卞正崗
男，教授級高級工程師，多年從事工業(yè)自動(dòng)化儀表、集散系統和現場(chǎng)總線(xiàn)的研制及自動(dòng)化系統集成的工程實(shí)踐。

1   前言

    2005年IBM全球醫藥行業(yè)用戶(hù)大會(huì )上，提到有5項技術(shù)是10年內將改變制藥行業(yè)的革命性技術(shù)，將能夠完成以前不可能完成的工作，從根本上改變其經(jīng)營(yíng)方式，其中一項為PAT流程分析技術(shù)(Process Analysis Technology)。

    在《醫藥加工雜志》的“你的過(guò)程數據PAT了嗎？”一文中，美國食品及藥物管理局（FDA）在過(guò)程分析技術(shù)報告中指出，要實(shí)現實(shí)時(shí)測量自動(dòng)化，通過(guò)控制系統將數據整體化及提高對藥物制造過(guò)程的理解等。文章中具體介紹了Pfizer（紐約）公司的產(chǎn)品，其特點(diǎn)是以光譜為核心進(jìn)行過(guò)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(shù)為輔助，并指出其思路是“會(huì )從任何行業(yè)尋求靈感”。本文將解讀相關(guān)技術(shù)。
   
    我國包括石化、醫藥等行業(yè)在內，對在流程工業(yè)中使用過(guò)程分析儀或分析儀表已有多年歷史，在實(shí)驗室使用分析儀表比較有成效，在現場(chǎng)使用過(guò)程分析儀表比較困難，但是國內用戶(hù)使用分析儀表和過(guò)程分析儀表的需求很迫切，特別是隨著(zhù)節能降耗、環(huán)保、安全、質(zhì)量的要求越來(lái)越高，過(guò)程分析儀確實(shí)能夠幫助用戶(hù)解決諸多問(wèn)題。本文將結合應用進(jìn)行闡述。

2    在線(xiàn)問(wèn)題

    關(guān)于過(guò)程分析儀表和一般分析儀表的區別問(wèn)題，粗淺的說(shuō)法是，一個(gè)用在現場(chǎng)，另一個(gè)用在實(shí)驗室，而且我們討論的用在實(shí)驗室的分析儀表也是與流程工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)相關(guān)，并不是用于科研的儀器設備。如果分析儀表能夠接近現場(chǎng)，自動(dòng)或手動(dòng)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(chǎn)，也算是過(guò)程分析技術(shù)。嚴格地說(shuō)，過(guò)程分析儀表應該在線(xiàn)測量，在線(xiàn)監視及在線(xiàn)控制、首先應自動(dòng)取樣，連續取樣，樣品預處理，分析后輸出電信號，長(cháng)期穩定運行，而且應做到在線(xiàn)校正、在線(xiàn)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(zhì)直接接觸，或者把介質(zhì)轉移到與工藝裝備相連地分析回路，分析完再將介質(zhì)返回工藝裝備內。為此，分析儀表經(jīng)常形成一個(gè)配套的系統或做成在線(xiàn)分析小屋。

    由于過(guò)程分析技術(shù)發(fā)展的需要，在線(xiàn)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(xiàn)、線(xiàn)內、線(xiàn)上三個(gè)含義，這些都是與off line（離線(xiàn)）相對而言，我們應從off line—at line—on line—in line逐步按實(shí)際需要，將分析技術(shù)融合于工藝過(guò)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(jiǎn)單分析儀表的測量數據，經(jīng)過(guò)軟測量有關(guān)算法的軟件計算，得出與過(guò)程中或最終產(chǎn)品有關(guān)的分析指標而形成的軟測量技術(shù)，也可以屬于過(guò)程分析技術(shù)的一部分。

3    常用過(guò)程分析儀表

    常用過(guò)程分析儀表是指過(guò)程分析中結構相對簡(jiǎn)單、使用維護也相對簡(jiǎn)單而且常用的一類(lèi)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(zhì)分析儀、可燃氣體分析儀及與環(huán)保有關(guān)的分析儀等。它們的測量原理各不相同，其中采用電化學(xué)分析法較多，技術(shù)進(jìn)步較快。電化學(xué)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(zhì)不同而有多種，而且一種指示電極往往只能指示一種物質(zhì)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(xué)與電分析化學(xué)相結合而完成的電極得名。其特點(diǎn)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(shí)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(zhì)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(guān)系較大。

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

    溶液中某些化學(xué)成分或某種離子濃度參數的獲得常用在線(xiàn)分析儀。在線(xiàn)應用中電極清洗是一個(gè)大家關(guān)心的問(wèn)題，如PH計的玻璃電極結垢不清洗，響應時(shí)間或稱(chēng)測量滯后時(shí)間增加，而且精度下降，以至于失去測量功能，所以要實(shí)行自動(dòng)清洗。經(jīng)驗表明，機械刷子清洗、超聲波清洗、化學(xué)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(gè)PLC實(shí)現定時(shí)控制相關(guān)泵、閥門(mén)和噴頭等清洗設備。

    氧分析儀也是醫藥、石化等行業(yè)常用的在線(xiàn)過(guò)程分析儀，由于熱磁式、磁力式結構復雜且價(jià)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(jiǎn)單、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，但要定期校正。

    由于以測量濃度為主的常用過(guò)程分析儀能夠幫助工藝人員了解溫、壓、液、流以外更多過(guò)程中的信息，所以發(fā)展很快。國外的ABB、西門(mén)子、艾默生、橫河、E+H等公司產(chǎn)品在中國應用很廣；國內聚光科技、天華化工機械及自動(dòng)化研究設計院、川儀及眾多中小型企業(yè)也有多種產(chǎn)品。常用過(guò)程分析儀近來(lái)正向多功能、便攜式、免維護方向發(fā)展，如哈希水質(zhì)分析儀HQ40d便攜式電化學(xué)測定儀，既可應用在實(shí)驗室，又可應用在現場(chǎng)，可以同時(shí)測量PH、電導率、LDO和ORP中的任意兩個(gè)參數，而且測定時(shí)間為原來(lái)的1/5，耐用性為原來(lái)的10倍，校準系統還可以通知用戶(hù)什么時(shí)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(kāi)發(fā)了氧化鎬多點(diǎn)平均轉換器，而且探頭結構改進(jìn)，可以在現場(chǎng)簡(jiǎn)單地更換加熱器，有鎬頭自動(dòng)校正和自動(dòng)壽命預測功能（通過(guò)自動(dòng)測量反應速度和傳感器阻抗等方法實(shí)現此功能），滿(mǎn)足節能的要求。

    關(guān)于過(guò)程分析儀表系統的智能化、數字化進(jìn)展很快，僅現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )就有注冊的商品35個(gè)品種規格（含少數本文下節所述儀表），分別屬于7個(gè)廠(chǎng)家，這就為過(guò)程分析儀表現場(chǎng)維護帶來(lái)更多信息，提高了可用性。

    環(huán)保要求對排放總量進(jìn)行控制，這樣排放的廢氣、廢水應該對其流量和相關(guān)污染成分的濃度兩方面都要在線(xiàn)計量，所以作為常用過(guò)程分析儀表，應努力做到符合其要求，從而常用過(guò)程分析儀表的發(fā)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(fā)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(guò)程分析儀表

    在流程工業(yè)中，從原料至成品或排放物，無(wú)論是氣體、液體、固體，無(wú)論是無(wú)機物或有機物，均有其化學(xué)成分，要經(jīng)過(guò)定性分析和定量分析獲得相關(guān)信息。根據分析化學(xué)的概念，組分含量高于1％的稱(chēng)為過(guò)量成分分析，或稱(chēng)為常量分析，其它含量為0.01％～1％的稱(chēng)為微量分析，含量低于0.01％稱(chēng)為痕量分析，含量低于0.0001％的稱(chēng)為超痕量分析。分析方法從原理上看，主要有光譜、色譜、質(zhì)譜及聯(lián)用等方法。下面將進(jìn)行分別闡述。

    （1 ）光譜法

    有原子發(fā)射光譜法（AES）、原子吸收光譜法（AAS）、紫外可見(jiàn)吸收光譜法、紅外光譜法等。光譜法是實(shí)現在線(xiàn)檢測較容易的一種分析方法，但不能給出物質(zhì)分子的相關(guān)信息，又常見(jiàn)非金屬如氧、氮、鹵素等用它尚無(wú)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(shí)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(fā)光源停止后，再發(fā)射過(guò)程立即停止，這種再發(fā)射的光）用于痕量分析，它有3類(lèi)，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(jìn)行多元素同時(shí)測定。由于靈敏度高，校正曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍寬，所以包括生物醫學(xué)在內，在許多行業(yè)都得到了廣泛應用。

    紫外－可見(jiàn)吸收光譜法多研究具有共軛雙鍵結構的分子，與醫學(xué)關(guān)系較為密切，而且儀器簡(jiǎn)單，稱(chēng)紫外－可見(jiàn)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(fā)光是熒光、磷光和化學(xué)發(fā)光的統稱(chēng)，由于靈敏度高，操作簡(jiǎn)單，選擇性好，用于痕量分析、發(fā)光探針和分子取向測定。

    紅外光譜法是過(guò)程分析技術(shù)中較常用到的復雜分析技術(shù)，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(yè)中常用紅外氣體分析儀在線(xiàn)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(guò)濾）、減壓、干燥、去除化學(xué)雜質(zhì)以及必要時(shí)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(yè)油品分析可在線(xiàn)在幾秒鐘或1～2分鐘內測定汽油、柴油等十幾種質(zhì)量參數。橫河公司在線(xiàn)近紅外分析儀NR800，采用插入式插頭，可在線(xiàn)多化學(xué)成分一次性直接測量，反應時(shí)間40s（而色譜測量反應時(shí)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(zhuān)有技術(shù)，如無(wú)旋轉軸驅動(dòng)系統，高感度光檢出裝置、高速演算計算機技術(shù)等。在食品、醫藥等行業(yè)應用業(yè)績(jì)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(yè)業(yè)績(jì)有6項，30～40個(gè)參數測量，如石油的RON、MON、RVP、蒸餾點(diǎn)、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(shí)際應用已有165臺。

    此外，ABB公司PIR/PUV系列過(guò)程光度計可用于紅外、近紅外、可見(jiàn)光、紫外光譜區域可進(jìn)行多組分氣體、液位分析。西門(mén)子公司紅外分析儀在在線(xiàn)分析CO、CO2、SO2、、CH4等，仕福梅公司2500、4100過(guò)程氣體分析儀采用紅外、紫外技術(shù)，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(shù)方面有北京吉天公司和科創(chuàng )海光公司的產(chǎn)品，近紅外光譜法方面有北京英賢公司的產(chǎn)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(shí)際上這種分離分析技術(shù)較復雜，按流動(dòng)相物態(tài)、按固定相使用形式、按分離過(guò)程的機制來(lái)分，則有多種類(lèi)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(yè)色譜在現今的過(guò)程分析技術(shù)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(yè)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(xiàn)氣相色譜GC1000MKⅡ，由于不需要助燃氣，在乙烯工廠(chǎng)中部分取代FID檢測器產(chǎn)品，如：C2H6：100ppm等組分的檢測等，能做到乙烯工廠(chǎng)大部分過(guò)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(mén)子公司的Maxvm型工業(yè)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(guò)程氣相色譜儀液具有TCD、FID、FPD等多種檢測器，可進(jìn)行多組分氣體、液體分析。

    鑒于大型石化等流程工業(yè)企業(yè)的需要，所以色譜儀的數字化進(jìn)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(jìn)的工業(yè)分析儀總線(xiàn)網(wǎng)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(yōu)點(diǎn)，但有要求操作條件嚴格等缺點(diǎn)，所以要實(shí)現自動(dòng)化，即分析儀由壓力、流量實(shí)現自動(dòng)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(jìn)。國內北京分析儀器廠(chǎng)在工業(yè)色譜制造和應用方面歷史較長(cháng)，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(jìn)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(diǎn)在500℃以下、熱穩定性好、相對分子質(zhì)量在400以下的物質(zhì)，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(diǎn)或高熔點(diǎn)，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(fā)展衍生化技術(shù)、裂解色譜技術(shù)、頂空進(jìn)樣技術(shù)及二維氣相色譜等。

    對于高沸點(diǎn)、難揮發(fā)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(dòng)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(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。HPLC具體結構如圖1所示。近年來(lái)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(xué)中發(fā)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(gè)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(chēng)為CE王國，為系統生命學(xué)整體解決方案的提供等。
近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的微流控芯片的主要廠(chǎng)家有伯樂(lè )生命醫學(xué)產(chǎn)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(gè)實(shí)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(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。

    （3） 質(zhì)譜法（MS）

    它是一種通過(guò)對被測樣品離子質(zhì)荷比的測定來(lái)進(jìn)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(shí)進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)，從應用來(lái)分，有有機質(zhì)譜儀、無(wú)機質(zhì)譜儀、同位素質(zhì)譜儀、氣體質(zhì)譜儀幾種，另有快原子轟擊質(zhì)譜儀。從所使用的質(zhì)量分析器來(lái)分，有雙聚焦質(zhì)譜儀、四極桿質(zhì)譜儀、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、離子井質(zhì)譜儀、傅立葉變換質(zhì)譜儀幾種。在線(xiàn)質(zhì)譜儀目前在發(fā)展中。

    因為原用于同位素和無(wú)機元素分析，后發(fā)展了有機物分析，進(jìn)而聯(lián)用技術(shù)發(fā)展，所以質(zhì)譜法應用很廣。安捷倫公司6000系列液質(zhì)聯(lián)用儀有5個(gè)產(chǎn)品系列，包括三重串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀和四極桿－飛行時(shí)間串聯(lián)質(zhì)譜儀，其它廠(chǎng)家有熱電儀器LTQ orbitrap復合傅立葉變換質(zhì)譜儀。ABI公司是世界上最大的有機質(zhì)譜儀、生物質(zhì)譜儀供應商。

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

    （4） 其它分析儀及聯(lián)用技術(shù)。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(xiàn)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(xiàn)熒光光譜儀對溶液和漿狀液體（包括礦漿）可在線(xiàn)過(guò)程分析。

    聯(lián)用技術(shù)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(shí)發(fā)揮了色譜儀分離能力強、質(zhì)譜儀的定性鑒定能力強的各自?xún)?yōu)點(diǎn)。生物大分子用LC和MALDT-TOF分析（基質(zhì)輔助激光解吸，飛行時(shí)間質(zhì)譜儀）聯(lián)用方法可得到分子量信息。

    此外，光譜法與色譜質(zhì)譜或兩種色譜之間聯(lián)同也得到發(fā)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(shù)開(kāi)闊了廣泛的用途。

    5    結束語(yǔ)

    （1 ）過(guò)程分析技術(shù)在發(fā)展，我國高端儀器大部分靠進(jìn)口，所以中科院寫(xiě)出了報告，報告名為：?jiǎn)?dòng)張衡工程，振興科學(xué)儀器事業(yè)。報告中指出，要力爭在10年內本國生產(chǎn)40％，15年內提高到60％，這將給我國分析儀表制造技術(shù)和應用技術(shù)帶來(lái)很大的發(fā)展空間。

    （2 ）努力創(chuàng )新研究，開(kāi)發(fā)新型傳感器和新的檢測分析方法，努力為相關(guān)行業(yè)做出專(zhuān)用分析儀表。還要下大力氣擴大分析儀表的應用領(lǐng)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(chǎn)過(guò)程及公用工程的物質(zhì)心中有數，如美國醫藥行業(yè)USP64標準，規定制藥行業(yè)所需的純凈水必須經(jīng)過(guò)在線(xiàn)電導率測量等。

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