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資訊頻道工業控制技術在痕量氣體分析中的應用
奧地利 Ionicon 公司生產的質譜儀在很多應用中都被用作痕量氣體分析儀，尤其是在醫學研究領域。新加坡也有一套這樣的系統，通過使用倍福可靠且長期可供的控制技術取得了突破性進展，并成為臨時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完整的光譜，能夠處理大量信息，同時具有高靈敏度和質量分辨力，成為實時呼氣診斷的事實標準。
近年來，基于人體呼出氣體中的揮發性有機化合物（VOC）的檢測已成為一個快速增長的領域。肺泡與血液進行氣體交換后，肺泡中的二氧化碳通過呼氣排到體外，氧氣由肺泡進入血液。這種交換也適用于揮發性代謝物（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 進行采樣是非侵入式的，既簡單又快速。
在實時呼吸診斷方法中，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，這兩者都可以通過軟件輕松提取。這樣可以即時出具結果，避免因樣品收集和儲存而經常出現的難題。另外，實時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
新加坡初創公司 Breathonix 研發出的一款新冠病毒呼氣檢測設備已經進入臨床試驗階段，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局（HSA）的初步批準和馬來西亞衛生部的批準。最終目標是在機場、港口等交通樞紐以及體育場館和奧運會等重大賽事活動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 開發，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發的專用呼氣采樣系統實現。我們的設備可以實時采集測量數據，然后由研究人員使用專用軟件進行分析。”研究人員通過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。“呼氣檢測法的采樣非常簡單，難的是識別和分類 VOC。我們的分析儀可以從一次呼氣中同時測量數百種 VOC。”Lukas 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口進行部署試驗，讓入境的旅客進行呼吸檢測。這套呼吸檢測系統已經在 3 個不同地點進行臨床試驗，包括新加坡國家傳染病中心及樟宜機場，另外，他們還與迪拜衛生局以及穆罕默德·本·拉希德醫學與健康科學大學合作，在迪拜進行了臨床試驗。
基于 PC 和 EtherCAT 的通用控制技術
Ionicon 公司的分析系統是質子轉移反應飛行時間質譜儀。在這些系統中，氣體樣品通過進樣系統送入反應室，并對樣品氣體中的分子進行電離。由此產生的離子通過電場加速，然后穿過一個飛行路徑，在路徑末端通過探測器對離子進行定位。它們可以探測出離子的飛行時間，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 的控制技術的細節時說道：“我們的質譜儀包含用于在其中電離和檢測分子的真空系統、用于產生真空的泵、用于產生電場的精密電源、用于進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 嵌入式控制器進行控制和監測。為了方便用戶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 產品使用的是 2 通道 EtherCAT 串口端子模塊 EL6022，負責實現與各個系統組件的通信，如用于產生高真空的渦輪泵。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：“在我們的新開發項目中，我們越來越依賴 EtherCAT 系統總線，尤其是對于時間要求苛刻的控制任務。”
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。
daily basis since 2007.”
Ionicon 公司的質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域提供最合適的產品。針對新冠病毒檢測應用，PTR-TOF 1000 配備了 C6920 控制柜式工業 PC。Stefan Haidacher 介紹了該系統的主要優點：“我們的系統在運行期間會不斷產生大量數據，這些數據通常通過外置 PC 或筆記本電腦進行記錄和分析。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期可用性的要求越來越高。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裝置。到目前為止，倍福的工業 PC 在可靠性和長期可用性方面表現非常優異。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，在銷售辦事處負責人 George Hampel 的帶領下，自 2007 年起，每天都有人會向 Ionicon 咨詢自動化新技術都有哪些優勢。”
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，分析儀實時分析呼出氣體中的 VOC（揮發性有機化合物）
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 公司專家團隊（從左至右）：Lukas M?rk（CEO）、Gabriel Ivanko（技術人員）、Judith Bobory（技術人員）、Simon Niederbacher（客戶支持與服務）、Stefan Haidacher（機電一體化實習生）
倍福官網：https://www.beckhoff.com.cn
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號