倍福控制技术在呼气式新冠病毒检测设备中的应用

2022年11月02日

奥地利 Ionicon 公司生产的质谱仪在很多应用中都被用作痕量气体分析仪，尤其是在医学研究领域。新加坡也有一套这样的系统，通过使用倍福可靠且长期可供的控制技术取得了突破性进展，并成为临时批准的新冠病毒检测设备。

工业控制技术在痕量气体分析中的应用

PTR-TOF 系统是一款具有极高灵敏度的检测仪，用于非侵入性呼气诊断。据 Ionicon 介绍，检测仪每秒钟可记录一个完整的光谱，能够处理大量信息，同时具有高灵敏度和质量分辨力，成为实时呼气诊断的事实标准。

近年来，基于人体呼出气体中的挥发性有机化合物（VOC）的检测已成为一个快速增长的领域。肺泡与血液进行气体交换后，肺泡中的二氧化碳通过呼气排到体外，氧气由肺泡进入血液。这种交换也适用于挥发性代谢物（内源性化合物）或已被消耗或先前吸入的 VOC（外源性化合物）。对人体呼出气体 VOC 进行采样是非侵入式的，既简单又快速。

Breathonix 团队与 Ionicon 公司的 PTR-TOF 分析仪合影：新加坡研究人员使用专用的软件处理新冠病毒呼气检测的分析数据，一分钟就能出结果。

在实时呼吸诊断方法中，不需要准备样品就可以直接对呼出的气体进行诊断分析。记录完整的呼吸周期可以提供呼气末（肺泡）部分的浓度，也可以提供吸入（室内空气）的浓度，这两者都可以通过软件轻松提取。这样可以即时出具结果，避免因样品收集和储存而经常出现的难题。另外，实时诊断可能是测量降解速度超快的不稳定化合物的唯一方法。

▷ 采用非侵入式方式快速检测新冠病毒

新加坡初创公司 Breathonix 研发出的一款新冠病毒呼气检测设备已经进入临床试验阶段，据 Ionicon 介绍，临床试验结果令人鼓舞。这款便捷的呼气检测设备可在一分钟内检测出是否感染新冠病毒，目前已获得新加坡卫生科学局（HSA）的初步批准和马来西亚卫生部的批准。最终目标是在机场、港口等交通枢纽以及体育场馆和奥运会等重大赛事活动中推广应用这种呼气检测法。

新检测程序的高精度分析设备由 Ionicon 开发，Ionicon 公司 CEO Lukas Märk 描述道：“新的新冠病毒呼气检测法基于我们的 PTR-TOF 痕量气体分析仪以及我们开发的专用呼气采样系统实现。我们的设备可以实时采集测量数据，然后由研究人员使用专用软件进行分析。”研究人员通过这些数据能够检测出新冠病毒生物标志物。

VOC 在人体呼出气体中的浓度非常低。“呼气检测法的采样非常简单，难的是识别和分类 VOC。我们的分析仪可以从一次呼气中同时测量数百种 VOC。”Lukas Märk 解释道。呼气检测设备可以快速、精确地分析测量结果，在一分钟内检测出是否感染新冠病毒。在新加坡本地开展的一项探索性临床试验中，其准确性达到了 90％以上。

Ionicon 公司专家团队（从左至右）：Lukas Märk（CEO）、Gabriel Ivanko（技术人员）、Judith Bobory（技术人员）、Simon Niederbacher（客户支持与服务）、Stefan Haidacher（机电一体化实习生）

Breathonix 目前正与新加坡卫生部（MOH）合作，在新加坡一处陆上关口进行部署试验，让入境的旅客进行呼吸检测。这套呼吸检测系统已经在 3 个不同地点进行临床试验，包括新加坡国家传染病中心及樟宜机场，另外，他们还与迪拜卫生局以及穆罕默德·本·拉希德医学与健康科学大学合作，在迪拜进行了临床试验。

▷ 基于 PC 和 EtherCAT 的通用控制技术

Ionicon 公司的分析系统是质子转移反应飞行时间质谱仪。在这些系统中，气体样品通过进样系统送入反应室，并对样品气体中的分子进行电离。由此产生的离子通过电场加速，然后穿过一个飞行路径，在路径末端通过探测器对离子进行定位。它们可以探测出离子的飞行时间，从而测定样品的成分。

Ionicon 公司高级电子工程师 Stefan Haidacher 在描述基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术的细节时说道：“我们的质谱仪包含用于在其中电离和检测分子的真空系统、用于产生真空的泵、用于产生电场的精密电源，以及用于进样和校准系统的流量压力控制器，以及用于检测离子的超高速电子元件。这些系统组件由一台搭载 Intel Atom® 处理器并安装有 TwinCAT 控制软件的 CX5020 嵌入式控制器进行控制和监测。为了方便用户使用并高效地显示和配置基本系统参数，我们采用了 CP2907 适合控制柜安装的多点触控控制面板，面板配备 7 英寸显示屏和 DVI/USB Extended 接口。”

其中，I/O 产品使用的是 2 通道 EtherCAT 串口端子模块 EL6022，负责实现与各个系统组件的通信，如用于产生高真空的涡轮泵。此外还使用了 2 端口 EtherCAT 拓扑扩展模块 EK1122 将数据快速传输至流量压力控制器等其它 EtherCAT 设备。Stefan Haidacher 强调了超高速数据通信的重要性：“在我们的新开发项目中，我们越来越依赖 EtherCAT 系统总线，尤其是对于时间要求苛刻的控制任务。”

倍福 EtherCAT 端子模块、IP67 EtherCAT 端子盒以及其它端子排、熔断器和继电器布置在 19 英寸外壳内，用作控制单元，用于为系统组件供电并进行控制，包括控制电离室温度、采集真空压力电池的测量值，以及控制阀门。

Ionicon 公司的质谱仪有不同版本和各种设备选项可选，可以根据具体的应用领域提供最合适的产品。针对新冠病毒检测应用，PTR-TOF 1000 配备了 C6920 控制柜式工业 PC。Stefan Haidacher 介绍了该系统的主要优点：“我们的系统在运行期间会不断产生大量数据，这些数据通常通过外置 PC 或笔记本电脑进行记录和分析。新冠病毒检测应用对数据采集系统的稳定性和安全性以及组件的长期可用性的要求越来越高。C6920 具备应用所需的性能，并且能够集成到我们的系统中，让我们能够更好地控制整个装置。到目前为止，倍福的工业 PC 在可靠性和长期可用性方面表现非常优异。此外，倍福茵斯布鲁克销售办事处也为我们提供了很好的支持，在销售办事处负责人 George Hampel 的带领下，自 2007 年起，每天都有人会向 Ionicon 咨询自动化新技术都有哪些优势。”

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图文来源：倍福

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展会预告：

· AMTS & AHTE South China 2022

2022年11月30-12月2日深圳国际会展中心（宝安新馆）

· AHTE 2023

2023年7月5-8日上海新国际博览中心