六西格瑪管理在原子吸收測量系統分析中的應用

楊麗

摘要：本文研究目的是應用六西格瑪管理法分析和改進環境監測測量系統水平。通過長期在原子吸收領域測定水質銅發現原子吸收輸出結果較為穩定，原子吸收測定銅系統適合做為方法探索項目源。本研究應用六西格瑪方法測量原子吸收系統水平，量化各種波動源對測量系統的影響，并對該系統進行改進和驗證。結果表明采用六西格瑪方法可以提升原子吸收測量系統水平并能計算出原子吸收測量系統的分辨力為六西格瑪合格水平。測量能力為勉強可接受水平。改進前測量系統穩定性不足。改進后測量系統穩定且過程能力充足。

關鍵詞：六西格瑪管理;原子吸收;測量系統;銅

中圖分類號： X832

西格瑪統計學含義為標準差，用來表征輸出結果的離散程度，是一種評估監測結果和操作過程波動大小的參數。西格瑪水平越高，過程滿足質量要求的能力越強。通常管理目標是使測量系統接近或達到六西格瑪水平，意味著100萬次出錯機會中不超過3.4個缺陷[1]。六西格瑪是一套系統的業務改進方法體系，持續指導業務改進流程，實現管理目標的方法。對現有過程進行過程界定、測量、分析、改進、控制，消除過程缺陷和無價值操作，從而提高質量。最初其由摩托羅拉和美國通用電氣在管理上應用并取得了巨大成功。

在日常監測中發現原子吸收測量銅的系統輸出值較為穩定，適合作為項目源分析。用統計的方法了解測量系統的各個波動源，以及他們對測量結果的影響，最后給出該測量系統是否符合六西格瑪水平的判斷。用六西格瑪方法設計實驗在考慮系統測量能力、分辨力、穩定性的同時，也要考慮系統的過程輸出能力。

一 實驗部分

1 儀器與試劑

石墨爐原子吸收光譜儀（德國耶拿公司， ZEEnit 700P）; 電子天平（0.01mg，? 德國SARTORIUS， BP211D）

硝酸鈀Pd（NO3）2·2H2O）（分析純， 國藥集團化學試劑有限公司）;硝酸（HNO3）（CMOS，國藥集團化學試劑有限公司）;銅環境標準樣品（Cu）（ 201129，201128，環境保護部標準樣品研究所）。

2 標準溶液配制

銅標準使用溶液、硝酸鈀溶液和硝酸溶液的配制參見《水和廢水監測分析方法（第四版）》第四章第七節石墨爐原子吸收法測定鎘、銅和鉛[2]。

3 原子吸收儀器分析

原子吸收儀器為耶拿石墨爐原子吸收光譜儀，型號為700P。原子化條件為：干燥溫度為110℃，干燥時間50s，灰化溫度1100℃，灰化時間30s，原子化溫度為2000℃，原子化時間為4s，凈化溫度2450℃，凈化時間4s。儀器參數設置為：燈電流2mA，波長324.8nm，狹縫寬度0.8nm。

二 結果與討論

1 測量能力和測量系統分辨力分析

測量能力，用來評價測量過程是否有能力準確可靠地反映被測對象的波動。研究變異（%GageR&R）是測量系統波動占整體波動的百分比，可作為測量能力的判據。這個指標小于10%說明測量系統能力良好，在10%-30%之間說明測量系統能力處于臨界狀態，勉強可接受，大于30%說明測量系統能力不足，誤差太大，必須加以改進[1，3]。測量系統分辨力，是指測量系統識別并反映被測量的最微小變化的能力。在六西格瑪管理中，可區分類別數可作為分辨力的判斷依據，具體判斷標準如表1所示。

實驗設計1：選取編號為201129的銅環境標準樣品安瓿瓶5支（保證值為8.31±0.66 g/L），測定者3人， 將標準樣品打亂順序重復測定三次。利用MINITAB量具R&R研究（交叉）方差分析，得出分析結果：重復性方差為0.0000222;檢驗員方差為0.0000000;再現性方差為0.0000113;測量過程波動方差為0.0000335;過程方差為0.0014028;總過程波動為0.0014363;研究變異為15.28%，測量系統波動與被測對象的容差之比為23.95%，這兩個指標均屬于10%-30%之間，說明測量系統能力處于臨界狀態，勉強可接受。可區分類別數為9，表明系統分辨力合格。

2 測量系統穩定性和過程能力分析

測量系統穩定性可以使用控制圖和運行圖分析和確認測量系統的統計穩定性。過程能力是指測量過程在一定時間里，處于穩定狀態下的實際測量能力。測量過程，是指實驗員、分析設備、試劑、方法和測量環境等五個基本質量因素綜合作用的過程。過程能力分析的前提條件是，過程輸出服從正態分布，過程穩定統計受控。使用過程能力指數Cp來表征過程能力，其定義為容差與過程波動范圍之比，其判定標準如下表所示：

實驗設計2：使用編號為201128的銅環境標準樣品（保證值為0.509±0.033 mg/L）進行連續測定，平行樣樣本數量30，測定者1人。利用MINITAB軟件中質量工具的六合能力分析得出其正態分布特性和統計穩定性結果。其中數據結果在控制限0.476和0.542之間波動。在正態性檢驗中P值0.814>0.05，銅標準樣品測定數據服從樣本N（0.5094，0.03314）的正態分布。運行圖表明測量數據是獨立的，該統計處于受控狀態。能力圖分析顯示中心值與標準值有偏移。Cp為0.30，Cpk為0.30，二者均小于1，表明過程能力不足，有待改進。

針對過程能力不足進行原因分析，采用頭腦風暴因果分析確定波動產生原因。銅的測定產生波動的主要原因在于金屬元素試劑和酸類試劑的干擾比較多，特別鈣、鎂離子和鹽酸等。可考慮增加基體改進劑進行改善，使測定結果保持穩定。實施方案如下：（1）20 L水樣加入40%硝酸銨溶液10 L;（2）采用硝酸鈀作為基體改進劑;（3）使用La、W、Mo、Zn等金屬碳化物涂層石墨管。

驗證上述改進方案的有效性，按照實驗設計2重新進行測定，結果顯示過程能力分析顯示中心值基本重合，中心由0.509偏移到0.507。Cp為1.23，Cpk為1.16，二者均大于1且小于1.33，二者相差不大，表明按照方案改進后銅測量系統過程能力尚可接受處于中間水平，能基本保證測量質量達到要求，但距離過程能力充足仍有進步空間。

三 結果與討論

1原子吸收測銅系統的測量能力分析顯示，研究變異為15.28%，測量系統波動與被測對象的容差之比為23.95%，屬于10%-30%之間，說明測量系統能力處于臨界狀態，勉強可接受。

2原子吸收測銅系統分辨力分析顯示，可區分類別數為9，分辨力符合六西格瑪水平的合格等級。

3原子吸收測銅系統過程能力分析顯示，Cp為0.30，Cpk為0.30，二者均小于1，表明過程能力不足。經過失效原因分析和改進后，統計穩定性滿足過程能力分析條件。過程能力分析顯示Cp為1.23，Cpk為1.16，二者均大于1且小于1.33，過程能力尚可接受，處于中間水平，能基本保證測量質量達到要求。

參考文獻

[1]何楨，馬逢時，龔曉明，等. 六西格瑪管理（第三版）[M]. 北京：中國人民大學出版社，2019：12-15，190-204.

[2]王心芳，尹改，劉啟鳳，等. 水和廢水監測分析方法（第四版）（增補版）[M].北京：中國環境出版社，2002：331-334.

[3]馬逢時，周暐，劉傳冰，等. 六西格瑪管理統計指南——MINITAB使用指導（第3版）[M]. 北京：中國人民大學出版社，2019：404-406.

（遼寧省鞍山生態環境監測中心中心分析室，遼寧 鞍山 114000）