DE102012112242B4

DE102012112242B4 - Analyseverfahren für die Analyse von Substanzgemischen

Info

Publication number: DE102012112242B4
Application number: DE102012112242.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Grobosch; Torsten Binscheck
Original assignee: Labor Berlin Charite Vivantes GmbH
Current assignee: Labor Berlin Charite Vivantes GmbH
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: DE102012112242A1; DE102012112242C5

Abstract

Analyseverfahren für die Analyse von Substanzgemischen (10), aufweisend die folgenden Schritte:
– Vorbereiten des Substanzgemisches (10) für die Analyse,
– Erzeugen eines Chromatogramms (20) für das Substanzgemisch (10),
– Extraktion der Daten des Chromatogramms (20) zu wenigstens einem Chromatogrammpeak (22), um eine zu analysierende Datenmenge zu reduzieren, wobei die Extraktion der Daten des Chromatogramms (20) für alle Chromatogrammpeaks (22) oberhalb eines definierten Schwellenwertes (24) und/oder in einem vordefinierten Abschnitt (26) erfolgt,
– Vergleich der extrahierten Daten wenigstens eines Chromatogrammpeaks (22) mit entsprechenden Daten einer Datenbibliothek (30),
– Auswerten des Vergleichs auf Übereinstimmungen der extrahierten Daten des wenigstens einen Chromatogrammpeaks (22) mit den entsprechenden Daten der Datenbibliothek (30).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Analyseverfahren für die Analyse von Substanzgemischen sowie eine Analysevorrichtung für die Analyse von Substanzgemischen.
Analyseverfahren und Analysevorrichtungen für die Analyse von Substanzgemischen sind grundsätzlich bekannt. Sie werden z. B. in medizinischen Laboren eingesetzt, um einzelne Substanzen in Substanzgemischen zu erkennen und hinsichtlich ihrer Art und ihrer Menge zu bestimmen. Dies kann z. B. die Überprüfung bzw. Analyse von Körperflüssigkeiten auf Substanzen wie Drogen, Hormone, Medikamente oder Ähnlichem sein. Bei bekannten Analyseverfahren wird üblicherweise durch geschultes medizinisches Fachpersonal das Analyseverfahren durchgeführt. Insbesondere ist häufig eine Vorauswahl des zu suchenden Stoffs in der Probe des Substanzgemisches notwendig. Anschließend wird in exakter Analytik in Bezug auf den zu suchenden Stoff hin das Analyseverfahren durchgeführt. Besteht jedoch kein Anfangsverdacht, welcher Stoff gesucht werden soll, so muss eine Vielzahl von Iterationen Hinweise auf die einzeln enthaltenen Substanzen ergeben. Dabei werden bei bekannten Analyseverfahren Laborgeräte, wie z. B. eine HPLC (High Pressure Liquid Chromatography; insbesondere inkl. Pumpen, Chromatographiesäule, Säulenofen etc.) für die Auftrennung der Substanzgemische verwendet. Anschließend müssen die entstandenen Chromatogramme manuell hinsichtlich möglicher Hinweise auf enthaltene Substanzen oberhalb von kritischen Schwellenwerten durchgesehen werden. Dabei ist die Interaktion bzw. die Auswertung solcher Chromatogramme zwangsläufig durch medizinisches Fachpersonal durchzuführen, da die Relation zu den zu suchenden Einzelsubstanzen medizinisches Fachwissen erfordert.
Nachteilhaft bei bekannten Analyseverfahren und den zugehörigen Analysevorrichtungen ist die nicht automatisierte Vorgehensweise. So muss manuell zumindest ein Teil des Analyseverfahrens durchgeführt werden. Darüber hinaus erfolgt die Durchführung im Wesentlichen ausschließlich durch medizinisch geschultes Fachpersonal. Dementsprechend sind die Durchführungen solcher Analyseverfahren bzw. die Bedienung solcher Analysevorrichtungen sehr kostenintensiv und vor allem zeitaufwendig. Vor allem bei medizinischen Notfällen, in welchen in möglichst kurzer Zeit ein Substanzgemisch möglichst frei und vollständig analysiert werden soll, sind dies erhebliche Nachteile. Auch bei Massenanalysen von einer Vielzahl unterschiedlichster Proben sind die hohen Kosten ein entscheidender Nachteil. Darüber hinaus ist häufig in zugehörigen Laboren nicht immer ausreichend Fachpersonal vorhanden, um tatsächlich die anfallende Analysemenge auch bearbeiten zu können.
Weitere Analyseverfahren sind z. B. aus der WO 2009/091 933 A2 , der US 2006/0 080 040 A1 , der DE 11 2004 000 746 T5 und der DE 10 2004 015 018 A1 bekannt. Ferner ist aus der US 2010/0144028 A1 ein Verfahren unter Verwendung von Chromatographie bekannt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Analyseverfahren sowie eine Analysevorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche in schneller und effizienter Weise die einfache Analyse auch von komplexen Substanzgemischen ermöglichen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sicher in der Detektion und vor allem mit möglichst hoher Nachweisempfindlichkeit und möglichst hoher Zuverlässigkeit und darüber hinaus vergleichsweise einfacher Bedienung einen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Analysevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Analyseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann
Ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren dient der Analyse von Substanzgemischen und weist die folgenden Schritte auf:

– Vorbereiten des Substanzgemisches für die Analyse,
– Erzeugen eines Chromatogramms für das Substanzgemisch,
– Extraktion der Daten des Chromatogramms zu wenigstens einem Chromatogrammpeak, um eine zu analysierende Datenmenge zu reduzieren, wobei die Extraktion der Daten des Chromatogramms für alle Chromatogrammpeaks oberhalb eines definierten Schwellenwertes und/oder in einem vordefinierten Abschnitt erfolgt,
– Vergleich der extrahierten Daten wenigstens eines Chromatogrammpeaks mit entsprechenden Daten einer Datenbibliothek,
– Auswerten des Vergleichs auf Übereinstimmungen der extrahierten Daten des wenigstens einen Chromatogrammpeaks mit den entsprechenden Daten der Datenbibliothek.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren baut auf bekannten Analyseverfahren auf. Jedoch wird im Unterschied zu bekannten Analyseverfahren eine Automatisierung des Analyseverfahrens möglich. Dies basiert auf einem der Kerne der vorliegenden Erfindung, nämlich der Extraktion der Daten des Chromatogramms zu wenigstens einem Chromatogrammpeak und der Korrelation dieser extrahierten Daten mit Daten einer Datenbibliothek. Dabei muss nicht das komplette Chromatogramm in einen Vergleich mit der Datenbibliothek eingebracht werden. Ausschließlich Chromatogrammpeaks, welche z. B. oberhalb eines vordefinierten Schwellenwertes liegen, führen zu den folgenden Schritten des Vergleichs und der Auswertung des Vergleichs anhand der Daten einer Datenbibliothek. Dies reduziert die zu analysierende Datenmenge entscheidend, so dass die Automatisierung auch von heute zur Verfügung stehenden Rechnereinheiten in ausreichend schneller Zeit zur Verfügung gestellt werden kann. Gleichzeitig wird auf diese Weise jedoch eine Automation in der Aufführung des Analyseverfahrens zur Verfügung gestellt, welche die bisherige manuelle Analyse des Chromatogramms ersetzt.
Als Schnittstellen für ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren sind die Vorbereitung des Substanzgemisches und das Entnehmen der fertigen Auswertung zu verstehen. Somit kann auch ungelerntes Laborpersonal in der Lage sein, das erfindungsgemäße Analyseverfahren durchzuführen. Die Vorbereitung des Substanzgemisches erfolgt dabei vorzugsweise nach Standardlaborkriterien, so dass der anschließende spezifische Ablauf des Analyseverfahrens automatisiert, z. B. durch eine Analysevorrichtung, durchgeführt werden kann. Das Ergebnis in Form der Auswertung des Vergleichs wird von ebenfalls einer ungelernten Kraft im Labor entnommen und anschließend dem zugehörigen medizinischen Fachpersonal, z. B. dem betreuenden Arzt, zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt.
Durch ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren und insbesondere den hohen möglichen Automationsgrad wird vor allem die Zeit für die Durchführung eines solchen Analyseverfahrens deutlich reduziert. So sind hier Turnaround-Zeiten, also Zeiten zwischen dem Vorbereiten des Substanzgemisches und dem Erhalt der Auswertung von weniger als 10 Minuten, insbesondere im Bereich von 4 bis 6 Minuten möglich. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, dass kein medizinisch ausgebildetes Fachpersonal für die Durchführung des Analyseverfahrens notwendig ist. Somit kann mithilfe eines erfindungsgemäßen Analyseverfahrens dieses deutlich kostengünstiger, schneller und breiter eingesetzt werden. Bei der medizinischen Notfallanalyse führt dies zu schnellerer Information über auch komplexe Substanzgemische. Bei großflächigen Screenings kann ein solches Analyseverfahren kosteneffizient eingesetzt werden und dementsprechend auch komplexe Substanzanalysen breiter Analyseaufgaben ermöglichen.
Ein Chromatogramm ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Kurve, welche in einer zweidimensionalen Auftragung auf der Y-Achse eine Signalintensität oder eine relative Signalintensität und auf der X-Achse die Zeit aufträgt. Die Zeit kann z. B. bei der Verwendung einer HPLC als Vorrichtung zur Erzeugung des Chromatogramms die Retentionszeit darstellen. Die Signalintensität zeigt dementsprechend an, zu welchem Zeitpunkt während der Extraktion wie viel Signal erzeugende Substanz gemessen worden ist.
Je nachdem wie hoch die Signalintensität ist, also je nachdem wie hoch der jeweilige Chromatogrammpeak ausfällt, kann eine zusätzliche weitergehende automatisierte Analyse erfolgen. So kann z. B. zu Chromatogrammpeaks ab einem gewissen Schwellenwert eine Aufspaltung in die einzelnen Molekül-Ionen erfolgen, so dass zu diesen einzelnen Chromatogrammpeaks ein Fragmentspektrum erzeugt wird. Dieses Fragmentspektrum ist eine Form von möglichen Daten, die anschließend mit entsprechenden Daten einer Datenbibliothek verglichen werden können. Andere mögliche Daten sind die akkurate Masse, die Retentionszeit oder deren Korrelation aus dem Chromatogramm selbst. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Daten alleine oder in Kombination im Sinne der vorliegenden Erfindung extrahiert und für den Vergleich mit entsprechenden Daten der Datenbibliothek zur Verfügung gestellt werden können. Es ist daraus ersichtlich, dass durch die Kombination unterschiedlicher Daten eine erhöhte Sicherheit und damit auch eine erhöhte Nachweisbarkeit mit erhöhter Zuverlässigkeit bei der Analyse des Substanzgemisches durch das erfindungsgemäße Analyseverfahren erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist gut zu erkennen, dass selbst bei komplexer Auswertung mit einer Vielzahl unterschiedlicher Daten ein hoher Automatisierungsgrad, z. B. durch eine Softwareanwendung, durchgeführt werden kann. Die Ausbildung einer Softwareanwendung kann auch nachträgliche Einwirkung auf Einzelschritte der Extraktion, des Vergleichs oder die Verwendung der Daten erlauben.
Letztendlich kann ein erfindungsgemäßes Verfahren hinsichtlich des Automationsgrades auch auf bereits bestehende Chromatogramme angewendet werden. So kann eine Nachanalyse oder Reanalyse bereits bestehender Chromatogramme durch ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren zusätzliche Erkenntnisse hinsichtlich der Analyse des Substanzgemisches liefern.
Die Auswertung des Vergleichs der Übereinstimmung der extrahierten Daten mit entsprechenden Daten der Datenbibliothek ist vorzugsweise in aufbereiteter Form vorhanden. Diese aufbereitete Form zeigt z. B. direkt eine Korrelation der Liste der gefundenen Substanzen. Neben der qualitativen Analyse können auch hier schon quantitative Aussagen getroffen werden, z. B. hinsichtlich der gefundenen akkuraten Masse bzw. deren Relation zur Gesamtmasse des Substanzgemisches. So können auch quantitative Analysenergebnisse durch ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren zur Verfügung gestellt werden. Die Daten in der Datenbibliothek enthalten dabei vorzugsweise bereits die Korrelation zwischen den zur Verfügung gestellten extrahierten Daten des Chromatogramms und entsprechenden eindeutigen Zuordnungen zu Substanzen oder Substanzgemischen. Durch die Korrelation einer Vielzahl unterschiedlicher Daten, also z. B. der Retentionszeit, der akkuraten Masse und/oder des Fragmentspektrums kann die Zuverlässigkeit und vor allem aber auch die Auflösung eines solchen Analyseverfahrens deutlich gesteigert werden. So kann in der Auswertung im Wesentlichen ebenfalls automatisiert bereits auch eine quantitative Aussage auf die entsprechenden Einzelsubstanzen des Substanzgemisches getroffen werden.
Unter einer Probenaufbereitung, also einer Vorbereitung des Substanzgemisches ist insbesondere eine Aufbereitung nach Standardlaborverfahren zu verstehen. So können unterschiedlichste Probesubstanzen, z. B. Blut, Urin, wässrige Lösungen oder Ähnliches auf einen definierten Anfangswert gebracht werden, welcher als Eingangssubstanzgemisch für ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren dient. Durch die Definition dieser sozusagen chemisch ausgebildeten Schnittstelle kann das Analyseverfahren automatisiert erfolgen, solange das Bedienpersonal in der Lage ist, das Substanzgemisch durch Standardlaborverfahren in die notwendige Vorbereitungsausbildung zu bringen.
Die Datenextraktion erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung z. B. in XML-Daten oder in mzXML-Daten. Dies ermöglicht eine besonders kompakte und datenreduzierte Ausführung des vorliegenden erfindungsgemäßen Analyseverfahrens. Dies erhöht darüber hinaus die Geschwindigkeit bei der Durchführung der automatisierten Schritte.
Durch die Applikation eines erfindungsgemäßen Analyseverfahrens zumindest abschnittsweise auf ein Softwareprodukt kann eine besonders einfache und leichte Programmierung und Durchführung des Analyseverfahrens erfolgen. Auch können Eingangsparameter, wie z. B. Filter für Grenzwerte oder maximale Abweichungen von den Datenbankwerten in dieser Software vorgebbar ausgebildet sein. Insoweit kann bei der Automatisierung der einzelnen Schritte des Analyseverfahrens noch eine Einwirkung auf die Zuverlässigkeit und den Genauigkeitsgrad genommen werden. Dies können voreingestellte Werte sein oder aber auch von einem medizinischen Fachpersonal einstellbare Parameter. Der Turnaround der gesamten Analyse des Analyseverfahrens reduziert sich dabei auf Zeiten von weniger als einer Stunde.
Es kann von Vorteil sein, wenn einzelne Schritte des Analyseverfahrens bereits parallel durchgeführt werden. So können z. B. verschiedenste Substanzgemische gemeinsam vorbereitet werden, und auch die Erzeugung eines Chromatogramms auf verschiedenen HPLCs können parallel laufen. Die Auswertung der extrahierten Daten in der Datenbibliothek kann z. B. als „Flaschenhals” des gesamten Analyseverfahrens hintereinander durchgeführt werden, da dies je nach Datenmenge und Datenkomplexität deutlich schneller als die weiteren Schritte erfolgen kann. Dies führt dazu, dass ein entsprechendes Analyseverfahren kostengünstiger und einfacher ausgestaltet werden kann bzw. kostenintensive Bauteile für die Extraktion und den Vergleich der extrahierten Daten nur einmalig und damit in geringerer Stückzahl vorgesehen werden müssen.
Ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass zumindest die folgenden Daten zu dem wenigstens einen Chromatogrammpeak extrahiert werden:

– Akkurate Masse
– Retentionszeit
– Fragmentspektrum

Bei der voranstehenden Liste handelt es sich um eine nicht abschließende Aufzählung. Die akkurate Masse wird dabei vorzugsweise als ein Parameter für das spezifische Gewicht der gefundenen Substanz angegeben. Die Retentionszeit bezieht sich auf den Zeitpunkt, zu welchem der jeweilige Chromatogrammpeak die vorbereitende Chromatographiesäule, also z. B. die HPLC, verlassen hat. Selbstverständlich können hier die entsprechenden Eingangsparameter für die Auswertung auch die Art und Weise der Vorbereitung, also der Erzeugungsart des Chromatogramms beinhalten. So kann z. B. die Art des Eluenten bzw. die Art der Chromatographiesäule Eingang in die nachfolgende Auswertung finden. Wie bereits erläutert worden ist, kann das Fragmentspektrum, also die Auswertung einzelner Molekül-Ionen in einem Fragmentspektrum zu einem einzelnen Chromatogrammpeak fokussiert nur dann erfolgen, wenn der Chromatogrammpeak hinsichtlich seiner akkuraten Masse einen vordefinierten Schwellenwert übersteigt. Der zusätzliche Aufwand für die Herstellung des Fragmentspektrums reduziert sich dabei auf einzelnen Chromatogrammpeaks, für welche eine nachträgliche Extraktion der zugehörigen Daten in Form des Fragmentspektrums auch gewünscht wird. Vorzugsweise erfolgt eine Kombination von zwei oder mehr Daten zu dem wenigstens einem Chromatogrammpeak, um anschließend einen Vergleich z. B. mit der Retentionszeit und dem Fragmentspektrum aus einer entsprechenden Fragmentspektrumsbibliothek durchzuführen. Auch die Kombination von Bibliotheken ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Diese Bibliothek kann auch als Referenzfragmentspektrum bezeichnet werden. Somit kann eine beliebig dimensionale Auswertung durch eine Vielzahl unterschiedlicher Daten erfolgen, so dass eine hohe Genauigkeit und eine hohe Zuverlässigkeit trotz hohem Automatisierungsgrad erreicht werden kann. Eine vereinfachte Auswertung lässt sich z. B. durch mathematische Verfahren erreichen, welche die hohe Komplexität bei mehrdimensionalen Daten eines Chromatogrammpeaks wieder reduzieren. Hierzu wird im nachfolgenden Absatz noch näher Erläuterung gegeben.
Es ist möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren die Daten zu dem wenigstens einen Chromatogrammpeak durch einen mathematischen Algorithmus, insbesondere mittels eines Additionsvektors, für den Vergleich mit den entsprechenden Daten der Datenbibliothek zur Verfügung gestellt werden. Der mathematische Algorithmus zielt dabei vorzugsweise auf eine Vereinfachung von besonders komplexen Daten ab. So ist es z. B. möglich, einen Additionsvektor zur Verfügung zu stellen, welcher die Anzahl der Dimensionen der zur Verfügung stehenden Daten des wenigstens einen Chromatogrammpeaks reduziert. Damit kann die nachfolgende Auswertung dieses Additionsvektors als Eingangsgröße für den Vergleich mit zugehörigen Daten in der Datenbibliothek einfacher und schneller erfolgen. Auch können leistungsärmere Recheneinheiten für die Durchführung dieses Vergleichs eingesetzt werden. Bei der Addition in einem Additionsvektor können unterschiedliche Gewichtungen für die einzelnen Daten hinsichtlich der jeweiligen Aussagekraft getroffen werden. Die Gewichtung und das Additionsverfahren sind insbesondere auf das jeweilige Substanzgemisch oder den jeweiligen Analyseschwerpunkt einstellbar. So kann durch das Bedienpersonal und den Verwender eines erfindungsgemäßen Analyseverfahrens eine Anpassung z. B. an das Probematerial oder an die Suchrichtung, also z. B. nach bestimmten Medikamenten oder Drogen sowie nach Fremd- oder Schadstoffen, erfolgen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, dass bei einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren die Extraktion der Daten des Chromatogramms für alle Chromatogrammpeaks oberhalb eines definierten Schwellenwertes und/oder in einem vordefinierten Abschnitt erfolgt. Die Extraktion der Daten erfolgt also vorzugsweise ausschließlich für Teile des Chromatogramms und nicht für das gesamte Chromatogramm. So reduziert sich der nachfolgende Auswerteaufwand weiter. Die Anzahl der Chromatogrammpeaks bzw. eine Auswahl der Chromatogrammpeaks kann vorzugsweise einstellbar sein. So kann z. B. ein Referenzwert eingegeben werden, ab welchen ein Chromatogrammpeak in die nachfolgende Datenanalyse einbezogen werden soll. Bei der Suche nach bestimmten Substanzen in einem Substanzgemisch kann dies z. B. der Schwellenwert hinsichtlich einer Wirkung in der Probe der zugehörigen Person sein. Auch ist es möglich bereits eine Suchrichtung anzugeben, indem einzelne Abschnitte mit zu erwartenden Substanzbestandteilen des Substanzgemisches vorausgewählt werden. In Summe kann auf diese Weise eine Reduktion der Gesamtanzahl der Daten erfolgen, so dass die Auswertung mittels des Vergleichs mit der Datenbibliothek wiederum schneller und einfacher bzw. mit kostengünstigen Rechnereinheiten erfolgen kann. Auch ist auf diese Weise trotzdem eine im Wesentlichen freie Suche möglich, so dass eine Suche je nach Bibliotheksfüllstand vorzugsweise nach allen möglichen Substanzen innerhalb des Substanzgemisches möglich wird. Vor allem, wenn sämtliche Chromatogrammpeaks ausgewählt sind, ist keine separate Vorauswahl notwendig. Vielmehr wird eine Komplettanalyse anhand des Füllstandes der Bibliothek durchgeführt. Für den Fall, dass die Bibliothek über den Verwendungszeitraum eines erfindungsgemäßen Analyseverfahrens hinsichtlich ihres Füllstandes anwächst, kann auch eine spätere Reanalyse bereits gespeicherter und zu einem früheren Zeitpunkt erzeugter Chromatogramme durchgeführt werden. So kann auch zu einem späteren Zeitpunkt eine zusätzliche Information aus bereits bestehenden Chromatogrammen erzielt werden. Ebenfalls ist hier gut zu erkennen, dass bereits ein einziger Durchlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens Information über eine Vielzahl, vorzugsweise über alle Substanzen des Substanzgemisches erlaubt. Aufwendige Iterationsverfahren für die Analyse werden auf diese Weise reduziert. Auch steht ein Gesamtergebnis deutlich früher zur Verfügung, so dass möglicherweise lebensrettende Maßnahmen in der Notfallmedizin auf Basis dieses umfassenden Auswerteergebnisses zielgerichteter und schneller eingeleitet werden können.
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren die Vorbereitung des Substanzgemisches für die Analyse zumindest einen der folgenden Schritte aufweist:

– Proteinfällung
– Mischen
– Zentrifugieren
– Verdünnen

Bei der voranstehenden nicht abschließenden Liste handelt es sich um eine beispielhafte Aufzählung möglicher Vorbereitungsschritte. Dabei handelt es sich insbesondere um das Standardlaborgeschäft, so dass auch ungelernte/nicht hoch spezialisierte Kräfte in einem Labor diese Vorbereitung durchführen können. Dabei sind die einzelnen Schritte der Vorbereitung des Substanzgemisches vorzugsweise ebenfalls standardisiert, so dass immer die gleichen Schritte unabhängig vom Probenmaterial oder Probenart durchgeführt werden. Dies vereinfacht die Durchführung eines erfindungsgemäßen Analyseverfahrens weiter.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren eine HPLC für die Auftrennung des Substanzgemisches eingesetzt wird. Dabei wird das Substanzgemisch insbesondere in einer Kartusche von Verunreinigungen vorab getrennt. Die Kartusche dient dazu, eine definierte chemische Schnittstelle für die nachfolgende Behandlung mit der HPLC zur Verfügung zu stellen. Die Kartusche wird vorzugsweise mit dem Substanzgemisch konditioniert, also beaufschlagt, und anschließend mit einem Spülfluid gespült. Auf diese Weise können möglicherweise verfälschende Nebenstoffe aus dem Substanzgemisch entfernt werden. Mittels geeigneter Konditionierungslösungen und Waschlösungen wird vor dem Ausbringen mithilfe des Eluenten dementsprechend eine definierte Vorkonditionierung des Substanzgemisches erzielt. Dieser Schritt der Auftrennung und der Reinigung von Verunreinigungen erfolgt vorzugsweise ebenfalls automatisch als Teil der HPLC.
Ein Analyseverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz kann dahingehend weitergebildet sein, dass die Kartusche der HPLC spezifisch nur für ein Substanzgemisch eingesetzt wird. Auf diese Weise wird Cross-Kontamination zwischen unterschiedlichen Substanzgemischen wirksam vermieden. Auch kann der Inhalt der jeweiligen Kartusche an das Substanzgemisch angepasst werden, ohne Einfluss auf das gesamte Analyseverfahren zu nehmen. So kann kostengünstig und einfach durch ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren auch eine Vielzahl unterschiedlicher Probearten gewährleistet werden. Insbesondere erfolgt die Auswahl und Beschickung der jeweiligen Kartuschen mittels Robotik, z. B. in einer matrixförmigen Warteschleife. Die einzelnen Kartuschen können dabei z. B. als Einwegprodukte vorgesehen werden.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn bei einem Analyseverfahren gemäß den beiden voranstehenden Absätzen in der Kartusche ein poröses Material in Form eines schwachen Kationentauschers angeordnet ist. Die Porosität des Materials dient der vereinfachten Einbringung des Substanzgemisches. Ein schwacher Kationentauscher erlaubt ein absorptives Festhalten des Substanzgemisches während des Spülvorgangs. Auf diese Weise können wirksam ein Großteil bzw. alle möglichen Verunreinigungen innerhalb des Substanzgemisches entfernt werden. Gleichzeitig erlaubt der schwache Kationentauscher ein gutes und sicheres Ausbringen des Substanzgemisches durch das Einbringen des Eluenten.
Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren für die Erzeugung des Chromatogramms eine massenselektive Detektionsvorrichtung, insbesondere eine der folgenden Vorrichtungen eingesetzt wird:

– Massenspektrometer, insbesondere vom Typ MS oder MSn
– QTrap
– Time-of-Flight Vorrichtung

Bei der voranstehenden Liste handelt es sich um eine nicht abschließende Aufzählung möglicher massenselektiver Detektionsvorrichtungen. Die erfindungsgemäß eingesetzte massenselektive Detektionsvorrichtung ist dabei vorzugsweise in der Lage zwei oder sogar noch mehr verschiedene Datenarten zu dem jeweiligen Chromatogrammpeak aufzunehmen. Insbesondere kann mithilfe der erfindungsgemäß eingesetzten massenselektiven Detektionsvorrichtung eine Aufnahme eines Fragmentspektrums hinsichtlich der einzelnen Ionenbestandteile eines Chromatogrammpeaks erfolgen.
Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren bei fehlender Übereinstimmung bei der Auswertung des Vergleichs auf Basis der einzelnen extrahierten Daten ein Hinweis auf eine mögliche Substanzgruppe gegeben wird. Es ist demnach möglich, dass die Bibliothek zu bestimmten Daten keine relevanten zugehörigen Datensätze in der Datenbibliothek beinhaltet. Dementsprechend kann für solche Daten bzw. Chromatogrammpeaks auch keine Auswerteaussage auf eine zugehörige Substanz getroffen werden. Jedoch kann z. B. auf Basis der Daten und eingespeicherten Erfahrungswerte in der Datenbibliothek eine Ähnlichkeitsanalyse durchgeführt werden. So können Hinweise in Form von chemischen zu erwartenden Eigenschaften gegeben werden, die die Möglichkeiten für das nicht exakt erkennbare Substanzgemisch einschränken. Die nachfolgende Analyse durch medizinisches/chemisches Fachpersonal kann somit zielgerichteter erfolgen.
Bei einem Analyseverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz ist es vorteilhaft, wenn die neue Substanz in manueller analytischer Methode bestimmt und anschließend mit den vorher extrahierten Daten der Datenbibliothek in Bezug auf die bestimmte Substanz hinzugefügt wird. Solche Sonderfälle dienen also dazu, die Datenbibliothek zu erweitern. Der Füllstand der Datenbibliothek wird also über die Dauer der Nutzung ansteigen und dementsprechend die Genauigkeit und die Spezifität über die Dauer noch weiter ansteigen lassen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Analysevorrichtung für die Analyse von Substanzgemischen. Diese Analysevorrichtung weist eine Vorbereitungseinheit für die Vorbereitung des Substanzgemisches für die Analyse auf. Weiter ist eine massenselektive Detektionsvorrichtung für die Erzeugung eines Chromatogramms für das Substanzgemisch vorgesehen. Mithilfe einer Kontrolleinheit der Analysevorrichtung erfolgt die Extraktion der Daten des Chromatogramms zu wenigstens einem Chromatogrammpeak, der Vergleich der extrahierten Daten mit entsprechenden Daten einer Datenbibliothek und das Auswerten des Vergleichs auf Übereinstimmungen der extrahierten Daten mit den entsprechenden Daten der Datenbibliothek. Die Kontrolleinheit ist dabei ausgeführt, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dementsprechend bringt eine erfindungsgemäße Analysevorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren erläutert worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
1 eine schematische Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte,
2 eine schematische Darstellung des Vergleichs mit der Datenbank und
3 eine schematische Darstellung eines Chromatogramms.
In 1 ist schematisch dargestellt, wie ein erfindungsgemäßes Analyseverfahren durchgeführt werden kann. So ist in einem Probebehälter bin Substanzgemisch 10 vorgesehen, welches einer Vorbereitungseinheit 102 zur Verfügung gestellt wird. Diese Vorbereitungseinheit kann z. B. eine Kartusche 112 mit einem darin enthaltenen porösen Material 114 aufweisen. Das Substanzgemisch 10 wird in diese Kartusche 112 eingebracht und dort in der Vorbereitungseinheit 102, z. B. in einer HPLC 110, für die nachfolgende Auftrennung mittels der HPLC 110 vorbereitet. Dies erfolgt hinsichtlich des Entfernens von Verunreinigungen, so dass durch Spülen und anschließendes Ausbringen des gereinigten Substanzgemisches mithilfe eines Eluenten eine definierte chemische Ausgangssituation für die nachfolgende Bearbeitung mit der HPLC 110 vorliegt. Die HPLC 110 gibt in ihrem Ergebnis ein verzögertes Ausbringen der Einzelsubstanzen des Substanzgemisches vor. In einer massenselektiven Detektionsvorrichtung kann eine Detektion der mit zeitlichem Abstand abgegebenen einzelnen Bestandteile des Substanzgemisches erfolgen. Die massenselektive Detektionsvorrichtung 120 ist z. B. eine QTrap, ein Massenspektrometer oder eine Time-of-Flight Vorrichtung.
Mithilfe der massenselektiven Detektionsvorrichtung 120 und der Vorbereitung durch die HPLC 110 kann ein Chromatogramm 20 erzeugt werden, wie es z. B. die 3 zeigt. Die Auswertung dieses Chromatogramms 20 mithilfe eines erfindungsgemäßen Analyseverfahrens erfolgt vorzugsweise in einer Kontrolleinheit 130.
In 3 ist schematisch ein mögliches Chromatogramm 20 dargestellt. Hier sind unterschiedliche Chromatogrammpeaks 22 zu erkennen. Über die X-Achse ist hier die Retentionszeit aufgetragen, während in der Y-Achse die Signalintensität bzw. die spezifische Signalintensität aufgetragen ist. Weiter ist der 3 zu entnehmen, dass eine Einschränkung der nachfolgenden Auswertung dieses Chromatogramms 20 durchgeführt werden kann. So sind hier links und rechts jeweils eine Abschnittsgrenze hinsichtlich der Retentionszeit vorgesehen, welche als Strichpunktlinie einen Abschnitt 26 des Chromatogramms 20 für die nachfolgende Analyse auswählen. Auch kann kombiniert oder alternativ, ebenfalls als Strichlinie dargestellt, ein Schwellenwert 44 vorgegeben werden. Dabei werden Chromatogrammpeaks 22 für die nachfolgende Auswertung ausschließlich zur Verfügung gestellt, wenn sie oberhalb des vorgegebenen Schwellenwertes 24 liegen. So wird es möglich, den notwendigen Aufwand für die Datenanalyse im Vergleich mit der Datenbibliothek zu reduzieren, da die Anzahl der Eingangsdaten reduziert werden kann.
Anhand der 2 kann schematisch erläutert werden, wie ein Kern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Als Eingangsgröße liegt dabei das Chromatogramm 20 vor. Aus diesem Chromatogramm 20 wird für jeden einzelnen Chromatogrammpeak 22 eine Anzahl unterschiedlicher Daten extrahiert. Bei dieser Ausführungsform sind dies die akkurate Masse, die zugehörige Retentionszeit und ein zugehöriges Fragmentspektrum. Diese drei Daten als dreidimensionaler Datensatz können direkt oder vereinfacht mithilfe eines algorithmischen Verfahrens, insbesondere durch einen Additionsvektor, in eine Datenbibliothek 30 eingebracht werden. In dieser Datenbibliothek 30 sind für eine Vielzahl von Substanzen (mit den Ziffern I, II und III bezeichnet) zugehörige Datensätze gespeichert. Es erfolgt also ein Vergleich der extrahierten Daten mit den gespeicherten Daten der Datenbibliothek 30. Im Ergebnis kann hier eine Zuordnung zu zumindest einem der Kombinationswerte, also einem Substanzbestandteil des Substanzgemisches 10 erfolgen.
In der Auswertung erfolgt eine Auftragung sämtlicher Ergebnisse für sämtliche ausgewählten Chromatogrammpeaks 22. So kann eine Vielzahl von einzelnen Substanzen in erfindungsgemäßer Weise automatisch und sozusagen fast parallel analysiert werden, so dass im Ergebnis eine komplette Auflistung der enthaltenen Substanzen des Substanzgemisches 10 vorgegeben wird.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Substanzgemisch
20: Chromatogramm
22: Chromatogrammpeak
24: Schwellenwert
26: Abschnitt
30: Datenbibliothek
100: Analysevorrichtung
102: Vorbereitungseinheit
110: HPLC
112: Kartusche
114: poröses Material
120: massenselektive Detektionsvorrichtung
130: Kontrolleinheit

Claims

Analyseverfahren für die Analyse von Substanzgemischen (10), aufweisend die folgenden Schritte: – Vorbereiten des Substanzgemisches (10) für die Analyse, – Erzeugen eines Chromatogramms (20) für das Substanzgemisch (10), – Extraktion der Daten des Chromatogramms (20) zu wenigstens einem Chromatogrammpeak (22), um eine zu analysierende Datenmenge zu reduzieren, wobei die Extraktion der Daten des Chromatogramms (20) für alle Chromatogrammpeaks (22) oberhalb eines definierten Schwellenwertes (24) und/oder in einem vordefinierten Abschnitt (26) erfolgt, – Vergleich der extrahierten Daten wenigstens eines Chromatogrammpeaks (22) mit entsprechenden Daten einer Datenbibliothek (30), – Auswerten des Vergleichs auf Übereinstimmungen der extrahierten Daten des wenigstens einen Chromatogrammpeaks (22) mit den entsprechenden Daten der Datenbibliothek (30).
Analyseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die folgenden Daten zu dem wenigstens einen Chromatogrammpeak (22) extrahiert werden: – Akkurate Masse – Retentionszeit – Fragmentspektrum
Analyseverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten zu dem wenigstens einen Chromatogrammpeak (22) durch einen mathematischen Algorithmus, insbesondere mittels eines Additionsvektors, für den Vergleich mit den entsprechenden Daten der Datenbibliothek (30) zur Verfügung gestellt werden.
Analyseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbereitung des Substanzgemisches (10) für die Analyse zumindest einen der folgenden Schritte aufweist: – Proteinfällung – Mischen – Zentrifugieren – Verdünnen
Analyseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine HPLC (110) für die Auftrennung des Substanzgemisches (10) eingesetzt wird, wobei das Substanzgemisch (10) insbesondere in einer Kartusche (112) von Verunreinigungen getrennt wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (112) der HPLC (110) spezifisch nur für ein Substanzgemisch (10) eingesetzt wird.
Analyseverfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kartusche (112) ein poröses Material (114) in Form eines schwachen Kationentauschers angeordnet ist.
Analyseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung des Chromatogramms (20) eine massenselektive Detektionsvorrichtung (120), insbesondere wenigstens eine der folgenden Vorrichtungen eingesetzt wird: – Massenspektrometer, vom Typ MS oder MSn – QTrap – Time-of-Flight Vorrichtung
Analyseverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlender Übereinstimmung bei der Auswertung des Vergleichs auf Basis der einzelnen extrahierten Daten ein Hinweis auf eine möglich Substanzgruppe gegeben wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Substanz in manueller analytischer Methode bestimmt und anschließend mit den vorher extrahierten Daten der Datenbibliothek (30) in Bezug auf die bestimmte Substanz hinzugefügt wird.
Analysevorrichtung (100) für die Analyse von Substanzgemischen (10), aufweisend eine Vorbereitungseinheit (102) für die Vorbereitung des Substanzgemisches (10) für die Analyse, eine massenselektive Detektionsvorrichtung (120) für die Erzeugung eines Chromatogramms (20) für das Substanzgemisch (10) und eine Kontrolleinheit (130) für die Extraktion der Daten des Chromatogramms (20) zu wenigstens einem Chromatogrammpeak (22), den Vergleich der extrahierten Daten mit entsprechenden Daten einer Datenbibliothek (30) und das Auswerten des Vergleichs auf Übereinstimmungen der extrahierten Daten mit den entsprechenden Daten der Datenbibliothek (30) dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (130) für die Ausführung eines Verfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.