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    卞正崗
男，教授級高級工程師，多年從事工業自動化儀表、集散系統和現場總線的研制及自動化系統集成的工程實踐。

1   前言

    2005年IBM全球醫藥行業用戶大會上，提到有5項技術是10年內將改變制藥行業的革命性技術，將能夠完成以前不可能完成的工作，從根本上改變其經營方式，其中一項為PAT流程分析技術(Process Analysis Technology)。

    在《醫藥加工雜志》的“你的過程數據PAT了嗎？”一文中，美國食品及藥物管理局（FDA）在過程分析技術報告中指出，要實現實時測量自動化，通過控制系統將數據整體化及提高對藥物制造過程的理解等。文章中具體介紹了Pfizer（紐約）公司的產品，其特點是以光譜為核心進行過程分析，并以高效液相色譜，快速微生物校驗、氣相色譜和光譜成像技術為輔助，并指出其思路是“會從任何行業尋求靈感”。本文將解讀相關技術。
   
    我國包括石化、醫藥等行業在內，對在流程工業中使用過程分析儀或分析儀表已有多年歷史，在實驗室使用分析儀表比較有成效，在現場使用過程分析儀表比較困難，但是國內用戶使用分析儀表和過程分析儀表的需求很迫切，特別是隨著節能降耗、環保、安全、質量的要求越來越高，過程分析儀確實能夠幫助用戶解決諸多問題。本文將結合應用進行闡述。

2    在線問題

    關于過程分析儀表和一般分析儀表的區別問題，粗淺的說法是，一個用在現場，另一個用在實驗室，而且我們討論的用在實驗室的分析儀表也是與流程工業實際生產相關，并不是用于科研的儀器設備。如果分析儀表能夠接近現場，自動或手動取樣（定期）及少量的人工操作，并且快速檢測出結果從而指導生產，也算是過程分析技術。嚴格地說，過程分析儀表應該在線測量，在線監視及在線控制、首先應自動取樣，連續取樣，樣品預處理，分析后輸出電信號，長期穩定運行，而且應做到在線校正、在線維護（清洗或反吹等）。最好能做到嵌入式傳感器與工藝設備內的介質直接接觸，或者把介質轉移到與工藝裝備相連地分析回路，分析完再將介質返回工藝裝備內。為此，分析儀表經常形成一個配套的系統或做成在線分析小屋。

    由于過程分析技術發展的需要，在線涵蓋了at line、in line、on line三種含義。雖然我們常用on line一詞，但從字面上看，應是在線、線內、線上三個含義，這些都是與off line（離線）相對而言，我們應從off line—at line—on line—in line逐步按實際需要，將分析技術融合于工藝過程之中。

    此外，基于常規測量手段（溫度、壓力、流量、液位）或常用簡單分析儀表的測量數據，經過軟測量有關算法的軟件計算，得出與過程中或最終產品有關的分析指標而形成的軟測量技術，也可以屬于過程分析技術的一部分。

3    常用過程分析儀表

    常用過程分析儀表是指過程分析中結構相對簡單、使用維護也相對簡單而且常用的一類分析儀表，具體是指常用的PH計（酸度計）、電導率計、各種濃度計、水分分析儀、氧分析儀、硫化物分析儀、水質分析儀、可燃氣體分析儀及與環保有關的分析儀等。它們的測量原理各不相同，其中采用電化學分析法較多，技術進步較快。電化學分析法的電位分析法中，參考電極有甘汞電極和銀－氯化銀電極等，而指示電極因被測物質不同而有多種，而且一種指示電極往往只能指示一種物質的濃度，常用的有玻璃膜電極、離子選擇電極、氣敏電極、生物電極，其中生物電極因將生物化學與電分析化學相結合而完成的電極得名。其特點是將電位法電極作為基礎電極，生物酶膜或生物大分子膜作為敏感膜而實現對生物大分子的分析，具體有酶電極、微生物電極、電位免疫電極、組織電極等。特別可以測量如下物質的含量：尿素、頭雹菌素、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等。這些都與醫藥關系較大。

    電化學分析法內的電質量分析法、庫侖分析法、伏安分析法又可以形成不同物質或組分的分析儀，其中電流型生物傳感器與醫藥關系較大，如葡萄糖傳感器等。

    溶液中某些化學成分或某種離子濃度參數的獲得常用在線分析儀。在線應用中電極清洗是一個大家關心的問題，如PH計的玻璃電極結垢不清洗，響應時間或稱測量滯后時間增加，而且精度下降，以至于失去測量功能，所以要實行自動清洗。經驗表明，機械刷子清洗、超聲波清洗、化學清洗劑噴射清洗等方法中，一般情況下后者效果較好。清洗中常采用一個PLC實現定時控制相關泵、閥門和噴頭等清洗設備。

    氧分析儀也是醫藥、石化等行業常用的在線過程分析儀，由于熱磁式、磁力式結構復雜且價格較高，又近年因煙氣含氧量測量的需要，氧化鎬分析儀應用較廣，它采用氧化鎬固體電解傳感器，可直接將其裝于爐窯等的壁上，具有安裝簡單、維護方便等優點，但要定期校正。

    由于以測量濃度為主的常用過程分析儀能夠幫助工藝人員了解溫、壓、液、流以外更多過程中的信息，所以發展很快。國外的ABB、西門子、艾默生、橫河、E+H等公司產品在中國應用很廣；國內聚光科技、天華化工機械及自動化研究設計院、川儀及眾多中小型企業也有多種產品。常用過程分析儀近來正向多功能、便攜式、免維護方向發展，如哈希水質分析儀HQ40d便攜式電化學測定儀，既可應用在實驗室，又可應用在現場，可以同時測量PH、電導率、LDO和ORP中的任意兩個參數，而且測定時間為原來的1/5，耐用性為原來的10倍，校準系統還可以通知用戶什么時候需要重新校準。又為了配合使用多探頭測定氧濃度，橫河公司開發了氧化鎬多點平均轉換器，而且探頭結構改進，可以在現場簡單地更換加熱器，有鎬頭自動校正和自動壽命預測功能（通過自動測量反應速度和傳感器阻抗等方法實現此功能），滿足節能的要求。

    關于過程分析儀表系統的智能化、數字化進展很快，僅現場總線基金會就有注冊的商品35個品種規格（含少數本文下節所述儀表），分別屬于7個廠家，這就為過程分析儀表現場維護帶來更多信息，提高了可用性。

    環保要求對排放總量進行控制，這樣排放的廢氣、廢水應該對其流量和相關污染成分的濃度兩方面都要在線計量，所以作為常用過程分析儀表，應努力做到符合其要求，從而常用過程分析儀表的發展空間很大。其中CO、CO2、SO2、NOx、臭氧各種有害重金屬和有機物（包括高揮發性有機污染物）、水中COD和BOD的連續檢測都有很多工作要我們去做，當然這些要求還需要本文下節所述儀表配合才能完成。

4    復雜的分析儀表和過程分析儀表

    在流程工業中，從原料至成品或排放物，無論是氣體、液體、固體，無論是無機物或有機物，均有其化學成分，要經過定性分析和定量分析獲得相關信息。根據分析化學的概念，組分含量高于1％的稱為過量成分分析，或稱為常量分析，其它含量為0.01％～1％的稱為微量分析，含量低于0.01％稱為痕量分析，含量低于0.0001％的稱為超痕量分析。分析方法從原理上看，主要有光譜、色譜、質譜及聯用等方法。下面將進行分別闡述。

    （1 ）光譜法

    有原子發射光譜法（AES）、原子吸收光譜法（AAS）、紫外可見吸收光譜法、紅外光譜法等。光譜法是實現在線檢測較容易的一種分析方法，但不能給出物質分子的相關信息，又常見非金屬如氧、氮、鹵素等用它尚無法檢測。

    AAS應用較廣，可測定的元素有70多種，可用間接原子吸收法測定非金屬和有機化合物，但多元素同時測定尚有困難。其中有原子熒光光譜分析法（熒光是指當激發光源停止后，再發射過程立即停止，這種再發射的光）用于痕量分析，它有3類，即共振原子熒光，非共振原子熒光和敏化原子熒光，其中共振原子熒光應用最廣，能進行多元素同時測定。由于靈敏度高，校正曲線的線性范圍寬，所以包括生物醫學在內，在許多行業都得到了廣泛應用。

    紫外－可見吸收光譜法多研究具有共軛雙鍵結構的分子，與醫學關系較為密切，而且儀器簡單，稱紫外－可見分光光度計，醫院常規化驗中約95％的定量分析均用此法。分子發光是熒光、磷光和化學發光的統稱，由于靈敏度高，操作簡單，選擇性好，用于痕量分析、發光探針和分子取向測定。

    紅外光譜法是過程分析技術中較常用到的復雜分析技術，這是由于各種化合物均有紅外吸收現象，尤其是有機化合物的紅外光譜能提供豐富的結構信息。按光譜區域劃分為近紅外、中紅外、遠紅外，最重要的應用是中紅外區有機化合物的結構鑒定。如在流程工業中常用紅外氣體分析儀在線監測CO、CO2、SO2、CH4等的濃度，常用的有ABB（H&B）公司的 Uras系列，艾默生公司的Mode l890分析儀，其中氣體樣品的取樣包括凈化（過濾）、減壓、干燥、去除化學雜質以及必要時冷卻、保溫、防腐、防冷凝，另外，還要有定期吹掃取樣和分析設備，在定期校正中還要有校零和校量程的樣氣。

    近紅外的應用在增加，如它用于石化行業油品分析可在線在幾秒鐘或1～2分鐘內測定汽油、柴油等十幾種質量參數。橫河公司在線近紅外分析儀NR800，采用插入式插頭，可在線多化學成分一次性直接測量，反應時間40s（而色譜測量反應時間為5min），為非破壞性分析，維修頻率降低，與計算機、DCS有Ethernet、Modbus接口、可光纖通訊，可以遠程操作維修。其核心部分橫河公司有專有技術，如無旋轉軸驅動系統，高感度光檢出裝置、高速演算計算機技術等。在食品、醫藥等行業應用業績有10多項，如某制藥流程中濃度和制藥流程溶媒濃度測量等。石油和化工行業業績有6項，30～40個參數測量，如石油的RON、MON、RVP、蒸餾點、密度、苯含量等，化工中添加劑濃度、聚合物多種參數測量等，實際應用已有165臺。

    此外，ABB公司PIR/PUV系列過程光度計可用于紅外、近紅外、可見光、紫外光譜區域可進行多組分氣體、液位分析。西門子公司紅外分析儀在在線分析CO、CO2、SO2、、CH4等，仕福梅公司2500、4100過程氣體分析儀采用紅外、紫外技術，測量多組分、單組分氣體濃度。

    我國在原子熒光光譜分析技術方面有北京吉天公司和科創海光公司的產品，近紅外光譜法方面有北京英賢公司的產品等，都達到較高水平。

    （2）色譜法

    我們通常分氣相色譜（GC）和液相色譜（LG）兩種。實際上這種分離分析技術較復雜，按流動相物態、按固定相使用形式、按分離過程的機制來分，則有多種類型，色譜法因為分離效率高、靈敏度高、分析速度快，應用非常廣泛，以前我們所指的工業色譜在現今的過程分析技術中仍是主要組成部分。

    氣相色譜檢測器有熱傳導檢測器（TCD）、氫火焰離子化檢測器（FID）、火焰光度檢測器（FPD）、電子捕獲檢測器（ECD）等，這些在流程工業中都有應用，橫河公司有超高靈敏度熱傳導式檢測器（HTCD）的在線氣相色譜GC1000MKⅡ，由于不需要助燃氣，在乙烯工廠中部分取代FID檢測器產品，如：C2H6：100ppm等組分的檢測等，能做到乙烯工廠大部分過程氣相色譜儀為HTCD或TCD，上海賽科(SECCO)已投運兩年的大型乙烯工程，應用了橫河公司HTCD和TCD型氣相色譜75臺，西門子公司的Maxvm型工業色譜儀，具有TCD、FID、FPD等多種檢測器，可分析多組分樣品、ABB公司的PGC系列過程氣相色譜儀液具有TCD、FID、FPD等多種檢測器，可進行多組分氣體、液體分析。

    鑒于大型石化等流程工業企業的需要，所以色譜儀的數字化進展很快，除去具有與DCS控制系統相連的接口以外，還具有先進的工業分析儀總線網等。

    色譜柱是色譜儀的分離系統，有填充柱和毛細管柱兩種。毛細管氣相色譜已成為GC的主流，它具有高效、快捷、高靈敏度等優點，但有要求操作條件嚴格等缺點，所以要實現自動化，即分析儀由壓力、流量實現自動控制，對應檢測器除上述ECD、FID、FPD外，還有熱離子檢測器（TID）和光離子檢測器（PID）。這方面美國PerkinElmer公司較先進。國內北京分析儀器廠在工業色譜制造和應用方面歷史較長，最新GC-6890氣相色譜除具有上述多種檢測器和色譜柱外，還有多種進料和清洗等選配方式，也配有單片機控制。

    氣相色譜法適用于沸點在500℃以下、熱穩定性好、相對分子質量在400以下的物質，所以能分析的有機物約為全部有機物的15％～20％，而對于高沸點或高熔點，或帶有羥基、氨基或酰胺等基團的化合物用GC直接分析有困難，現又發展衍生化技術、裂解色譜技術、頂空進樣技術及二維氣相色譜等。

    對于高沸點、難揮發和熱不穩定的化合物、離子型化合物和高聚物乃至生物大分子就得求助于液相色譜法分析了。

    液相色譜法中高效液相色譜法（HPLC）應用廣泛，HPLC采用高壓泵、高效固定相和高靈敏度檢測器（紫外光度檢測器、熒光檢測器等），具有色譜柱可反復使用、流動相可選擇范圍寬、流出組分容易收集、分離效率高、分析速度快、靈敏度高、操作自動化等優點。HPLC具體結構如圖1所示。近年來又有毛細管電泳（CE）、高速逆流色譜（HSCCC）等。

    由于HPLC和CE等法能很快分離出上百種組分，所以液相色譜法是分析化學中發展很快、應用最廣的分析方法。安捷倫公司1200系列液相色譜儀是功能齊全的液相色譜系統，由60個模塊組成，有快速液相、制備液相、毛細管液相、納流液相及液相譜芯片。貝克曼庫爾特公司稱為CE王國，為系統生命學整體解決方案的提供等。
近年來發展起來的微流控芯片的主要廠家有伯樂生命醫學產品公司，所謂微流控芯片是將樣品的預處理、分離、反應、檢測、收集等一個實驗室的功能集成在一小塊玻璃或高分子聚合物芯片上。這是一個快速發展的領域。

    （3） 質譜法（MS）

    它是一種通過對被測樣品離子質荷比的測定來進行分析的方法，它具有靈敏度高，樣品用量少，分析速度快、分離和鑒定同時進行等優點，從應用來分，有有機質譜儀、無機質譜儀、同位素質譜儀、氣體質譜儀幾種，另有快原子轟擊質譜儀。從所使用的質量分析器來分，有雙聚焦質譜儀、四極桿質譜儀、飛行時間質譜儀、離子井質譜儀、傅立葉變換質譜儀幾種。在線質譜儀目前在發展中。

    因為原用于同位素和無機元素分析，后發展了有機物分析，進而聯用技術發展，所以質譜法應用很廣。安捷倫公司6000系列液質聯用儀有5個產品系列，包括三重串聯四極桿質譜儀和四極桿－飛行時間串聯質譜儀，其它廠家有熱電儀器LTQ orbitrap復合傅立葉變換質譜儀。ABI公司是世界上最大的有機質譜儀、生物質譜儀供應商。

    無機質譜法因離子分離化方式不同而有感應耦合等離子質譜儀（ICP—MS）等6種，其中ICP-MS因可多元素定性、定量同時進行，而在環境樣品分析、生化、醫藥等多種分析中有著廣泛的應用。

    （4） 其它分析儀及聯用技術。從原理上分，還可以獨立的復雜分析儀表有如下幾種，即核磁共振（波譜）、X射線熒光光譜、電子能譜分析、拉曼光譜法等，它們都是很有用途的，如拉曼光譜法是合成高分子、生物大分子分析的重要手段，在燃燒物和大氣污染物分析方面也有重要用途，又X射線熒光光譜儀對溶液和漿狀液體（包括礦漿）可在線過程分析。

    聯用技術已有幾十年歷史了，目前已相當普及，主要為GC-MS、LC-MS（HPLC-MS），同時發揮了色譜儀分離能力強、質譜儀的定性鑒定能力強的各自優點。生物大分子用LC和MALDT-TOF分析（基質輔助激光解吸，飛行時間質譜儀）聯用方法可得到分子量信息。

    此外，光譜法與色譜質譜或兩種色譜之間聯同也得到發展，如HPLC-CE、CE-MS、HPLC-FTIR等，還有HPLC-NMR及HPLC-NMR-MS（NMR為核磁共振），這些都為儀器分析技術開闊了廣泛的用途。

    5    結束語

    （1 ）過程分析技術在發展，我國高端儀器大部分靠進口，所以中科院寫出了報告，報告名為：啟動張衡工程，振興科學儀器事業。報告中指出，要力爭在10年內本國生產40％，15年內提高到60％，這將給我國分析儀表制造技術和應用技術帶來很大的發展空間。

    （2 ）努力創新研究，開發新型傳感器和新的檢測分析方法，努力為相關行業做出專用分析儀表。還要下大力氣擴大分析儀表的應用領域。

    （3 ） 要在標準或立法上下功夫，要做到對原材料排放及生產過程及公用工程的物質心中有數，如美國醫藥行業USP64標準，規定制藥行業所需的純凈水必須經過在線電導率測量等。

    （4 ） 采用過程分析技術要根據實際需要，具體情況具體分析。對一些工藝過程慢的系統，如某些發酵工程或化學工程，對實時在線測量分析可以放寬要求。我們要明白使用在線分析儀不只是一次性投資，日常維護工作量也較大。