工業(yè)控制技術(shù)在痕量氣體分析中的應用

奧地利 Ionicon 公司生產(chǎn)的質(zhì)譜儀在很多應用中都被用作痕量氣體分析儀，尤其是在醫學(xué)研究領(lǐng)域。新加坡也有一套這樣的系統，通過(guò)使用倍?？煽壳议L(cháng)期可供的控制技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，并成為臨時(shí)批準的新冠病毒檢測設備。

PTR-TOF 系統是一款具有極高靈敏度的檢測儀，用于非侵入性呼氣診斷。據 Ionicon 介紹，檢測儀每秒鐘可記錄一個(gè)完整的光譜，能夠處理大量信息，同時(shí)具有高靈敏度和質(zhì)量分辨力，成為實(shí)時(shí)呼氣診斷的事實(shí)標準。

近年來(lái)，基于人體呼出氣體中的揮發(fā)性有機化合物（VOC）的檢測已成為一個(gè)快速增長(cháng)的領(lǐng)域。肺泡與血液進(jìn)行氣體交換后，肺泡中的二氧化碳通過(guò)呼氣排到體外，氧氣由肺泡進(jìn)入血液。這種交換也適用于揮發(fā)性代謝物（內源性化合物）或已被消耗或先前吸入的 VOC（外源性化合物）。對人體呼出氣體 VOC 進(jìn)行采樣是非侵入式的，既簡(jiǎn)單又快速。

在實(shí)時(shí)呼吸診斷方法中，不需要準備樣品就可以直接對呼出的氣體進(jìn)行診斷分析。記錄完整的呼吸周期可以提供呼氣末（肺泡）部分的濃度，也可以提供吸入（室內空氣）的濃度，這兩者都可以通過(guò)軟件輕松提取。這樣可以即時(shí)出具結果，避免因樣品收集和儲存而經(jīng)常出現的難題。另外，實(shí)時(shí)診斷可能是測量降解速度超快的不穩定化合物的唯一方法。

采用非侵入式方式快速檢測新冠病毒

新加坡初創(chuàng )公司 Breathonix 研發(fā)出的一款新冠病毒呼氣檢測設備已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段，據 Ionicon 介紹，臨床試驗結果令人鼓舞。這款便捷的呼氣檢測設備可在一分鐘內檢測出是否感染新冠病毒，目前已獲得新加坡衛生科學(xué)局（HSA）的初步批準和馬來(lái)西亞衛生部的批準。最終目標是在機場(chǎng)、港口等交通樞紐以及體育場(chǎng)館和奧運會(huì )等重大賽事活動(dòng)中推廣使用這種呼氣檢測法。

新檢測程序的高精度分析設備由 Ionicon 開(kāi)發(fā)，Ionicon 公司 CEO Lukas M?rk 描述道：“新的新冠病毒呼氣檢測法基于我們的 PTR-TOF 痕量氣體分析儀以及我們開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用呼氣采樣系統實(shí)現。我們的設備可以實(shí)時(shí)采集測量數據，然后由研究人員使用專(zhuān)用軟件進(jìn)行分析?！毖芯咳藛T通過(guò)這些數據能夠檢測出新冠病毒生物標志物。

VOC 在人體呼出氣體中的濃度非常低?！昂魵鈾z測法的采樣非常簡(jiǎn)單，難的是識別和分類(lèi) VOC。我們的分析儀可以從一次呼氣中同時(shí)測量數百種 VOC?！盠ukas M?rk 解釋道。呼氣檢測設備可以快速、精確地分析測量結果，在一分鐘內檢測出是否感染新冠病毒。在新加坡本地開(kāi)展的一項探索性臨床試驗中，其準確性達到了 90％ 以上。

Breathonix 目前正與新加坡衛生部（MOH）合作，在新加坡一處陸上關(guān)口進(jìn)行部署試驗，讓入境的旅客進(jìn)行呼吸檢測。這套呼吸檢測系統已經(jīng)在 3 個(gè)不同地點(diǎn)進(jìn)行臨床試驗，包括新加坡國家傳染病中心及樟宜機場(chǎng)，另外，他們還與迪拜衛生局以及穆罕默德·本·拉希德醫學(xué)與健康科學(xué)大學(xué)合作，在迪拜進(jìn)行了臨床試驗。

基于 PC 和 EtherCAT 的通用控制技術(shù)

Ionicon 公司的分析系統是質(zhì)子轉移反應飛行時(shí)間質(zhì)譜儀。在這些系統中，氣體樣品通過(guò)進(jìn)樣系統送入反應室，并對樣品氣體中的分子進(jìn)行電離。由此產(chǎn)生的離子通過(guò)電場(chǎng)加速，然后穿過(guò)一個(gè)飛行路徑，在路徑末端通過(guò)探測器對離子進(jìn)行定位。它們可以探測出離子的飛行時(shí)間，從而測定樣品的成分。

Ionicon 公司高級電子工程師 Stefan Haidacher 在描述基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)的細節時(shí)說(shuō)道：“我們的質(zhì)譜儀包含用于在其中電離和檢測分子的真空系統、用于產(chǎn)生真空的泵、用于產(chǎn)生電場(chǎng)的精密電源、用于進(jìn)樣和校準系統的流量壓力控制器，以及用于檢測離子的超高速電子元件。這些系統組件由一臺搭載 Intel Atom? 處理器并安裝有 TwinCAT 控制軟件的 CX5020 嵌入式控制器進(jìn)行控制和監測。為了方便用戶(hù)使用并高效地顯示和配置基本系統參數，我們采用了 CP2907 適合控制柜安裝的多點(diǎn)觸控控制面板，面板配備 7 英寸顯示屏和 DVI/USB Extended 接口?！?/p>

其中，I/O 產(chǎn)品使用的是 2 通道 EtherCAT 串口端子模塊 EL6022，負責實(shí)現與各個(gè)系統組件的通信，如用于產(chǎn)生高真空的渦輪泵。此外還使用了 2 端口 EtherCAT 拓撲擴展模塊 EK1122 將數據快速傳輸至流量壓力控制器等其它 EtherCAT 設備。Stefan Haidacher 強調了超高速數據通信的重要性：“在我們的新開(kāi)發(fā)項目中，我們越來(lái)越依賴(lài) EtherCAT 系統總線(xiàn)，尤其是對于時(shí)間要求苛刻的控制任務(wù)?！?/p>

倍福 EtherCAT 端子模塊、IP67 EtherCAT 端子盒以及其它端子排、熔斷器和繼電器布置在 19 英寸外殼內，用作控制單元，用于為系統組件供電并進(jìn)行控制，包括控制電離室溫度、采集真空壓力電池的測量值，以及控制閥門(mén)。

daily basis since 2007.”

Ionicon 公司的質(zhì)譜儀有不同版本和各種設備選項可選，可以根據具體的應用領(lǐng)域提供最合適的產(chǎn)品。針對新冠病毒檢測應用，PTR-TOF 1000 配備了 C6920 控制柜式工業(yè) PC。Stefan Haidacher 介紹了該系統的主要優(yōu)點(diǎn)：“我們的系統在運行期間會(huì )不斷產(chǎn)生大量數據，這些數據通常通過(guò)外置 PC 或筆記本電腦進(jìn)行記錄和分析。新冠病毒檢測應用對數據采集系統的穩定性和安全性以及組件的長(cháng)期可用性的要求越來(lái)越高。C6920 具備應用所需的性能，并且能夠集成到我們的系統中，讓我們能夠更好地控制整個(gè)裝置。到目前為止，倍福的工業(yè) PC 在可靠性和長(cháng)期可用性方面表現非常優(yōu)異。此外，倍福茵斯布魯克銷(xiāo)售辦事處也為我們提供了很好的支持，在銷(xiāo)售辦事處負責人 George Hampel 的帶領(lǐng)下，自 2007 年起，每天都有人會(huì )向 Ionicon 咨詢(xún)自動(dòng)化新技術(shù)都有哪些優(yōu)勢?！?/p>

圖片譯文

Ionicon 公司 CEO Lukas M?rk 向 PTR TOFMS 痕量氣體分析儀釋放呼吸樣本，分析儀實(shí)時(shí)分析呼出氣體中的 VOC（揮發(fā)性有機化合物）

Breathonix 團隊與 Ionicon 公司的 PTR-TOF 分析儀合影：新加坡研究人員使用專(zhuān)用的軟件處理新冠病毒呼氣檢測的分析數據，一分鐘就能出結果

Ionicon 公司專(zhuān)家團隊（從左至右）：Lukas M?rk（CEO）、Gabriel Ivanko（技術(shù)人員）、Judith Bobory（技術(shù)人員）、Simon Niederbacher（客戶(hù)支持與服務(wù)）、Stefan Haidacher（機電一體化實(shí)習生）

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