實驗室質量與實驗室條件建設的關系概論

呂 陽

（中國疾病預防控制中心設備條件處，北京 102206）

實驗室是自然科學某一學科領域進行實驗研究的場所。為提升實驗室能力，使測量數據-實驗室產品準確可靠、結論科學公正，實驗室需要進行科學地建設。實驗室建設離不開實驗室條件建設和實驗室質量控制。

1 實驗室建設內容

縱觀各種實驗室，其建設的最終目標是提升實驗室能力。何謂實驗室能力，確切地說實驗室能力應該是實驗室測量數據準確可靠以及結論科學公正的程度。實驗室建設過程是不斷追求提升實驗室能力的過程。但是，實驗室為達到某種能力需要一定的條件，包括所需的物質、環境和信息資源，以及人員、技術和專業知識等，這些條件統稱為實驗室條件。實驗室條件是實現實驗室能力的必要保障。因此，實驗室建設離不開條件建設，實驗室條件建設是實驗室建設的基礎。

同時，實驗室能力見證的一個關鍵指標是實驗室質量控制水平。實驗室的產品是測量數據。描述測量數據質量指標是測量誤差。對測量誤差的處理、控制和評定方法是決定測量數據質量即實驗室質量水平的基礎。所以，實驗室質量控制在技術層面上主要體現在對測量誤差的處理和控制水平方面，體現了實驗室能力的水平程度。因此，實驗室建設中實驗室質量控制是必不可缺少的內容。

2 實驗室質量與控制

實驗室質量即實驗室產品質量。實驗室的產品是校準證書、是檢測報告，其核心內容是測量數據，因此，實驗室產品是測量數據。產品是過程的結果，質量是一組固有特性滿足要求的程度，一致性是質量的一個重要因素。

為衡量測量數據質量，相應地引出一個定性的概念-測量準確度。由于很多情況下無法知道被測量真值的確切大小，因此定義測量結果與被測量真值之間的一致程度稱為測量準確度。但是，測量準確度不能作為一個量進行計算，它只有等級之分，即只能說準確度高或低，準確度為幾級等，或者說準確度符合何標準等，它是指符合某一等級或級別的技術指標或符合某技術規范要求，因此，測量準確度只能定性地評定測量能力、說明測量結果質量，是描述測量數據質量的總稱。

為了定量地衡量測量數據質量，用數值說明測量結果接近真值的能力，相應給出測量誤差和測量不確定度的概念。測量誤差是測量結果與被測真值a之差，表明測量結果偏離真值的程度。所謂真值是指在測量一個量時，該量本身所具有的真實大小，量的真值是一個理想概念，一般不知道。實際測量中把所測得的量值稱為實際值，常用實際值代替真值。在某些特定情況下，真值是已知的，如三角形的三個內角和為180°，按定義國際千克基準可認為真值是1kg等。測量誤差是一個非正既負的量值，是一個定值。測量不確定度是指“表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯系的參數”。測量不確定度表明的是一個區間、被測量值分布的區間，即每次測得的結果不是同一值，而是以一定的概率分散在某個區域內的許多個值，意味著對測量結果可信性、有效性的懷疑程度或不肯定程度。它是一個正值，但不是一個定值。

測量誤差和測量不確定度是客觀存在的，都是定量地評價測量結果可靠性高低的重要指標，其量值是判斷測量數據可靠性的依據。因此，測量數據質量由測量誤差Δ（圖1）和測量不確定度U（圖2）兩個指標來描述。

當同一被測量做多次測量時，所得的測量結果，其測量誤差Δ=-a，總誤差是各誤差分量的代數和；其測量不確定度按貝塞爾公式

算出，分散性質服從統計學正態分布規律（圖3），并用標準（偏）差σ或其倍數表示，總不確定度或為各分量的方根和。

圖1 測量誤差：ΔFig.1 Measurement error

圖2 測量不確定度：UFig.2 Measurement indetermination

圖3 分散性Fig.3 Dispersion

可以看出，測量誤差的大小只與測量值與真值有關，不以人們對測量過程的認識而改變；測量不確定度則是由人們經過分析和評定而得到，因而其大小受人們對被測量值、測量條件、掌握的資料及測量過程的認識有關。就是說，對于同一被測量物，不管測量方法是什么、不管測量條件如何，相同測量結果就有相同的測量誤差，但相同測量結果的測量不確定度卻因方法和條件的不同而不同。當測量方法、測量條件一致時，對于同一被測量物，盡管多次測量的測量值不同，但有相同的測量不確定度。因此，什么情況使用不確定度，什么情況使用測量誤差，需要視實驗室條件而定。一般而言，如果沒有特定的要求，常采用測量誤差。而在校準實驗室或欲通過實驗室認可的檢測實驗室，要求采用測量不確定度。

但是，不能認為測量不確定度評定測量數據質量比較測量誤差要科學合理，更不能忽視測量誤差。不確定度概念是誤差理論的應用和發展，誤差分析和控制是評定不確定度的理論基礎，研究不確定度首先需要研究誤差，只有充分了解和認識誤差性質、分布規律、相互聯系和傳遞關系，才能正確使用測量不確定度。

測量誤差按表達形式分為絕對誤差和相對誤差，按產生原因分為粗大誤差（粗差、超差、偽劣數據）、系統誤差（系差，有規律的誤差）和隨機誤差（表面上沒有規律的誤差）。處理粗大誤差，是判斷測量數據中是否含有異常值，應從測量數據列中刪除。避免粗差的方法是測量中工作認真，操作規范，不可造假。系統誤差具有規律性，有累積作用，通常用絕對誤差或相對誤差來描述其對測量結果的影響程度。消除系統誤差常用的有效方法是檢校儀器，使系統誤差降低到最小程度。因此其控制方法是選用正確類型、準確度滿足要求的儀器設備。在測量中通過采用正確的測量方法及原理，定期校準、檢定測量儀器，嚴格按操作規程，嚴格控制實驗室環境，降低人員、環境等外部條件對測量系統的影響以消除系統誤差產生的根源。隨機誤差其性質也是服從正態分布，通常用測量不確定度來描述其對測量結果的影響程度。如圖4，絕對值小的誤差Δ出現的概率大，即不確定度U值大；而σ愈小，正態分布曲線愈尖銳，說明誤差分布比較密集，即不確定度U值越小。σ的值反映了測量的精度。

圖4 分散性比較Fig.4 Dispersion comparion

一般測量中系統誤差比隨機誤差影響要大，系統誤差是要重點控制的誤差，也就是說測量誤差控制的對象主要是系統誤差。但是在精密測量中必須關注隨機誤差，降低和控制隨機誤差、提高測量精度是測量者必須正視要研究的重要課題。我國認監委規定（CNCA/CNBS）通過實驗室認可的校準和檢測項目必須給出測量不確定度評定報告。因此，實驗室質量評定中要更加關注隨機誤差的影響。實驗室質量評定的結果即實驗室質量控制水平是實驗室能力的重要標志。

由此看出，有效提高實驗室測量誤差的控制水平是建設高水平實驗室的主要內容之一。實驗室測量誤差的分析、處理和控制水平直接決定了測量數據質量水平，實驗室質量的實質是測量數據質量，即所以，測量數據質量控制即測量誤差的處理、控制決定了實驗室質量。

3 實驗室質量和實驗室條件的關系

實驗室質量即測量數據質量由測量誤差包括測量不確定度來描述。

測量誤差是測量結果與被測量真值之差，這說明誤差是不可能絕對避免的，它貫穿于整個過程，可以說人們的生活普遍存在誤差。

在實驗室環境中，實驗室條件主要包括測量設備、人員技術、環境條件、信息資源、實驗物質等實驗室能達到某種能力需要的各種條件。實際中，儀器設備、實驗室設施與環境、人員水平、方法之間相互關聯相互影響相互作用，如實驗室環境條件即實驗室微小氣候、人體感覺舒適氣候條件、噪聲、實驗室建筑布局、實驗室家具、空調、供電、給水排水、照明、防火等，均會影響到儀器精度、觀測對象和測量人員；同時，儀器設備的噪音磁場等、測量人員和觀測對象本身情況也會影響到周圍環境，從而影響測量結果造成誤差。儀器設備、實驗室設施與環境、人員水平、方法等條件構成了測量誤差中的影響因子（條件因子），這些因子同時存在且錯綜復雜。因此說，在一定實驗室條件下任何時間的測量結果都會存在誤差。

那么，我們需要考慮的是什么樣的實驗室條件可以使測量誤差降到最小以有效地控制測量數據質量，實驗室質量與實驗室條件之間有什么樣的關系，即實驗室質量分別與測量設備、人員技術、環境條件、信息資源、實驗物質等有何種直接的聯系。

通常測量誤差產生的原因是測量過程的缺陷，它由多種原因引起，包括測量裝置產生的誤差，環境條件產生的誤差，測量方法產生的誤差，人員等產生的誤差。而測量不確定度產生的原因還與測量原理、測量儀器、測量環境條件、測量程序、測量人員以及數據處理方法等以及評定者的經驗、知識范圍和認識水評都有關。儀器誤差、環境誤差、人員誤差、方法誤差等都是測量誤差的直接來源，因此，設備條件、環境條件、人員水平和方法等實驗室條件直接影響著實驗室測量誤差，也就直接影響著測量數據質量，即實驗室條件直接影響著實驗室質量。

理想恒定的狀態下即除儀器外不受其他條件因子影響下的測量，其測量結果主要由儀器本身的系統誤差決定，通常稱為儀器的準確度；相對于系統誤差而言，隨機誤差是微小誤差。精密測量和分析檢測中除考慮測量的系統誤差外要關注隨機誤差，此時的隨機誤差主要由儀器的精度決定。因此儀器設備的準確度和精度指標是評定實驗室質量的兩個重要參數，需要定期進行儀器的檢校和檢定。但是，儀器設備通常是處在特定的環境溫度濕度氣壓等環境條件下，如何建立適合并恒定的環境條件？同時人員、實驗物質、磁場和振動等要相互影響又產生附加環境誤差，如何使環境設施補償調整這種附加環境？所以建立相應的環境設施保證相應的環境條件是實驗室建設中必須面對和考慮的，這是實驗室條件建設的重要內容之一。另外，從主觀上人員技術、信息資源、實驗物質等條件也是建設中應該重視的內容。

實驗室條件建設是實驗室質量保證的第一要素。

4 結語

綜上所述，選擇適合精度等級的儀器，消除儀器設備、環境條件、人員、方法等條件因子不必要地相互干擾，控制其對測量結果的影響，降低誤差，提高數據質量，是實驗室質量控制的主要內容和目的。這其中實驗室管理固然非常重要，然而，測量誤差的處理和控制即測量數據質量控制，是為達到質量要求而采取的技術活動，目的在于監視過程，并排除質量環中所有階段中導致不滿意的原因。因此，根據實驗室質量與實驗室條件這種直接因果關系，對實驗室條件建設尤其是設計、建立、監控等各個環節必須得到專業人員的重視。

［1］朱建軍，朱曉琴.測量誤差和測量不確定度［J］.中國高新技術企業，2009（16）：196-197.

［2］王建輝.實驗室質量管理與資質認定［M］.北京：黃河水利出版社，2007.

［3］科學實驗建筑設計規范［S］.中華人民共和國行業標準，JGJ91-93.