卞正岗
男，教授级高级工程师，多年从事工业自动化仪表、集散系统和现场总线的研制及自动化系统集成的工程实践。

1   前言

    2005年IBM全球医药行业用户大会上，提到有5项技术是10年内将改变制药行业的革命性技术，将能够完成以前不可能完成的工作，从根本上改变其经营方式，其中一项为PAT流程分析技术(Process Analysis Technology)。

    在《医药加工杂志》的“你的过程数据PAT了吗？”一文中，美国食品及药物管理局（FDA）在过程分析技术报告中指出，要实现实时测量自动化，通过控制系统将数据整体化及提高对药物制造过程的理解等。文章中具体介绍了Pfizer（纽约）公司的产品，其特点是以光谱为核心进行过程分析，并以高效液相色谱，快速微生物校验、气相色谱和光谱成像技术为辅助，并指出其思路是“会从任何行业寻求灵感”。本文将解读相关技术。
   
    我国包括石化、医药等行业在内，对在流程工业中使用过程分析仪或分析仪表已有多年历史，在实验室使用分析仪表比较有成效，在现场使用过程分析仪表比较困难，但是国内用户使用分析仪表和过程分析仪表的需求很迫切，特别是随着节能降耗、环保、安全、质量的要求越来越高，过程分析仪确实能够帮助用户解决诸多问题。本文将结合应用进行阐述。

2    在线问题

    关于过程分析仪表和一般分析仪表的区别问题，粗浅的说法是，一个用在现场，另一个用在实验室，而且我们讨论的用在实验室的分析仪表也是与流程工业实际生产相关，并不是用于科研的仪器设备。如果分析仪表能够接近现场，自动或手动取样（定期）及少量的人工操作，并且快速检测出结果从而指导生产，也算是过程分析技术。严格地说，过程分析仪表应该在线测量，在线监视及在线控制、首先应自动取样，连续取样，样品预处理，分析后输出电信号，长期稳定运行，而且应做到在线校正、在线维护（清洗或反吹等）。最好能做到嵌入式传感器与工艺设备内的介质直接接触，或者把介质转移到与工艺装备相连地分析回路，分析完再将介质返回工艺装备内。为此，分析仪表经常形成一个配套的系统或做成在线分析小屋。

    由于过程分析技术发展的需要，在线涵盖了at line、in line、on line三种含义。虽然我们常用on line一词，但从字面上看，应是在线、线内、线上三个含义，这些都是与off line（离线）相对而言，我们应从off line—at line—on line—in line逐步按实际需要，将分析技术融合于工艺过程之中。

    此外，基于常规测量手段（温度、压力、流量、液位）或常用简单分析仪表的测量数据，经过软测量有关算法的软件计算，得出与过程中或最终产品有关的分析指标而形成的软测量技术，也可以属于过程分析技术的一部分。

3    常用过程分析仪表

    常用过程分析仪表是指过程分析中结构相对简单、使用维护也相对简单而且常用的一类分析仪表，具体是指常用的PH计（酸度计）、电导率计、各种浓度计、水分分析仪、氧分析仪、硫化物分析仪、水质分析仪、可燃气体分析仪及与环保有关的分析仪等。它们的测量原理各不相同，其中采用电化学分析法较多，技术进步较快。电化学分析法的电位分析法中，参考电极有甘汞电极和银－氯化银电极等，而指示电极因被测物质不同而有多种，而且一种指示电极往往只能指示一种物质的浓度，常用的有玻璃膜电极、离子选择电极、气敏电极、生物电极，其中生物电极因将生物化学与电分析化学相结合而完成的电极得名。其特点是将电位法电极作为基础电极，生物酶膜或生物大分子膜作为敏感膜而实现对生物大分子的分析，具体有酶电极、微生物电极、电位免疫电极、组织电极等。特别可以测量如下物质的含量：尿素、头雹菌素、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等。这些都与医药关系较大。

    电化学分析法内的电质量分析法、库仑分析法、伏安分析法又可以形成不同物质或组分的分析仪，其中电流型生物传感器与医药关系较大，如葡萄糖传感器等。

    溶液中某些化学成分或某种离子浓度参数的获得常用在线分析仪。在线应用中电极清洗是一个大家关心的问题，如PH计的玻璃电极结垢不清洗，响应时间或称测量滞后时间增加，而且精度下降，以至于失去测量功能，所以要实行自动清洗。经验表明，机械刷子清洗、超声波清洗、化学清洗剂喷射清洗等方法中，一般情况下后者效果较好。清洗中常采用一个PLC实现定时控制相关泵、阀门和喷头等清洗设备。

    氧分析仪也是医药、石化等行业常用的在线过程分析仪，由于热磁式、磁力式结构复杂且价格较高，又近年因烟气含氧量测量的需要，氧化镐分析仪应用较广，它采用氧化镐固体电解传感器，可直接将其装于炉窑等的壁上，具有安装简单、维护方便等优点，但要定期校正。

    由于以测量浓度为主的常用过程分析仪能够帮助工艺人员了解温、压、液、流以外更多过程中的信息，所以发展很快。国外的ABB、西门子、艾默生、横河、E+H等公司产品在中国应用很广；国内聚光科技、天华化工机械及自动化研究设计院、川仪及众多中小型企业也有多种产品。常用过程分析仪近来正向多功能、便携式、免维护方向发展，如哈希水质分析仪HQ40d便携式电化学测定仪，既可应用在实验室，又可应用在现场，可以同时测量PH、电导率、LDO和ORP中的任意两个参数，而且测定时间为原来的1/5，耐用性为原来的10倍，校准系统还可以通知用户什么时候需要重新校准。又为了配合使用多探头测定氧浓度，横河公司开发了氧化镐多点平均转换器，而且探头结构改进，可以在现场简单地更换加热器，有镐头自动校正和自动寿命预测功能（通过自动测量反应速度和传感器阻抗等方法实现此功能），满足节能的要求。

    关于过程分析仪表系统的智能化、数字化进展很快，仅现场总线基金会就有注册的商品35个品种规格（含少数本文下节所述仪表），分别属于7个厂家，这就为过程分析仪表现场维护带来更多信息，提高了可用性。

    环保要求对排放总量进行控制，这样排放的废气、废水应该对其流量和相关污染成分的浓度两方面都要在线计量，所以作为常用过程分析仪表，应努力做到符合其要求，从而常用过程分析仪表的发展空间很大。其中CO、CO2、SO2、NOx、臭氧各种有害重金属和有机物（包括高挥发性有机污染物）、水中COD和BOD的连续检测都有很多工作要我们去做，当然这些要求还需要本文下节所述仪表配合才能完成。

4    复杂的分析仪表和过程分析仪表

    在流程工业中，从原料至成品或排放物，无论是气体、液体、固体，无论是无机物或有机物，均有其化学成分，要经过定性分析和定量分析获得相关信息。根据分析化学的概念，组分含量高于1％的称为过量成分分析，或称为常量分析，其它含量为0.01％～1％的称为微量分析，含量低于0.01％称为痕量分析，含量低于0.0001％的称为超痕量分析。分析方法从原理上看，主要有光谱、色谱、质谱及联用等方法。下面将进行分别阐述。

    （1 ）光谱法

    有原子发射光谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS）、紫外可见吸收光谱法、红外光谱法等。光谱法是实现在线检测较容易的一种分析方法，但不能给出物质分子的相关信息，又常见非金属如氧、氮、卤素等用它尚无法检测。

    AAS应用较广，可测定的元素有70多种，可用间接原子吸收法测定非金属和有机化合物，但多元素同时测定尚有困难。其中有原子荧光光谱分析法（荧光是指当激发光源停止后，再发射过程立即停止，这种再发射的光）用于痕量分析，它有3类，即共振原子荧光，非共振原子荧光和敏化原子荧光，其中共振原子荧光应用最广，能进行多元素同时测定。由于灵敏度高，校正曲线的线性范围宽，所以包括生物医学在内，在许多行业都得到了广泛应用。

    紫外－可见吸收光谱法多研究具有共轭双键结构的分子，与医学关系较为密切，而且仪器简单，称紫外－可见分光光度计，医院常规化验中约95％的定量分析均用此法。分子发光是荧光、磷光和化学发光的统称，由于灵敏度高，操作简单，选择性好，用于痕量分析、发光探针和分子取向测定。

    红外光谱法是过程分析技术中较常用到的复杂分析技术，这是由于各种化合物均有红外吸收现象，尤其是有机化合物的红外光谱能提供丰富的结构信息。按光谱区域划分为近红外、中红外、远红外，最重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。如在流程工业中常用红外气体分析仪在线监测CO、CO2、SO2、CH4等的浓度，常用的有ABB（H&B）公司的 Uras系列，艾默生公司的Mode l890分析仪，其中气体样品的取样包括净化（过滤）、减压、干燥、去除化学杂质以及必要时冷却、保温、防腐、防冷凝，另外，还要有定期吹扫取样和分析设备，在定期校正中还要有校零和校量程的样气。

    近红外的应用在增加，如它用于石化行业油品分析可在线在几秒钟或1～2分钟内测定汽油、柴油等十几种质量参数。横河公司在线近红外分析仪NR800，采用插入式插头，可在线多化学成分一次性直接测量，反应时间40s（而色谱测量反应时间为5min），为非破坏性分析，维修频率降低，与计算机、DCS有Ethernet、Modbus接口、可光纤通讯，可以远程操作维修。其核心部分横河公司有专有技术，如无旋转轴驱动系统，高感度光检出装置、高速演算计算机技术等。在食品、医药等行业应用业绩有10多项，如某制药流程中浓度和制药流程溶媒浓度测量等。石油和化工行业业绩有6项，30～40个参数测量，如石油的RON、MON、RVP、蒸馏点、密度、苯含量等，化工中添加剂浓度、聚合物多种参数测量等，实际应用已有165台。

    此外，ABB公司PIR/PUV系列过程光度计可用于红外、近红外、可见光、紫外光谱区域可进行多组分气体、液位分析。西门子公司红外分析仪在在线分析CO、CO2、SO2、、CH4等，仕福梅公司2500、4100过程气体分析仪采用红外、紫外技术，测量多组分、单组分气体浓度。

    我国在原子荧光光谱分析技术方面有北京吉天公司和科创海光公司的产品，近红外光谱法方面有北京英贤公司的产品等，都达到较高水平。

    （2）色谱法

    我们通常分气相色谱（GC）和液相色谱（LG）两种。实际上这种分离分析技术较复杂，按流动相物态、按固定相使用形式、按分离过程的机制来分，则有多种类型，色谱法因为分离效率高、灵敏度高、分析速度快，应用非常广泛，以前我们所指的工业色谱在现今的过程分析技术中仍是主要组成部分。

    气相色谱检测器有热传导检测器（TCD）、氢火焰离子化检测器（FID）、火焰光度检测器（FPD）、电子捕获检测器（ECD）等，这些在流程工业中都有应用，横河公司有超高灵敏度热传导式检测器（HTCD）的在线气相色谱GC1000MKⅡ，由于不需要助燃气，在乙烯工厂中部分取代FID检测器产品，如：C2H6：100ppm等组分的检测等，能做到乙烯工厂大部分过程气相色谱仪为HTCD或TCD，上海赛科(SECCO)已投运两年的大型乙烯工程，应用了横河公司HTCD和TCD型气相色谱75台，西门子公司的Maxvm型工业色谱仪，具有TCD、FID、FPD等多种检测器，可分析多组分样品、ABB公司的PGC系列过程气相色谱仪液具有TCD、FID、FPD等多种检测器，可进行多组分气体、液体分析。

    鉴于大型石化等流程工业企业的需要，所以色谱仪的数字化进展很快，除去具有与DCS控制系统相连的接口以外，还具有先进的工业分析仪总线网等。

    色谱柱是色谱仪的分离系统，有填充柱和毛细管柱两种。毛细管气相色谱已成为GC的主流，它具有高效、快捷、高灵敏度等优点，但有要求操作条件严格等缺点，所以要实现自动化，即分析仪由压力、流量实现自动控制，对应检测器除上述ECD、FID、FPD外，还有热离子检测器（TID）和光离子检测器（PID）。这方面美国PerkinElmer公司较先进。国内北京分析仪器厂在工业色谱制造和应用方面历史较长，最新GC-6890气相色谱除具有上述多种检测器和色谱柱外，还有多种进料和清洗等选配方式，也配有单片机控制。

    气相色谱法适用于沸点在500℃以下、热稳定性好、相对分子质量在400以下的物质，所以能分析的有机物约为全部有机物的15％～20％，而对于高沸点或高熔点，或带有羟基、氨基或酰胺等基团的化合物用GC直接分析有困难，现又发展衍生化技术、裂解色谱技术、顶空进样技术及二维气相色谱等。

    对于高沸点、难挥发和热不稳定的化合物、离子型化合物和高聚物乃至生物大分子就得求助于液相色谱法分析了。

    液相色谱法中高效液相色谱法（HPLC）应用广泛，HPLC采用高压泵、高效固定相和高灵敏度检测器（紫外光度检测器、荧光检测器等），具有色谱柱可反复使用、流动相可选择范围宽、流出组分容易收集、分离效率高、分析速度快、灵敏度高、操作自动化等优点。HPLC具体结构如图1所示。近年来又有毛细管电泳（CE）、高速逆流色谱（HSCCC）等。

    由于HPLC和CE等法能很快分离出上百种组分，所以液相色谱法是分析化学中发展很快、应用最广的分析方法。安捷伦公司1200系列液相色谱仪是功能齐全的液相色谱系统，由60个模块组成，有快速液相、制备液相、毛细管液相、纳流液相及液相谱芯片。贝克曼库尔特公司称为CE王国，为系统生命学整体解决方案的提供等。
近年来发展起来的微流控芯片的主要厂家有伯乐生命医学产品公司，所谓微流控芯片是将样品的预处理、分离、反应、检测、收集等一个实验室的功能集成在一小块玻璃或高分子聚合物芯片上。这是一个快速发展的领域。

    （3） 质谱法（MS）

    它是一种通过对被测样品离子质荷比的测定来进行分析的方法，它具有灵敏度高，样品用量少，分析速度快、分离和鉴定同时进行等优点，从应用来分，有有机质谱仪、无机质谱仪、同位素质谱仪、气体质谱仪几种，另有快原子轰击质谱仪。从所使用的质量分析器来分，有双聚焦质谱仪、四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪、离子井质谱仪、傅立叶变换质谱仪几种。在线质谱仪目前在发展中。

    因为原用于同位素和无机元素分析，后发展了有机物分析，进而联用技术发展，所以质谱法应用很广。安捷伦公司6000系列液质联用仪有5个产品系列，包括三重串联四极杆质谱仪和四极杆－飞行时间串联质谱仪，其它厂家有热电仪器LTQ orbitrap复合傅立叶变换质谱仪。ABI公司是世界上最大的有机质谱仪、生物质谱仪供应商。

    无机质谱法因离子分离化方式不同而有感应耦合等离子质谱仪（ICP—MS）等6种，其中ICP-MS因可多元素定性、定量同时进行，而在环境样品分析、生化、医药等多种分析中有着广泛的应用。

    （4） 其它分析仪及联用技术。从原理上分，还可以独立的复杂分析仪表有如下几种，即核磁共振（波谱）、X射线荧光光谱、电子能谱分析、拉曼光谱法等，它们都是很有用途的，如拉曼光谱法是合成高分子、生物大分子分析的重要手段，在燃烧物和大气污染物分析方面也有重要用途，又X射线荧光光谱仪对溶液和浆状液体（包括矿浆）可在线过程分析。

    联用技术已有几十年历史了，目前已相当普及，主要为GC-MS、LC-MS（HPLC-MS），同时发挥了色谱仪分离能力强、质谱仪的定性鉴定能力强的各自优点。生物大分子用LC和MALDT-TOF分析（基质辅助激光解吸，飞行时间质谱仪）联用方法可得到分子量信息。

    此外，光谱法与色谱质谱或两种色谱之间联同也得到发展，如HPLC-CE、CE-MS、HPLC-FTIR等，还有HPLC-NMR及HPLC-NMR-MS（NMR为核磁共振），这些都为仪器分析技术开阔了广泛的用途。

    5    结束语

    （1 ）过程分析技术在发展，我国高端仪器大部分靠进口，所以中科院写出了报告，报告名为：启动张衡工程，振兴科学仪器事业。报告中指出，要力争在10年内本国生产40％，15年内提高到60％，这将给我国分析仪表制造技术和应用技术带来很大的发展空间。

    （2 ）努力创新研究，开发新型传感器和新的检测分析方法，努力为相关行业做出专用分析仪表。还要下大力气扩大分析仪表的应用领域。

    （3 ） 要在标准或立法上下功夫，要做到对原材料排放及生产过程及公用工程的物质心中有数，如美国医药行业USP64标准，规定制药行业所需的纯净水必须经过在线电导率测量等。

    （4 ） 采用过程分析技术要根据实际需要，具体情况具体分析。对一些工艺过程慢的系统，如某些发酵工程或化学工程，对实时在线测量分析可以放宽要求。我们要明白使用在线分析仪不只是一次性投资，日常维护工作量也较大。