1.4　分析仪器的主要性能指标

1.分析仪器的分类

现代分析仪器是用来研究和检测各种物质的化学成分、结构及某些物理特性的技术工具，根据使用的场合与目的不同，可分为实验室分析仪器和在线分析仪器；根据原理来分，可分为8种类型，具体分类见表1-8。

随着科技的进步和生产的发展，分析仪器的使用已渗透到科学研究、工业生产过程控制、环境质量监测、社会公共安全保障等各个领域。与常规的化学分析方法相比，仪器分析方法不仅速度快，而且可大幅度降低分析过程中的系统误差和分析者的主观误差，提高了数据的准确度和精确度，尤为令人惊叹的是，许多实验分析仪器都可以检测出ppb级的微量组分，有些仪器还可以检测出ppt级的痕量组分。

2.分析仪器的性能指标

分析仪器作为某种物质存在与否、含量多少、结构性能如何的检测技术设备，虽然种类繁多、原理不同，但却有共同的性能指标要求。这些指标包括灵敏度、精确度、噪声、最小检测量、线性范围、选择性、分辨率以及响应时间，除响应时间是动态性能指标外，其余都是静态性能指标。

在分析仪器中，一般都要把组分含量的变化转换为其他信号（如电流、电压、光强度、温度、压力等）的变化，用这些转换后的物理量来表示物质的含量，虽然没有用含量表示直观，但却易于测量，可以比较准确地反映仪器的性能指标。

（1）灵敏度

灵敏度一般是指仪器在稳定状态下输出量与输入量之比。若用S表示灵敏度、R表示输出量、Q表示输入量，则灵敏度定义如式（1-1）、式（1-2）：

或

由此看到，灵敏度越大，表示仪器越敏感，即被测量物质含量有微小变化时，仪器就能产生足够的响应信号。

但值得注意的是，在仪器分析中，各种方法通常有自己习惯使用的灵敏度概念。如在光谱分析中，分析灵敏度就有相对灵敏度和绝对灵敏度之分，绝对灵敏度表示能检测出某元素所需该元素的最小质量，而相对灵敏度则表示能检出的某元素在样品中的最小百分含量。如发射光谱仪的绝对灵敏度，一般可达10-8～10-10g，相对灵敏度可达（0.1～10）×10-6；激光热透镜光谱检测氨基酸，灵敏度用可检测到的分子数表示，可达50个分子；电感耦合等离子体（ICP）质谱法使40多种元素的检测限达到10～60pg/mL。

（2）精确度

精确度也称精度，表示精确度的参数有三个：

①精密度δ精密度表示仪器所测数据的分散程度，有重复性和再现性两种表示方法。重复性指由同一个测量人员，在一个给定的实验室中，用同一台工作稳定的仪器，在短时间内对一个稳定的物理量进行多次测量所得的结果，重复性也称为室内精密度；再现性指由不同实验室不同的测量人员，用同一型号的仪器，对同一个稳定的物理量进行定量测量所得的结果，我国把再现性也称为空间精密度。

根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的规定，精密度用相对标准偏差ds来表示，见式（1-3）：

其中，S为绝对标准偏差，按式（1-4）计算； 为n次测量的平均值。

在具体测量过程中，相对标准偏差与浓度有关。一般而言，浓度较低时，相对标准偏差较大；浓度较高时，相对标准偏差较小。

精密度反映了仪器的随机误差，反映不出仪器的系统误差。

②准确度ε准确度表示测量仪器所得结果与真实值的偏离程度。如一支温度计的准确度为0.5℃，则表示用这支温度计测量某系统的温度，所得结果与真实值相差为±0.5℃。准确度在某种程度上能够反映出仪器的系统误差。

③精确度σ精密度和准确度综合起来，就是仪器的精确度。只有在精密度和准确度都较高的情况下，才有可能得到较高的精确度。精确度常以测量误差的相对值来表示，现在一般把仪器的精确度由高到低分为10个等级，用小数表示分别为1.0、1.5、2.0、2.5、4.0、5.0、6.0、10.0、15.0和20.0级。若某仪器的精确度等级为2.0级，表示这台仪器的相对误差为±2.0％。

（3）噪声

仪器在没有加入被测物质即输入为零时，输出信号的波动或变化叫噪声。影响噪声的因素较多，有外来的干扰，也与仪器本身元件材料的稳定性和灵敏度有关。在外界干扰条件相同时，仪器的灵敏度越高，噪声越大。噪声的大小，一般用仪器输出物理量的大小来描述。如一台仪器的输出信号为电压（mV）信号，则噪声就用毫伏数来表示。许多仪器对安装场地的条件（气压、温度、湿度、电场、磁场等）都有一些特别的要求，其主要原因就是为了减少外来干扰，降低噪声。

（4）最小检测量

最小检测量也叫最低检测限，与仪器灵敏度有关。对于一些特定的仪器，最小检测限与灵敏度的表示方法一样，是定量分析中能够检测到的最小质量或浓度，是仪器能够测到的组分含量的极限。最小检测量还与仪器噪声密切相关，是定量分析中的一个重要指标。在一般的微量级分析中，用10-6计量，在环境监测分析中，用10-9计量，称为痕量分析，而在生命科学分析中，已用10-18计量，称为渺级。由此可见，现代仪器分析的最小检测量，已经非常惊人。

（5）线性范围

线性范围指仪器检测系统得到的信号与被测物质浓度或质量呈线性关系的范围。因为线性关系是相互影响的两个量之间最简单的函数关系，所以，对于任何一台分析仪器，人们总希望它具有线性特征。现在，由于计算机被广泛用于分析测试仪器的控制和数据处理，所以大多数的分析仪器，所测物理量和输出信号都呈线性关系。例如，在色谱分析中，组分的含量和峰高或峰面积呈线性关系；在红外光谱分析中，经过傅立叶变换，吸光率也与组分的含量呈线性关系。

仪器的线性范围越宽，说明在定量分析中可测定的浓度范围就越宽。然而，有些分析仪器，为了在整个测量范围内有相应的灵敏度，并不需要采用线性化，如一些自动监测的传感器类仪器就是这样。

（6）选择性

分析方法的选择性，是指该方法不受试样中其他物质干扰的程度，通常用选择性系数来表示该能力的大小。一般选择性系数定义为在取得相同的输出信号时，非待测组分含量变化ΔCm与待测组分含量变化ΔC之比。实际上，选择系数这个概念，除了离子选择电极外，其他仪器很少用到。

（7）分辨率

分辨率的概念比较复杂，在分析仪器中，各类仪器都有自己独特的分辨率指标。如色谱仪器的分辨率定义为色谱图上相邻两个色谱峰的保留时间差与两峰半峰宽差的比值，分辨率R如式（1-5）：

光谱仪器的分辨率定义为将波长相近的两条谱线分开的能力，若用λ表示能分辨的两条谱线的平均波长，Δλ表示这两条谱线的波长差，则分辨率R如式（1-6）：

因此，不能用一个简单的参数统一描述各种仪器的分辨率，但是对于同一种类、不同型号的仪器，分辨率越大表示这台仪器对输出信号的解析能力越强。

（8）响应时间

对于现代分析仪器，尤其是在线监测仪器和生产控制仪器，响应时间是一个非常重要的参数。响应时间指当被测信号发生变化时，仪器输出的信号变化的快慢程度。一般以被测信号发生变化时开始到仪器响应达到最后指示值的90％所需要的时间来表示，单位为秒；或者用仪器响应达到最大值的63.2％时所需的时间表示。

对于在线监测分析仪器，要求尽可能有小的响应时间；而对于实验室分析仪器，这个参数意义并不是很大，现在的分析仪器都能满足要求。