李昌厚：略論分析儀器和儀器分析中的有關專業名詞問題

　　摘要：本文討論了在儀器分析（分析儀器應用）和分析儀器（分析儀器研發制造）工作中，經常出現的錯誤概念。根據作者長期使用和研發各類分析儀器的實踐經驗，對相關專業名詞的基本概念（物理意義）、與分析誤差的關系等11個問題，提出了正確的表述方法和使用方法。

　　0、前言

　　作者經常發現很多儀器分析者（分析儀器應用者）和分析儀器研發、制造者，對儀器分析或分析儀器中，一些非常重要的專業名詞的物理概念，沒有完全搞清楚或根本沒有搞清楚，特別是有些專業名詞的表述方法、對分析誤差的影響以及與國際接軌等方面的問題。所以，有很多科技工作者在專業技術名詞或專業技術指標的表述和運用、理論與實踐的結合、與國際接軌等方面，經常出現錯誤，結果在廣大讀者中造成認知混亂，嚴重阻礙我國儀器分析技術和分析儀器技術水平的提高。更有甚者至今還在使用早已過期或被淘汰的儀器學專業名詞。針對這些問題，結合本人長期使用、研發各類分析儀器的實踐經驗，依據儀器學理論和與國際接軌的有關論述，本文進行了比較全面的討論。圍繞分析儀器應用、研發和制造領域，本文共討論了11個非常重要的、具有共性的問題，對所有從事儀器分析應用和分析儀器研發、制造的科技工作者、對推動儀器分析技術和分析儀器技術規范化，都有重要參考意義。

　　1、分光光度計和光度計

　　顧名思義，分光光度計（Spectrophotometer），一定是有單色器、并且通過單色器分光的光度計，而光度計（phtoment）是沒有單色器的、不分光的光度計。但是很多科技工作者隨意亂說亂寫，例如，原子熒光光度計是能量分散型的儀器，目前還沒有分光型的原子熒光分光光度計儀器，只有原子熒光光度計，但是很多從事儀器分析和分析儀器的科技工作者經常把原子熒光光度計說成原子熒光分光光度計，這是不對的。

　　2、準確度和重復性

　　準確度（Accuracy）是指測量值與真值（或理論值）之差。它是分析儀器研發制造者、分析測試工作者最關心的核心指標之一，也是衡量儀器好壞的關鍵指標之一。以分光光度計為例，準確度一般用標準片或標準液測試，測試點一般是546.1nm、435.8nm、365.0nm、313.0nm、253.7nm等，但是313.0nm測試點一般因為信號弱，比較難測準。準確度可以是正值也可以是負值，所以在表述準確度數值時前面應該加±符號。同樣以分光光度計為例，重復性是指儀器冷態開機預熱30分鐘后，多次測量數值中的最大值與最小值之差，所以重復性數值前面不能加±符號。但是很多儀器分析和分析儀器工作者忽略了這一點，準確度與重復性數值前面都不加±符號，或都加±符號，這是不妥的。

　　3、吸光度和光密度

　　吸光度（Absorbence，Abs）講的是物質對光的吸收。比耳^[1] 研究的結果是吸光度與物質的透光率（Transmittance，T）的對數成正比，被稱之為比耳定律，其數學表達式為：A=-LogT，式中A為吸光度，T為透光率（透光率與物質的濃度成正比）。

　　光密度（Opticai density，O.D）講的是物質的光學密度（過去人們用它表征物質對光的吸收）。隨著科學的發展，科學家門發現O.D 不能準確表達物質對光的吸收，所以在1982年，國際物理年會就廢除了光密度這個名詞。但是至今還有人在使用這種淘汰了很久的名詞，把吸光度AbS寫成光密度O.D，應該予以糾正。

　　4、吸光度誤差和透光率誤差

　　如前所述，吸光度講的是物質對光的吸收，數學表達式為：吸光度A=-LogT（T為透過率），所以，吸光度誤差就是物質對光吸收時產生的誤差，即ΔA。透光率是指物質對光吸收了一部分，透過了一部分，二者的比值就是透光率，其數學表達式為：T=I/I0，式中T為透光率，I0為入射光，I為透射光。T產生的誤差就是透光率誤差，即ΔT。但是，ΔA和ΔT二者的概念是絕對不同的。這方面國內外很多科技工作者也沒有搞清楚，或者沒有完全高清楚。作者對此作了很多研究，請讀者參閱《李昌厚著，紫外可見分光光度計，北京：化學工業出版社，2005》和《李昌厚著，儀器學理論與實踐，北京：學出版社，2008》。

　　5、穩定性、漂移和重復性^[3]

　　穩定性是分析儀器的重要指標之一、是分析儀器可靠性的基礎，儀器不穩定就談不上可靠性好。但是，目前國內外許多科技工作者經常混淆概念，比如他們說“漂移小就是穩定性好”，這是不正確的說法。以分光光度計為例，所謂漂移，是指儀器冷態開機，預熱一小時后，繼續測試一小時，在這一小時內，測試獲得的最大值與最小值之差就是漂移。當然，儀器的漂移值大，肯定不是可靠性好、受使用者歡迎的好儀器。但是，如果儀器的漂移值很好，重復性卻很差，也不是好儀器。所謂重復性，就是指多次測量數據的一致性。具體而言，同一臺儀器，由同一個操作者，在同一時間對同一個樣品進行多次操作，所得數據卻不同；或者同一臺儀器，在同一時間，不同操作者對同一個樣品進行多次操作，所得數據不同；又或者同一臺儀器，由同一個操作者，在不同時間對同一個樣品進行多次操作，所得數據不同；再或者同一臺儀器，由同一個操作者，在不同實驗室對同一個樣品進行多次操作，所得數據不同。出現上述情況，這樣的儀器肯定不是使用者所歡迎的、重復性好的儀器。所以，我們說分析儀器的穩定性好，應該包括漂移值小和重復性好兩個方面的。

　　6、基線平直度和噪聲^[2]、[3]

　　就分光光度計而言，基線平直度（Baseline Flatness）是指，在每臺光吸收類儀器的波長范圍內，每個波長上的噪聲中，最大者就是儀器的基線平直度。測試方法是：在特定波長范圍內進行波長掃描，峰-峰值最大的波段就是該儀器的基線平直度。但是，有些儀器在對特定波長范圍掃描后發現，其波長范圍兩端的噪聲很大，導致儀器基線平直度不達標。所以，有業內人士提出，在特定波長范圍內分別從兩端各縮短20nm后再來測基線平直度，這樣儀器基線平直度就達標了，但其實這是不對的。因為基線平直度的定義就是在特定波長范圍內，儀器的基線（通常是在無樣品吸收等理想狀態下記錄的信號）保持平穩的程度，一般通過測量基線噪聲的大小來量化評估。所以這種在特定波長范圍兩端各縮短20nm來測基線平直度方法是不對的！這種條件下測試得到的只是某個波段的噪聲，將它作為基線平直度，只會是一種虛指標。我們應該對基線平直度正確理解，對錯誤的測試方法予以糾正。

　　在光譜儀器分析領域，我們平日講的一般儀器的噪聲（Noise），是指波長500nm處的儀器隨機輸出的信號。我們以此作為粗略比較儀器噪聲大小指標（原因在于波長500nm處的噪聲大小，往往能反映其他波段的噪聲大小趨勢）。噪聲的測試方法是：將儀器波長固定在500nm處，開機預熱半小時后，控制掃描時間在60分鐘內（國際接軌的方法）或30分鐘內（我國的國家標準），任取10分鐘內的信號最大值與最小值之差，所得數據就是噪聲。目前我國多數光譜相關企業，對基線平直度和波長500nm的噪聲指標的理解和測試方法仍然存在不少問題。從長期發展來看，這類企業應當高度重視基線平直度和噪聲的定義及測試方法，采用正確的或國際接軌的方法來定義和測量。

　　7、線性和線性動態范圍

　　一般來講，線性（Linearity）是指同一濃度上，取2、4、6、8、10的量（濃度或各種量綱的量），測試后作出的直線，例如：光譜、色譜分析中的工作曲線或標準曲線（直線）。

　　而線性動態范圍（Linear Dynamic Range，LDR)指的是采用以數量級遞增或遞減的量（濃度或各種量綱），例如2×10-8、2×10-7、2×10-6、2×10-5、2×10-4等作出的直線關系。它表征了儀器能夠適用的樣品濃度最稀和最濃的范圍。LDR在光譜、色譜分析工作中非常重要^[3]，值得廣大科技工作者重視。Linearity和LDR是完全不同的概念，建議大家不要混淆。

　　8、精密度和精度

　　精密度（Precision）是指多次測試數據的離散性，也有人也稱之為重復性（Reproducibility）。精度則是一個包含精密度和準確度的概念，精度與精密度是截然不同的兩個概念。但是，目前國內外很多科技工作者將精密度和精度這兩個指標混為一談，隨意亂用。精密度和精度這兩個名詞雖說只相差一個“密”字，但是其物理意義完全不同，值得大家重視。分析儀器的檢測數據的光度準確度、精密度（重復性）、精度三者的物理概念區別很大！分析儀器研發制造者、使用者搞清楚這三者的物理概念及三者之間相互的關聯關系非常重要，應該高度重視。

　　 為了說明上述指標的物理意義和區別，wensted[4]和Owen^[5]教授做了很多研究，下圖是他們提出的比較示圖，它可以清晰的說明上述問題。

　　 下圖中：(a)精密度和準確度都不好，(b)精密度好，準確度差，(c)精密度差，但準確度好（10個數據取均值正好在中心位置），(d)精密度和準確度都好，這就是精度好！所以精度包括精密度和準確度。

　　 目前，國內外很多企業的工作人員經常泛用這三者的概念，可謂眉毛胡子一把抓！

　　9、積分時間和噪聲

　　在進行光譜分析時，積分時間是指采樣的時間，積分時間越長，樣品信號就越大，隨之噪聲也越大！加大積分時間，可以加大有用信號強度，但是，噪聲也隨之加大，所以增加積分時間，不能提高儀器的信噪比或檢測限！下圖是北京西派特公司在自己的激光拉曼上，采用不同積分時間下采集的滑石粉的原始譜圖，積分時間分別為50 ms、500 ms、1000 ms、3000 ms、5000 ms，不同積分時間結果不同。

　　但是很多儀器分析者和分析儀器制造商，僅依據積分時間加大后，信號強度增加了，就認為自己的儀器靈敏度高、信噪比高，這是不對的。

　　10、浴盆效應和故障率^[3]

　　我們說一臺儀器的故障率高與低很重要，人們總是希望自己的儀器故障率越低越好。但是很多人因為不了解儀器學理論，就搞不清楚儀器故障率的定義。經常會聽到有些儀器銷售商說，他們的儀器長期故障率是“0” 、30年不會出故障等。通常，我們說一臺分析儀器的故障率很高、經常出故障，它的可靠性肯定不好，肯定不是一臺好儀器。但是，我們絕對不能說一臺分析儀器的長期故障率為“0”，或者說儀器是“0”故障率，再或者說30年不會出故障。作者多次見到過國外某醫療儀器公司推銷高電位治療儀，他們說：“我們的儀器永久保修，保證30年不出故障”。在我們看來，稍有物理常識的人，就不會相信。因為，任何現代分析儀器的組成，都是有電子學部分的，其電子學元器件都有電子元器件失效的浴盆效應問題。即電子元器件不可能使用30年而不出現故障。一般電子元器件使用到一定時間后，它會自然失效，會出現頻繁的故障。這就是眾所周知的電子元器件失效的浴盆效應理論（電子元器件的失效期一般為10年）。電子元器件失效的浴盆效應理論，是儀器學中電子學理論的一部分，是不能違背的。電子學元器件失效的浴盆效應理論原理如圖所示。

電子學元器件失效的浴盆效應理論原理圖

　　上圖中，電子元件失效在浴盆效應的前沿時期，儀器的故障會比較頻繁，其前沿期大約持續1年左右的時間。有些儀器制造商在出廠前對儀器進行較長時間的老化，可以在工廠車間里提前解決前沿期（或在工廠車間里解決大部分），等儀器到了用戶手里，很快就可進入穩定期（盆底）。所以，此時段這些儀器的故障率低，使用者對這種儀器非常滿意。也就是說，在電子元器件失效的浴盆效應的盆底時期，儀器將非常穩定，這段時間大約持續8年左右。等到儀器使用時間到達浴盆效應的后沿期，儀器的故障率又會開始上升，并且，隨著時間的推移故障率越來越頻繁，這段時間大約也會持續一年多一點。前沿期、穩定期、后沿期三者之和約為10年左右。所以，國外發達國家的使用者的分析儀器的壽命達到10年就更新是有理論根據的。有人說外國人有錢，所以分析儀器使用10年就更新，此話只講對一半。我們看到，國外的科技工作者因為有錢，儀器使用了10年就更新（儀器到達了電子元器件失效的浴盆效應終點），不必采取維修辦法，而我國或其他發展中國家，因為經濟原因，在電子元件失效的浴盆效應十年到期后，就采取對儀器維修（調換新的電子元器件）的辦法，然后繼續使用，這也是正常的，并且是符合儀器學理論的。

　　綜上所述，儀器的“0故障率”、30年不會出故障的現象是不存在的（至少性能指標遠遠不會如初），宣稱醫療電子儀器“30年不出故障”是違反儀器學理論的。只有說儀器的故障率低、故障率符合儀器學中電子元件失效的浴盆效應才是正確的。因此，我們在設計、使用、評價儀器時，特別是挑選分析儀器時，一定要重視浴盆效應和故障率的問題。

　　11、PPM、PPb和濃度

　　PPM是指百萬分之一（10-6），PPb是指十億分之一（10-9），它們都是無量綱的。而濃度是指單位體積溶劑中所含物質的含量，是有量綱的，例如ng/L、μg/L、mg/mL、g/L等等。然而，在日常的分析檢測工作中，經常看到有人說“濃度是多少PPb、濃度是多少PPM”，或者把PPb說成ng/L、把PPM說成μg/L，這些也是在混淆概念。這種概念的混淆也是一個值得廣大儀器分析工作者和分析儀器工作者重視的問題。

　　主要參考文獻

　　[1]A.Beer,Ann.der Physik.Chemie,(3),26,78(1852).133

　　[2]李昌厚著，紫外可見分光光度計，北京：化學工業出版社，2005

　　[3]李昌厚著，儀器學理論與實踐，北京：科學出版社，2008

　　[4]Wensted，lnstrument Check Systems,Published in Great Britain by

　　 Hencry Kimpton PublishersLondon,1971.

　　[5]Tony Owen,Fundamentals of UV-Visible Spectroscopy,1996,Germany

　　 Hewkett-Packard publication number 12-5965-123-E

　　[6]李昌厚，紫外可見分光光度計儀器及其應用，北京：化學工業出版社，2010.

　　[7]李昌厚，原子吸收分光光度計儀器及其應用，北京：科學出版社，2006.

　　[8]李昌厚，高效液相色譜儀器及其應用，北京：科學出版社，2014.

　　[9]李昌厚，便攜式激光拉曼儀器及其應用的最新進展，儀器信息網，2019/7/11.

　　[10]李昌厚，用好AAS的一些關鍵問題，儀器信息網，2020/8/17

　　[11]李昌厚，略論分析儀器的主要核心技術指標及有關問題，儀器信息網，2024.08

　　[12]李昌厚，如何評價和挑選分析檢測儀器，偉業計量網，2024.12.31

　　作者簡介

　　李昌厚，男，1963年畢業于天津大學精密儀器系光學儀器專業；中國科學院上海營養與健康研究所原儀器分析室主任、分析儀器及其應用研究室主任、教授、博士生導師、華東理工大學兼職教授、天津大學兼職教授；國務院政府特殊津貼終身享受者。

　　主要研究方向：長期從事分析儀器研究開發和分析儀器應用研究。主要從事光譜儀器（紫外吸收光譜、原子吸收光譜、旋光光譜、分子熒光光譜、原子熒光、拉曼光譜等）、色譜儀器（液相色譜、氣相色譜等）、色質聯用儀器（GC-MS、LC-MS等）及其應用研究；特別對《儀器學理論》和分析儀器指標檢測等方面有精深研究；以第一完成者身份，完成科研成果15項。由中科院組織專家鑒定，其中13項達到鑒定時國際上同類儀器的先進水平，2項填補國內空白；以第一完成者身份獲得國家發明獎和省部級（中國科學院、上海市、科技部）科技成果獎5項；發表論文280多篇，出版《儀器學理論與實踐》、光譜和色譜儀器及其應用等專著5本。

　　曾任中國儀器儀表學會理事、中國儀器儀表學會分析儀器分會第五屆、第六屆副理事長兼光譜儀器、高速分析等多個專業委員會的副主任；國家認監委計量認證/審查認可國家級常任評審員、國家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大儀器及其應用專項的技術專家組組長、上海市科學儀器專家組成員、《生命科學儀器》副主編、《光學儀器》副主編、《光譜儀器與分析》副主編、上海化工研究院院士專家工作站成員等數十個學術團體和專家委員會成員，和北京瑞利、北京普析、上海科哲、美國ISCO等十多家高科技公司的技術顧問或專家組組長等職務。