现代过程分析技术新进展

现代过程分析技术涉及多学科领域，是高度交叉的综合性学科，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，此外还涉及系统学和管理学等社会学学科。2016年中国仪器仪表学会曾组织专家撰写了《现代过程分析技术交叉学科发展前沿与展望》（褚小立、张莉、燕泽程编著，机械工业出版社出版），详细阐述了以光谱和化学计量学为核心的现代过程分析技术的内涵和构成，并系统综述了该学科的历史发展轨迹、国外技术现状和发展趋势，以及国内这一技术的研究和应用现状、亮点与差距，在业内反响强烈。

近五年来，国内外现代过程分析技术发生了显著变革，尤其是随着智能工厂和智慧农业等工程的推进，作为化学信息深度“自感知”的现代过程分析技术是实现信息化和智能化的基础，在智能工厂和智慧农业等工程中发挥着越来越重要的作用。现代过程分析技术已发展成为当今科学技术、经济建设和服务民生中为活跃的技术之一，不断向着低成本、高稳定性、小体积、快速、现场、在线方向发展。本书主要介绍近五年国内外现代过程分析技术的新进展和特点，梳理出了前沿热点问题和我国应重点关注的技术。本书与2014年翻译出版的《过程分析技术——针对化学和制药工业的光谱方法和实施策略》、2016年撰写出版的《现代过程分析技术交叉学科发展前沿与展望》、2019年翻译出版的《过程分析技术在生物制药工艺开发与生产中的应用》互为补充，形成现代过程分析技术的系列图书。

本书由中国仪器仪表学会组织编写，全书的编撰框架和内容设置由褚小立、李淑慧和张彤策划。全书沿着两个维度展开，一是以现代过程分析技术本身为主线的前沿综述，另一个是以行业应用为主线的热点综述。参与本书各章节编写的都是我国现代过程分析技术的主要研究和应用人员，他们都是活跃在一线的教授、研究员、高级工程师和企业高级管理者，具有深厚的理论基础、丰富的研发和工程实践经验。通过本书，读者可了解现代过程分析技术进展情况、适用领域以及未来的发展趋势。本书各章均列出了大量参考文献，可供读者进一步查阅和研读。在此向本书所有编著者的无私付出致以诚挚谢忱。

本书共分17章，编写人员如下：第1章和第2章褚小立、李淑慧和张彤；第3章胡爱琴；第4章张良晓；第5章吴志生；第6章李斌；第7章杨培强、冯云霞；第8章陈媛媛；第9章徐亮；第10章陈达；第11章季文海；第12章肖雪；第13章刘燕德、孙旭东、姜小刚、李雄、胡军；第14章赵友全；第15章彭黔荣；第16章陈夕松；第17章褚小立、李淑慧和张彤。

由于现代过程分析技术发展迅速，其内容非常宽泛，多学科交叉密集，分支繁多，所以每章的撰写内容在关注点、表述方式和笔锋上不尽相同，深度、广度和厚度也不尽平衡，为了保持每一章节的完整性，编者未做过多的调整和删改。各章内容相对独立，自成体系，读者可根据自身需要有针对性地进行阅读，这也是本书的一大特色。由于篇幅所限和撰写的仓促性等原因，难以全面反映现代过程分析技术各分支学科的全部内容，疏漏和欠妥之处，恳请同行专家和读者批评指正。期望本书的出版在一定程度上能够推动我国现代过程分析技术的进步和提高。

本书受中国科学技术协会“2019年度学科发展科技前沿热点综述”项目资助，特此致谢。

褚小立

2020年8月18日

现代过程分析技术综合了分析化学和化学计量学等基础研究以及分析仪器、光学和电子工程等工程技术，在诸多领域得以广泛应用。本书详细阐述近年来现代过程分析技术的新进展，沿两个维度展开，一是以现代过程分析技术本身为主线的前沿综述，介绍了中红外光谱、拉曼光谱、近红外光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹光谱、核磁共振等技术在仪器和方法学方面的新进展；另一个是以行业应用为主线的热点综述，介绍了上述技术在农业、食品、制药、烟草、环境以及石化等流程工业中的应用进展。通过本书，读者可了解现代过程分析技术的*进展、适用领域以及未来的发展趋势。

本书可作为分析科学与技术领域相关科研人员、工程师和高校教师的参考书籍，也可作为分析化学、化学计量学、分析仪器、光学和自动控制等专业研究生的参考教材。

褚小立，石油化工科学研究院教授级高工，现代过程分析技术学术带头人之一，长期从事成套近红外光谱分析技术和应用研究，主持和参与了近20项基础研究、新产品研发和应用技术推广等科研项目，取得了多项具有创新性的研究成果，在国内外期刊发表论文80余篇。申请发明专利30余项，有近20项获得授权。获省部级科技进步奖5项，其中获军队科技进步一等奖1项，中石化科技进步二等奖3项。2005年获侯祥麟石油加工科学技术奖，2009年获中国石化闵恩泽青年科技人才奖，2011年获闵恩泽院士科技原始创新奖，2013年获13届“中国青年科技奖”，2015年获“中国分析测试协会科学技术青年奖”。编著了多部与分子光谱、化学计量学和现代过程分析技术等有关的学术著作，取得了很好学术成果，是近红外光谱和现代过程分析领域中有影响的青年科学家。

第1章概述/001

参考文献/003

第2章中红外光谱及其成像技术的新进展/005

2.1基于新型激光器的红外光谱技术/005

2.2纳米级红外光谱及成像技术/010

2.3光声光谱及成像技术/014

2.4基于光学频率梳的红外光谱技术/018

2.5空间调制微型傅里叶变换光谱仪/021

2.6商品化的在线和便携中红外光谱仪/021

参考文献/023

第3章拉曼光谱分析技术的新进展/026

3.1便携/手持拉曼光谱仪及应用/026

3.1.1便携/手持拉曼光谱仪/026

3.1.2便携/手持拉曼光谱仪的应用/030

3.2在线拉曼光谱仪及其应用/033

3.2.1在线拉曼光谱仪/033

3.2.2在线拉曼光谱仪的应用/034

3.3拉曼光谱新技术及应用/034

3.3.1短波长手性拉曼光谱仪/035

3.3.2深海探测的紫外激光拉曼光谱仪/035

3.3.3共聚焦拉曼光谱仪/036

3.3.4拉曼成像/037

3.3.5针尖增强拉曼光谱/037

3.3.6表面增强拉曼光谱/037

3.3.7X射线荧光-拉曼一体化检测仪/040

3.3.8基于拉曼/离子迁移谱技术的易制毒化学品核查仪/040

3.3.9便携式薄层色谱-拉曼光谱联用仪/041

3.4化学计量学与拉曼光谱/041

3.4.1光谱预处理/041

3.4.2多变量定性/定量分析/044

3.4.3仪器校准与模型转移/045

3.4.4二维相关光谱/046

3.5展望/047

参考文献/048

第4章近红外光谱技术及其在粮油检测中的应用进展/051

4.1引言/051

4.1.1近红外光谱的原理/051

4.1.2近红外光谱的特点/052

4.2近红外光谱法在粮油常规品质检测中的应用/054

4.3近红外光谱法在粮油特异营养品质检测中的应用/056

4.4近红外光谱法在粮油真伪鉴别方面的应用/057

4.5近红外光谱法在粮油产地溯源方面的应用/059

4.6近红外高光谱成像技术在粮油产品中的应用/060

4.7粮油产品质量安全近红外光谱检测技术标准/061

4.8近红外光谱分析技术在粮油产品中的应用前景/063

参考文献/063

第5章激光诱导击穿光谱分析技术的新进展/070

5.1引言/070

5.1.1激光诱导击穿光谱基本原理/070

5.1.2激光诱导击穿光谱检测系统结构/073

5.1.3激光诱导击穿光谱定量分析/073

5.1.4激光诱导击穿光谱仪器的发展/076

5.1.5激光诱导击穿光谱与X射线荧光技术对比/077

5.2激光诱导击穿光谱在不同领域的应用/078

5.2.1激光诱导击穿光谱在中药领域的应用/078

5.2.2激光诱导击穿光谱技术在农业、食品领域的应用/083

5.2.3激光诱导击穿光谱在其他领域的应用/088

5.3总结与展望/092

参考文献/092

第6章太赫兹光谱技术及其在农业领域的应用研究进展/098

6.1引言/098

6.2太赫兹光谱技术/099

6.2.1太赫兹脉冲的产生/099

6.2.2太赫兹脉冲的探测/100

6.2.3太赫兹时域光谱系统原理/100

6.3样品理化信息的获取和数据处理方法/101

6.3.1样品制备/101

6.3.2信息获取/101

6.4太赫兹技术在农业领域的研究应用进展/104

6.4.1生物大分子检测方面的应用研究/104

6.4.2农产品质量检测方面的应用研究/104

6.4.3土壤大气检测方面的应用研究/105

6.4.4植物生理检测方面的应用研究/106

6.5展望/107

参考文献/108

第7章低场核磁分析技术的新进展/111

7.1 引言/111

7.1.1核磁共振技术发展/111

7.1.2核磁共振技术原理及分析方法/111

7.1.3国内外低场核磁仪器的进展/116

7.2低场核磁共振仪器的应用进展/117

7.2.1农业食品领域/117

7.2.2多孔介质领域/121

7.2.3石化领域的应用/124

7.2.4生物医药领域/127

7.3低场磁共振技术的潜在市场/128

7.3.1传统行业的潜在市场/129

7.3.2低场核磁共振技术在新兴市场的应用前景/131

7.4低场核磁共振未来发展的方向/132

7.4.1高灵敏度——超极化/132

7.4.2新功能——原位测井/132

7.4.3新结构——Halbach单边磁体/133

参考文献/134

第8章深度学习算法在谱学分析中的新进展/137

8.1研究与应用进展/137

8.1.1国内外研究现状/137

8.1.2基于卷积神经网络的谱学分析模型构建方法/138

8.1.3基于卷积神经网络的谱学分析模型基本原理/139

8.1.4卷积神经网络参数整体设计原则/141

8.1.5卷积神经网络谱学分析模型的优化/142

8.2值得深入研究的若干问题/144

8.2.1深度学习算法和传统机器学习算法的对比/144

8.2.2模型泛化性能评价指标的选取/145

8.2.3数据扩增/146

8.2.4模型移植/147

8.3未来5～10年的发展趋势展望/149

参考文献/150

第9章红外光谱技术在环境检测领域的应用进展/153

9.1引言/153

9.1.1红外光谱技术简介/154

9.1.2红外光谱基础/155

9.2红外光谱检测技术及其应用/160

9.2.1非分散红外光谱技术原理与应用/161

9.2.2傅里叶变换红外光谱技术原理与应用/170

9.3发展趋势/180

参考文献/181

第10章拉曼光谱技术在气体多组分检测中的应用进展/182

10.1引言/182

10.2气体拉曼光谱解析方法进展/183

10.2.1拉曼光谱预处理方法/183

10.2.2光谱多元校正方法/187

10.3气体拉曼光谱应用进展/188

10.3.1能源化工领域的应用进展/188

10.3.2生物医学领域的应用进展/190

10.3.3环保领域的应用进展/190

10.3.4气体拉曼光谱技术在其他领域的应用进展/190

10.4气体拉曼光谱仪器技术进展/191

10.5气体拉曼光谱技术展望/192

参考文献/192

第11章可调谐二极管激光吸收光谱气体检测技术在工业过程分析领域的新进展/195

11.1引言/195

11.2硬件与系统设计/196

11.2.1基本原理/196

11.2.2激光器/197

11.2.3气室/200

11.2.4系统设计/202

11.3光谱分析新方法/203

11.3.1基线与噪声/204

11.3.2形变问题/204

11.3.3干扰问题/205

11.3.4标定模型问题/207

11.4应用进展/207

11.4.1工业应用/207

11.4.2技术标准/209

11.5展望/209

参考文献/210

第12章过程分析技术在制药领域中的新进展/216

12.1过程分析技术在制药领域的政策与指南概况/216

12.1.1过程分析技术相关的几个概念/216

12.1.2欧美主要政策与指导原则/217

12.1.3我国过程分析技术相关的政策文件与指南/217

12.1.4制药过程常用的过程分析技术简介/218

12.2基于光谱分析技术的制药工业在线过程分析技术应用/219

12.2.1反应监测/219

12.2.2精制纯化/222

12.2.3浓缩富集/225

12.2.4干燥工艺/226

12.2.5混合工艺/226

12.2.6制剂工艺/228

12.2.7成品与原辅料/230

12.3典型的生产全（多）过程分析技术案例/232

12.3.1复方苦参注射液生产过程在线近红外光谱质量评价研究/232

12.3.2感冒灵颗粒生产过程在线近红外光谱质量评价研究/233

12.3.3近红外分析技术在银蓝调脂胶囊制备过程中的应用研究/233

12.4化学计量学与制药过程分析/234

12.4.1光谱预处理与波长范围选择/234

12.4.2回归算法和判别算法/234

12.4.3过程状态分析/235

12.4.4模型转移/235

12.4.5过程分析技术参数评价指标/236

12.5制药行业智慧制造前景展望/236

12.5.1专业化人才队伍和培养体系亟须建立/236

12.5.2共性关键技术亟待突破/236

12.5.3实施“交钥匙”工程/237

12.5.4过程分析技术促进制药领域行业发展/237

参考文献/237

第13章近红外光谱技术在水果品质检测中的新进展/246

13.1便携式水果品质检测仪及应用/246

13.1.1便携式水果品质检测仪技术特点/246

13.1.2便携式水果品质检测仪应用/252

13.2水果品质在线分选装备技术特点及应用/253

13.2.1水果品质在线分选装备技术特点/253

13.2.2水果品质在线分选装备应用/255

13.3近红外光谱技术果业应用重点/257

参考文献/258

第14章现代过程分析技术在水分析中的新进展/260

14.1水质检测与水质指标/260

14.1.1水质检测指标/260

14.1.2水质检测标准/263

14.1.3国内外水质标准对比/265

14.2水质的分析与监测/268

14.2.1在线水质分析方法/269

14.2.2水质在线分析仪器/270

14.3全光谱法在线水质监测技术/272

14.3.1全光谱水质分析的技术特点/272

14.3.2全光谱在线水质分析系统/273

14.3.3基于化学计量方法的水质污染指数预测模型/274

14.4水中油类污染在线检测技术/276

14.4.1水中油类污染物组分特征/277

14.4.2在线油类污染检测方法/278

14.4.3基于散射光检测的在线分析仪/280

14.5水质生物毒性监测技术及仪器性能指标/281

14.5.1水质生物毒性监测方法/282

14.5.2主要仪器及性能指标研究/283

参考文献/286

第15章现代过程分析技术在烟草业中的新进展/287

15.1引言/287

15.2烟草加工工艺概述/287

15.3过程分析技术在烟草加工工艺过程中的应用进展/290

15.3.1过程分析技术在烟叶生产中的应用/290

15.3.2过程分析技术在打叶复烤中的应用/294

15.3.3过程分析技术在烟叶醇化中的应用/298

15.3.4过程分析技术在制丝生产中的应用/298

15.3.5过程分析技术在卷包车间中的应用/300

15.3.6过程分析技术在卷烟质量评价中的应用/303

15.3.7过程分析技术在滤棒生产过程中的应用/303

15.4展望/305

15.4.1过程分析技术在烟草中的应用/305

15.4.2过程分析技术应用范围的扩展/306

参考文献/307

第16章现代过程分析与控制技术在流程工业中的新进展/312

16.1引言/312

16.2近红外光谱在流程工业领域的研究及应用/313

16.2.1炼油化工过程/313

16.2.2制药过程/314

16.2.3食品加工过程/315

16.2.4其他工业过程/316

16.3中红外光谱在流程工业领域的研究及应用/317

16.3.1原油开采及加工过程/317

16.3.2食品加工过程/318

16.4拉曼光谱在流程工业领域的研究及应用/320

16.4.1石油化工过程/320

16.4.2制药过程/322

16.4.3其他工业过程/323

16.5核磁共振在流程工业领域的研究及应用/324

16.5.1原油生产加工过程/324

16.5.2食品加工过程/325

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