DE102008062436A1 - Method for detecting trace of chemical compounds using ion mobility spectrometry, involves using two-dimensional chart to study metabolic pathways of organisms of forest, and using information to detect volatile pharmaceuticals - Google Patents

Abstract

The method involves mapping odors of a forest by ion mobility spectrometric detection of volatile molecules (11) with a molecular weight of predominantly below 2000 dalton to obtain a new image of nature. A two-dimensional chart illustrating distribution of odors is generated. The two-dimensional chart is used to study metabolic pathways of organisms of the forest. The studied information is used to detect volatile pharmaceuticals. An independent claim is also included for a device for detecting trace of chemical compounds using ion mobility spectrometry.

Description

Object of the invention

aim The invention further applications of ion mobility spectrometry (IMS) for the low-cost ultrasensitive detection of traces of chemical Links.

Characteristic of the known state of technology

IMSs are currently used primarily for ultrasensitive detection of explosives, chemical warfare agents and drugs (see eg B. Nölting, Methods in Modern Biophysics, 2nd ed., Springer, 2005 ). In addition, z. For example, applications for diagnosing diseases, detecting biological agents (eg, after collection by means of a virtual impactor), characterizing biomolecules and quality control in the food industry, and some other relatively rare applications are known.

volatile However, molecules are ubiquitous in the environment. In this case, an IMS relative to a mass spectrometer (MS) a for volatile (small) molecules more effective sample inlet and have a correspondingly higher sensitivity and IMS detectors are often small, portable and often more convenient applicable in environmental analysis. For very small molecules it must typically have relatively low resolution of IMS compared to MS does not necessarily become problematic, because the relative distance of the mobilities is considerable can be.

Description of the invention

• 1. Auskartieren der volatilen Moleküle (Gerüche) des Waldes, um ein neuartiges Bild der Natur zu erhalten (siehe 1: die Gerüche eines Waldes werden auskartiert und eine zweidimensionale Karte der Verteilung der volatilen Moleküle (11) wird erstellt.). Nutzung des Bildgebungsverfahres zur Gewinnung von weiteren Erkenntnissen zur Metabolomik des Waldes und der Signalgebung von Organismen im Wald. Aufspüren bestimmter Organismen und von volatilen Pharmaka mittels IMS. Da die meisten Menschen den Großteil der Information über optische Signale aufnehmen, wird die Bedeutung von Gerüchen in der Natur möglicherweise noch unterbewertet und es besteht hier vermutlich noch ein weites Betätigungsfeld zur Gewinnung neuer Erkenntnisse. Da ständig nicht nur neue Arten entstehen, sondern auch Arten verschwinden, ist ein Scannen von tropischen Wäldern nach potentiell nützlichen Substanzen, bevor diese nicht mehr in der Natur zu finden sind, interessant.
• 2. Gerüche von Gewässern (z. B. Ozeanen) auskartieren, um metabolomische Wechselwirkungen zu entdecken und Verteilungen und Ausbreitungsverhalten von Kontaminationen zu erforschen.
• 3. Markersubstanzen für Bodenschätze detektieren. Obwohl die meisten wichtigen Rohstoffe nicht volatil sind und tief unter undurchlässigen Bodenschichten liegen, existieren jedoch in manchen, seltenen Fällen auch Ausgasungen auf der Erdoberfläche. Aufgrund der hohen Bedeutung von Rohstoffen und den sehr geringen Kosten von IMS verglichen z. B. zu Bohrungen, mag es manchmal sinnvoll sein, Landstriche mit IMS nach Markern für Bodenschätze zu scannen.
• 4. Vulkanische Aktivität anhand von Ausgasungen analysieren. Das Aufspüren von Unterwasservulkanen, Unterwasserbruchzonen und die Analyse der Viskosität und des Gasgehaltes von Magma zur Gefahrenanalyse (Explosivität von Vulkanen) erfordern zum Teil kostspielige und gefährliche Messungen. Durch die hohe Sensitivität von IMS kann z. B. die Unterwasserentnahme von Ausgasungen durch Überwasserdetektion substituiert werden. Dadurch können, z. B. große Areale preisgünstig gescannt werden.
• 5. Unterstützung der Parfümerfindung: (i) Schaffung einer besseren wissenschaftlichen Grundlage der Wirksamkeit, (ii) computergestützte Generierung von völlig neuartigen Kreationen, die hinter Barrieren der Optimierungslandschaft liegen, also durch eine Optimierung entlang der Gradienten nicht gefunden werden könnten, (iii) Feinjustierung der Kreation durch menschliche Parfüm-Experten.
• 6. Optimierung von Klimaanlagen und künstlich eingebrachten Gerüchen in Geschäftsgebäuden: Messung und Optimierung der Zirkulation der künstlichen Raumdüfte, Optimierung der Positionen der Emission künstlicher Düfte zwecks Vermeidung teurer Überdosierung und Verbesserung des erwünschten Effekts.
• 7. Weitere Erforschung der Körperemissionen von Menschen und Tieren, nicht nur in Hinblick auf Krankheiten, sondern um sich überhaupt ein besseres Bild über kleine Moleküle in der Biochemie zu verschaffen. Gegebenenfalls Identifikation der volatilen Moleküle mittels Massenspektrometrie.
• 8. Kontrolle von Lebensmitteln. Es gibt eine Vielzahl von ähnlichen Lebensmitteln, die sich nur in Nuancen unterscheiden, aber unterschiedliche Preise haben (z. B. Wein verschiedener Jahrgänge). Um z. B. ein teures Speiseöl von bestimmten Pflanzen aus einer Region von einem gemischten Speiseöl zu unterscheiden, muß man gewöhnlich Proben entnehmen und aufwendige Laboruntersuchungen durchführen. Ein mobiles IMS-Spektrometer, das womöglich winzige Rückstände auf der Flasche des Speiseöls auswerten kann, ist potentiell in der Lage, sehr schnell eine Vielzahl von Proben auszuwerten.
• 9. Kontrolle von Obst und Gemüse bezüglich Herbizid/Fungizid-Rückständen. Prinzipiell lassen sich solche Rückstände gut mittels Massenspektrometrie detektieren. Das vergleichsweise preiswerte IMS kann potentiell einen ökonomischen Vorteil bieten.
• 10. Analyse der Qualität von Kaffee und Getreide. Kaffee wird gewöhnlich von Großhändlern bezüglich der Qualität und der Anwesenheit von Schädlingen (Insekten, Pilze) stichprobenweise getestet. Mittels eines ultrasensitiven Detektors lassen sich potentiell ganze Lagerbestände nahezu lückenlos und schnell testen. Eine manuelle Untersuchung einzelner Kaffeesäcke (bei Verdacht) kann dadurch potentiell vereinfacht oder ergänzt werden.
• 11. Untersuchung der Metabolomik bei der Lagerung von Obst und Gemüse. Verbesserung der Lagerbarkeit und Detektion von Schädlingen.
• 12. Messung von Spurengasen in der Luft zum besseren Verständnis der Auswirkungen der globalen Erwärmung. Mit der globalen Erwärmung ändern sich nicht nur die relativ hohen Konzentration von Kohlendioxid und Methan, sondern auch die Vorkommen von Gasen. die nur in winzigen Spuren in der Atmosphäre vorkommen. Zum Teil sind die chemischen Reaktionen und physikalischen Prozesse nicht völlig aufgeklärt, die dabei eine Rolle spielen. Ein weiteres ultrasensitives Auskartieren von solchen Spurengasen kann potentiell zu einem verbesserten Verständnis der chemischen Prozesse führen.
• 13. Entdeckung sehr seltener Reaktionsprodukte in industriellen chemischen Reaktionen. Entdeckung alternativer Reaktionswege, Untersuchung der Energielandschaft chemischer Reaktionen. Noch ist relativ wenig über die Energielandschaft chemischer Reaktionen bekannt. Das Aufspüren alternativer (preiswerterer) Reaktionswege für die chemische Industrie beruht daher noch vielfach fast nur auf Erfahrungen mit anderen Molekülen und Reaktionen. Die Optimierung der Energielandschaft von chemischen Reaktionen zur Verringerung unerwünschter Nebenprodukte und zur Ermöglichung neuer Reaktionswege mit guter Ausbeute und die Optimierung von Katalysatoren verläuft oft eher zufällig, als theoretisch gut fundiert und zielgerichtet. Die ultrasensitive Detektion sehr seltener Reaktions-Nebenprodukte kann potentiell das Verständnis der Energielandschaft chemischer Reaktionen verbessern und somit zu einer einfacheren Suche nach effizienteren chemischen Reaktionen führen.
• 14. Messung von Chemikalienrückständen in Textilien in Textilgeschäften oder Weichmachern in Plastikgegenständen in Haushaltswaren- und Spielzeuggeschäften. Ladenbesitzer (z. B. von ökologisch orientierten Geschäften) müssen sich vor allem auf die Angaben der Hersteller und Zulieferer verlassen. Die hohe Sensitivität von IMS-Detektoren bietet die Möglichkeit, relativ schnell unerwünschte volatile Substanzen in inhomogenen Warenbeständen zu detektieren. Eine hochsensitive Detektion mittels eines IMS-Detektors kann in Kürze viele Produkte gleichzeitig erfassen und dann den oder die Verursacher ausfindig machen.
• 15. Detektion und Analyse von Pollen und anderen Nanostäuben, um Quellen und Ausbreitungswege besser zu verstehen (z. B. für Allergiker und Pflanzenzüchter). Z. B. ist zur Zeit nicht vollständig bekannt, welche preiswerten Maßnahmen die Emission von Nanostäuben verringern könnten.
• 16. Test der sterischen Reinheit von exotischen Chemikalien (dem Driftgas im IMS werden chirale Moleküle zugegeben). Die übliche Messung der optischen Aktivität erfordert relativ viel Material, was bei extrem teuren Chemikalien problematisch sein kann.
• 17. Untersuchung von Transportprozessen in Pflanzen zwecks Optimierung eines tageszeitlich und jahreszeitlich variierenden Wassereinsatzes (Präzisionslandwirtschaft im Sinne stofflicher Feinjustierung): Wurzeln werden Markersubstanzen zugefügt und Ausgasungen von Markersubstanzen an Blättern gemessen.
• 18. Detektion im sub-1000-Moleküle-Bereich. Die Sensitivität vieler gegenwärtiger IMS wird unter anderem durch Einkopplungen in die Detektorplatte (unter anderem durch Fluktuationen der Driftspannung) verringert. Das Problem kann verringert werden, indem die Driftspannung während der Detektion abgeschaltet wird (und zum Transport der Ionen die Flußrichtung des Driftgases umgepolt wird) und indem der Ionenstrom in eine Kapillare getrichtert wird, so daß eine sehr kleine Detektorplatte ausreichend ist. Adsorptionseffekte im Driftkanal können verringert werden, indem Ionen nur durch das Zentrum des Driftkanals geleitet werden.

According to the invention, ion mobility spectrometry (IMS) is applied to one of the following problems:

• 1. Map the volatile molecules (odors) of the forest to obtain a novel image of nature (see 1 : the odors of a forest are mapped out and a two-dimensional map of the distribution of volatile molecules ( 11 ) will be created.). Use of the imaging technique to gain further insights into the metabolomics of the forest and the signaling of organisms in the forest. Detecting certain organisms and volatile drugs using IMS. Since most people absorb most of the information about optical signals, the importance of odors in nature may still be underrated, and there is likely to be a broad field of activity to gain new insights. As not only new species are constantly evolving, but species are disappearing as well, scanning tropical forests for potentially useful substances before they can be found in nature is interesting.
• 2. Map odors from water bodies (eg oceans) to detect metabolomic interactions and to investigate distributions and propagation behavior of contaminants.
• 3. Detect marker substances for mineral resources. Although most of the important raw materials are not volatile and lie deep under impermeable soil layers, in some, rare cases, outgassing exists on the surface of the earth. Due to the high importance of raw materials and the very low cost of IMS compared z. For example, on drilling, it may sometimes be useful to scan stretches of land with IMS for mineral wealth markers.
• 4. Analyze volcanic activity by means of outgassing. The detection of underwater volcanoes, underwater rupture zones and the analysis of the viscosity and gas content of magma for hazard analysis (volcanic explosiveness) sometimes require costly and dangerous measurements. Due to the high sensitivity of IMS z. B. the underwater removal of outgassing be replaced by overwater detection. This can, for. B. large areas are inexpensively scanned.
• 5. Support for perfume discovery: (i) to provide a better scientific basis for effectiveness, (ii) computer-aided generation of completely novel creations that are behind optimization landscape barriers, ie could not be found through optimization along the gradients, (iii) fine-tuning the creation by human perfume experts.
• 6. Optimization of air conditioners and artificially introduced odors in commercial buildings: measurement and optimization of the circulation of artificial room fragrances, optimization of the positions of the emission of artificial fragrances to avoid expensive overdosage and improvement of the desired effect.
• 7. Further research on human and animal body emissions, not only in terms of disease, but to get a better picture of small molecules in biochemistry. Optionally, identify the volatile molecules by mass spectrometry.
• 8. Control of food. There are a variety of similar foods that differ only in nuances, but have different prices (eg wine from different vintages). To z. For example, to distinguish an expensive edible oil from certain plants in a region from a mixed edible oil, it is usually necessary to take samples and carry out elaborate laboratory tests. A mobile IMS spectrometer that can possibly evaluate tiny residues on the bottle of edible oil is potentially able to rapidly evaluate a variety of samples.
• 9. Control of fruits and vegetables for herbicide / fungicide residues. In principle, such residues can be detected well by mass spectrometry. The comparatively inexpensive IMS can potentially offer an economic advantage.
• 10. Analysis of the quality of coffee and cereals. Coffee is commonly sampled by wholesalers for the quality and presence of pests (insects, fungi). By means of an ultrasensitive detector, potentially entire stock levels can be tested almost completely and quickly. A manual examination of individual coffee sacks (if suspected) can potentially be simplified or supplemented.
• 11. Examination of the metabolomics during storage of fruits and vegetables. Improve storage and detection of pests.
• 12. Measurement of trace gases in the air to better understand the effects of global warming. Global warming is changing not only the relatively high concentration of carbon dioxide and methane, but also the presence of gases. which occur only in tiny traces in the atmosphere. In part, the chemical reactions and physical processes are not fully understood, which play a role. Another ultrasensitive mapping out of such trace gases can potentially lead to an improved understanding of the chemical processes.
• 13. Discovery of very rare reaction products in industrial chemical reactions. Discovery of alternative pathways, investigation of the energy landscape of chemical reactions. There is still relatively little known about the energy landscape of chemical reactions. The detection of alternative (cheaper) pathways for the chemical industry is therefore often based almost exclusively on experience with other molecules and reactions. The optimization of the energy landscape of chemical reactions to reduce unwanted by-products and to enable new reaction pathways with good yield and the optimization of catalysts is often rather random, than theoretically well-founded and targeted. The ultrasensitive detection of very rare reaction by-products can potentially improve the understanding of the energy landscape of chemical reactions, thus leading to an easier search for more efficient chemical reactions.
• 14. Measurement of Chemical Residues in Textiles in Textile Shops or Plasticizers in Plastic Articles in Housewares and Toy Shops. Shopkeepers (eg from ecologically oriented shops) must rely above all on the information provided by manufacturers and suppliers. The high sensitivity of IMS detectors offers the possibility to quickly detect unwanted volatile substances in inhomogeneous inventories. Highly sensitive detection by means of an IMS detector can shortly detect many products simultaneously and then locate the causer (s).
• 15. Detection and analysis of pollen and other nanosets to better understand sources and routes of diffusion (eg for allergy sufferers and plant breeders). For example, it is currently not fully known which cheap measures could reduce the emission of nanosets.
• 16. Test steric purity of exotic chemicals (the drift gas in the IMS adds chiral molecules). The usual measurement of optical activity requires relatively much material, which can be problematic with extremely expensive chemicals.
• 17. Investigation of transport processes in plants for the purpose of optimizing daily and seasonally varying use of water (precision farming in the sense of material fine adjustment): roots are added to marker substances and outgassing of marker substances is measured on leaves.
• 18. Detection in the sub-1000-molecule range. The sensitivity of many current IMS is reduced, among other things, by interferences in the detector plate (among other things by fluctuations of the drift voltage). The problem can be alleviated by turning off the drift voltage during detection (and reversing the flow direction of the drift gas to transport the ions) and by straightening the ion stream into a capillary so that a very small detector plate is sufficient. Adsorption effects in the drift channel can be reduced by passing ions only through the center of the drift channel.

The Invention may find application for. B. for further optimization of industrial Production and more sensitive or cheaper detection of counterfeiting and damage processes.

QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Cited non-patent literature

• B. Nölting, Methods in Modern Biophysics, 2nd Ed., Springer, 2005 [0002]

Claims (1)

Apparatus and methods for the use of ion mobility spectrometry, characterized in that - the odors of a forest are mapped by ion mobility spectrometric detection of volatile molecules having a molecular weight of predominantly below 2000 Daltons, - the map of the odors is used to explore metabolic pathways of organisms of the forest - This knowledge is used to detect volatile pharmaceuticals.