Témakör: Automatizálás
A Covid-19 valósidejű lélegzetelemzéssel történő kimutatása átmeneti időszakos engedélyt kapott
Ipari vezérléstechnika a nyomgázelemzésben
A tömegspektrométerekre szakosodott, Ionicon nevű osztrák vállalat termékeit számos országban használják különféle alkalmazásokban, különösen az orvosi kutatásban. Szingapúrban egy ilyen, a Beckhoff megbízható és hosszú távon rendelkezésre álló vezérléstechnikájára épülő rendszerrel áttörést értek el: a berendezés átmeneti időszakos engedélyt kapott Covid-19 kimutatására.
A PTR-TOF (Proton Transfer Reaction Time-of-Flight) rendszerű tömegspektrométerek nem invazív nyomgázelemzésre szolgáló, kifinomult eszközök. Az Ionicon állítása szerint e rendszerek a valósidejű lélegzetelemzés de facto szabványává váltak, köszönhetően annak, hogy nagy mennyiségű információt – másodpercenként egy teljes rögzített spektrumot – szolgáltatnak, valamint nagy az érzékenységük és tömegfelbontó képességük.
A kilélegzett levegőben lévő illékony szerves vegyületek (VOC – Volatile Organic Compound) elemzése az elmúlt években egyre fokozottabban kutatott területté vált. A tüdőhólyagok vér-levegő gátján végbemenő gázcsere során szén-dioxid kerül a belélegzett levegőbe, és oxigént vesz fel a szervezet. Ez a gázcsere megy végbe a felhasznált vagy korábban belélegzett (exogén) illékony anyagcsere-végtermékek (endogén vegyületek) vagy VOC-összetevők esetében is. A kilélegzett levegőben lévő VOC-vegyületek mintavételezése egyszerű, gyors és nem invazív.
A valósidejű lélegzetelemzés a kilélegzett levegő közvetlen, mintaelőkészítés nélküli analízisét jelenti. Teljes légzési ciklusok rögzítésével mind a légzésvégi, mind a belélegzett (szobahőmérsékletű) gázkoncentráció megmérhető, mindkettőről könnyen kinyerhetők információk szoftverrel. Így azonnali eredményeket kapunk, és elkerülhetők a mintagyűjtésnél, illetve -tárolásnál gyakran előforduló bonyodalmak. Ezenfelül az instabil, gyorsan lebomló vegyületek mérésének talán egyetlen lehetséges módja a valósidejű elemzés.
Gyors és nem invazív vizsgálat Covid-19 kimutatására
A szingapúri Breathonix nevű induló vállalkozás klinikai kísérleti vizsgálat keretében bemutatott egy lélegzetelemzésen alapuló koronavírus-tesztelési eljárást – az Ionicon szerint impozáns eredménnyel. A Covid-19 fertőzést egy percen belül kimutató, könnyen használható lélegzetelemző megkapta a szingapúri Egészségtudományi Hatóság (HSA) átmeneti időszakos engedélyét és a malajziai Egészségügyi Minisztérium engedélyét is. A végcél a lélegzetelemző bevezetése repülőtereken, tengeri kikötőkben és szállítási csomópontokban, emellett beválhat sportrendezvényeken és nagyobb eseményeken, például olimpiákon is.
Lukas Märk, az Ionicon elnök-vezérigazgatója belefúj a PTR-TOF-MS (Proton Transfer Reaction-Time-of-Flight-Mass Spectrometer) nyomgázelemzőbe, amely valós időben elemzi a kilélegzett levegőben található illékony szerves vegyületeket (Kép: © Karl Kuenstner)
Az új vizsgálati eljárás rendkívül pontos analitikai berendezését az Ionicon fejlesztette ki. Lukas Märk elnök-vezérigazgató erről a következőket nyilatkozta: „Az új Covid-19 lélegzetelemző saját PTR-TOF rendszerű nyomgáz-analizátorainkon és az általunk kifejlesztett speciális lélegzet-mintavevő rendszereinken alapul. Eszközeink valós időben gyűjtik a mérésadatokat, amelyeket azután tudósok vizsgálnak speciális szoftverrel.” Az adatok alapján ázsiai kutatók ki tudták mutatni a Covid-19 betegséget jelző biomarkereket.
A kilélegzett levegőben a VOC-vegyületek igen kis koncentrációban vannak jelen. „A vizsgálathoz szükséges lélegzet-mintavételezés egyszerű. A nehéz feladat a VOC-vegyületek kimutatása és osztályozása. Analizátoraink egyetlen kilégzésből egyidejűleg több száz VOC-vegyületet képesek megmérni” – fejtette ki Lukas Märk. A mérési eredmények gyors és pontos kiértékelésével egy percen belül megállapítható, hogy a vizsgált személyben jelen van-e a SARS-CoV-2 fertőzés. Egy kísérleti klinikai vizsgálatban a módszer 90%-ot meghaladó pontosságot ért el.
A Breathonix a szingapúri Egészségügyi Minisztériummal (MOH) együttműködve teszteli a technológiát egy beléptető ponton, ahol az érkező utasokat ezzel a rendszerrel szűrik. A lélegzetelemző rendszerrel már három különböző helyen végeztek klinikai vizsgálatokat: Szingapúrban a fertőző betegségek országos központjában és a Changi Repülőtéren, a harmadik kísérleti vizsgálatot pedig Dubaiban hajtották végre, együttműködésben a Dubaji Egészségügyi Hatósággal és a Mohammed Bin Rashid Orvostudományi és Egészségtudományi Egyetemmel.
A Breathonix csapata az Ionicon cég PTR-TOF rendszerű analizátora mellett: a szingapúri tudósok speciális szoftverrel dolgozzák fel az elemzési adatokat az új COVID-19 lélegzetelemzési eljárás keretében, és mindössze egy perc múlva meg tudják mondani az eredményt (Kép: © Breathonix)
Univerzális, PC- és EtherCAT-alapú vezérléstechnika
Az Ionicon analitikai rendszerei PTR-TOF elven működő tömegspektrométerek. Ezek a gázfázisú mintát egy beviteli rendszeren keresztül egy reakciókamrába juttatják, ahol ionizálják a minta molekuláit. A létrehozott ionokat elektromos terekkel gyorsítják, majd az ionokat egy repülési út végén egy detektor kimutatja. A repülési idejük alapján azonosított ionokból meg lehet állapítani a minta összetételét.
Stefan Haidacher, az Ionicon vezető villamosmérnöke így részletezte a PC- és Ethernet-alapú vezérléstechnikát: „Tömegspektrométereink a molekulákat ionizáló és detektáló vákuumrendszerből, vákuumot előállító szivattyúkból, az elektromos terek előállításához szükséges pontos tápegységekből, a beviteli és kalibráló rendszer áramlás- és nyomásvezérlőiből, valamint az ionokat detektáló ultragyors elektronikából állnak. Ezeket a rendszerelemeket egy Intel Atom® processzort tartalmazó, CX5020 típusú beágyazott PC vezérli és figyeli, amelyen a TwinCAT-alapú vezérlőszoftverünk fut. A rendszer alapvető paraméterei egy CP2907 típusú, többérintéses beépített kezelőpanelen keresztül jeleníttethetők meg, illetve állíthatók be, felhasználóbarát módon és hatékonyan. Ez a kezelőpanel 7-hüvelykes képernyőfelülettel és DVI/USB Extended csatlakozóval rendelkezik.”
A be-kimeneti egységek szintjén található többek között az EL6022 típusú EtherCAT terminál, amely két soros adatátviteli csatlakozón keresztül biztosítja a kommunikációt a különféle rendszerelemekkel, például a nagy vákuumot előállító turbószivattyúkkal. Az EK1122 típusú kétportos EtherCAT csomóponti modul gyors adatátvitelt biztosít a többi EtherCAT eszköz, például az áramlás- és nyomásvezérlők felé. Stefan Haidacher hangsúlyozta az ultragyors adatátvitel fontosságát: „Új fejlesztéseinkben egyre gyakrabban használjuk rendszerbuszként az EtherCAT-et, különösen időkritikus vezérlési feladatok esetén.”
Az Ionicon szakértői csapata (balról jobbra): Lukas Märk (elnök-vezérigazgató), Gabriel Ivanko (technikus), Judith Bobory (technikus), Simon Niederbacher (ügyféltámogatás és szerviz), Stefan Haidacher (vezető villamosmérnök) és Marco Lang (mechatronikai gyakornok) (Kép: © Florian Lechner 2021)
A vezérlőegység egy 19 hüvelykes házban foglal helyet, amely további Beckhoff EtherCAT terminálokat, IP67 védelmi fokozatú EtherCAT Box-modulokat, valamint további sorkapcsokat, biztosítékokat és reléket is tartalmaz. Feladata a rendszerelemek tápellátása és vezérlése. Ezek közé tartozik az ionizációs kamra hőmérséklet-szabályozása, a vákuumos nyomásmérő cellák mérésadatainak gyűjtése, valamint a szelepek vezérlése.
Az Ionicon tömegspektrométerei különféle változatokban és az adott felhasználási területhez igazított felszereltséggel kaphatók. A Covid-19 alkalmazáshoz a PTR-TOF 1000 típusú eszköz egy C6920 típusú, vezérlőszekrénybe szerelt ipari PC-t tartalmaz. Stefan Haidacher a rendszer előnyeit magyarázva kiemelte: „Működés közben a rendszerünk folyamatosan nagy adatmennyiségeket állít elő, amelyeket általában külső PC-n vagy táblagépen rögzítenek és értékelnek ki. A Covid-19 alkalmazásnál fokozott elvárások vannak az adatgyűjtő rendszer stabilitásával és biztonságával, valamint a rendszerelemek hosszú távú rendelkezésre állásával szemben. A C6920 rendelkezik a szükséges jellemzőkkel, és rendszereinkbe integrálva jobban kézben tartható vele a teljes elrendezés. A Beckhoff ipari PC-i eddig a megbízhatóság és a hosszú távú rendelkezésre állás terén is nagyon jól szerepeltek. Ehhez társul a Beckhoff innsbrucki értékesítési irodája által nyújtott kiváló támogatás: a Georg Hampel vezette iroda 2007 óta naponta konzultál az Ionicon céggel a »New Automation Technology« (Új Automatizálási Technológia) koncepció előnyeiről.”
(www.ionicon.com; www.beckhoff.com/measurement)
BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.com
