DE102010013548A1

DE102010013548A1 - Mobilitätsspektrometrische Substanz-Identifizierung

Info

Publication number: DE102010013548A1
Application number: DE102010013548A
Authority: DE
Inventors: Stefan Klepel
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Optics GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-04-01
Also published as: EP2372357A1; EP2372357B1; DE102010013548B4; US9009097B2; US20110246414A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur Identifizierung von Substanzen in Analysenproben durch Ähnlichkeitsvergleiche zwischen einer Ionenmobilitätsspektrenserie einer Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien von Referenzproben. Die Erfindung besteht darin, die Sammlung der Spektrenserien von Referenzproben, im Folgenden Referenzbibliothek genannt, in Klassen zu unterteilen, wobei sich die Klassenzugehörigkeit einer Spektrenserie aus den Messwerten selbst berechnet wird, und die Ähnlichkeitsvergleiche auf Spektrenserien gleicher Klassenzugehörigkeit zu beschränken. Als besonders günstige Kennwerte für die Klassenzugehörigkeit haben sich Spektrenschwerpunkt und Spektrenträgheitsmoment erwiesen. Für die Ähnlichkeitsvergleiche werden des Weiteren nur Mobilitätsspektren der Spektrenserien miteinander verglichen, die gleiche Spektrenschwerpunkte besitzen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Gerät zur Identifizierung von Substanzen in Analysenproben durch Ähnlichkeitsvergleiche zwischen Ionenmobilitätsspektrenserien einer Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien von Referenzproben.
Stand der Technik
In Ionenmobilitätsspektrometern werden Ionen in einer Ionenquelle erzeugt und dann von einem Schaltgitter während einer kurzen Zeitspanne in eine Driftstrecke des Spektrometers eingelassen. Die Ionen dieser Ionenpulse werden in der Driftstrecke von einem axial ausgerichteten elektrischen Feld durch ein Driftgas gezogen, wobei ihre Geschwindigkeit durch ihre „Mobilität” bestimmt wird. Am Ende der Driftstrecke wird der ankommende Ionenstrom an einem Ionendetektor gemessen, digitalisiert und in Form einer digitalisierten Messwertreihe als „Mobilitätsspektrum” gespeichert. Für gewöhnlich wird dabei die Messwertreihe in eine Peakliste umgewandelt, die nur noch die Driftzeiten der Peaks und ihre Höhe enthält.
Für die Aufnahme von Mobilitätsspektren gibt es noch weitere Verfahren; und es gibt neben diesen Driftstrecken-Ionenmobilitätspektrometern auch noch weitere Arten von Geräten, mit denen Ionenmobilitäten gemessen werden können, auf die hier aber nicht weiter eingegangen zu werden braucht, weil für diese Schrift die Herkunft der Mobilitätsspektren ohne Belang ist.
Aus den Molekülen einer Substanz werden in der Ionenquelle des Ionenmobilitätsspektrometers meist mehrere Ionensorten wie Monomerionen, Dimerionen, Dissoziativ-Ionen und Assoziativ-Ionen gebildet. Manche Substanzen bilden noch weitaus komplexere Ionen. Durch die Zugabe von Dopanten kann die Anzahl der gebildeten Ionen weiterhin erhöht werden. Die Ionen der Substanzen werden durch so genannte „chemische Ionisierung bei Atmosphärendruck” (APCI) in Reaktionen mit Reaktantionen, meist durch Protonierung oder Deprotonierung der Substanzmoleküle gebildet. Die Reaktantionen entstehen in der Ionenquelle in der Regel durch Bestrahlung des Trägergases mit ionisierender Strahlung. Die Intensitätsverhältnisse der einzelnen Ionensorten zueinander hängen von der Konzentration der Analytmoleküle und von deren Affinität für die verschiedenen Arten von Ladungstransfers in der Ionenquelle ab.
Die Mobilität der Ionen kann für die Identifizierung einer Substanz herangezogen werden, wobei üblicherweise die Mobilität des Hauptsignals, in der Regel des Monomerions, verwendet wird. Die Identifizierung kann durch die Mobilität eines Nebensignals, meist des Dimerions oder eines Dissoziierungsions, bestätigt werden. Üblicherweise können in Mobilitätsspektrometern durch Spannungsumschaltung sowohl positive wie auch negative Ionen gemessen werden. Für einige Substanzen werden sowohl positive wie auch negative Ionen gebildet; es können dann die Mobilitäten der Ionen anderer Polarität zur Bestätigung der Identität herangezogen werden.
Die Mobilitäten der betreffenden Signale bekannter Schadstoffe oder sogar deren Mobilitätsspektren sind in entsprechenden Datensammlungen abgelegt, die als Bibliotheken, genauer als Referenzbibliotheken, bezeichnet werden. Da durch die Diffusionsverbreiterung der Mobilitätssignale die Mobilitätsauflösung und durch die geringe Stabilität der Druck- und Temperatursensoren, deren Messgrößen für die Berechnung von normierten Mobilitäten benötigt werden, die Genauigkeit der Mobilitätsbestimmung begrenzt sind, müssen Vergleiche mit Mobilitäten in Bibliotheken mit verhältnismäßig großen Toleranzen vorgenommen werden, die mindestens etwa ein Prozent des Mobilitätswerts betragen; durch die geringe Anzahl von Peaks und die geringe Mobilitätsgenauigkeit ist eine sichere Identifizierung nicht immer gewährleistet.
Dieses Verfahren der Identifizierung ist recht erfolgreich, wenn die Arten von Schadstoffen, die vorkommen können, zahlenmäßig stark begrenzt sind und selten durch andere Substanzen gestört werden. Das ist beispielsweise bei militärischer Kampfstoffanalytik der Fall. In anderen Anwendungsfeldern, beispielsweise bei der Prüfung von Koffern auf anhängende Spuren von Sprengstoffen, hingegen reicht diese Art der Identifizierung nicht aus, da eine Vielzahl von Substanzen die Messung beeinträchtigen können.
Als Beispiel sind in den und die Spektrenserien des Gewürzes „SPICE” und des Sprengstoffs „TNT” dargestellt. Vergleicht man daraus nur zwei charakteristische Mobilitätsspektren, wie in gezeigt, so sind diese praktisch gleich, obwohl die Spektrenserien als ganze sehr verschieden aussehen.
Die Detektion von Sprengstoffen vor Ort, beispielsweise von Koffern auf Flughäfen, bildet daher eine besondere Herausforderung. Hier werden meist Wischproben von der Außenseite der Koffer genommen und eingangs der Ionenquelle des Mobilitätsspektrometers verdampft. Die Messungen werden aber häufig durch andere Substanzen in den Koffern gestört, beispielsweise durch etherische Öle aus Parfümen, Körperpudern, Seifen oder Gewürzen, die häufig zu falschem Alarm führen, da sie Ionen gleicher Mobilität wie die der Zielsubstanzen generieren, wie in dargestellt. Eine hohe Anzahl an falschen Alarmen führt dazu, das Verfahren abzulehnen.
Eine Verbesserung der Identifizierung kann man erreichen, wenn man nicht nur einzelne Ionenmobilitätsspektren, sondern ganze Spektrenserien von pulsförmig zugeführten Verdampfungswolken aufnimmt, wobei die Konzentration der Analysensubstanz in der Ionenquelle eine ansteigende und wieder abfallende Kurve durchläuft. Ein Verfahren dieser Art ist in der noch nicht offengelegten Schrift DE 10 2009 037 887.1 (S. Klepel) wiedergegeben. Da die Bildung der verschiedenen Ionensorten einer Analysensubstanz von ihrer Konzentration in der Ionenquelle abhängt, wird eine Serie von Ionenmobilitätsspektren aufgenommen, die sich von Spektrum zu Spektrum stark ändern. Der Informationsgehalt einer solchen Spektrenserie ist außerordentlich viel höher als der eines einzelnen Mobilitätsspektrums, allerdings ist die Informationsauswertung, die durch Ähnlichkeitsvergleiche mit Referenzspektrenserien einer Bibliothek stattfindet, sehr viel schwieriger.
In der Patentschrift US 7,541,577 B2 (D. M. Davenport et al.) wird ebenfalls ein Identifizierungsverfahren angegeben, das auf Spektrenserien beruht und besonders auch für Sprengstoffe geeignet ist. Es wird ein so genanntes „Peak-Shifting” der Mobilitätssignale in einer Serie von Mobilitätsspektren, also Variabilitäten der Mobilität der gebildeten Ionen, für eine Identifizierung herangezogen. Die Variabilitäten werden auf nichtlineares und konzentrationsabhängiges Verhalten bei Anwesenheit von Markierungssubstanzen („taggants”) zurückgeführt, die in den Sprengstoffen vorhanden sein müssen. Diese Schrift stellt den nächstliegenden Stand der Technik dar.
Wenn im Folgenden die Begriffe „Spektren”, „Mobilitätsspektren” oder „Spektrenserien” verwendet werden, so sind damit immer, von besonders gekennzeichneten Ausnahmen abgesehen, „Ionenmobilitätsspektren” beziehungsweise „Ionenmobilitätsspektrenserien” gemeint. Die Herkunft der Spektren oder Spektrenserien ist für die nachfolgend beschriebene Erfindung ohne Belang, die Spektren oder Spektrenserien können dabei mit einem oben beschriebenen Driftstrecken-Ionenmobilitätsspektrometer, aber auch durch andere Arten von Mobilitätsspektrometern gemessen worden sein.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Identifizierungssicherheit für Analysensubstanzen, insbesondere von Sprengstoffen, durch die Auswertung von Ionenmobilitätsspektrenserien zu erhöhen. Dabei soll aber der Umfang der Informationsverarbeitung erträglich gering gehalten werden, um Identifizierungen auch mit einfachen Apparaturen und einfachen Rechnern in schneller Folge durchführen zu können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf einem Identifizierungsverfahren für Analysensubstanzen in einer Analysenprobe durch Ähnlichkeitsvergleiche von Ionenmobilitätsspektrenserien der Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien von Referenzsubstanzen aus einer Referenzbibliothek. Für die Erfindung werden daher nicht nur einzelne Mobilitätsspektren, sondern sowohl für Analysenproben wie auch für Referenzproben jeweils längere Spektrenserien aufgenommen; auch in der Referenzbibliothek werden Spektrenserien gespeichert. Dabei soll hier jede Sammlung von Mobilitätsspektrenserien bekannter Referenzsubstanzen und deren Gemische unter den Begriff „Referenzbibliothek” fallen.
Die Erfindung besteht nun darin, die Referenzbibliothek in Klassen zu unterteilen, um die Zeit für die Ähnlichkeitsvergleiche zu verkürzen und insbesondere die Identifizierungssicherheit zu erhöhen. Es ist besonders günstig, wenn die Zugehörigkeit einer Spektrenserie zu einer Klasse aus den Messwerten der Spektrenserie selbst hervorgeht. Der Ähnlichkeitsvergleich der Ionenmobilitätsspektrenserien der Analysenprobe wird dann nur mit den Ionenmobilitätsspektrenserien der zugehörigen Klasse der Referenzbibliothek, unter Umständen noch einer eng benachbarten Klasse, durchgeführt.
Eine Messung umfasst hier immer die Aufnahme einer Spektrenserie mit einem Ionenmobilitätsspektrometer, die vor der Eingabe der Substanz beginnt und erst weit nach Beendigung der Eingabe der Substanz endet, möglichst erst dann, wenn die Mobilitätsspektren wieder den Ausgangszustand des Ionenmobilitätsspektrometers zeigen. Die Ionenmobilitätsspektren ändern sich sehr stark über die Spektrenserie hinweg. Insbesondere hängen die Ionenmobilitätsspektren aber bis zu einer substanzspezifischen Sättigung von der eingegebenen Menge der jeweiligen Substanz ab.
Die erfindungsgemäße Unterteilung der Referenzbibliothek in Klassen beruht auf Kennwerten für die einzelnen Mobilitätsspektren, die für jedes Ionenmobilitätsspektrum leicht berechnet werden können. Als besonders günstige Kennwerte haben sich Spektrenschwerpunkt und Spektrenträgheitsmoment eines Ionenmobilitätsspektrums erwiesen, wobei sich gezeigt hat, dass der maximale Spektrenschwerpunkt einer Spektrenserie recht gut die Menge der eingegebenen Substanz wiedergibt, solange das Ionenmobilitätsspektrometer nicht gesättigt ist.
Für die Bestimmung der Zugehörigkeit einer Spektrenserie zu einer Klasse können insbesondere die Maxima der Kennwerte aller Mobilitätsspektren einer Spektrenserie dienen. Für die Unterteilung der Referenzbibliothek in Klassen hat es sich als günstig erwiesen, die Bereiche, die die jeweiligen Maxima aller Kennwerte aller Spektrenserien aus der Referenzbibliothek überstreichen, in Werteabschnitte zu unterteilen, denen die Klassen zugeordnet werden. Eine besonders günstige Einteilung ergibt sich aus gleich großen Werteabschnitten. Bei der Verwendung von zwei verschiedenartigen Kennwerten ergibt sich eine zweidimensionale Klassenunterteilung.
Da, wie oben schon angemerkt, der Spektrenschwerpunkt in etwa für die Menge der eingegebenen Substanz steht, und diese Menge stark formenden Einfluss auf die Ionenmobilitätsspektren hat, ist es günstig, in der Referenzbibliothek für jede Referenzsubstanz eine Vielzahl von Spektrenserien zu speichern, die auf der Eingabe verschiedener Mengen der Referenzsubstanz beruhen. Dadurch können sich aber in einer Klasse mehrere Spektrenserien einer Referenzsubstanz ansammeln, was für den Ähnlichkeitsvergleich wiederum nicht günstig ist.
Es kann daher der Rechenaufwand für die Ähnlichkeitsvergleiche nochmals dadurch reduziert werden, dass in der Referenzbibliothek in jeweils einer Klasse für jede Referenzsubstanz nur eine einzige, idealisierte Spektrenserie gespeichert ist, die aus einer oder mehreren realen Spektrenserien der Referenzsubstanz gewonnen wurde. Die idealisierte Spektrenserie kann beispielsweise dadurch gewonnen werden, dass nur solche Mobilitätsspektren in die idealisierte Spektrenserie aufgenommen werden, die einen möglichst glatten Verlauf eines der Kennwerte, vorzugsweise einen glatten Verlauf des Spektrenschwerpunkts, ergeben. Dabei sollte ein glatter Verlauf des Spektrenschwerpunkts von Null zum Maximalwert und zurück zu Null angestrebt werden. Der Ähnlichkeitsvergleich von Ionenmobilitätsspektrenserien der Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien von Referenzsubstanzen aus einer Klasse der Referenzbibliothek kann dann so durchgeführt werden, dass jeweils Mobilitätsspektren miteinander verglichen werden, die einen gleichen Spektrenschwerpunkt besitzen, insbesondere einen gleichen Spektrenschwerpunkt im aufsteigenden Verlauf oder einen gleichen Spektrenschwerpunkt im absteigenden Verlauf der Spektrenschwerpunkte.
Es kann dabei vorkommen, dass zu einem Mobilitätsspektrum der Analysenprobe kein passendes Mobilitätsspektrum mit gleichem Spektrenschwerpunkt in der idealisierten Spektrenserie der Referenzbibliothek vorhanden ist. In diesem Fall kann ein passendes Mobilitätsspektrum für den Ähnlichkeitsvergleich durch Interpolation aus benachbarten Mobilitätsspektren der idealisierten Referenzspektrenserie oder der gemessenen Spektrenserie der Analysenprobe gewonnen werden.
Die vorstehenden Verfahren der Erfindung, die alle aus Verarbeitungen von Messdaten bestehen, können bevorzugt in einem Rechenprogramm automatisch ablaufen. Ein Ionenmobilitätsspektrometer ist in der Regel mit einem Rechner ausgestattet; dieser Rechner kann ein solches Rechenprogramm enthalten und auf eine erfindungsgemäß in Klassen unterteilte Referenzbibliothek Zugriff haben.
Abbildungen
: Schema zur Definition der Messung einer Spektrenserie.
: Darstellung einer Spektrenserie von DPM.
: Verlauf des T-Wertes für die Spektrenserie der .
: T-Verläufe für 5 ausgesuchte HMX-Spektrenserien einer Klasse.
: Z-Verläufe für 5 ausgesuchte HMX-Spektrenserien der gleichen Klasse wie die der .
: Z-Verlauf für die idealisierte Spektrenserie, gewonnen aus den HMX-Spektrenserien der .
: Spektrenserie des Gewürzes SPICE.
: Spektrenserie des Sprengstoffs TNT.
: Einzel-Mobilitätsspektren von TNT und SPICE sind praktisch gleich.
Beste Ausführungsformen
Eine „Messung” soll hier als die Aufnahme einer Spektrenserie mit einem Ionenmobilitätsspektrometer bei einer kurzzeitigen, also impulsförmigen Eingabe der Probe definiert werden. Die Messung einer Spektrenserie soll vor der Eingabe der Probe beginnen und erst weit nach Beendigung der Eingabe der Probe enden, möglichst erst dann, wenn die Mobilitätsspektren wieder den Ausgangszustand vor Eingabe der Probe zeigen, wie in der schematisch dargestellt. Ein Beispiel für eine so gemessene Spektrenserie ist in wiedergegeben, es handelt sich hier um die Substanz Dipropylenglycolmonomethylether (DPM). Ein sauberes Mobilitätsspektrometer zeigt ein Mobilitätsspektrum, das im Wesentlichen nur aus den Peaks der Reaktantionen besteht. Die Reaktantionen dienen, wie dem Fachmann bekannt ist und oben beschrieben wurde, der chemischen Ionisierung der eingegebenen Substanzen.
Jede „Spektrenserie” besteht, wie aus den und hervorgeht, aus einer Folge einzelner Mobilitätsspektren. Dabei kann ein Mobilitätsspektrum bereits additiv aus Einzelmobilitätsspektren zusammengesetzt sein. Eine Spektrenserie kann beispielsweise 60 Mobilitätsspektren zu je einer Sekunde Dauer umfassen, wobei aber die Mobilitätsspektren aus je 30 Einzelmobilitätsspektren zu je 33 Millisekunden Dauer gewonnen wurden. Es gibt jedoch auch andere Aufnahmearten für Mobilitätsspektren, die jeweils Dauern in der Größenordnung einer Sekunde haben. Im Folgenden wird auf die Unterscheidung der Messverfahren nicht mehr eingegangen. Es wird im Folgenden von „Mobilitätsspektren” ausgegangen; deren Gewinnung und Herkunft ist ohne Belang.
Die Mobilitätsspektren, die aus einer langen Folge von Messwerten für den Ionenstrom bestehen, können nach der Messung durch eines der bekannten Peakfindung-Programme jeweils in eine Peakliste überführt werden, in der nur die Driftzeiten der Peaks und ihre Peakhöhen verzeichnet sind. Die Mobilitätsspektren können durch Abzug des Untergrunds korrigiert sein. Wenn im Folgenden von „Mobilitätsspektren” die Rede ist, so ist, so kann darunter auch die Peakliste verstanden werden. Diesen Peaklisten können weitere Informationen angehängt sein.
Die Probe, aus der die Spektrenserie gewonnen wird, kann eine „Analysenprobe” mit einer oder mehreren unbekannten, zu identifizierenden Analysensubstanzen sein, dann werden „Analysenspektrenserien” gemessen; sie kann aber auch eine „Referenzprobe” mit einer oder mehreren bekannten „Referenzsubstanzen” sein, dann entstehen „Referenzspektrenserien”. Die Aufnahme von Spektrenserien von häufig vorkommenden Gemischen aus Referenzsubstanzen in die Referenzbibliothek hilft, Identifizierungen eindeutig zu machen. Mobilitätsspektren ändern sich sehr stark über die jeweilige Spektrenserie hinweg, wie beispielhaft aus ersichtlich. Besonders stark aber hängen alle Mobilitätsspektren ganzer Spektrenserien von der Menge der Substanzen in den jeweils für die Messung der Spektrenserie eingegebenen Proben ab. Daher können eigentlich nur Mobilitätsspektren aus Spektrenserien miteinander verglichen werden, die aus Messungen mit jeweils gleicher Menge an Substanz in den eingegebenen Analysen- bzw. Referenzproben stammen. Für die unbekannten Analysensubstanzen ist aber in der Regel auch die eingegebene Menge unbekannt.
Die Erfindung beruht auf der Identifizierung durch einen Ähnlichkeitsvergleich von Ionenmobilitätsspektrenserien der Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien einer Referenzbibliothek. Unter „Ähnlichkeitsvergleich” werde hier die Berechnung von Ähnlichkeitsmaßzahlen zwischen einer Mobilitätsspektrenserie der Analysenprobe und Mobilitätsspektrenserien der Referenzbibliothek verstanden. Algorithmen für solche Ähnlichkeitsvergleiche sind dem Fachmann in vielerlei Form bekannt; in der Regel beruhen auch in anderen Fachgebieten viele Substanzidentifizierungen auf Ähnlichkeitsvergleichen zwischen Analysenspektren und Referenzspektren aus Referenzbibliotheken, ob es sich nun um Massenspektren, Infrarotspektren, Kernresonanzspektren oder andere handelt. Meist beruhen auch dort die Ähnlichkeitsvergleiche auf der Berechnung von Ähnlichkeitsmaßzahlen, wobei in hochauflösenden Spektroskopien eine richtige Identifizierung beispielsweise dann angenommen wird, wenn der Wert der Ähnlichkeitsmaßzahl einen Mindestwert überschreitet und zum nächstähnlichen Spektrum eine Mindestdifferenz aufweist. Wegen des niederaufgelösten Charakters von Mobilitätsspektren ist hier eine einfache Identifizierung, die sich auf nur ein einziges Spektrum bezieht, nicht möglich; es müssen daher für eine sichere Identifizierung in irgendeiner Weise Ähnlichkeitsmaßzahlen für ganze Verläufe der Mobilitätsspektren in einer Spektrenserie berechnet werden. Die Ähnlichkeitsmaßzahlen können dabei für eine Spektrenserie insgesamt in einer einzigen Berechnung gewonnen werden oder aber für viele einzelne Mobilitätsspektren der Spektrenserien getrennt, wobei dann die Ähnlichkeitsmaßzahlen für die einzelnen Mobilitätsspektren zu einer Ähnlichkeitsmaßzahl für die Spektrenserie zusammengefasst wird.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Referenzbibliotheken können Spektrenserien von Hunderten oder Tausenden von Referenzsubstanzen enthalten, und für jede der Referenzsubstanzen viele Spektrenserien, die jeweils unter Eingabe verschiedener Probenmengen, beispielsweise durch Verwendung von Verdünnungsreihen, gemessen wurden. Die Ähnlichkeitsvergleiche laufen somit auf umfängliche Datenverarbeitungszeiten hinaus, wenn für diesen Ähnlichkeitsvergleich alle Spektrenserien der Referenzbibliothek herangezogen werden müssen.
Die Erfindung besteht daher in der Hauptsache darin, die Referenzbibliothek in Klassen zu unterteilen, um die Zeit für den Ähnlichkeitsvergleich zu verkürzen und insbesondere auch die Identifizierungssicherheit zu erhöhen. Die Ähnlichkeitsvergleiche der Ionenmobilitätsspektrenserie der Analysenprobe wird nur mit Ionenmobilitätsspektrenserien zugehöriger Klassen der Referenzbibliothek durchgeführt.
Eine Klassenunterteilung kann dabei prinzipiell von äußeren Parameter der Messungen abhängen, wie beispielsweise der Art der Probengewinnung, der Menge der aufgegebenen Probe, der chemischen Klasse der zu analysierenden Proben wie beispielsweise Sprengstoffe oder Drogen, und andere Parameter mehr. Es ist aber besonders günstig, wenn die Zugehörigkeit einer Spektrenserie zu einer Klasse unabhängig von äußeren Parameter aus den Messwerten der Spektrenserie selbst bestimmt werden kann. Diese Bestimmbarkeit der Klasse aus den Messwerten ist daher hier ein wichtiger Bestandteil der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Unterteilung der Referenzbibliothek in Klassen beruht im Detail auf Kennwerten, die aus den Ionenmobilitätsspektren jeweils leicht berechnet werden können. Als günstige Kennwerte haben sich die in Analogie zu Massenmomenten eines Systems berechneten „Spektrenmomente” erwiesen; besonders günstig sind „Spektrenschwerpunkt” und „Spektrenträgheitsmoment” eines Ionenmobilitätsspektrums, wobei sich gezeigt hat, dass der maximale Spektrenschwerpunkt einer Spektrenserie die Menge der eingegebenen Substanz charakterisiert. Die Verwendung dieser Kennwerte ist ein weiterer Bestandteil dieser Erfindung.
Unter dem „Spektrenschwerpunkt” eines Mobilitätsspektrums wird die Driftzeit t_s = Σ(t_i·h_i)/Σ(h_i) (1) verstanden, wobei t_i die Driftzeit des i-ten Peaks und h_i dessen Peakhöhe ist. Die Summen erstrecken sich über alle Peaks, also über alle i. Das entspricht der Herleitung eines Massenschwerpunkts für längs der Achse t verteilte Massen, wobei aber hier nicht die Massen der Ionen, sondern vielmehr die Höhe h_i der Ionenströme in die Berechnung eingehen. Die Berechnung erfolgt sehr einfach aus der Peakliste, die die Werte für t_i und h_i enthält.
Damit hier positive Werte von Null ab gewonnen werden, wird hier die auf die Driftzeit t₀ des Reaktantpeaks bezogene Schwerpunktslage t_s – t₀ eingeführt. Um zu einer dimensionsfreien Größe zu kommen, werde hier der „Z-Wert” Z = (t_s – t₀)/t_e (2) eingeführt, wobei t_e eine beliebige Zeiteinheit ist, beispielsweise eine Millisekunde. Dieser Z-Wert entspricht also einer normiert verschobenen Lage des Spektrenschwerpunkts. Das Maximum Z_max der Z-Werte einer Spektrenserie hat sich als ein Maß für die eingegebene Substanzmenge erwiesen, wobei die eingegebene Substanzmenge für eine Substanz in etwa proportional zu exp(Z_max) ist; die Unterteilung der Bibliothek in Z-Wert-Klassen ist daher besonders wirkungsvoll. Im Folgenden wird aus Gründen leichterer Verständlichkeit des Öfteren der Begriff „Spektrenschwerpunkt” beibehalten, wenn der Z-Wert gemeint ist.
Das „Spektrenträgheitsmoment” T eines Mobilitätsspektrums werde analog dazu durch T = Σ((t_i – t_s)²·h_i) (3) definiert. Dieser T-Wert gibt im Wesentlichen an, wie viele größere Peaks im Mobilitätsspektrum vorhanden sind und wie weit diese auf der Driftzeitachse voneinander entfernt liegen. Besteht ein Mobilitätsspektrum im Wesentlichen aus einem einzigen Peak, so ist der T-Wert nahezu gleich Null. In ist der Verlauf der T-Werte für die Spektrenserie aus gezeigt. Die T-Werte einer Spektrenserie durchlaufen häufig eine komplex aufgebaute Kurve, da sich längs der Spektrenserie die Bildung einzelner Peaks mit der Bildung von Peakkonglomeraten ablösen.
Für die Bestimmung der Zugehörigkeit einer Spektrenserie zu einer Klasse können insbesondere die Maxima der Kennwerte aller Mobilitätsspektren einer Spektrenserie dienen, also Z_max als maximal großer Z-Wert und T_max als maximal großer T-Wert jeweils einer Spektrenserie. Für die Unterteilung der Referenzbibliothek in Klassen hat es sich als günstig erwiesen, die Bereiche, die die jeweiligen Maxima Z_max und T_max aller Kennwerte aller Spektrenserien aus der Referenzbibliothek überstreichen, in Werteabschnitte zu unterteilen, und diesen Werteabschnitten die Klassen zuzuordnen. Eine besonders günstige Einteilung ergibt sich, wenn die Werteabschnitte gleich groß gewählt werden. Bei der Verwendung von zwei verschiedenartigen Kennwerten ergibt sich eine zweidimensionale Klassenunterteilung. Günstig ist beispielsweise eine Einteilung der Z_max-Bereiche in etwa 15 und der T_max Bereiche in etwa 6 Werteabschnitte. Daraus ergeben sich etwa 90 Klassen. Die Spektrenserien werden in den Klassen der Referenzbibliothek in Form von Serien von Peaklisten abgelegt, die noch durch T-Werte und Z-Werte ergänzt sein können.
Da, wie oben schon angemerkt, der maximale Spektrenschwerpunkt Z_max einer Spektrenserie etwa die Menge der eingegebenen Substanz beschreibt, und diese Menge stark formenden Einfluss auf die Ionenmobilitätsspektren hat, ist es günstig, in der Referenzbibliothek für jede Referenzsubstanz eine Vielzahl von Spektrenserien zu speichern, die unter Eingabe verschiedener Mengen der Referenzsubstanz gemessen wurden. Die verschieden großen Eingabemengen können beispielsweise durch Verdünnungsreihen gelöster Substanzen hergestellt werden. Die so gemessenen Referenzspektrenserien verteilen sich breit auf verschiedene Z-Klassen mit nur geringer Streuung über die T-Klassen. Außerdem ist es günstig, auch Spektrenserien für häufig vorkommende Gemische von Referenzsubstanzen in die Referenzbibliothek aufzunehmen, da diese in vielen Fällen die Eindeutigkeit der Identifizierungen erhöhen. Solche Gemische von Referenzsubstanzen können beispielsweise Gewürze oder Parfüme sein.
Es können sich aber in einer Z/T-Klasse mehrere Spektrenserien einer Referenzsubstanz ansammeln, was für den Ähnlichkeitsvergleich wiederum nicht günstig ist. In den und sind die Verläufe der T-Werte und der Z-Werte für mehrere Spektrenserien einer Referenzsubstanz (Sprengstoff HMX; Cyclotetramethylentetranitramin) aus einer Z/T-Klasse dargestellt. Man sieht dabei insbesondere, dass die Verläufe (und damit die Spektrenserien) wegen streuender Desorptionsvorgänge nicht sehr reproduzierbar sind.
Es kann daher der Rechenaufwand für die Ähnlichkeitsvergleiche nochmals dadurch reduziert werden, dass in der Referenzbibliothek in jeweils einer Klasse für jede Referenzsubstanz nur eine einzige, idealisierte Spektrenserie gespeichert ist, die aus einer oder mehreren realen Spektrenserien der Referenzsubstanz in dieser Klasse gewonnen wird. Die idealisierte Spektrenserie kann beispielsweise dadurch gewonnen werden, dass nur solche Mobilitätsspektren in die idealisierte Spektrenserie aufgenommen werden, die in ihrer Folge einen möglichst glatten Verlauf eines der Kennwerte, vorzugsweise einen glatten Verlauf des Spektrenschwerpunkts, also der Z-Werte, ergeben. Besonders günstig ist es, die idealisierte Spektrenserie jeweils aus Abschnitten der realen Spektrenserien in dieser Klasse zusammenzusetzen. In ist der Verlauf der Z-Werte einer solchen idealisierten Spektrenserie gezeigt. Diese idealisierte Spektrenserie wurde aus den realen Spektrenserien gewonnen, die zu den Z-Wert-Verläufen der gehören.
Es hat sich gezeigt, dass die Mobilitätsspektren bestimmter Z-Werte im aufsteigenden Teil des Z-Wertverlaufes für viele Proben nicht mit denen gleicher Z-Werte im absteigenden Teil übereinstimmen, möglicherweise wegen Adsorptions- und Desorptionprozesse bei der Probenzuführung. Es sollte daher ein Verlauf des Spektrenschwerpunkts von Null zum Maximalwert und zurück zu Null angestrebt werden, damit Mobilitätsspektren sowohl im aufsteigenden, wie im absteigenden Teil für Ähnlichkeitsvergleiche zur Verfügung stehen. Der Ähnlichkeitsvergleich einer Ionenmobilitätsspektrenserie der Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien von Referenzsubstanzen aus einer Klasse der Referenzbibliothek kann dann vorzugsweise so durchgeführt werden, dass jeweils Mobilitätsspektren in den Serien miteinander verglichen werden, die entweder einen gleichen Z-Wert im aufsteigenden Verlauf oder einen gleichen Z-Wert im absteigenden des Z-Wertverlaufes besitzen.
Um diesen Ähnlichkeitsvergleich zwischen den Mobilitätsspektrenserien der Analysenprobe und denen der Referenzprobe mit jeweils möglichst gleichen Z-Werten durchführen zu können, kann es zweckmäßig sein, erst einmal je eine selektierte Spektrenserie für die Analysenprobe aus der gemessenen Spektrenserie und eine selektierte Spektrenserie für die Referenzprobe aus der in der Referenzbibliothek gespeicherten, idealisierten oder realen Spektrenserie zu erstellen. Die selektierten Spektrenserien enthalten nicht mehr alle Mobilitätsspektren der gemessenen oder idealisierten Spektrenserien, sondern nur noch solche, die auch genügend stark zum Informationsgehalt beitragen.
So zeigen beispielsweise manche Spektrenserien, auch manche idealisierte Referenzspektrenserien, im Maximum ein breites Plateau von Mobilitätsspektren mit nahezu gleichen Spektrenschwerpunkten (Z-Werten). Diese Mobilitätsspektren sind sich in der Regel auch untereinander sehr ähnlich; sie beinhalten also alle die gleiche Information. Würden diese Mobilitätsspektren beim Ähnlichkeitsvergleich alle berücksichtigt, so ergäbe sich für diese Mobilitätsspektren ein hohes Gewicht, ohne jedoch den Informationsgehalt zu erhöhen. Es kann darum günstig sein, während der Selektion nur eines dieser Spektren in den Reigen der Ähnlichkeitsvergleiche aufzunehmen. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass für den Ähnlichkeitsvergleich nur solche Spektren selektiert werden, deren Z-Werte jeweils einen genügend großen Abstand zum Z-Wert des vorhergehend verwendeten Spektrums besitzen.
Bei dieser Selektion der Mobilitätsspektren für den Ähnlichkeitsvergleich sollten für die selektierte Analysenserie und für die selektierte Referenzserie jeweils korrespondierende Mobilitätsspektren mit jeweils möglichst gleichen Z-Werten ausgesucht werden. Es kann aber vorkommen, dass zu einem Mobilitätsspektrum der Analysenprobe kein passendes Mobilitätsspektrum mit genügend gleichem Z-Wert in der idealisierten oder realen Spektrenserie der Referenzbibliothek vorhanden ist. In diesem Fall kann ein passendes Mobilitätsspektrum für den Ähnlicbkeitsvergleich durch Interpolation aus benachbarten Mobilitätsspektren der Spektrenserie gewonnen werden. Es können dazu zwei, drei oder vier einander benachbarte Mobilitätsspektren mit leicht verschiedenen Z-Werten verwendet werden. Die Interpolation kann dabei einfach von Peak zu Peak der Peaklisten erfolgen, wobei die Mobilitätsspektren der idealisierten Spektrenserie so dicht liegen müssen, dass benachbarte Mobilitätsspektren auch die gleichen Peaks aufweisen.
Der Ähnlichkeitsvergleich der beiden selektierten Spektrenserien für Analysenprobe und Referenz kann dann im Prinzip Mobilitätssektrum für Mobilitätsspektrum durchgeführt werden, aber auch für die gesamten Spektrenserien in einem Zuge.
Bei der Bestimmung einer Klasse einer Analysenspektrenserie kann es vorkommen, dass die zur Bestimmung verwendeten Kennwerte Z_max oder T_max nicht in der Mitte der Klasse, sondern dicht am Rande einer Klasse der Referenzbibliothek liegen. Es kann dann zweckmäßig sein, die Ähnlichkeitsvergleiche auch auf die Nachbarklasse auszudehnen
Die vorstehenden Verfahren der Erfindung, die alle aus Verarbeitungen von Daten bestehen, können bevorzugt als Rechenprogramm in einer Recheneinheit automatisch ablaufen. Ein erfindungsgemäßes Ionenmobilitätsspektrometer enthält ein solches Rechenprogramm in einer Recheneinheit und insbesondere eine Speichereinheit mit der erfindungsgemäß in Klassen unterteilte Referenzbibliothek.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009037887 [0010]
US 7541577 B2 [0011]

Claims

Verfahren zur Identifizierung von Analytsubstanzen einer Analysenprobe durch Ähnlichkeitsvergleich einer Ionenmobilitätsspektrenserie der Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien einer Referenzbibliothek, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzbibliothek in Klassen unterteilt ist, wobei die Zugehörigkeit einer Spektrenserie zu einer Klasse aus den Messwerten der Spektrenserie selbst bestimmt wird, und dass der Ähnlichkeitsvergleich der Spektrenserie der Analysenprobe nur mit den Spektrenserien der zugehörigen Klasse der Referenzbibliothek vorgenommen wird.
Verfahren zur Identifizierung von Analytsubstanzen einer Analysenprobe durch Ähnlichkeitsvergleich von Ionenmobilitätsspektrenserien der Analysenprobe mit Ionenmobilitätsspektrenserien einer Referenzbibliothek, gekennzeichnet durch folgende Schritte a) Bereitstellung einer in Klassen unterteilten Referenzbibliothek mit Spektrenserien von Referenzproben, wobei sich deren Klassenzugehörigkeit aus Kennwerten bestimmt, die sich aus den Spektrenserien berechnen lassen, b) Messung einer Spektrenserie der Analysenprobe, c) Bestimmung der Klassenzugehörigkeit der Spektrenserie der Analysenprobe, und d) Durchführung von Ähnlichkeitsvergleichen zwischen der Spektrenserie der Analysenprobe mit Spektrenserien von Referenzproben aus der zugehörigen Klasse der Referenzbibliothek.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung der Referenzbibliothek in Klassen auf Kennwerten beruht, die aus den Ionenmobilitätsspektren berechnet werden können.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ähnlichkeitsvergleich auch mit Spektrenserien aus einer Nachbarklasse durchgeführt wird, wenn die Bestimmung der Klassenzugehörigkeit aus den Kennwerten dazu führt, dass die Spektrenserie nahe an den Rand der Klasse zu liegen kommt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennwerte Spektrenmomente verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennwerte Spektrenschwerpunkte (Z-Werte) und Spektrenträgheitsmomente (T-Werte) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Zugehörigkeit einer Spektrenserie zu einer Klasse die jeweiligen Maxima der Kennwerte aller Mobilitätsspektren einer Spektrenserie dienen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Unterteilung der Referenzbibliothek in Klassen die Bereiche, die die jeweiligen Maxima aller Kennwerte aller Spektrenserien aus der Referenzbibliothek überstreichen, in Werteabschnitte eingeteilt werden, denen die Klassen zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werteabschnitte gleich groß sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzbibliothek für jede Referenzsubstanz Spektrenserien gespeichert sind, die durch Eingabe verschiedener Mengen der Referenzsubstanz gemessen wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Referenzbibliothek in jeweils einer Klasse für jede Referenzsubstanz nur eine idealisierte Spektrenserie gespeichert ist, die aus einer oder mehreren realen Spektrenserien dieser Referenzsubstanz, die in diese Klasse gehören, gewonnen wurde.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die idealisierte Spektrenserie dadurch gewonnen wurde, dass nur solche Mobilitätsspektren aufgenommen wurden, die einen möglichst glatten Verlauf eines der Kennwerte ergeben.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektrenschwerpunkt (Z-Wert) als maßgebender Kennwert für die idealisierte Spektrenserie gewählt wird, und dass für die idealisierte Spektrenserie ein glatter Verlauf des Spektrenschwerpunkts von Null zum Maximalwert und zurück zu Null angestrebt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ähnlichkeitsvergleich jeweils nur Mobilitätsspektren miteinander verglichen werden, die einen gleichen Spektrenschwerpunkt (Z-Wert) besitzen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ähnlichkeitsvergleich nur Mobilitätsspektren mit gleichem Spektrenschwerpunkt (Z-Wert) im aufsteigenden Teil oder mit gleichem Spektrenschwerpunkt (Z-Wert) im absteigenden Teil der Spektrenschwerpunkte in den Spektrenserien herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn zu einem Mobilitätsspektrum aus der Spektrenserie der Analysenprobe kein Mobilitätsspektrum mit genügend gleichem Spektrenschwerpunkt (Z-Wert) in der Spektrenserie der Referenzbibliothek vorhanden ist, ein Mobilitätsspektrum für den Ähnlichkeitsvergleich durch Interpolation aus benachbarten Mobilitätsspektren in einer der beiden Spektrenserien gewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennwerte der Mobilitätsspektren, die für den Ähnlichkeitsvergleich verwendet werden, sich bezüglich ihrer Kennwerte einen definierten Mindestabstand aufweisen..
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabe der Probensubstanz während der Aufnahme der Spektrenserie pulsförmig stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein Rechenprogramm gesteuert automatisch abläuft.
Ionenmobilitätsspektrometer, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinheit enthält, das das Verfahren nach Anspruch 19 steuert, und eine Speichereinheit für die in Klassen unterteilte Referenzbibliothek.