李昌厚：略论分析仪器和仪器分析中的有关专业名词问题

　　摘要：本文讨论了在仪器分析（分析仪器应用）和分析仪器（分析仪器研发制造）工作中，经常出现的错误概念。根据作者长期使用和研发各类分析仪器的实践经验，对相关专业名词的基本概念（物理意义）、与分析误差的关系等11个问题，提出了正确的表述方法和使用方法。

　　0、前言

　　作者经常发现很多仪器分析者（分析仪器应用者）和分析仪器研发、制造者，对仪器分析或分析仪器中，一些非常重要的专业名词的物理概念，没有完全搞清楚或根本没有搞清楚，特别是有些专业名词的表述方法、对分析误差的影响以及与国际接轨等方面的问题。所以，有很多科技工作者在专业技术名词或专业技术指标的表述和运用、理论与实践的结合、与国际接轨等方面，经常出现错误，结果在广大读者中造成认知混乱，严重阻碍我国仪器分析技术和分析仪器技术水平的提高。更有甚者至今还在使用早已过期或被淘汰的仪器学专业名词。针对这些问题，结合本人长期使用、研发各类分析仪器的实践经验，依据仪器学理论和与国际接轨的有关论述，本文进行了比较全面的讨论。围绕分析仪器应用、研发和制造领域，本文共讨论了11个非常重要的、具有共性的问题，对所有从事仪器分析应用和分析仪器研发、制造的科技工作者、对推动仪器分析技术和分析仪器技术规范化，都有重要参考意义。

　　1、分光光度计和光度计

　　顾名思义，分光光度计（Spectrophotometer），一定是有单色器、并且通过单色器分光的光度计，而光度计（phtoment）是没有单色器的、不分光的光度计。但是很多科技工作者随意乱说乱写，例如，原子荧光光度计是能量分散型的仪器，目前还没有分光型的原子荧光分光光度计仪器，只有原子荧光光度计，但是很多从事仪器分析和分析仪器的科技工作者经常把原子荧光光度计说成原子荧光分光光度计，这是不对的。

　　2、准确度和重复性

　　准确度（Accuracy）是指测量值与真值（或理论值）之差。它是分析仪器研发制造者、分析测试工作者最关心的核心指标之一，也是衡量仪器好坏的关键指标之一。以分光光度计为例，准确度一般用标准片或标准液测试，测试点一般是546.1nm、435.8nm、365.0nm、313.0nm、253.7nm等，但是313.0nm测试点一般因为信号弱，比较难测准。准确度可以是正值也可以是负值，所以在表述准确度数值时前面应该加±符号。同样以分光光度计为例，重复性是指仪器冷态开机预热30分钟后，多次测量数值中的最大值与最小值之差，所以重复性数值前面不能加±符号。但是很多仪器分析和分析仪器工作者忽略了这一点，准确度与重复性数值前面都不加±符号，或都加±符号，这是不妥的。

　　3、吸光度和光密度

　　吸光度（Absorbence，Abs）讲的是物质对光的吸收。比耳^[1] 研究的结果是吸光度与物质的透光率（Transmittance，T）的对数成正比，被称之为比耳定律，其数学表达式为：A=-LogT，式中A为吸光度，T为透光率（透光率与物质的浓度成正比）。

　　光密度（Opticai density，O.D）讲的是物质的光学密度（过去人们用它表征物质对光的吸收）。随着科学的发展，科学家门发现O.D 不能准确表达物质对光的吸收，所以在1982年，国际物理年会就废除了光密度这个名词。但是至今还有人在使用这种淘汰了很久的名词，把吸光度AbS写成光密度O.D，应该予以纠正。

　　4、吸光度误差和透光率误差

　　如前所述，吸光度讲的是物质对光的吸收，数学表达式为：吸光度A=-LogT（T为透过率），所以，吸光度误差就是物质对光吸收时产生的误差，即ΔA。透光率是指物质对光吸收了一部分，透过了一部分，二者的比值就是透光率，其数学表达式为：T=I/I0，式中T为透光率，I0为入射光，I为透射光。T产生的误差就是透光率误差，即ΔT。但是，ΔA和ΔT二者的概念是绝对不同的。这方面国内外很多科技工作者也没有搞清楚，或者没有完全高清楚。作者对此作了很多研究，请读者参阅《李昌厚著，紫外可见分光光度计，北京：化学工业出版社，2005》和《李昌厚著，仪器学理论与实践，北京：学出版社，2008》。

　　5、稳定性、漂移和重复性^[3]

　　稳定性是分析仪器的重要指标之一、是分析仪器可靠性的基础，仪器不稳定就谈不上可靠性好。但是，目前国内外许多科技工作者经常混淆概念，比如他们说“漂移小就是稳定性好”，这是不正确的说法。以分光光度计为例，所谓漂移，是指仪器冷态开机，预热一小时后，继续测试一小时，在这一小时内，测试获得的最大值与最小值之差就是漂移。当然，仪器的漂移值大，肯定不是可靠性好、受使用者欢迎的好仪器。但是，如果仪器的漂移值很好，重复性却很差，也不是好仪器。所谓重复性，就是指多次测量数据的一致性。具体而言，同一台仪器，由同一个操作者，在同一时间对同一个样品进行多次操作，所得数据却不同；或者同一台仪器，在同一时间，不同操作者对同一个样品进行多次操作，所得数据不同；又或者同一台仪器，由同一个操作者，在不同时间对同一个样品进行多次操作，所得数据不同；再或者同一台仪器，由同一个操作者，在不同实验室对同一个样品进行多次操作，所得数据不同。出现上述情况，这样的仪器肯定不是使用者所欢迎的、重复性好的仪器。所以，我们说分析仪器的稳定性好，应该包括漂移值小和重复性好两个方面的。

　　6、基线平直度和噪声^[2]、[3]

　　就分光光度计而言，基线平直度（Baseline Flatness）是指，在每台光吸收类仪器的波长范围内，每个波长上的噪声中，最大者就是仪器的基线平直度。测试方法是：在特定波长范围内进行波长扫描，峰-峰值最大的波段就是该仪器的基线平直度。但是，有些仪器在对特定波长范围扫描后发现，其波长范围两端的噪声很大，导致仪器基线平直度不达标。所以，有业内人士提出，在特定波长范围内分别从两端各缩短20nm后再来测基线平直度，这样仪器基线平直度就达标了，但其实这是不对的。因为基线平直度的定义就是在特定波长范围内，仪器的基线（通常是在无样品吸收等理想状态下记录的信号）保持平稳的程度，一般通过测量基线噪声的大小来量化评估。所以这种在特定波长范围两端各缩短20nm来测基线平直度方法是不对的！这种条件下测试得到的只是某个波段的噪声，将它作为基线平直度，只会是一种虚指标。我们应该对基线平直度正确理解，对错误的测试方法予以纠正。

　　在光谱仪器分析领域，我们平日讲的一般仪器的噪声（Noise），是指波长500nm处的仪器随机输出的信号。我们以此作为粗略比较仪器噪声大小指标（原因在于波长500nm处的噪声大小，往往能反映其他波段的噪声大小趋势）。噪声的测试方法是：将仪器波长固定在500nm处，开机预热半小时后，控制扫描时间在60分钟内（国际接轨的方法）或30分钟内（我国的国家标准），任取10分钟内的信号最大值与最小值之差，所得数据就是噪声。目前我国多数光谱相关企业，对基线平直度和波长500nm的噪声指标的理解和测试方法仍然存在不少问题。从长期发展来看，这类企业应当高度重视基线平直度和噪声的定义及测试方法，采用正确的或国际接轨的方法来定义和测量。

　　7、线性和线性动态范围

　　一般来讲，线性（Linearity）是指同一浓度上，取2、4、6、8、10的量（浓度或各种量纲的量），测试后作出的直线，例如：光谱、色谱分析中的工作曲线或标准曲线（直线）。

　　而线性动态范围（Linear Dynamic Range，LDR)指的是采用以数量级递增或递减的量（浓度或各种量纲），例如2×10-8、2×10-7、2×10-6、2×10-5、2×10-4等作出的直线关系。它表征了仪器能够适用的样品浓度最稀和最浓的范围。LDR在光谱、色谱分析工作中非常重要^[3]，值得广大科技工作者重视。Linearity和LDR是完全不同的概念，建议大家不要混淆。

　　8、精密度和精度

　　精密度（Precision）是指多次测试数据的离散性，也有人也称之为重复性（Reproducibility）。精度则是一个包含精密度和准确度的概念，精度与精密度是截然不同的两个概念。但是，目前国内外很多科技工作者将精密度和精度这两个指标混为一谈，随意乱用。精密度和精度这两个名词虽说只相差一个“密”字，但是其物理意义完全不同，值得大家重视。分析仪器的检测数据的光度准确度、精密度（重复性）、精度三者的物理概念区别很大！分析仪器研发制造者、使用者搞清楚这三者的物理概念及三者之间相互的关联关系非常重要，应该高度重视。

　　 为了说明上述指标的物理意义和区别，wensted[4]和Owen^[5]教授做了很多研究，下图是他们提出的比较示图，它可以清晰的说明上述问题。

　　 下图中：(a)精密度和准确度都不好，(b)精密度好，准确度差，(c)精密度差，但准确度好（10个数据取均值正好在中心位置），(d)精密度和准确度都好，这就是精度好！所以精度包括精密度和准确度。

　　 目前，国内外很多企业的工作人员经常泛用这三者的概念，可谓眉毛胡子一把抓！

　　9、积分时间和噪声

　　在进行光谱分析时，积分时间是指采样的时间，积分时间越长，样品信号就越大，随之噪声也越大！加大积分时间，可以加大有用信号强度，但是，噪声也随之加大，所以增加积分时间，不能提高仪器的信噪比或检测限！下图是北京西派特公司在自己的激光拉曼上，采用不同积分时间下采集的滑石粉的原始谱图，积分时间分别为50 ms、500 ms、1000 ms、3000 ms、5000 ms，不同积分时间结果不同。

　　但是很多仪器分析者和分析仪器制造商，仅依据积分时间加大后，信号强度增加了，就认为自己的仪器灵敏度高、信噪比高，这是不对的。

　　10、浴盆效应和故障率^[3]

　　我们说一台仪器的故障率高与低很重要，人们总是希望自己的仪器故障率越低越好。但是很多人因为不了解仪器学理论，就搞不清楚仪器故障率的定义。经常会听到有些仪器销售商说，他们的仪器长期故障率是“0” 、30年不会出故障等。通常，我们说一台分析仪器的故障率很高、经常出故障，它的可靠性肯定不好，肯定不是一台好仪器。但是，我们绝对不能说一台分析仪器的长期故障率为“0”，或者说仪器是“0”故障率，再或者说30年不会出故障。作者多次见到过国外某医疗仪器公司推销高电位治疗仪，他们说：“我们的仪器永久保修，保证30年不出故障”。在我们看来，稍有物理常识的人，就不会相信。因为，任何现代分析仪器的组成，都是有电子学部分的，其电子学元器件都有电子元器件失效的浴盆效应问题。即电子元器件不可能使用30年而不出现故障。一般电子元器件使用到一定时间后，它会自然失效，会出现频繁的故障。这就是众所周知的电子元器件失效的浴盆效应理论（电子元器件的失效期一般为10年）。电子元器件失效的浴盆效应理论，是仪器学中电子学理论的一部分，是不能违背的。电子学元器件失效的浴盆效应理论原理如图所示。

电子学元器件失效的浴盆效应理论原理图

　　上图中，电子元件失效在浴盆效应的前沿时期，仪器的故障会比较频繁，其前沿期大约持续1年左右的时间。有些仪器制造商在出厂前对仪器进行较长时间的老化，可以在工厂车间里提前解决前沿期（或在工厂车间里解决大部分），等仪器到了用户手里，很快就可进入稳定期（盆底）。所以，此时段这些仪器的故障率低，使用者对这种仪器非常满意。也就是说，在电子元器件失效的浴盆效应的盆底时期，仪器将非常稳定，这段时间大约持续8年左右。等到仪器使用时间到达浴盆效应的后沿期，仪器的故障率又会开始上升，并且，随着时间的推移故障率越来越频繁，这段时间大约也会持续一年多一点。前沿期、稳定期、后沿期三者之和约为10年左右。所以，国外发达国家的使用者的分析仪器的寿命达到10年就更新是有理论根据的。有人说外国人有钱，所以分析仪器使用10年就更新，此话只讲对一半。我们看到，国外的科技工作者因为有钱，仪器使用了10年就更新（仪器到达了电子元器件失效的浴盆效应终点），不必采取维修办法，而我国或其他发展中国家，因为经济原因，在电子元件失效的浴盆效应十年到期后，就采取对仪器维修（调换新的电子元器件）的办法，然后继续使用，这也是正常的，并且是符合仪器学理论的。

　　综上所述，仪器的“0故障率”、30年不会出故障的现象是不存在的（至少性能指标远远不会如初），宣称医疗电子仪器“30年不出故障”是违反仪器学理论的。只有说仪器的故障率低、故障率符合仪器学中电子元件失效的浴盆效应才是正确的。因此，我们在设计、使用、评价仪器时，特别是挑选分析仪器时，一定要重视浴盆效应和故障率的问题。

　　11、PPM、PPb和浓度

　　PPM是指百万分之一（10-6），PPb是指十亿分之一（10-9），它们都是无量纲的。而浓度是指单位体积溶剂中所含物质的含量，是有量纲的，例如ng/L、µg/L、mg/mL、g/L等等。然而，在日常的分析检测工作中，经常看到有人说“浓度是多少PPb、浓度是多少PPM”，或者把PPb说成ng/L、把PPM说成µg/L，这些也是在混淆概念。这种概念的混淆也是一个值得广大仪器分析工作者和分析仪器工作者重视的问题。

　　主要参考文献

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

　　[2]李昌厚著，紫外可见分光光度计，北京：化学工业出版社，2005

　　[3]李昌厚著，仪器学理论与实践，北京：科学出版社，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，紫外可见分光光度计仪器及其应用，北京：化学工业出版社，2010.

　　[7]李昌厚，原子吸收分光光度计仪器及其应用，北京：科学出版社，2006.

　　[8]李昌厚，高效液相色谱仪器及其应用，北京：科学出版社，2014.

　　[9]李昌厚，便携式激光拉曼仪器及其应用的最新进展，仪器信息网，2019/7/11.

　　[10]李昌厚，用好AAS的一些关键问题，仪器信息网，2020/8/17

　　[11]李昌厚，略论分析仪器的主要核心技术指标及有关问题，仪器信息网，2024.08

　　[12]李昌厚，如何评价和挑选分析检测仪器，伟业计量网，2024.12.31

　　作者简介

　　李昌厚，男，1963年毕业于天津大学精密仪器系光学仪器专业；中国科学院上海营养与健康研究所原仪器分析室主任、分析仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授、天津大学兼职教授；国务院政府特殊津贴终身享受者。

　　主要研究方向：长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要从事光谱仪器（紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等）、色谱仪器（液相色谱、气相色谱等）、色质联用仪器（GC-MS、LC-MS等）及其应用研究；特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等方面有精深研究；以第一完成者身份，完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定，其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平，2项填补国内空白；以第一完成者身份获得国家发明奖和省部级（中国科学院、上海市、科技部）科技成果奖5项；发表论文280多篇，出版《仪器学理论与实践》、光谱和色谱仪器及其应用等专著5本。

　　曾任中国仪器仪表学会理事、中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届副理事长兼光谱仪器、高速分析等多个专业委员会的副主任；国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组组长、上海市科学仪器专家组成员、《生命科学仪器》副主编、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研究院院士专家工作站成员等数十个学术团体和专家委员会成员，和北京瑞利、北京普析、上海科哲、美国ISCO等十多家高科技公司的技术顾问或专家组组长等职务。