孫佳琳 鄒志云 劉英莉

摘 要 在線拉曼光譜分析技術(shù)是一種快速、無損的過程分析技術(shù)。對在線拉曼光譜的特點、優(yōu)勢以及近年來在線拉曼光譜技術(shù)在國內(nèi)外不同領(lǐng)域的應用情況進行了分析和論述。指出了目前在線拉曼光譜技術(shù)應用過程中存在的問題與未來的研發(fā)方向。

關(guān)鍵詞 在線分析 拉曼光譜 過程分析 準確性

中圖分類號 TH744；O433.4? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0280?05

作者簡介：孫佳琳（1990-），助理研究員，從事化合物合成工藝研究工作。

通訊作者：劉英莉（1974-），副研究員，從事分析化學、環(huán)境工程、粉體表征等方面的研究工作，liuyinl@sohu.com。

引用本文：孫佳琳，鄒志云，劉英莉.在線拉曼光譜技術(shù)的應用綜述［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：280-284.

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，人們對工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量控制、成本消耗以及環(huán)境保護等方面也提出了更高的要求，傳統(tǒng)離線分析方法逐漸被在線分析技術(shù)所取代。在線分析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)反應進程的實時監(jiān)測，監(jiān)控反應物料的變化情況和反應體系參數(shù)水平，避免了傳統(tǒng)分析方法測量周期長、取樣滯后及樣品預處理復雜等問題，在優(yōu)化工藝操作、提升產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟效益、降低生產(chǎn)損耗和環(huán)境污染上發(fā)揮了重要作用，被廣泛地應用于化工、材料、石化及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。

1 在線拉曼光譜的特點及優(yōu)勢

拉曼光譜分析技術(shù)基于拉曼散射現(xiàn)象，能夠直接獲得樣品中各物質(zhì)基團的分子振動信息。拉曼光譜具有豐富且尖銳的特征峰，在入射光頻率、強度等實驗條件確定時，基于譜峰數(shù)目、位置及強度等數(shù)據(jù)可以對測試樣品進行定性、定量分析［1］。

相較于傳統(tǒng)分析檢測手段，拉曼光譜具有較強的在線分析優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：

a. 無需制備樣品，與人工取樣離線化驗相比，得到的樣品實時變化測量數(shù)據(jù)更具代表性，

可降低成本損耗和額外廢棄物的產(chǎn)生，在一定程度上可避免樣品制備過程中的機械變化和損壞；

b. 可以進行非侵入性檢測，一方面避免了探頭浸入樣品被污染的問題，另一方面可以對玻璃等材質(zhì)的反應容器的反應過程或包裝產(chǎn)品直接進行測試；

c. 受樣品物態(tài)影響小，可以直接測量固、液、氣態(tài)物質(zhì)以及異質(zhì)混合物，還可識別同一物質(zhì)的不同晶體形態(tài)等，拓寬了拉曼分析的應用范圍和適用性；

d. 數(shù)據(jù)采集快，分析時間短，能夠快速反饋分析結(jié)果，更利于過程控制和工藝的改進優(yōu)化；

e. 受極性溶劑干擾小，可直接對水溶液樣品進行測量分析；

f. 相較于近紅外光譜，數(shù)據(jù)處理更簡單。

上述這些特點使得拉曼光譜具備了在不同環(huán)境下進行在線檢測的潛力［2～6］。

此外，從拉曼光譜在線分析設備的組成來看，隨著光源、連接光纖、拉曼探頭、光學元件、探測器及計算機等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)據(jù)采集、化學計量學等分析方法的興起和應用，在一定程度上解決了拉曼光譜熒光干擾、信號弱及造價成本高等問題，提高了拉曼光譜檢測的靈敏度和精度，也使得拉曼光譜能夠更好地應用于在線分析和過程監(jiān)測［2，3］。例如，光纖的發(fā)展和應用解決了信號傳輸過程中的損耗問題，從而使拉曼光譜測量設備存放更加靈活，不受測試對象和空間的限制［7］；同時光纖的抗干擾和抗腐蝕能力也使得拉曼光譜技術(shù)能夠在一些較惡劣的環(huán)境中運行［8］。下面將從幾個不同的領(lǐng)域介紹在線拉曼光譜分析技術(shù)的應用。

2 在線拉曼光譜分析技術(shù)的應用

在線拉曼光譜作為一種常用的過程分析技術(shù)［9，10］，具有原位分析、精度高、環(huán)境適應性好、易實現(xiàn)標準化及樣品測定范圍廣等特點，它能夠?qū)崿F(xiàn)原位、快速在線檢測，為工藝研究、工業(yè)生產(chǎn)過程中操作參數(shù)的調(diào)整提供所需數(shù)據(jù)，幫助研究人員更準確地控制反應過程，更系統(tǒng)地理解和解決工藝問題，從而加快流程開發(fā)和工藝規(guī)?；?，提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。目前，在線拉曼光譜技術(shù)常應用于化工、生物及醫(yī)藥等行業(yè)［11～21］。

2.1 石油化工領(lǐng)域

為定量分析天然氣主要組分，戴連奎研究組提出了一種由拉曼光譜自動分解算法和定量分析模型相結(jié)合的新型拉曼定量分析方法［22］，并應用該方法研究測量了組分未知的天然氣樣品，測得的7種主要成分含量分析誤差小，與色譜檢測結(jié)果相關(guān)性高。實驗證明，該方法有效克服了[C][+][4]未知烷烴成分的天然氣組分檢測難題，精確度高，具有較好的穩(wěn)定性和準確性，為今后在實際生產(chǎn)中運用拉曼光譜法對天然氣成分進行實時監(jiān)測提供了理論支持。

馬萬武和任麗萍針對汽油調(diào)和系統(tǒng)的現(xiàn)實需求，開發(fā)設計了在線拉曼光譜分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用于實際汽油調(diào)和裝置，實現(xiàn)了對汽油研究法辛烷值、氧含量及芳烯烴含量等指標的在線分析［23］。王拓和戴連奎將在線拉曼分析系統(tǒng)應用于工業(yè)催化重整裝置，實現(xiàn)了對重整汽油研究法辛烷值與其他關(guān)鍵參數(shù)的在線分析，分析數(shù)據(jù)能快速反映出重整反應器溫度和其他運行條件的變化［24］。

蘇為群等根據(jù)國內(nèi)芳烴裝置的實際狀況，基于混合液各組分特征峰與其質(zhì)量分數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，建立了定量分析模型，并研制適用于芳烴裝置的在線拉曼光譜分析儀［25］。該在線拉曼光譜分析儀成功應用于某芳烴裝置，其檢測數(shù)據(jù)對裝置的運行、操作及工藝過程分析具有重要的指導作用。

戴連奎研究組為研究聚酯合成的酯化反應過程，搭建了一套微型間歇式酯化反應裝置，采用在線拉曼技術(shù)進行原位測量，在反應釜中插入耐高溫拉曼探頭，對反應過程進行在線實時信息采集和處理，最終建立了一種可以準確衡量反應進程、確定酯化反應清晰點的定性分析方法［26］，該方法能夠有針對性地控制聚酯產(chǎn)品中的品質(zhì)指標，具有實時性好、操作方便、分析速度快的優(yōu)勢，有利于聚酯工業(yè)生產(chǎn)工藝條件控制和產(chǎn)品穩(wěn)定生產(chǎn)。

HART R J等在進行氯丙嗪與苯酚發(fā)生異構(gòu)醚化反應合成目標化合物時，將在線拉曼光譜與多變量分析模型相結(jié)合，來監(jiān)測反應進程并預測該化學過程的反應終點［27］。由于該反應用到了固體堿，是非均相的，因此隨著反應規(guī)模的放大，反應器形狀和反應過程中混合特性的不同，都可能影響反應達到時間。研究結(jié)果表明，利用在線拉曼光譜建立的定量校準模型，成功地從實驗室規(guī)模運用到了1 500 L工廠中試規(guī)模上，且比原工藝完成時間縮短了600 min。

CSONTOS I等利用在線拉曼光譜技術(shù)，監(jiān)測了丙酮和羥胺在不同pH條件下的肟化反應，并結(jié)合多元曲線分辨-交替最小二乘法算法，對反應中的主要成分和不穩(wěn)定中間體進行定量分析，幫助確定反應終點［28］。從反應安全性出發(fā)，該反應是一個劇烈的放熱氧化反應，具有一定危險性，通過拉曼光譜的實時監(jiān)測，有效地控制了中間體的形成和濃度，避免了不可控升溫，為反應的安全進行提供了保障。

在線拉曼光譜還可以對連續(xù)流反應進行定量監(jiān)測，有效解決離線檢測時，樣品采集數(shù)量有限、產(chǎn)品形成和分析結(jié)果確定之間的延遲等問題，有利于及時、快速地了解系統(tǒng)反應情況并對過程控制做出有效調(diào)整，保證反應安全進行。ROBERTO M F等在連續(xù)流動反應器中研究了苯甲酸的酯化反應［29］。研究結(jié)果表明，拉曼光譜學與偏最小二乘法模型相結(jié)合，能夠定量預測連續(xù)流反應器中的化學轉(zhuǎn)化，并且與離線HPLC檢測方法相比，在線拉曼光譜技術(shù)只需30 s就能確定產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率，檢測效率提高了60倍。

2.2 生物醫(yī)藥及食品領(lǐng)域

YAN X等將在線拉曼光譜技術(shù)與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNNs）模型相結(jié)合，監(jiān)測山羊角的水解過程［30］。通過對CNNs模型的優(yōu)化，利用CNNs校準模型，從在線拉曼光譜中獲得了氨基酸濃度預測曲線，從而為實驗人員監(jiān)測山羊角水解過程提供了及時的過程信息。在該研究中，拉曼光譜受水干擾信號弱，能產(chǎn)生詳細的分子指紋圖譜，使研究人員不用依賴經(jīng)驗或固定水解時間來確定水解過程終點，更有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量和批次間的一致性。

CHEN D等開發(fā)了一個基于數(shù)字標記拉曼光譜（DLRS）的在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于在線監(jiān)測發(fā)酵前均質(zhì)酸奶樣品中的4種關(guān)鍵成分［31］。DLRS系統(tǒng)通過對72個實際樣品的系統(tǒng)分析進行了驗證。結(jié)果表明，該方法能夠準確地提取酸奶樣品中4種關(guān)鍵成分的光譜特征，使其能夠自動連續(xù)地監(jiān)測酸奶樣品，而無需進行樣品制備，實現(xiàn)對酸奶生產(chǎn)的智能控制，有效提高了酸奶產(chǎn)品的質(zhì)量控制水平。

2.3 環(huán)境領(lǐng)域

在線拉曼光譜技術(shù)還常用于環(huán)境分析相關(guān)工作中。CHO S等利用拉曼光譜技術(shù)在線檢測水中微塑料含量［12］。TANG J等利用原位在線拉曼光譜法和電化學阻抗光譜法檢測污水處理中助凝劑對膜的影響［32］。LE K C等則利用在線拉曼光譜測試了煙塵顆粒的形成及在不同階段的變化［33～36］。

2.4 核工業(yè)領(lǐng)域

在核電制造業(yè)中，常利用二尿酸銨（ADU）工藝制備二氧化鈾粉末，在這個過程中，ADU的組成及其形態(tài)特征對工業(yè)操作有很大影響［37］。BONALES L J等使用在線拉曼光譜技術(shù)來實時監(jiān)測UO2（NO3）2溶液中的ADU沉淀，同時獲得上清液和固體沉淀的分析數(shù)據(jù)，為工業(yè)二氧化鈾生產(chǎn)提供重要信息［38］。這些信息可以用來控制生產(chǎn)過程的正常運行和安全性能，避免了傳統(tǒng)離線方法的巨大成本和時間消耗，以及對放射性物質(zhì)取樣操作時的額外風險。

總之，隨著拉曼光譜技術(shù)的迅速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)在線分析需求的不斷提高，在線拉曼分析的應用領(lǐng)域逐漸從實驗室走向?qū)嶋H應用，在反應過程監(jiān)控、工藝過程的質(zhì)量控制以及產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面發(fā)揮了極大的作用［1］，幫助研究人員更好地進行工藝優(yōu)化和過程控制。

3 展望

相關(guān)行業(yè)技術(shù)和設備的發(fā)展和優(yōu)化，推動了在線拉曼光譜技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。通過不同學科的交叉應用，也使得在線拉曼光譜技術(shù)能夠更好的適應不同應用場景。然而，在實際應用中，拉曼光譜仍存在一些問題，例如信噪比低、易受熒光、噪聲干擾；由于激光存在熱效應問題，因而不適用于易燃易爆或熱不穩(wěn)定樣品等。因此，要想使在線拉曼光譜技術(shù)更廣泛地應用于科研、生產(chǎn)實踐中，并且在使用過程中能夠獲取高質(zhì)量拉曼光譜信號、高效識別譜峰信息，應針對上述問題去研究和解決。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代工業(yè)對過程控制要求的不斷提高，過程分析技術(shù)也越來越受到各行業(yè)重視。從工藝研發(fā)到規(guī)模化生產(chǎn)的各個階段，過程分析技術(shù)都能發(fā)揮重要作用，它通過實時、高效、非破壞性的在線分析手段，提高了過程檢測準確性、可靠性和操作效率，幫助人們更好地實現(xiàn)工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)、規(guī)模化生產(chǎn)，增加對工藝的系統(tǒng)了解，在工藝中建立質(zhì)量設計，通過減少批次間的差異性和失敗率來提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低操作成本，提高法規(guī)遵從度。在線拉曼光譜技術(shù)作為過程分析技術(shù)的重要手段之一，具有獨特優(yōu)勢，并且隨著光譜儀器等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，也使得在線拉曼光譜越來越適用于不同場景，特別是對于危險化學品、放射性物質(zhì)以及有毒物質(zhì)的在線檢測，能夠極大地降低一線人員操作風險，提供安全保障。

參 考 文 獻

［1］ 陳昀亮.拉曼光譜的信號分離方法及其在工業(yè)在線分析中的應用［D］.杭州：浙江大學，2019.

［2］ ABBAS O，DARDENNE P，BAETEN V.Near?infrared，mid?infrared，and Raman spectroscopy［M］//PICO Y. Chemical Analysis of Food.Second Edition.Academic Press，2020：77-134.

［3］ VANKEIRSBILCK T，VERCAUTEREN A，BAEYENS W， et al.Applications of Raman spectroscopy in pharmaceutical analysis ［J］.Trends in Analytical Chemistry，2002，21（12）：869-877.

［4］ EBRAHIMI F，VIELL J，MITSOS A，et al.In?line monitoring of hydrogen peroxide in two?phase reactions using raman spectroscopy［J］.AIChE Journal，2017，63（9）：3994-4002.

［5］ DIJKSTRA R J，ARIESE F，GOOIJER C，et al.Raman spectroscopy as a detection method for liquid?separation techniques［J］.TrAC Trends in Analytical Chemistry，2005，24（4）：304-323.

［6］ 戴連奎，王拓.在線拉曼分析儀的原理及其在汽油調(diào)和中的應用［J］.石油化工自動化，2016，52（1）：1-6.

［7］ RATHMELL C，BINGEMANN D，ZIEG M，et al.Por?table Raman Spectroscopy：Instrumentation and Technology［M］//Crocombe R，Leary P，Kammrath B.Portable Spectroscopy and Spectrometry.2021：115-145.

［8］ 錢多.在線拉曼光譜的應用［J］.廣州化工，2012，40（10）：49-50.

［9］ RIOLO D，PIAZZA A，COTTINI C，et al.Raman spectroscopy as a PAT for pharmaceutical blending：Advantages and disadvantages［J］.Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis，2018，149：329-334.

［10］? ?JOHANSSON J，CLAYBOURN M，F(xiàn)OLESTAD S.Raman Spectroscopy：A Strategic Tool in the Process Analytical Technology Toolbox［M］//MATOUSEK P，MORRIS M D.Emerging Raman Applications and Techniques in Biomedical and Pharmaceutical Fields.Berlin，Heidelberg：Springer，2010：241-262.

［11］? ?SIMON L L，PATAKI H，MAROSI G，et al.Assessment of Recent Process Analytical Technology （PAT） Trends：A Multiauthor Review［J］.Organic Process Research & Development，2015，19（1）：3-62.

［12］ ? CHO S，KIM Y，CHUNG H.Feasibility study for simple on?line Raman spectroscopic detection of microplastic particles in water using perfluorocarbon as a particle?capturing medium［J］.Analytica Chimica Acta，2021，1165：338518.

［13］? ?SANTOS R M，KAISER P，MENEZES J C，et al.Improving reliability of Raman spectroscopy for mAb production by upstream processes during bioprocess development stages［J］.Talanta，2019，199：396-406.

［14］ ? DE BEER T R M，VERCRUYSSE P，BURGGRAEVE A，et al.In?line and real?time process monitoring of a freeze drying process using Raman and NIR spectroscopy as complementary process analytical technology （PAT） tools［J］.Journal of Pharmaceutical Sc?iences，2009，98（9）：3430-3446.

［15］? ?DE BEER T，BURGGRAEVE A，F(xiàn)ONTEYNE M，et al.Near infrared and Raman spectroscopy for the in?process monitoring of pharmaceutical production processes［J］.International Journal of Pharmaceutics，2011，417（1?2）：32-47.

［16］ ? RATHORE A S，BHAMBURE R，GHARE V.Process analytical technology （PAT） for biopharmaceutical products ［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2010，398（1）：137-154.

［17］ ? GLASSEY J，GERNAEY K V，CLEMENS C，et al.Process analytical technology （PAT） for biopharmaceuticals ［J］.Biotechnology Journal，2011 ， 6（4）：369-377.

［18］ ? FONTEYNE M，VERCRUYSSE J，LEERSNYDER F D，et al.Process analytical technology for continuous manufacturing of solid?dosage forms［J］.TrAC Trends in Analytical Chemistry，2015，67：159-166.

［19］ ? MUNSON J，F(xiàn)REEMAN STANFIELD C，GUJRAL B.A Review of Process Analytical Technology （PAT） in the U.S.Pharmaceutical Industry［J］.Current Pharmaceutical Analysis，2006，2（4）：405-414.

［20］ ? CHEW W，SHARRATT P.Trends in process analytical technology［J］.Analytical Methods，2010，2（10）：1412-1438.

［21］ ? GOUVEIA F F，RAHBEK J P，MORTENSEN A R，et al.Using PAT to accelerate the transition to continuous API manufacturing［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2017，409（3）：821-832.

［22］ ? 高穎，戴連奎，朱華東，等.基于拉曼光譜的天然氣主要組分定量分析［J］.分析化學，2019，47（1）：67-76.

［23］ ? 馬萬武，任麗萍.拉曼光譜分析技術(shù)在汽油調(diào)和系統(tǒng)中的應用［J］.化工自動化及儀表，2017，44（10）：933-936.

［24］ ? 王拓，戴連奎.重整汽油在線拉曼分析系統(tǒng)開發(fā)與工業(yè)應用［J］.儀器儀表學報，2015，36（6）：1201-1206.

［25］ ? 蘇為群，潘剛，羅新，等.國產(chǎn)在線拉曼分析儀在芳烴裝置中的應用［J］.石油化工自動化，2020，56（1）：48-54.

［26］ ? 陳怡帆，戴連奎，朱歡銀，等.基于拉曼光譜的聚酯過程酯化反應中清晰點的在線檢測［J］.分析測試學報，2020，39（4）：434-440.

［27］ ? HART R J， PEDGE N I， STEVEN A R， et al. In situ Monitoring of a Heterogeneous Etherification Reaction Using Quantitative Raman Spectroscopy ［J］. Organic Process Research & Development， 2015，19（1）：196-202.

［28］ ? CSONTOS I，PATAKI H，F(xiàn)ARKAS A，et al.Feedback Control of Oximation Reaction by Inline Raman Spectroscopy［J］.Organic Process Research & Development，2015，19（1）：189-195.

［29］ ? ROBERTO M F，DEARING T I，MARTIN S，et al.Integration of Continuous Flow Reactors and Online Raman Spectroscopy for Process Optimization［J］.Journal of Pharmaceutical Innovation，2012，7（2）：69-75.

［30］ YAN X，ZHANG S，F(xiàn)U H，et al.Combining convolu?tional neural networks and on?line Raman spectroscopy for monitoring the Cornu Caprae Hircus hydrolysis process［J］ .Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2020，226：117589.

［31］ CHEN D，LI Y，TAN Z，et al.On?line monitoring of key nutrients in yoghurt samples using digitally labelled Raman spectroscopy［J］.International Dairy Journal，2019，96：132-137.

［32］ ? TANG J，JIA H，MU S，et al.Characterizing synergistic effect of coagulant aid and membrane fouling during coagulation?ultrafiltration via in?situ Raman spectroscopy and electrochemical impedance spectroscopy［J］.Water Research，2020，172：115477.

［33］ ? LE K C，HENRIKSSON J，BENGTSSON P?E.Polarization effects in Raman spectroscopy of light?absorbing carbon［J］.Journal of Raman Spectroscopy，2021，52（6）：1115-1122.

［34］ ? LE K C，LEFUMEUX C，BENGTSSON P?E，et al.Direct observation of aliphatic structures in soot particles produced in low?pressure premixed ethylene flames via online Raman spectroscopy［J］.Proceedings of the Combustion Institute，2019，37（1）：869-876.

［35］ ? LE K C，LEFUMEUX C，PINO T.Watching soot inception via online Raman spectroscopy［J］.Combustion and Flame，2022，236：111817.

［36］ ? LE K C，PINO T，PHAM V T，et al.Raman spectroscopy of mini?CAST soot with various fractions of organic compounds：Structural characterization during heating treatment from 25 ℃ to 1 000 ℃ ［J］.Combustion and Flame，2019，209：291-302.

［37］ ? LERCH R E，NORMAN R E.Nuclear Fuel Conversion and Fabrication Chemistry［J］.Radiochimica Acta，1984，36（1?2）：75-88.

［38］ ? BONALES L J，RODR?GUEZ?VILLAGRA N， S?NC?HEZ?GARC?A I，et al.U（VI） speciation studies by Raman spectroscopy technique in the production of nuclear fuel［J］. Progress in Nuclear Energy， 2022，145：104122.

（收稿日期：2022-09-29）

Summary of Applications of On?line Raman Spectroscopy

SUN Jia?lin， ZOU Zhi?yun， LIU Ying?li

（State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian）

Abstract? ?Online Raman spectroscopy is a fast and non?destructive process analysis technique. In this paper，? the characteristics and advantages of on?line Raman spectroscopy and its practical applications in different fields at home and abroad in recent years were discussed to point out both problems and later development direction of the online raman spectrosscopy in the application.

Key words? ?on?line analysis， Raman spectroscopy， process analysis， accuracy