知识分享 | 现代过程分析技术学科发展历程

现代过程分析技术(Process Analytical Technology，PAT)是多学科、多技术和多方法相互渗透、融合而形成的一门交叉学科，涉及分析化学、仪器科学、信息科学、应用数学、系统工程和控制工程等诸多内容。

现代过程分析技术也是一个融合前沿科学与高新技术于一体的完整体系。它不仅包含以分析化学和化学计量学等为主线的基础研究学科，同时还有以仪器分析、光学和电子工程等为主线的工程技术学科，以及以石油化学、食品化学、药物化学和土壤化学等为主线的应用基础学科。此外，现代过程分析技术还涉及系统学和管理学等社会学学科。

国际上，首个过程分析化学中心(Center for Process Analytical Chemistry，CPAC)是由B.R.Kowalski教授受美国国家科学基金会(NSF)和21家企业共同资助于1984年在美国华盛顿大学(西雅图)建立的，这是国际PAT发展过程中的一个里程碑。

该研究中心的核心任务是研究和开发先进的在线分析仪器及分析方法，使之成为生产过程自动控制的组成部分，为生产过程提供定量和定性信息，这些信息不仅用于对生产过程的控制和调整，而且还用于能源、生产时间和原材料等的有效利用和最优化。由于采用了计算机，实现了实时分析、数据处理、条件优化和过程反馈联合工作而使整个生产过程处于自动控制和调整之中，在工业生产中应用过程分析化学(PAC)之后，可使整个生产过程合理、生产成本降低、产品质量提高、环境污染减少。

尽管该中心以“过程分析化学”(PAC)中心命名，实际上与“过程分析技术”(PAT)研究内容和方向是一致，其主要研究课题有采样、仪器装置、多元数据分析及判断、自动化控制等方面。从那时起，PAC与PAT 两个词经常互换使用，但在理学期刊、书籍和会议等学术圈中较多使用“过程分析化学”一词，而在工科范畴中多用“过程分析技术”一词。

大家公认的是，PAC或PAT 是由分析化学、化学工程、电子工程、工艺过程、自动化控制及计算机等学科领域相互渗透交叉组成，涉及生产工程师、过程化学家、分析化学家以及仪器设计和电子技术等技术人员。对分析化学工作者绝非仅仅停留在提供分析数据这一步，而是要深入生产，参与生产中有关问题的解决，能把分析数据与生产过程中的有关参数联系起来，从而能对测得的数据做出解释。

在过程分析技术发展过程中，另一个具有里程碑意义的事件是2004年9月美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)以工业指南的方式颁布了《创新的药物开发、生产和质量保障框架体系———PAT》，拉开了现代过程分析技术在制药领域应用的序幕，现代过程分析技术不仅可以缩短工时、减少误差，还可以使监管更加有据可依，因此越来越多的欧美制药企业开始引入现代过程分析技术，以实现药品生产过程的全程监控，从而保证产品的质量。同时，为了推广和规范现代过程分析技术，欧美一些国家和地区的药品监管部门也先后出台了许多相关的标准和指导原则。

在1984年美国华盛顿大学成立PAC中心和2004年FDA 颁布现代过程分析技术工业指南之前，还有另一个对过程分析技术产生深远影响的事件是1974年瑞典化学家S.Wold和美国B.R.Kowalski教授创建了化学计量学学科，这一学科产生的基础是计算机技术的快速发展和分析仪器的现代化。现代光谱、色谱、质谱和核磁共振波谱等分析仪器产生了海量的数据，计算机的普及使分析化学家可以快速实现许多强有力的数学方法，以处理和解析这些海量数据并从中提取出有用信息。化学计量学也为过程分析技术的发展带来了新的思路和方法，其直接显著的贡献之一是唤醒了现代近红外光谱技术这个沉睡的“过程分析巨人”。近些年，拉曼光谱和激光诱导击穿光谱(LIBS)等技术的快速发展，也得益于化学计量学方法的广泛应用。

“过程”可分为“狭义过程”和“广义过程”两大类。“狭义过程”指的是流程工业(如石化、化工、制药、冶金、食品等)的过程。流程工业里面又分“小过程”和“大过程”。“小过程”多是指单元过程，如制药工业中的药粉混合单元、化学工业中的一个反应器等；“大过程”则是指某一产品完整的生产链条，如炼油工业中从原料监控、原油蒸馏、二次炼油装置(如催化裂化、催化重整、加氢)至成品油调和的整个过程。

“广义过程”的内容则包罗万象，除流程工业外，还包括各式各样的过程，例如材料随使用时间的老化过程、汽油在发动机中的燃烧过程、润滑油在机械设备运行中的衰变过程、葡萄酒品质在储存中的变化过程、药物在人体中的代谢过程、水果生长时品质的变化过程、人体血糖的变化过程、单个细胞内重要元素的变化过程、星体的演变过程等。而且近些年，现代过程分析技术越来越从工业过程检测与控制发展到生化及生态过程控制甚至生命过程的检测与控制，走向为人类健康服务更为广泛的应用领域。

美国华盛顿大学PAC中心的J.B.Callis等将PAT的发展划分为五个阶段：离线分析(Off-line)、现场分析(At-line)、在线分析(On-line)、原位分析(In-lineor In situ)和不接触样品分析(Non-invasive)。从发展进程来看，上述五个阶段存在着循序渐进的发展趋势，但并不说明后者一定替代或否定前者。在现代工厂中，对一个生产过程的监测和控制，经常会出现同时采用几种不同的过程分析方法的情况。

近些年，现场便携式仪器(如近红外光谱、拉曼光谱和中红外光谱等)在农业、制药、材料、矿物、刑侦、反恐等领域得到较为广泛的应用，成为了现代过程分析技术的一个重要发展方向。

现代过程分析技术有别于传统过程分析技术的主要特征在于以下几个方面：

① 通常不需要化学试剂或特殊制样，即可实现现场或在线无损分析；

② 测量速度快(秒级或微秒级)，并多以测量化学成分信息为主；

③ 多采用化学计量学方法建立定量或定性分析模型，并可多种物化性质同时测定，分析效率高；

④ 仪器易损件和消耗品少，维护量小；

⑤ 大多数光谱类在线分析仪可采用光纤传输技术，适用于环境较为苛刻的场合，并可对多路多组分连续同时测量。

目前大家公认的是，近红外光谱、中红外光谱、拉曼光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹光谱、核磁共振波谱等谱学结合化学计量学方法是现代过程分析技术中的核心内容。

以上内容来自《现代过程分析技术新进展》

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