1.4　分析儀器的主要性能指標

1.分析儀器的分類

現代分析儀器是用來研究和檢測各種物質的化學成分、結構及某些物理特性的技術工具，根據使用的場合與目的不同，可分為實驗室分析儀器和在線分析儀器；根據原理來分，可分為8種類型，具體分類見表1-8。

隨著科技的進步和生產的發展，分析儀器的使用已滲透到科學研究、工業生產過程控制、環境質量監測、社會公共安全保障等各個領域。與常規的化學分析方法相比，儀器分析方法不僅速度快，而且可大幅度降低分析過程中的系統誤差和分析者的主觀誤差，提高了數據的準確度和精確度，尤為令人驚嘆的是，許多實驗分析儀器都可以檢測出ppb級的微量組分，有些儀器還可以檢測出ppt級的痕量組分。

2.分析儀器的性能指標

分析儀器作為某種物質存在與否、含量多少、結構性能如何的檢測技術設備，雖然種類繁多、原理不同，但卻有共同的性能指標要求。這些指標包括靈敏度、精確度、噪聲、最小檢測量、線性范圍、選擇性、分辨率以及響應時間，除響應時間是動態性能指標外，其余都是靜態性能指標。

在分析儀器中，一般都要把組分含量的變化轉換為其他信號（如電流、電壓、光強度、溫度、壓力等）的變化，用這些轉換后的物理量來表示物質的含量，雖然沒有用含量表示直觀，但卻易于測量，可以比較準確地反映儀器的性能指標。

（1）靈敏度

靈敏度一般是指儀器在穩定狀態下輸出量與輸入量之比。若用S表示靈敏度、R表示輸出量、Q表示輸入量，則靈敏度定義如式（1-1）、式（1-2）：

或

由此看到，靈敏度越大，表示儀器越敏感，即被測量物質含量有微小變化時，儀器就能產生足夠的響應信號。

但值得注意的是，在儀器分析中，各種方法通常有自己習慣使用的靈敏度概念。如在光譜分析中，分析靈敏度就有相對靈敏度和絕對靈敏度之分，絕對靈敏度表示能檢測出某元素所需該元素的最小質量，而相對靈敏度則表示能檢出的某元素在樣品中的最小百分含量。如發射光譜儀的絕對靈敏度，一般可達10-8～10-10g，相對靈敏度可達（0.1～10）×10-6；激光熱透鏡光譜檢測氨基酸，靈敏度用可檢測到的分子數表示，可達50個分子；電感耦合等離子體（ICP）質譜法使40多種元素的檢測限達到10～60pg/mL。

（2）精確度

精確度也稱精度，表示精確度的參數有三個：

①精密度δ精密度表示儀器所測數據的分散程度，有重復性和再現性兩種表示方法。重復性指由同一個測量人員，在一個給定的實驗室中，用同一臺工作穩定的儀器，在短時間內對一個穩定的物理量進行多次測量所得的結果，重復性也稱為室內精密度；再現性指由不同實驗室不同的測量人員，用同一型號的儀器，對同一個穩定的物理量進行定量測量所得的結果，我國把再現性也稱為空間精密度。

根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的規定，精密度用相對標準偏差ds來表示，見式（1-3）：

其中，S為絕對標準偏差，按式（1-4）計算； 為n次測量的平均值。

在具體測量過程中，相對標準偏差與濃度有關。一般而言，濃度較低時，相對標準偏差較大；濃度較高時，相對標準偏差較小。

精密度反映了儀器的隨機誤差，反映不出儀器的系統誤差。

②準確度ε準確度表示測量儀器所得結果與真實值的偏離程度。如一支溫度計的準確度為0.5℃，則表示用這支溫度計測量某系統的溫度，所得結果與真實值相差為±0.5℃。準確度在某種程度上能夠反映出儀器的系統誤差。

③精確度σ精密度和準確度綜合起來，就是儀器的精確度。只有在精密度和準確度都較高的情況下，才有可能得到較高的精確度。精確度常以測量誤差的相對值來表示，現在一般把儀器的精確度由高到低分為10個等級，用小數表示分別為1.0、1.5、2.0、2.5、4.0、5.0、6.0、10.0、15.0和20.0級。若某儀器的精確度等級為2.0級，表示這臺儀器的相對誤差為±2.0％。

（3）噪聲

儀器在沒有加入被測物質即輸入為零時，輸出信號的波動或變化叫噪聲。影響噪聲的因素較多，有外來的干擾，也與儀器本身元件材料的穩定性和靈敏度有關。在外界干擾條件相同時，儀器的靈敏度越高，噪聲越大。噪聲的大小，一般用儀器輸出物理量的大小來描述。如一臺儀器的輸出信號為電壓（mV）信號，則噪聲就用毫伏數來表示。許多儀器對安裝場地的條件（氣壓、溫度、濕度、電場、磁場等）都有一些特別的要求，其主要原因就是為了減少外來干擾，降低噪聲。

（4）最小檢測量

最小檢測量也叫最低檢測限，與儀器靈敏度有關。對于一些特定的儀器，最小檢測限與靈敏度的表示方法一樣，是定量分析中能夠檢測到的最小質量或濃度，是儀器能夠測到的組分含量的極限。最小檢測量還與儀器噪聲密切相關，是定量分析中的一個重要指標。在一般的微量級分析中，用10-6計量，在環境監測分析中，用10-9計量，稱為痕量分析，而在生命科學分析中，已用10-18計量，稱為渺級。由此可見，現代儀器分析的最小檢測量，已經非常驚人。

（5）線性范圍

線性范圍指儀器檢測系統得到的信號與被測物質濃度或質量呈線性關系的范圍。因為線性關系是相互影響的兩個量之間最簡單的函數關系，所以，對于任何一臺分析儀器，人們總希望它具有線性特征。現在，由于計算機被廣泛用于分析測試儀器的控制和數據處理，所以大多數的分析儀器，所測物理量和輸出信號都呈線性關系。例如，在色譜分析中，組分的含量和峰高或峰面積呈線性關系；在紅外光譜分析中，經過傅立葉變換，吸光率也與組分的含量呈線性關系。

儀器的線性范圍越寬，說明在定量分析中可測定的濃度范圍就越寬。然而，有些分析儀器，為了在整個測量范圍內有相應的靈敏度，并不需要采用線性化，如一些自動監測的傳感器類儀器就是這樣。

（6）選擇性

分析方法的選擇性，是指該方法不受試樣中其他物質干擾的程度，通常用選擇性系數來表示該能力的大小。一般選擇性系數定義為在取得相同的輸出信號時，非待測組分含量變化ΔCm與待測組分含量變化ΔC之比。實際上，選擇系數這個概念，除了離子選擇電極外，其他儀器很少用到。

（7）分辨率

分辨率的概念比較復雜，在分析儀器中，各類儀器都有自己獨特的分辨率指標。如色譜儀器的分辨率定義為色譜圖上相鄰兩個色譜峰的保留時間差與兩峰半峰寬差的比值，分辨率R如式（1-5）：

光譜儀器的分辨率定義為將波長相近的兩條譜線分開的能力，若用λ表示能分辨的兩條譜線的平均波長，Δλ表示這兩條譜線的波長差，則分辨率R如式（1-6）：

因此，不能用一個簡單的參數統一描述各種儀器的分辨率，但是對于同一種類、不同型號的儀器，分辨率越大表示這臺儀器對輸出信號的解析能力越強。

（8）響應時間

對于現代分析儀器，尤其是在線監測儀器和生產控制儀器，響應時間是一個非常重要的參數。響應時間指當被測信號發生變化時，儀器輸出的信號變化的快慢程度。一般以被測信號發生變化時開始到儀器響應達到最后指示值的90％所需要的時間來表示，單位為秒；或者用儀器響應達到最大值的63.2％時所需的時間表示。

對于在線監測分析儀器，要求盡可能有小的響應時間；而對于實驗室分析儀器，這個參數意義并不是很大，現在的分析儀器都能滿足要求。