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工業(yè)控制技術(shù)在痕量氣體分析中的應(yīng)用

奧地利 Ionicon 公司生產(chǎn)的質(zhì)譜儀在很多應(yīng)用中都被用作痕量氣體分析儀，尤其是在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。新加坡也有一套這樣的系統(tǒng)，通過(guò)使用倍福可靠且長(zhǎng)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(zhǔn)的新冠病毒檢測(cè)設(shè)備。

PTR-TOF 系統(tǒng)是一款具有極高靈敏度的檢測(cè)儀，用于非侵入性呼氣診斷。據(jù) Ionicon 介紹，檢測(cè)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(biāo)準(zhǔn)。

近年來(lái)，基于人體呼出氣體中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的檢測(cè)已成為一個(gè)快速增長(zhǎng)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(nèi)源性化合物）或已被消耗或先前吸入的 VOC（外源性化合物）。對(duì)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(zhǔn)備樣品就可以直接對(duì)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(nèi)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(jié)果，避免因樣品收集和儲(chǔ)存而經(jīng)常出現(xiàn)的難題。另外，實(shí)時(shí)診斷可能是測(cè)量降解速度超快的不穩(wěn)定化合物的唯一方法。

采用非侵入式方式快速檢測(cè)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(cè)設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，據(jù) Ionicon 介紹，臨床試驗(yàn)結(jié)果令人鼓舞。這款便捷的呼氣檢測(cè)設(shè)備可在一分鐘內(nèi)檢測(cè)出是否感染新冠病毒，目前已獲得新加坡衛(wèi)生科學(xué)局（HSA）的初步批準(zhǔn)和馬來(lái)西亞衛(wèi)生部的批準(zhǔn)。最終目標(biāo)是在機(jī)場(chǎng)、港口等交通樞紐以及體育場(chǎng)館和奧運(yùn)會(huì)等重大賽事活動(dòng)中推廣使用這種呼氣檢測(cè)法。

新檢測(cè)程序的高精度分析設(shè)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(cè)法基于我們的 PTR-TOF 痕量氣體分析儀以及我們開(kāi)發(fā)的專用呼氣采樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。我們的設(shè)備可以實(shí)時(shí)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，然后由研究人員使用專用軟件進(jìn)行分析。”研究人員通過(guò)這些數(shù)據(jù)能夠檢測(cè)出新冠病毒生物標(biāo)志物。

VOC 在人體呼出氣體中的濃度非常低。“呼氣檢測(cè)法的采樣非常簡(jiǎn)單，難的是識(shí)別和分類 VOC。我們的分析儀可以從一次呼氣中同時(shí)測(cè)量數(shù)百種 VOC。”Lukas M?rk 解釋道。呼氣檢測(cè)設(shè)備可以快速、精確地分析測(cè)量結(jié)果，在一分鐘內(nèi)檢測(cè)出是否感染新冠病毒。在新加坡本地開(kāi)展的一項(xiàng)探索性臨床試驗(yàn)中，其準(zhǔn)確性達(dá)到了 90％ 以上。

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

基于 PC 和 EtherCAT 的通用控制技術(shù)

Ionicon 公司的分析系統(tǒng)是質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀。在這些系統(tǒng)中，氣體樣品通過(guò)進(jìn)樣系統(tǒng)送入反應(yīng)室，并對(duì)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(cè)器對(duì)離子進(jìn)行定位。它們可以探測(cè)出離子的飛行時(shí)間，從而測(cè)定樣品的成分。

Ionicon 公司高級(jí)電子工程師 Stefan Haidacher 在描述基于 PC 和 EtherCAT 的控制技術(shù)的細(xì)節(jié)時(shí)說(shuō)道：“我們的質(zhì)譜儀包含用于在其中電離和檢測(cè)分子的真空系統(tǒng)、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(zhǔn)系統(tǒng)的流量壓力控制器，以及用于檢測(cè)離子的超高速電子元件。這些系統(tǒng)組件由一臺(tái)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(jiān)測(cè)。為了方便用戶使用并高效地顯示和配置基本系統(tǒng)參數(shù)，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。”

其中，I/O 產(chǎn)品使用的是 2 通道 EtherCAT 串口端子模塊 EL6022，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與各個(gè)系統(tǒng)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?fù)鋽U(kuò)展模塊 EK1122 將數(shù)據(jù)快速傳輸至流量壓力控制器等其它 EtherCAT 設(shè)備。Stefan Haidacher 強(qiáng)調(diào)了超高速數(shù)據(jù)通信的重要性：“在我們的新開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，我們?cè)絹?lái)越依賴 EtherCAT 系統(tǒng)總線，尤其是對(duì)于時(shí)間要求苛刻的控制任務(wù)。”

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(nèi)，用作控制單元，用于為系統(tǒng)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(cè)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(shè)備選項(xiàng)可選，可以根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域提供最合適的產(chǎn)品。針對(duì)新冠病毒檢測(cè)應(yīng)用，PTR-TOF 1000 配備了 C6920 控制柜式工業(yè) PC。Stefan Haidacher 介紹了該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：“我們的系統(tǒng)在運(yùn)行期間會(huì)不斷產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)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(cè)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性以及組件的長(zhǎng)期可用性的要求越來(lái)越高。C6920 具備應(yīng)用所需的性能，并且能夠集成到我們的系統(tǒng)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(zhǎng)期可用性方面表現(xiàn)非常優(yōu)異。此外，倍福茵斯布魯克銷售辦事處也為我們提供了很好的支持，在銷售辦事處負(fù)責(zé)人 George Hampel 的帶領(lǐng)下，自 2007 年起，每天都有人會(huì)向 Ionicon 咨詢自動(dòng)化新技術(shù)都有哪些優(yōu)勢(shì)。”

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(jī)化合物）

Breathonix 團(tuán)隊(duì)與 Ionicon 公司的 PTR-TOF 分析儀合影：新加坡研究人員使用專用的軟件處理新冠病毒呼氣檢測(cè)的分析數(shù)據(jù)，一分鐘就能出結(jié)果

Ionicon 公司專家團(tuán)隊(duì)（從左至右）：Lukas M?rk（CEO）、Gabriel Ivanko（技術(shù)人員）、Judith Bobory（技術(shù)人員）、Simon Niederbacher（客戶支持與服務(wù)）、Stefan Haidacher（機(jī)電一體化實(shí)習(xí)生）

倍福官網(wǎng)：https://www.beckhoff.com.cn