỡng 50 µg/L.

Trong tình huống như vậy, không thể chỉ nhìn vào số 48 rồi kết luận đơn giản rằng “chắc chắn đạt”. Cũng không thể chỉ nhìn vào đầu trên của khoảng rồi kết luận “chắc chắn vượt”. Quyết định phù hợp còn phụ thuộc vào decision rule được áp dụng cho việc đánh giá sự phù hợp.

Đây là giá trị thực tế lớn nhất của độ không đảm bảo trong phân tích môi trường: nó cho biết kết quả đang cách ngưỡng bao xa so với mức bất định của chính phép đo.

Nếu hai kết quả là 48 ± 2 µg/L và 48 ± 10 µg/L, mức độ chắc chắn để diễn giải chúng hoàn toàn khác nhau dù cùng có giá trị trung tâm 48 µg/L. Kết quả thứ hai chứa nhiều bất định hơn, vì vậy khả năng ra quyết định gần một ngưỡng sẽ nhạy cảm hơn với cách xử lý độ không đảm bảo.

Khi so sánh kết quả giữa hai phòng thử nghiệm, cũng không nên chỉ so hai con số trung tâm. Cần xem xét độ không đảm bảo và khả năng tương thích của các kết quả trong giới hạn đo lường thích hợp.

Khi đọc báo cáo môi trường, cần lưu ý gì về độ không đảm bảo?

Trước hết, cần xác định đại lượng đo chính xác là gì. “Nồng độ trong nước” chưa đủ nếu không biết chất nào, đơn vị nào, ma trận nào và điều kiện xác định ra sao.

Tiếp theo, cần xem kết quả đang được báo dưới dạng độ không đảm bảo chuẩn hay độ không đảm bảo mở rộng, hệ số phủ là bao nhiêu và mức bao phủ nào được gắn với kết quả. Không nên so sánh trực tiếp hai con số U nếu cách biểu diễn của chúng khác nhau.

Cũng cần xem độ không đảm bảo có bao gồm lấy mẫu hay chỉ bao phủ phần phân tích trong phòng thí nghiệm. Trong một số chương trình quan trắc, câu hỏi về độ đại diện của mẫu có thể quan trọng không kém biến thiên của phép phân tích.

Một báo cáo có độ không đảm bảo nhỏ cũng không tự động chứng minh phương pháp là tốt trong mọi khía cạnh. Độ không đảm bảo cần được đặt cạnh những thông tin khác như tính phù hợp của phương pháp, độ lệch, độ thu hồi, truy xuất nguồn gốc, hiệu chuẩn và yêu cầu của phép thử.

Với những phép đo dùng để đánh giá tuân thủ, điều quan trọng nhất là xem ngưỡng, kết quả và độ không đảm bảo trong cùng một decision rule. Cách tiếp cận này phù hợp với việc sử dụng thông tin độ không đảm bảo trong đánh giá sự phù hợp, thay vì coi nó như một con số phụ được thêm vào báo cáo cho đủ thủ tục.

Đối với phòng thử nghiệm, mục tiêu cũng không đơn giản là làm U càng nhỏ càng tốt. Độ không đảm bảo cần phù hợp với mục đích sử dụng của kết quả. Một mức độ không đảm bảo đủ để theo dõi xu hướng có thể chưa đủ cho một quyết định tuân thủ rất gần ngưỡng. Ngược lại, đầu tư quá mức để giảm một thành phần bất định vốn không ảnh hưởng đáng kể đến quyết định có thể không tạo ra giá trị tương xứng.

Kết luận

Độ không đảm bảo đo môi trường là cách định lượng mức độ phân tán gắn với kết quả đo dựa trên các thông tin hiện có, chứ không phải một “sai số cố định” của phép thử. Khi được biểu diễn dưới dạng giá trị đo kèm độ không đảm bảo và mức bao phủ thích hợp, nó cho người sử dụng biết kết quả chắc chắn đến mức nào và khoảng bất định quanh kết quả được hiểu ra sao. Trong phân tích môi trường, ý nghĩa của chỉ số này càng rõ khi kết quả nằm gần giới hạn cần đánh giá: lúc đó không thể chỉ nhìn vào giá trị trung tâm mà phải xét cả độ không đảm bảo và quy tắc ra quyết định đi kèm.