DE112011102013B4 - Method for ion mobility spectrometry - Google Patents
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Abstract
Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS), bei dem – ein bekanntes Gas oder Gasgemisch im Ionenmobilitätsspektrometer (1) ionisiert wird und damit Reaktionsionen (6) bildet, – ein Analyt oder ein Gemisch mehrerer Analyten, also ein zu analysierender Stoff oder ein entsprechendes Stoffgemisch, in den Injektionsbereich eines Ionenmobilitätsspektrometers (1) eingeleitet wird und entweder ebenfalls direkt ionisiert wird oder aber ein Ladungstransfer von den Reaktionsionen (6) zu den Atomen bzw. Molekülen des zu analysierenden Analyten (5) stattfindet, – das Reaktionsionen- und positiv oder negativ geladene Analytengemisch (5, 6) den Driftbereich zwischen dem Injektions- und dem Detektionsbereich des Ionenmobilitätsspektrometers (1) durchwandert, – eine zeitabhängige Messreihe von IMS-Spektren dieses Reaktionsionen- und positiv oder negativ geladenen Analytengemischs (5, 6) im Detektionsbereich des Ionenmobilitätsspektrometers aufgenommen wird, – die IMS-Spektren der Messreihe so analysiert werden, dass qualitative und/oder quantitative Aussagen bezüglich des Analyten oder Analytengemischs gegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass – für jedes IMS-Spektrensignal der Messreihe in einem Vorverarbeitungsschritt eine adaptive Glättung und Gruppenlaufzeitentzerrung durchgeführt wird und Differenzenquotienten erster und zweiter Ordnung gebildet werden, – hieraus für jeden Peak seine Lage, seine Höhe und seine Halbwertsbreite als den Peak beschreibende, charakteristische Parameter ermittelt werden, – die charakteristischen Parameter Peaklage, Peakhöhe und Peakhalbwertsbreite mit den zur Aufnahmezeit der Spektren aktuellen Messbedingungen normalisiert werden, – eine Identifizierung der Analyten aus den normalisierten, die Peaks beschreibenden charakteristischen Parametern für die zum aktuellen Zeitpunkt bekannten Spektrenfolgen mittels eines Verfahrens zur Mustererkennung durchgeführt wird.Method of ion mobility spectrometry (IMS), in which - a known gas or gas mixture in the ion mobility spectrometer (1) is ionized and thus forms reaction ions (6), - an analyte or a mixture of several analytes, ie a substance to be analyzed or a corresponding substance mixture, in the injection region of an ion mobility spectrometer (1) is introduced and either also directly ionized or charge transfer from the reaction ions (6) takes place to the atoms or molecules of the analyte (5) to be analyzed, - the Reaktionsionen- and positively or negatively charged analyte mixture (5, 6) traverses the drift region between the injection and the detection region of the ion mobility spectrometer (1), - a time-dependent measurement series of IMS spectra of this reaction ion and positively or negatively charged analyte mixture (5, 6) is recorded in the detection range of the ion mobility spectrometer, - the IMS spectra of the Measuring series are analyzed so that qualitative and / or quantitative statements are made with respect to the analyte or analyte mixture, characterized in that - for each IMS spectral signal of the series of measurements in a preprocessing step, an adaptive smoothing and group delay equalization is performed and differential quotients of first and second order are formed , - from this, for each peak, its position, its height and its half-width are determined as characteristic parameters describing the peak, - the characteristic parameters peak position, peak height and peak half-width are normalized with the actual measurement conditions at the time of acquisition of the spectra, - an identification of the analytes the normalized, the peaks describing characteristic parameters for the currently known spectra sequences is performed by a pattern recognition method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS), insbesondere ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Analyten. Die Ionenmobilitätsspektrometrie ermöglicht aufgrund der hohen Nachweisempfindlichkeit schon beim Vorhandensein geringfügiger Ausgasungen den Nachweis und die Identifizierung von Umwelt- und Industrieschadstoffen, chemischen Kampfstoffen, Sprengstoffen und Drogen. Ionenmobilitätsspektrometer werden gegenwärtig hauptsächlich zur Kampfstoffdetektion und in der Industrie zur Arbeitsplatzüberwachung eingesetzt. Aufgrund der spezifischen Besonderheiten dieser Technologie, bei der Luft als Trägergas verwendet werden kann, sind die Geräte kostengünstiger herzustellen als beispielsweise Analyseinstrumente wie Massenspektrometer bzw. chromatographische Analysegeräte. Zudem erlauben Ionenmobilitätsspektrometer einen hohen Grad an Miniaturisierung. Zur Detektion von Spuren von Sprengstoffen oder Drogen sind gegenwärtig weltweit mehr als 80000 Ionenmobilitätsspektrometer, vorzugsweise auf Flughäfen, im Einsatz. The invention relates to a method of ion mobility spectrometry (IMS), in particular a corresponding method for the determination of the analytes. Ion mobility spectrometry, due to its high detection sensitivity, enables the detection and identification of environmental and industrial pollutants, chemical warfare agents, explosives and drugs even in the presence of minor outgassing. Ion mobility spectrometers are currently used primarily for warfare detection and in the workplace monitoring industry. Because of the specificities of this technology, which allows air to be used as the carrier gas, the devices are less expensive to produce than, for example, analytical instruments such as mass spectrometers or chromatographic analyzers. In addition, ion mobility spectrometers allow a high degree of miniaturization. To detect traces of explosives or drugs, more than 80,000 ion mobility spectrometers are currently in use worldwide, preferably at airports.
Das physikalische Prinzip der Ionenmobilitätsspektrometrie beruht auf den unterschiedlichen Driftgeschwindigkeiten von Ionen im elektrischen Feld in Luft bei Normaldruck. Es ist in der
Befinden sich andere Moleküle, wie die Analyten, (z.B. Amphetamine, Schadstoffe wie phosphororganische Verbindungen oder halogenierte Kohlenwasserstoffe, Aromaten, Mercaptane usw.) in der Luft bzw. im Luft-Analyten-Gemisch, so findet ein Ladungstransfer von den Reaktions-Ionen zu den Schadstoffmolekülen statt. Dieser Ladungstransfer kann vereinfacht wie folgt beschrieben werden:
Durch elektrische Impulse an einem Steuergitter gelangt das so ionisierte Luft-Analyten-Gemisch aus der Ionenquelle in ein elektrisches Feld, in dem sich die Ionen entsprechend ihren Driftgeschwindigkeiten ordnen. Dabei durchwandern sie in der Driftröhre die Strecke vom Injektionsort zum Detektionsort, also einem Detektor, wie z.B. einer Faraday-Platte mit Abschirmgitter. Während dieser „Wanderung“ werden die Ionen in einem schwachen elektrischen Feld getrennt, was entsprechend ihrer Beweglichkeit entgegen der Strömungsrichtung eines Inertgases geschieht. Die Zeit, die von jeder Ionenart für diese „Wanderung“ benötigt wird, wird ihre Driftzeit genannt. Diese Zeit ist spezifisch für die jeweilige Ionenart, sofern die Messbedingungen (wie Druck und Temperatur) konstant gehalten werden. Die Driftzeit wird dabei von verschiedenen Parametern wie den Wechselwirkungen der Ionenart mit seiner Umgebung auf dem Weg vom Injektionsort zum Detektionsort bzw. seiner Beweglichkeit bestimmt. Damit sind die Driftgeschwindigkeiten von der Molekülgröße, der Molekülladung und der Molekülform abhängig. Die unterschiedlichen Driftgeschwindigkeiten führen dazu, dass verschiedene Ionenarten zu unterschiedlichen Zeiten den Detektionsort, also die Kollektorelektrode, erreichen. By means of electrical impulses on a control grid, the thus ionized air-analyte mixture from the ion source enters an electric field in which the ions are arranged according to their drift velocities. They walk in the drift tube the distance from the injection site to the detection site, ie a detector such. a Faraday plate with shielding grid. During this "migration", the ions are separated in a weak electric field, which happens according to their mobility against the flow direction of an inert gas. The time required by each type of ion for this "hike" is called its drift time. This time is specific to each type of ion, as long as the measurement conditions (such as pressure and temperature) are kept constant. The drift time is determined by various parameters such as the interactions of the ion species with its environment on the way from the injection site to the detection site or its mobility. Thus, the drift rates are dependent on the molecular size, the molecular charge and the molecular shape. The different drift rates lead to different types of ions reaching the detection site, ie the collector electrode, at different times.
Der am Detektionsort aufgenommene, als Ionenmobilitätsspektrum bezeichnete Signalverlauf ermöglicht eine Analytentrennung, da Ionen gleicher Ladung aber unterschiedlicher Masse und/oder Struktur im Signal-Zeit-Verlauf Maxima zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugen. The recorded at the detection location, referred to as ion mobility spectrum waveform allows an analyte separation, as ions of the same charge but different mass and / or structure in the signal-time curve generate maxima at different times.
Nachteilig ist jedoch bei Anwendung der heute weithin üblichen Verfahren zur Ermittlung und Auswertung von IMS-Spektren, dass bei der für viele Anwendungen typischen Analyse von Multikomponentengemischen Matrix- bzw. Überdeckungseffekte auftreten, die zu erheblichen Fehlinterpretationen führen können. A disadvantage, however, when using the now widely used methods for the determination and evaluation of IMS spectra that occur in the typical for many applications analysis of multicomponent mixtures matrix or coverage effects that can lead to significant misinterpretation.
Diese Problematik stört beispielsweise bei der Untersuchung von Gemischen, wie sie in der Umweltanalytik häufig vorkommen und bei der alleinigen Anwendung der üblichen Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie durch die ablaufenden Ionisierungsreaktionen hervorgerufen werden. Das folgende Beispiel, das in
Analog zur Kombination von Massen- und Gaschromatografie besteht auch bei Ionenmobilitätsspektrometern die Möglichkeit einer gaschromatographischen Vortrennung des Analytengemisches mit einer gaschromatographischen Trenneinrichtung, z.B. mittels Multikapillarsäulen, womit der genannte Effekt vermieden werden kann. Die Kombination der Ionenmobilitätsspektrometrie mit der chromatographischen Trenntechnik ermöglicht die Darstellung der Peaks in Abhängigkeit von der Drift- und der Retentionszeit in Form dreidimensionaler Diagramme: Anstelle einer Darstellung der Peaks in Abhängigkeit von der reinen Driftzeit durch das Ionenmobilitätsspektrometer wird hier die Gesamtretentionszeit herangezogen. Diese Gesamtretentionszeit setzt sich zusammen aus der Retentionszeit innerhalb der gaschromatographischen Trenneinrichtung und der Driftzeit durch das Ionenmobilitätsspektrometer. Analogous to the combination of mass and gas chromatography, ion-mobility spectrometers also have the option of gas chromatographic pre-separation of the analyte mixture with a gas chromatographic separator, e.g. by means of multi-capillary columns, whereby the effect mentioned can be avoided. The combination of the ion mobility spectrometry with the chromatographic separation technique allows the representation of the peaks as a function of the drift and the retention time in the form of three-dimensional diagrams: Instead of representing the peaks as a function of the pure drift time by the ion mobility spectrometer, the total retention time is used. This total retention time consists of the retention time within the gas chromatographic separation device and the drift time through the ion mobility spectrometer.
Die Darstellungen in Form sogenannter Chromatogramme erhält man, wenn die Signalgröße in Abhängigkeit von Drift- und Retentionszeit bzw. der daraus zusammengesetzten Gesamtretentionszeit abgebildet wird. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, die im Chromatogramm lageabhängig auftretenden „Muster“ mit Methoden der Bildverarbeitung zu bewerten und die gesuchten Analyten zuzuordnen. Jedoch sind spektrometrische Verfahren durch ein hohes Aufkommen an generierten Daten charakterisiert, die ohne Mittel der computergestützten Statistik kaum bewältigt werden können und insbesondere unter Echtzeitbedingungen eine effektive Datenvorverarbeitung verlangt. The representations in the form of so-called chromatograms are obtained when the signal magnitude is mapped as a function of drift and retention time or the total retention time composed thereof. In principle, it is possible to evaluate the "pattern" occurring in the chromatogram depending on the position using methods of image processing and to allocate the desired analytes. However, spectrometric methods are characterized by a high volume of generated data that can hardly be handled without computer-aided statistics and that requires effective data preprocessing under real-time conditions.
Insbesondere, wenn es jedoch zu Veränderungen der Messbedingungen, wie z.B. des Drucks und der Temperatur, während der Aufnahme der IMS-Spektren kommt bzw. dies sogar zur Verbesserung der Analysefähigkeit, wie z.B. durch temperaturinduzierte Trennung von Gaskomponenten und das Verhindern von Kondensationseffekten bei höheren Temperaturen, gewünscht ist, sind bei deren Analyse zusätzliche Korrekturmassnahmen erforderlich, um die gemessenen Spektren zu normalisieren und mit hinreichender Sicherheit qualitative und quantitative Aussagen zu den Analyten bzw. dem Analytengemisch treffen zu können und das Risiko von Fehlinterpretationen zu verringern. Diese Normalisierung der Daten erfordert einen zusätzlichen erheblichen Rechenaufwand. Hierfür gibt es bislang noch keine zufriedenstellende Lösung. Das Problem verschärft sich nochmals, wenn die Messmethodik auf den dreidimensionalen Fall durch Vergleich der gemessenen IMS-Chromatogramme mit entsprechenden Referenz-Chromatogrammen erweitert wird. In particular, however, if there are changes in the measurement conditions, such as pressure and temperature during the acquisition of the IMS spectra, or even to improve the analysis capability, e.g. by temperature-induced separation of gas components and the prevention of condensation effects at higher temperatures is desired, additional corrective measures are required in their analysis in order to normalize the measured spectra and with sufficient certainty to make qualitative and quantitative statements about the analyte or the analyte mixture, and to reduce the risk of misinterpretations. This normalization of the data requires an additional considerable amount of computation. For this there is still no satisfactory solution. The problem is exacerbated when the measurement methodology is extended to the three-dimensional case by comparing the measured IMS chromatograms with corresponding reference chromatograms.
Ein Lösungsansatz wird in
Für die bekannten Anwendungsgebiete, wie die Sprengstoffdetektion und die Prozessüberwachung in der allgemeinen Industrie war die Genauigkeit der quantitativen Aussagen bisher ausreichend. Mit zunehmender Empfindlichkeit und den sich daraus ergebenden neuen Anwendungsfeldern, z.B. in der Medizin für die Atemluftdiagnostik und die Biofilmdetektion, oder in der Halbleiterindustrie muss nun zudem zusätzlich die Qualität der quantitativen Aussagen entscheidend verbessert werden. For the known application areas, such as explosives detection and process monitoring in general industry, the accuracy of the quantitative statements has been sufficient. With increasing sensitivity and the consequent new fields of application, e.g. In addition, in the medical field for respiratory diagnostics and biofilm detection, or in the semiconductor industry, the quality of the quantitative statements has to be decisively improved.
Dabei hat die Feuchtigkeit, die in jeder Messprobe enthalten ist, einen signifikanten Einfluss auf die quantitative Messwertaussage. Die Möglichkeit des Einsatzes höherer Arbeitstemperaturen wäre deshalb auch zu diesem Zwecke wünschenswert. The moisture contained in each measurement sample has a significant influence on the quantitative measurement result. The possibility of using higher working temperatures would therefore also be desirable for this purpose.
Nicht zuletzt erfordert der Einsatz der Ionenmobilitätsspektrometrie für viele der oben aufgeführten Zwecke ein mobiles IMS-Gerät und insbesondere ein entsprechendes Verfahren, das trotz Mobilität qualitativ und quantitativ eine hochwertige Signalauswertung bietet. Last but not least, the use of ion mobility spectrometry for many of the purposes listed above requires a mobile IMS device and, in particular, a corresponding method which, in spite of mobility, offers qualitatively and quantitatively high quality signal evaluation.
In der
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie zu entwickeln, mit dem unter variierenden Messbedingungen aufgenommene IMS-Spektren derart in Echtzeit automatisch auswertbar sind, dass eine qualitative als auch quantitative Bestimmung der Analyten mit hoher Genauigkeit möglich ist. It is an object of the present invention to develop a method of ion mobility spectrometry, with which IMS spectra recorded under varying measuring conditions can be automatically evaluated in real time in such a way that qualitative and quantitative determination of the analytes is possible with high accuracy.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Ansprüche 2 bis 12 geben Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösung wieder. This object is achieved by a method of ion mobility spectrometry (IMS) with the features of
In einem Verfahren der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS), bei dem ein bekanntes Gas oder Gasgemisch im Ionenmobilitätsspektrometer ionisiert wird und damit Reaktionsionen bildet, ein Analyt oder ein Gemisch mehrerer Analyten, also ein zu analysierender Stoff oder ein entsprechendes Stoffgemisch, gegebenenfalls mittels eines Trägergases, in den Injektionsbereich eines Ionenmobilitätsspektrometers eingeleitet wird und entweder ebenfalls direkt ionisiert wird oder aber ein Ladungstransfer von den Reaktionsionen zu den Atomen bzw. Molekülen des zu analysierenden Analyten stattfindet, und dieses Reaktionsionen- und positiv oder negativ geladene Analytengemisch den Driftbereich zwischen dem Injektions- und dem Detektionsbereich des Ionenmobilitätsspektrometers durchwandert, wird eine zeitabhängige Messreihe von IMS-Spektren dieses Reaktionsionen- und positiv oder negativ geladenen Analytengemischs im Detektionsbereich des Ionenmobilitätsspektrometers aufgenommen und die IMS-Spektren der Messreihe so analysiert, dass qualitative und/oder quantitative Aussagen bezüglich des Analyten oder Analytengemischs gegeben werden. Erfindungsgemäß werden dabei für jedes IMS-Spektrensignal der Messreihe in einem Vorverarbeitungsschritt eine adaptive Glättung und Gruppenlaufzeitentzerrung durchgeführt und Differenzenquotienten erster und zweiter Ordnung gebildet. Daraus werden für jeden Peak als die den Peak beschreibende, charakteristische Parameter die Peaklage, die Peakhöhe und die Halbwertsbreite des Peaks ermittelt. Diese charakteristischen Parameter Peaklage, Peakhöhe und Peakhalbwertsbreite werden mit den zur Aufnahmezeit der Spektren aktuellen Messbedingungen normalisiert und damit eine Identifizierung der Analyten aus den normalisierten, die Peaks beschreibenden charakteristischen Parametern für die zum aktuellen Zeitpunkt bekannten Spektrenfolgen mittels eines Verfahrens zur Mustererkennung durchgeführt. Dabei führt die ausschließliche Beschreibung der Peaks im IMS-Einzelspektrum durch die genannten charakteristischen Parameter zum einen nicht zu Informationsverlusten bei der anschließenden Mustererkennung oder der unmittelbaren Bestimmung der Analyten bzw. der Bestandteile des Analytengemischs. Zum anderen lässt diese Vorgehensweise auch die Beschreibung teilweiser verdeckter Peaks zu. Zudem wird der erforderliche numerische Aufwand zur Normalisierung und Erfassung der Driftzeit unter Echtzeitbedingungen durch diese Vorgehensweise minimiert. In a method of ion mobility spectrometry (IMS), in which a known gas or gas mixture is ionized in the ion mobility spectrometer and thus forms reaction ions, an analyte or a mixture of several analytes, ie a substance to be analyzed or a corresponding mixture, optionally by means of a carrier gas, in the Injection region of an ion mobility spectrometer is initiated and either also directly ionized or charge transfer from the reaction ions to the atoms or molecules of the analyte to be analyzed takes place, and this reaction ion and positively or negatively charged analyte mixture the drift region between the injection and the detection area of the By traveling through the ion mobility spectrometer, a time-dependent series of measurements of IMS spectra of this reaction ion and positively or negatively charged analyte mixture in the detection range of the ion mobility spectrometer is recorded and the IMS spectra the series of measurements is analyzed so that qualitative and / or quantitative statements regarding the analyte or analyte mixture are given. According to the invention, adaptive smoothing and group delay equalization are carried out for each IMS spectral signal of the measurement series in a preprocessing step, and differential quotients of the first and second order are formed. From this, for each peak as the characteristic parameter describing the peak, the peak position, the peak height and the half width of the peak are determined. These characteristic parameters peak position, peak height and peak half-width are normalized with the measurement conditions of the spectra current measurement conditions and thus an identification of the analytes from the normalized, describing the peak characteristic parameters for the currently known spectra sequences performed by a pattern recognition method. The exclusive description of the Peak in the IMS single spectrum by the mentioned characteristic parameters on the one hand not to information losses in the subsequent pattern recognition or the immediate determination of the analyte or the components of the analyte mixture. On the other hand, this procedure also allows the description of partially hidden peaks. In addition, the required numerical effort for normalization and detection of the drift time under real-time conditions is minimized by this procedure.
Messsignale mit geringer Signalleistung sind in der Regel von Störsignalen überlagert, die zu erheblichen Verfälschungen der zu ermittelnden charakteristischen Parameter führen können. Rauschminderungsverfahren nutzen Unterschiede im Frequenz- oder Zeitbereich sowie unterschiedliche statistische Eigenschaften beider Signalanteile. Measurement signals with low signal power are usually superimposed by interference signals, which can lead to significant distortions of the characteristic parameters to be determined. Noise reduction techniques use differences in frequency or time domain as well as different statistical properties of both signal components.
Deshalb ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass für jedes IMS-Einzelspektrum zunächst eine Wavelet-basierte Glättung und nachfolgend eine vom Thresholding-Ergebnis zur Rauschreduktion abhängige, adaptive digitale Filterung zur Glättung und Gruppenlaufzeitentzerrung durchgeführt wird. Eine solche Vorverarbeitung minimiert die Fehler bei der Berechnung der charakteristischen Parameter Peaklage und Peakhöhe. Die Beschränkung der Peakdetektion und Peakbeschreibung auf absolut relevante Messinformationen, sowie die mögliche Berechnung der Peakhalbwertsbreite aus der Peakhöhe und dem Wert des Differenzenquotienten zweiter Ordnung für den jeweils bestimmten Peak des IMS-Spektrums bei Annahme eines Gaußschen oder aber Kosinus-Quadratförmigen Kurvenverlaufes des IMS-Peaks bewirken die gewünschte und für eine unverzögerte Auswertung der Daten und sofortige Bestimmung der Analyten erforderliche Redundanzreduktion. Verfahrensbedingt erhält man damit auch Schätzwerte für teilweise verdeckte Peaks, so dass auf eine aufwendige Basislinienkorrektur in der Regel verzichtet werden kann. Therefore, in an advantageous embodiment, the method is characterized in that for each IMS single spectrum first wavelet-based smoothing and then a dependent of Thresholding result for noise reduction, adaptive digital filtering for smoothing and group delay equalization is performed. Such preprocessing minimizes errors in the calculation of the characteristic parameters peak position and peak height. The limitation of the peak detection and peak description on absolutely relevant measurement information, as well as the possible calculation of the peak half-width from the peak height and the value of the difference ratio of the second order for each particular peak of the IMS spectrum assuming a Gaussian or cosine squared curve of the IMS peak bring about the desired redundancy reduction required for an instantaneous evaluation of the data and immediate determination of the analytes. Due to the process, this also gives estimates for partially hidden peaks, so that a complex baseline correction can usually be dispensed with.
Dabei zeigen Untersuchungen, dass zur Lösung der Aufgabe exakt zeitbegrenzte Waveletsysteme mit geringer Koeffizientenanzahl benötigt werden. Das Daubechies-4-Wavelet führte bei den durchgeführten umfangreichen Simulationsrechnungen zu den besten Ergebnissen. Daubechies-Wavelets sind exakt zeitbegrenzt. Obwohl das Spektrum nicht bandbegrenzt ist, fällt es aber zu tiefen und hohen Frequenzen hin schnell ab, sodass neben der guten Zeitselektivität auch eine gute effektive Bandbegrenzung realisiert wird. Das Kürzeste ist das Daubechies-4-Wavelet, es ist relativ kantig. Mit zunehmender Anzahl an Koeffizienten werden die Wavelets abgerundet, dabei steigt gleichzeitig die Frequenzselektivität. Daubechies-Wavelets gehören zu den am häufigsten praktisch verwendeten Wavelet-Transformationen für die digitale Signalanalyse und die Datenkompression. Hervorzuheben ist die leichte Implementierbarkeit als schnelle Wavelet-Transformation (Fast Wavelet Transformation, FWT). Ausgehend von den ermittelten Messsignalen wird also mittels Wavelet-Thresholding eine Rauschreduktion in den IMS-Spektren erzielt. Prinzipiell werden dabei folgenden Annahmen für das Signal getroffen – die dann durch eine entsprechende Parameterwahl auch realisiert werden können:
- 1.) u(t) enthält in
den Zeitintervallen 0 ≤ t ≤ t1 und t2 ≤ t ≤ tM praktisch keine Messinformationen. Die Zeitpunkte t1 und t2 sind in der Regel unbekannt und müssen geschätzt werden. Die näherungsweise Bestimmung von t1 und t2 ermöglicht prinzipiell die Ermittlung statistischer Parameter für die Signalverläufe in den unterschiedlichen Auflösungsstufen j (auch Level genannt) der Wavelet-Transformation. - 2.) Signifikante Signalanteile im Messsignal im Zeitintervall t1 ≤ t ≤ t2 sind in der Regel in allen Auflösungsstufen (Level) der Wavelet-Transformation deutlich von den Größen in
den Zeitintervallen 0 ≤ t ≤ t1 und t2 ≤ t ≤ tM zu unterscheiden.
- 1.) u (t) contains practically no measurement information in the
time intervals 0 ≦ t ≦ t 1 and t 2 ≦ t ≦ t M. The times t 1 and t 2 are usually unknown and must be estimated. The approximate determination of t 1 and t 2 in principle enables the determination of statistical parameters for the signal profiles in the different resolution levels j (also called level) of the wavelet transformation. - 2.) Significant signal components in the measurement signal in the time interval t 1 ≤ t ≤ t 2 are generally clear in all resolution levels (levels) of the wavelet transformation of the quantities in the
time intervals 0 ≤ t ≤ t 1 and t 2 ≤ t ≤ t M to distinguish.
Zur Beseitigung des mit dem Wavelet-Thresholding verbundenen Anstieges der „Kantigkeit“ des rauschgeminderten IMS-Messsignals wurde zudem eine wavelet-basiert gesteuerte Tiefpassfilterung entwickelt und mittels zeitdiskreter Faltung realisiert. In order to eliminate the increase in the "edginess" of the noise-reduced IMS measurement signal associated with the wavelet thresholding, a wavelet-based controlled low-pass filtering was also developed and realized by means of time-discrete convolution.
Die Gruppenlaufzeitentzerrung bzw. -korrektur wird folgendermaßen realisiert:
Die erforderliche Digitalisierung analoger Quellensignale setzt frequenzbandbegrenzte Funktionsverläufe vor der Analog-Digital-Umsetzung voraus. Abgetastete Funktionen haben ein periodisch mit der Abtastfrequenz fa fortgesetztes Frequenzspektrum. Die eindeutige Beschreibung eines analogen Signals durch seine Abtastwerte setzt voraus, dass die Überlappung (Aliasing) der periodisch fortgesetzten Spektren sicher vermieden wird. Es ist zweckmäßig, das Signal frequenzmäßig so zu begrenzen, dass bei minimaler Bandbreite möglichst keine Messinformationen verloren gehen. Dabei besteht die Möglichkeit, mit dem Analogfilter alle Spektralanteile zu eliminieren, die oberhalb der für das Messsignal signifikanten Frequenzgrenze liegen. Damit wird eine zusätzliche Rauschreduktion erreicht, außerdem werden weitere hier nicht erläuterte Störungen beseitigt. Das mittels eines Analogfilters frequenzbandbegrenzte Eingangsmesssignal steht also nach einer Analog-Digitalumsetzung als zeitdiskretes Signal zur Verfügung. The group delay equalization is realized as follows:
The required digitization of analog source signals requires frequency-band-limited functional characteristics before analog-to-digital conversion. Scanned functions have a frequency spectrum which is periodically continued at the sampling frequency f a . The unambiguous description of an analog signal by its samples assumes that the overlapping (aliasing) of the periodically continued spectra is reliably avoided. It is expedient to limit the signal in terms of frequency so that as far as possible with minimum bandwidth no measurement information is lost. It is possible to eliminate with the analog filter all spectral components that are above the significant for the measurement signal frequency limit. Thus, an additional noise reduction is achieved, also further not explained here disturbances are eliminated. The frequency-band limited input measurement signal by means of an analog filter is thus available as a discrete-time signal after an analog-to-digital conversion.
Das mit einem Butterworth-Analogfilter, also einem Filter zur Signalverarbeitung, das so ausgebildet ist, dass das erzielte Frequenzverhalten im Durchlässigkeitsbereich so flach wie möglich ist, bewertete Betragsspektrum entspricht weitestgehend den Forderungen nach einer verzerrungsfreien Übertragung eines Messsignals großer Bandbreite, während der Phasenfrequenzgang bzw. das Gruppenlaufzeitverhalten zu erheblichen linearen Signalverzerrungen führt, wenn der Durchlassbereich des Analogfilters an den signifikanten Teil des Signalspektrums angepasst ist. Eine im Rahmen der nachfolgenden digitalen Signalverarbeitung realisierbare Phasen- bzw. Gruppenlaufzeitkorrektur ermöglicht die Minimierung der linearen Signalverzerrungen. Da bei Verwendung eines Butterworth-Filters das Signalbetragsspektrum als optimal angesehen werden kann, wird für die digitale Phasenkorrektur ein Allpass benötigt. Alpässe, also elektrische Filter, die im Idealfall für alle Frequenzen einen konstanten Betragsfrequenzgang aufweisen, während die Phasenverschiebung von der Frequenz abhängt, zeichnen sich dabei durch einen frequenzunabhängigen Betragsverlauf und einen vom Filtergrad abhängigen Variationsbereich für die Phase aus. The evaluated with a Butterworth analog filter, so a filter for signal processing, which is designed so that the achieved frequency response in the transmission range is as flat as possible, magnitude spectrum largely corresponds to the requirements for a distortion-free transmission of a measurement signal of high bandwidth, while the phase response or the group delay behavior leads to significant linear signal distortions when the passband of the analog filter is matched to the significant part of the signal spectrum. A realizable within the following digital signal processing phase or group delay correction allows the minimization of the linear signal distortion. Since the signal magnitude spectrum can be considered optimal when using a Butterworth filter, an all-pass is required for the digital phase correction. Alpasses, ie electrical filters which, in the ideal case, have a constant absolute frequency response for all frequencies, while the phase shift depends on the frequency, are distinguished by a frequency-independent magnitude profile and a variation range depending on the filter level for the phase.
Besonders günstig ist es nun, im erfindungsgemäßen Verfahren die Position des Reaktionsionenpeaks druck- und temperaturabhängig zu erfassen und diesen Reaktionsionenpeak im Falle seines vollständigen Verschwindens über einen begrenzten Zeitraum durch einen aktuellen temperatur- und druckkorrigierten gleitenden Mittelwert zu ersetzen. Im Gegensatz zu bislang existierenden Verfahren ermöglicht dies, auch bei zeitweiligem Fehlen des Reaktionsionenpeaks einen Referenzwert zu erzeugen, der der jeweiligen Temperatur- und Drucksituation im System entspricht, und auf den mit den zu diesem Zeitpunkt gemessenen Peaks der Analyten Bezug genommen werden kann und damit deren Peaklage exakt bestimmt werden kann. It is now particularly favorable to detect the position of the reaction ion peak in the process according to the invention as a function of pressure and temperature and to replace this reaction ion peak in the case of its complete disappearance over a limited period of time by a current temperature- and pressure-corrected moving average. In contrast to previously existing methods, this makes it possible to generate a reference value even in the case of temporary absence of the reaction ion peak, which corresponds to the respective temperature and pressure situation in the system, and to which reference can be made to the analytes' peaks measured at that time and thus their Peaklage can be determined exactly.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die ermittelten Peakpositionen der Analyten in Form eines Differenzabstandes zum Reaktionenpeak angegeben werden und dieser Differenzabstand ebenfalls einer Druck- und Temperaturkorrektur unterzogen wird. Damit kann die Lage der Peaks der Analyten unabhängig von den Messbedingungen angegeben werden: Es werden immer gleiche Beträge für die Peaklagen der Analyten für dasselbe zu analysierende System erzielt, auch wenn sich die Temperatur- und Druckbedingungen bei verschiedenen Messungen stark voneinander unterscheiden. Damit werden Messungen zu unterschiedlichen Temperatur- und Druckbedingungen untereinander vergleichbar. Zudem können damit auch temperatur- und druckunabhängige Referenzwerte erzeugt und für dann folgende Messungen wieder herangezogen werden. In particular, it is advantageous that the determined peak positions of the analytes are specified in the form of a difference distance to the reaction peak and this difference distance is likewise subjected to a pressure and temperature correction. Thus, the position of the peaks of the analytes can be specified independently of the measurement conditions: The same amounts are always obtained for the peak concentrations of the analytes for the same system to be analyzed, even if the temperature and pressure conditions differ greatly for different measurements. This makes measurements comparable to different temperature and pressure conditions comparable. In addition, temperature and pressure-independent reference values can also be generated and used again for subsequent measurements.
Die Position bzw. zeitliche Lage des Reaktionsionenpeaks (RIP) ist sowohl von einer Reihe von Geräteparametern, als auch von den Mess- und Umgebungsbedingungen abhängig. Diese Einflussgrößen beeinflussen in gleichem oder zumindest ähnlichem Maße die Lage der gesuchten Peaks im IMS-Spektrum. Zur Erhöhung der Selektivität des Messverfahrens werden praktisch ausnahmslos die zeitlichen Abstände der Peaks im IMS-Spektrum zum Reaktionsionenpeak (RIP) ermittelt, um damit bereits einen erheblichen Teil von Fehlern unbekannter Größe auszuschließen. Unter konstanten Messbedingungen (wie Druck und Temperatur) und bei stabilen Geräteparametern (wie z.B. der Feldstärke E) ist die zeitliche Lage der RIP-Position praktisch konstant und Schwankungen liegen nur in der Größenordnung des zeitlichen Quantisierungsfehlers von ±10µs. Druck- und Temperaturänderungen sowie der Polaritätswechsel führen hingegen zu einer nicht vernachlässigbaren Lageänderung der RIP-Positionen. Die Korrektur der RIP-Position nach der ableitbaren Beziehung ist in der Regel fehlerbehaftet, da p und T einerseits nicht unmittelbar im Driftraum und anderseits nur mit einem entsprechendem Totzeitfehler bestimmt werden können. Deshalb ist es erforderlich, die aktuelle RIP-Position bei jeder Messung direkt dem IMS-Spektrum zu entnehmen. Im einfachsten Fall entspricht die Peakposition des Reaktionsionenpeaks der Peaklage des Maximums im IMS-Spektrum. In Abhängigkeit von der Probenkonzentration verringert sich jedoch die Anzahl der Reaktionsionen durch Ladungsübertragung, sodass die RIP-Position nicht mehr mit dem Detektorstrommaximum korreliert. Die Auswertung von Messreihen zeigt dabei, dass mehrere aufeinanderfolgende IMS-Spektren entstehen können, die an der zu erwartenden RIP-Position kein relatives Maximum besitzen. Diese Eigenschaft hat physikalische Ursachen und muss daher bei der automatischen RIP-Positionserkennung berücksichtigt werden. Ist die RIP-Position in einer Reihe der ermittelten IMS-Spektren nicht auffindbar, so muss sie durch eine adaptive Schätzung bestimmt werden. Dazu ist es zweckmäßig, folgende Peaktypen im IMS-Spektrum zu unterscheiden:
- Peaktyp 0:
- Maximalwert im IMS-Spektrum, Upmax
- Peaktyp 1:
- relative Maxima im IMS-Spektrum mit Up < Upmax
- Peaktyp 2:
- zeitlich verdeckte Peaks auf einer fallenden oder ansteigenden Impulsflanke
- Peak type 0:
- Maximum value in the IMS spectrum, U pmax
- Peak type 1:
- relative maxima in the IMS spectrum with U p <U pmax
- Peak type 2:
- temporally hidden peaks on a falling or rising pulse edge
Peaks der Typen 0 und 1 sind durch den Nulldurchgang des Differenzenquotienten erster Ordnung u'(n) sowie negative Werte des Differenzenquotienten zweiter Ordnung u"(n) charakterisiert.
Für den Peaktyp 2 gilt
Die RIP-Positionen der Referenzspektren im positiven (p) und negativen (n) Messmode sowie die entsprechenden Angaben zu Druck und Temperatur werden zur Berechnung der RIP-Positionen während der Messungen benötigt. Zur Parameterbestimmung des Referenzspektrums wird eine Folge von zirka acht bis zehn Spektren je Messmodus benötigt, um damit die Fehler bei der Temperatur- und Druckmessung durch eine Mittelwertbildung herabzusetzen. Das jeweils letzte Spektrum der positiven Messmode- bzw. der negativen Messmode-Folge wird als positives Referenzspektrum bzw. negatives Referenzspektrum deklariert. Mit Ausnahme der konkreten quantitativen Angaben sind die Algorithmen unabhängig vom Messmode (positiv oder negativ). The RIP positions of the reference spectra in the positive (p) and negative (n) measurement modes as well as the corresponding pressure and temperature data are needed to calculate the RIP positions during the measurements. To determine the parameters of the reference spectrum, a sequence of approximately eight to ten spectra per measurement mode is required in order to reduce the errors in the temperature and pressure measurement by averaging. The respective last spectrum of the positive measurement mode or the negative measurement mode sequence is declared as a positive reference spectrum or negative reference spectrum. With the exception of the specific quantitative information, the algorithms are independent of the measuring mode (positive or negative).
Folgende Verfahrensschritte sind dabei erforderlich:
- (1) Eingabe des Startwertes RIP0(n,p) und der Grenzen RIPh(n,p) und RIPl(n,p) des Toleranzbereiches
- (2) Berechnung der gleitenden Mittelwerte von Druck p und Temperatur T
- (3) Druck- und temperaturabhängige Korrektur der unter (1) genannten Werte:
RIPkorr(0,h,l) = RIP(0,n,l)(1 + (p(i) – p )/p )(1 – (T(i) –T )/T ) (8) - (4) Begrenzung des Toleranz- bzw. Suchbereiches für den Erwartungswert RIPref.
- (5) Berechnung des Schätzwertes RIPref.
- (1) Input of the starting value RIP 0 (n, p) and the limits RIP h (n, p) and RIP l (n, p) of the tolerance range
- (2) Calculation of moving averages of pressure p and temperature T
- (3) Pressure- and temperature-dependent correction of the values mentioned under (1):
RIP corr (0, h, 1) = RIP (0, n, 1) (1 + (p (i) - p ) /p ) (1 - (T (i) -T ) /T ) (8th) - (4) Limitation of the tolerance or search range for the expected value RIP ref .
- (5) calculation of the estimate RIP ref.
Die Berechnung der RIP-Position während der Messungen der Analytenspektren erfolgt nach ähnlichem Algorithmus, wobei jedoch Modifikationen derart durchgeführt werden müssen, dass jeweils noch auf die RIP Position des Referenzspektrums Bezug genommen werden muss und damit eine zweifache Korrektur durchgeführt werden muss. The calculation of the RIP position during the measurements of the analyte spectra is carried out according to a similar algorithm, but modifications must be carried out in such a way that in each case the RIP position of the reference spectrum must still be referenced and thus a double correction must be carried out.
Ein entscheidender Schritt zur Reduktion des Datenvolumens im Analyseverfahren und damit zur besonders schnellen und sicheren Bestimmung der Analyten besteht dabei in der Beschränkung der Mustererkennung in den IMS-Einzelspektren auf die charakteristischen Parameter Peaklage, Peakhöhe und Peakhalbwertsbreite, sowie auf eine wählbare Anzahl von Suchbereichen innerhalb der Driftzeit, die gleicher oder unterschiedlicher Intervallbreite sein können. Diese Suchbereiche werden im Folgenden auch Driftzeitintervalle genannt. Je nach zu bestimmenden Analyten gibt es in den IMS-Spektren immer Bereiche, die weniger relevant für die entsprechende Auswertung sind. In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deshalb der insgesamt analysierbare Bereich nur auf den Teil beschränkt, der wesentlich für die Analytenbestimmung ist. Damit ist es möglich, die Auswertung der Spektren auf die wesentlichen Peaks und hierbei wie beschrieben auf deren charakteristische Parameter Peaklage, Peakhöhe und Peakhalbwertsbreite zu beschränken. Durch Herausnahme der nichtrelevanten Analytenpeaks, deren Analyse ebenfalls Aufwand bedeuten würde, die jedoch keinen entscheidenden Beitrag zur gewünschten Analytenbestimmung liefern, wird der Rechenaufwand, der zur eindeutigen Bestimmung der Analyten nötig ist, also weiter reduziert und die Effizienz der Mustererkennung erhöht. A decisive step in the reduction of the data volume in the analysis procedure and thus for the particularly fast and reliable determination of the analytes consists in limiting the pattern recognition in the individual IMS spectra to the characteristic parameters peak position, peak height and peak half width, as well as to a selectable number of search areas within the Drift time, which can be the same or different interval width. These search ranges are also referred to below as drift time intervals. Depending on the analyte to be determined, there are always areas in the IMS spectra that are less relevant for the corresponding evaluation. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, therefore, the total analyzable range is limited only to the part which is essential for determining the analyte. This makes it possible to evaluate the spectra on the essential peaks and Here, as described, to limit their characteristic parameters peak position, peak height and peak half-width. By eliminating the non-relevant analyte peaks, the analysis of which would also require effort, but which do not provide a decisive contribution to the desired analyte determination, so the computational effort, which is necessary for unambiguous determination of the analyte, further reduced and increases the efficiency of pattern recognition.
Multivariate Verfahren, wie Clustering und Klassifikation, Methoden der Dimensionalitätsreduktion und Mustererkennung ermöglichen in Verbindung mit einer effektiven Vorverarbeitung von Daten zur Extraktion spezifischer Eigenschaften der Einzelspektren statistisch gesicherte Aussagen bezüglich des Vergleiches mehrerer Messreihen mit ähnlichen Multikomponentengemischen. Multivariate methods, such as clustering and classification, methods of dimensionality reduction and pattern recognition, in conjunction with effective preprocessing of data for extracting specific properties of the individual spectra, make statistically reliable statements regarding the comparison of several series of measurements with similar multicomponent mixtures.
In einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die jeweilige Bestimmung der Gesamtretentionszeit eines Analyten unter Echtzeitbedingungen, d.h. während der laufenden Messungen, dadurch realisiert, dass eine zeitlich aufeinanderfolgende Bewertung aller Suchbereiche, also der gewählten Driftzeitintervalle, eines jeden IMS-Einzelspektrums mittels einer auf den jeweiligen Suchbereich bezogenen Clusteranalyse erfolgt, wobei die an geeigneter Stelle gemessenen Temperatur- und Druckverhältnisse zur Normalisierung der Retentionszeitangaben verwendet werden, und dieses Verfahren auf eine in definierten Zeitabständen erfasste Folge von IMS-Spektren wiederholt angewendet wird. Dabei wird unter der Gesamtretentionszeit eines Analyten die Zeit verstanden, die der entsprechende Analyt für seine Wanderung von einem definierten Startort, dem Injektionsort, der sich entweder innerhalb des Ionenmobilitätsspektrometers oder aber in einer dem Ionenmobilitätsspektrometer vorgeschalteten Vorrichtung befindet, bis zum Detektionsort benötigt, und die die Retentionszeit in der dem Ionenmobilitätsspektrometer vorgeschalteten Vorrichtung sowie die Driftzeit im Ionenmobilitätsspektrometer beinhaltet. In a particular variant of the method according to the invention, the respective determination of the total retention time of an analyte under real-time conditions, i. during the current measurements, realized by a temporally successive evaluation of all search areas, ie the selected drift time intervals of each IMS single spectrum by means of a cluster based on the respective search area cluster analysis, where measured at a suitable location temperature and pressure conditions to normalize the retention time information are used, and this method is repeatedly applied to a sequence of IMS spectrums detected at defined time intervals. Here, the total retention time of an analyte is understood to mean the time required for the analyte to migrate from a defined starting location, the injection site located either within the ion mobility spectrometer or in a device upstream of the ion mobility spectrometer, to the detection site, and the Retention time in the ion mobility spectrometer upstream device and the drift time in the ion mobility spectrometer includes.
Die hinreichend genaue Mustererkennung mittels der Clusteranalyse macht aus Gründen des Aufwands Beschränkungen auf eine geringe Anzahl relevanter Merkmale erforderlich. Dieser Forderung wird der vorgesehene Lösungsansatz durch die Aufteilung des Driftzeitintervalls in eine entsprechend wählbare Anzahl von Bereichen ggf. unterschiedlicher Breite gerecht. Dieses Verfahrenskonzept ermöglicht es prinzipiell, unter Echtzeit-Bedingungen Referenzdaten aus laufenden Substanz-Messreihen zu selektieren. Umgebungs- bzw. Messbedingungen werden automatisch berücksichtigt und lassen erforderlichenfalls eine nachträgliche Normalisierung für Einträge in eine Substanzdatenbank zu. Das Prinzip ist auch für IMS-Messaufgaben anwendbar, bei denen auf eine gaschromatographische Vortrennung verzichtet werden kann. Sufficiently accurate pattern recognition by means of cluster analysis requires, for reasons of cost, restrictions on a small number of relevant features. This requirement is met by the proposed approach by dividing the drift time interval into a correspondingly selectable number of regions, possibly with different widths. This method concept makes it possible, in principle, to select reference data from running substance measurement series under real-time conditions. Ambient or measurement conditions are automatically taken into account and, if necessary, allow subsequent normalization for entries in a substance database. The principle can also be used for IMS measuring tasks in which gas chromatographic pre-separation can be dispensed with.
In einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anwendung der Clusteranalyse auf eine Folge von IMS-Spektren in äquidistanten Zeitabständen. Eine solche Analyse in regelmäßigen Abständen vereinfacht wiederum die entsprechende Analyse in vielen Fällen, da garantiert wird, dass die Daten idealerweise in solch regelmäßigen Abständen analysiert werden, in denen das Verfahren fähig ist, vollständige Analysedaten zu liefern und somit analysewichtige Daten nicht aufgrund eines zufällig gewählten größeren Abstands verloren gehen. In a particular variant of the method according to the invention, the cluster analysis is applied to a sequence of IMS spectra at equidistant time intervals. Again, such periodic analysis simplifies the analysis in many cases, since it guarantees that the data will ideally be analyzed on a regular basis in which the method is capable of providing complete analysis data, and therefore not analytically important data on a randomly chosen basis get lost over a larger distance.
Dabei ist es günstig und mit den erfindungsgemäßen Verfahren einfach realisierbar, dass die die Ergebnisse der Clusteranalyse mit bekannten Einträgen in einer zu diesen Zwecken bestehenden Substanzdatenbank zur Drift- bzw. Retentionszeit verglichen werden und bei entsprechender Übereinstimmung die entsprechenden Analyten identifiziert werden. Zudem können aus der Peakhöhe oder aus der aus Peakhöhe und Peakhalbwertsbreite näherungsweise berechneten Peakfläche die jeweilige Analytenkonzentration abgeschätzt werden. Damit ist durch das erfindungsgemäße Verfahren sowohl eine qualitative Analyse des oder der fraglichen Analyten als auch eine entsprechende quantitative Analyse des entsprechenden Analyten möglich. It is convenient and easy to implement with the methods according to the invention that the results of the cluster analysis with known entries in a substance database for these purposes Drift or retention time are compared and identified with appropriate agreement, the corresponding analytes. In addition, the respective analyte concentration can be estimated from the peak height or from the peak area approximately calculated from the peak height and the peak half-width. Thus, both a qualitative analysis of the analyte (s) in question and a corresponding quantitative analysis of the corresponding analyte are possible by the method according to the invention.
Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, zum Zwecke der Vervollständigung und Verbesserung der Analysefähigkeit für nachfolgende Analysen von unbekannten Analyten bzw. Analytengemischen, Messreihen mit bekannten Analyten oder Analytengemischen durchgeführt werden, derart, dass in den für die bekannten Analyten typischen Suchbereichen der erhaltenen Spektren die charakteristischen Parameter bestimmt und ausgewählt werden und für mehrfach aufeinanderfolgend aufgenommene IMS-Spektren mit gleichen Clustermerkmalen in einem oder mehreren Suchbereichen und unter Berücksichtigung der realen Messbedingungen diese Sätze von für die jeweiligen Analyten oder Analytengemische charakteristischen Parametern als Referenzparametersätze für zwei- oder dreidimensionale Spektren deklariert und in eine Substanzdatenbank eingetragen werden. In particular, with the method according to the invention, for the purpose of completing and improving the analysis capability for subsequent analyzes of unknown analytes or analyte mixtures, measurement series with known analytes or analyte mixtures can be carried out, such that in the search ranges of the spectra obtained are typical for the known analytes Parameters are determined and selected and for multiple successively recorded IMS spectra with the same cluster features in one or more search areas and taking into account the real measurement conditions, these sets of characteristic for the respective analyte or analyte mixtures parameters as reference parameter sets for two- or three-dimensional spectra declared and into a Substance database to be entered.
Messreihen mit unbekannten Analyten oder Analytengemischen können dann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren so durchgeführt werden, dass deren charakteristische Parameter in einer ausgewählten Anzahl von Suchbereichen gleicher oder unterschiedlicher Intervallbreite, den Driftzeitintervallen, unter Berücksichtigung der realen Messbedingungen bestimmt und selektiert werden, für mehrfach unmittelbar aufeinanderfolgende IMS-Spektren mit bereichsspezifischen gleichartigen Clustermerkmalen in einem oder mehreren Suchbereichen, diese Suchbereiche als Referenzsuchbereiche für den Analyten oder das Analytengemisch festgelegt werden, – die entsprechenden charakteristischen Parameter als Referenzparameter für zwei- oder dreidimensionale Spektren deklariert werden und zur Erkennung und Wiedererkennung gleicher Analyten oder Analytengemische verwendet und in eine Substanzdatenbank eingetragen werden. Measurement series with unknown analytes or analyte mixtures can then be carried out with the method according to the invention such that their characteristic parameters in a selected Number of search areas of the same or different interval width, the drift time intervals are determined and selected taking into account the real measurement conditions, for multiple immediately consecutive IMS spectra with area-specific similar cluster features in one or more search areas, these search areas are defined as Referenzsuchbereiche for the analyte or the analyte mixture , - the corresponding characteristic parameters are declared as reference parameters for two- or three-dimensional spectra and are used for recognition and recognition of identical analytes or analyte mixtures and entered into a substance database.
Bei völlig unbekannten Analyten oder Analytengemischen kann es dabei von Vorteil sein, die Suchbereiche lückenlos aufeinanderfolgen zu lassen, da hier ggf. noch nicht ersichtlich ist, welche Driftzeitintervalle zur Bestimmung der Analyten bzw. des Analytengemischs den entscheidenden Beitrag liefern werden. In the case of completely unknown analytes or mixtures of analytes, it may be advantageous to have the search areas consecutively following one another, since it may not be apparent which drift time intervals for the determination of the analytes or of the analyte mixture will make the decisive contribution.
Dabei ist es in einer besonderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der Analyt oder das Analytengemisch vor Eintritt in das Ionenmobilitätsspektrometer eine dem Ionenmobilitätsspektrometer vorgeschaltete gaschromatographische Trenneinrichtung passiert. Voraussetzung dafür ist, dass sich der Analyt bzw. das Analytengemisch unzersetzt verdampfen lässt. Dies ermöglicht es, insbesondere bei Analyten oder Analytengemischen, deren Peaks bei direkter Nutzung eines Ionenmobilitätsspektrometers ohne vorgeschalteter gaschromatographischer Trenneinrichtung sehr nah zueinander lägen bzw. sich sogar teilweise überdeckten, die Peaklagen zeitlich besser zu differenzieren. Bei der anschließenden Bestimmung der Peaks wird die Tatsache, dass eine gaschromatographische Trenneinrichtung vorgeschaltet wurde, natürlich berücksichtigt, wobei an dieser Stelle die Gesamtretentionszeit herangezogen wird, die sich aus der Retentionszeit innerhalb der gaschromatographischen Trenneinrichtung und der Driftzeit durch das Ionenmobilitätsspektrometer zusammensetzt. Die Temperatur und Druckverhältnisse in der gaschromatographischen Trenneinrichtung können dabei zur Normalisierung der Retentionszeitangaben verwendet werden. Wird eine gaschromatographische Trenneinrichtung dem Ionenmobilitätsspektrometer vorgeschaltet, so wird in der Regel während der Gesamtzeit der Analyse der IMS-Spektren die Verbindung zwischen der gaschromatographischen Trenneinrichtung und dem Ionenmobilitätsspektrometer aufrechterhalten. In besonderen Fällen ist es jedoch auch möglich, entsprechend eines vorgegebenen Zeitplans die Verbindung zwischen der gaschromatographische Trenneinrichtung und dem Ionenmobilitätsspektrometer zu trennen bzw. wieder herzustellen. It is provided in a particular variant of the method according to the invention that the analyte or the analyte mixture before entering the ion mobility spectrometer passes a gas chromatographic separation device upstream of the ion mobility spectrometer. The prerequisite for this is that the analyte or the analyte mixture can be evaporated without decomposition. This makes it possible, in particular with analytes or analyte mixtures whose peaks are in direct use of an ion mobility spectrometer without upstream gas chromatographic separation device very close to each other or even partially overlapped to better differentiate the peak times. In the subsequent determination of the peaks, the fact that a gas chromatographic separation device has been connected upstream is of course taken into account, taking at this point the total retention time, which is composed of the retention time within the gas chromatographic separation device and the drift time through the ion mobility spectrometer. The temperature and pressure conditions in the gas chromatographic separation device can be used to normalize the retention time information. If a gas chromatographic separation device is connected upstream of the ion mobility spectrometer, the connection between the gas chromatographic separation device and the ion mobility spectrometer is generally maintained throughout the entire time of analysis of the IMS spectra. In special cases, however, it is also possible to separate or restore the connection between the gas chromatographic separation device and the ion mobility spectrometer according to a predetermined schedule.
Die erfindungsgemäße Lösung soll nun anhand von Anwendungsbeispielen und entsprechender Figuren erläutert werden. The solution according to the invention will now be explained with reference to application examples and corresponding figures.
Die
Die
Die
Die
Die Tabelle der
und die
Bei einem bekannten, in
Jedes IMS-Spektrum der Messreihe wird so geglättet, dass aus dem Signal die Differenzenquotienten erster und zweiter Ordnung mit hinreichender Genauigkeit gebildet werden können.
Die Rauschreduktion mittels Wavelet-Thresholding führt zu einem Anstieg der „Kantigkeit“ des rauschgeminderten IMS-Messsignals, die sich aus Aufwandsgründen zweckmäßigerweise durch eine Tiefpassfilterung mittels einer zeitdiskreten Faltung des rauschgeminderten IMS-Signals mit einer aus dem Tiefpass ableitbaren Impulsantwort realisieren lässt. In Abhängigkeit von den aus dem Wavelet-Thresholding ableitbaren Signaleigenschaften erfolgt adaptiv die Auswahl einer jeweils geeigneten Impulsantwort. Zweckmäßigerweise werden Impulsantworten verwendet, in die zusätzlich Phasenfrequenzgänge eingerechnet wurden, die eine Gruppenlaufzeitkorrektur bewirken und damit die linearen Verzerrungen von Antialiasing-Filtern und anderer Vorstufen kompensieren. Überraschenderweise führt die zusätzliche Gruppenlaufzeitkorrektur nur zu einem unbedeutend höheren numerischen Aufwand.
Die RIP-Position lässt sich vorteilhaft nach einem adaptiven Verfahren für beliebige Amplituden maschinell bestimmen. Zweckmäßigerweise ist zwischen ausgeformten und teilweise verdeckten Peaks zu unterscheiden und die Peakposition des Maximalwertes zu ermitteln. Innerhalb eines jeweils festzulegenden Toleranzbereiches, der temperatur- und druckabhängig korrigiert wird, ist die RIP-Position festzulegen, wobei dies gewichtet nach der Peakhöhe und dem Ausformungsgrad des Peaks geschieht. Zusätzlich erfolgt eine gleitende Mittelwertbildung der berechneten Peakpositionen, die bei verschwindender Amplitude temperatur- und druckkorrigiert als RIP-Position definiert wird.
Die RIP-Position bildet eine geeignete Bezugsbasis für die druck-, temperatur- und Geräteparameterbezogene normierte Darstellung der messtechnisch erfassten charakteristischen Parameter der Analyten Peakposition und Peakamplitude im IMS-Spektrum in
Die einzelnen Vorverarbeitungsschritte führen dazu, Datensätze zu erzeugen, die erfindungsgemäß mit wenigen Angaben nahezu ohne Verlust an Messinformationen sowie unter Berücksichtigung der Messbedingungen und aktueller Geräteparameter das jeweilige aktuelle IMS-Spektrum sowie alle davor erfassten und zum Datensatz gehörenden IMS-Spektren hinreichend beschreiben. The individual preprocessing steps lead to the generation of data sets which according to the invention sufficiently describe the respective current IMS spectrum with just a small amount of information, without loss of measurement information and taking into account the measurement conditions and current device parameters, as well as all previously acquired IMS spectra belonging to the data set.
Erfindungsgemäß wird die IMS-typische Driftzeit in eine wählbare Anzahl von Driftzeitintervallen gleicher oder unterschiedlicher Intervallbreite aufgeteilt und die Analytenidentifizierung mittels Mustererkennung unmittelbar aufeinanderfolgend für jedes Driftzeitintervall getrennt durchgeführt. Dazu erfolgt ein Vergleich der für das Driftzeitintervall relevanten charakteristischen Parameter der aktuellen IMS-Messung mit entsprechenden Referenzparametern unter Berücksichtigung zulässiger Toleranzbereiche. In
Die Retentionszeitdifferenz für die den Mustern in den Driftzeitbereichen D1 und D2 zuzuordnenden Analyten ist durch die Beziehung
Des weiteren können die Ergebnisse der Clusteranalyse, die auf den verwendeten charakteristischen Parametern beruhen, mit entsprechenden Einträgen zur Drift- und Retentionszeit verglichen werden und bei Übereinstimmung die entsprechenden Analyten identifiziert werden. Zudem kann aus der Peakhöhe oder aus der Peakfläche, die näherungsweise durch Produktbildung aus der Peakhöhe und der Peakhalbwertsbreite bestimmt wird, die Analytenkonzentration abgeschätzt werden. Furthermore, the results of the cluster analysis, which are based on the characteristic parameters used, can be compared with corresponding entries for the drift and retention time and, if they match, the corresponding analytes can be identified. In addition, the analyte concentration can be estimated from the peak height or peak area, which is approximately determined by product formation from the peak height and peak half-width.
Dabei können aus laufenden Messreihen bekannter Analyten oder Analytengemische charakteristische Parameter von Referenz-Spektren selektiert werden, die mehrfach aufeinanderfolgende IMS-Spektren mit gleichen Clustermerkmalen unter Berücksichtigung der aktuellen Messbedingungen zugeordnet werden können und daher entsprechende Referenzparameter für zwei- oder dreidimensionale Spektren darstellen. Als solche können sie auch für Einträge in eine Substanzdatenbank verwendet werden. In this case, characteristic parameters of reference spectra can be selected from current measurement series of known analytes or analyte mixtures, which can be assigned multiple consecutive IMS spectra with the same cluster features taking into account the current measurement conditions and therefore represent corresponding reference parameters for two- or three-dimensional spectra. As such, they can also be used for entries in a substance database.
Mehrfach zeitlich aufeinander folgende Auftragungen der relativen quadratischen Euklidischen Distanz zur Musterübereinstimmung in gleichen Driftzeitintervallen in
Aus laufenden Messreihen eines unbekannten Analyten oder Analytengemisches können des weiteren charakteristische Parameter einer wählbaren Anzahl vorteilhafterweise lückenlos aufeinanderfolgender Suchbereiche gleicher oder unterschiedlicher Intervallbreite, also der Driftzeitintervalle, unter Beachtung der Messbedingungen selektiert und im Falle mehrfach unmittelbar aufeinanderfolgender IMS-Spektren mit bereichsspezifischen gleichartigen Clustermerkmalen in einem oder mehreren Suchbereichen, diese Suchbereiche als Referenzsuchbereiche für den Analyten oder das Analytengemisch festgelegt werden. Diese entsprechenden charakteristischen Parameter können dann als Referenzparameter für dreidimensionale oder im Sonderfall für zweidimensionale Spektren deklariert werden und für Einträge in eine Substanzdatenbank zur Wiedererkennung gleicher Analyten oder Analytengemische verwendet werden. Furthermore, characteristic parameters of a selectable number of advantageously consecutively consecutive search regions of the same or different interval width, ie the drift time intervals, can be selected from current measurement series of an unknown analyte or analyte mixture taking into account the measurement conditions and in the case of multiply immediately consecutive IMS spectra with domain-specific homogeneous cluster features in one or more several search areas, these search areas are defined as reference search areas for the analyte or the analyte mixture. These corresponding characteristic parameters can then be declared as reference parameters for three-dimensional or in special cases for two-dimensional spectra and used for entries in a substance database for the purpose of recognizing identical analytes or analyte mixtures.
So zeigt die
Die Matrixelemente m_ij in
Die durch Bildung der Spaltensummen realisierbare Ermittlung der Häufigkeit bestimmt die Auswahl von relevanten Driftzeitintervallen für das unbenannte Analytengemisch. Die
Die in den relevanten Driftzeitintervallen detektieren charakteristischen Parameter werden dem Analytengemisch dann als Referenzparameter zugewiesen und ermöglichen damit die Wiedererkennung gleichartiger Analytengemische. The characteristic parameters which are detected in the relevant drift time intervals are then assigned to the analyte mixture as reference parameters and thus enable the recognition of similar analyte mixtures.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Ionenmobilitätsspektrometer Ion-mobility spectrometer
- 2 2
- Gaseinlass gas inlet
- 3 3
- Gasauslass gas outlet
- 4 4
- Driftgaseinlass Drift gas inlet
- 5 5
- Analytenmoleküle analyte molecules
- 6 6
- Reaktionsionen reagent ions
- 7 7
- ionisierte Analytenmoleküle ionized analyte molecules
- 8 8th
- Transportgas transport gas
- 9 9
- Flussrichtung des Inert-Gases Flow direction of the inert gas
- 10 10
- Ionenquelle ion source
- 11 11
- Driftröhre drift tube
- 12 12
- Detektor detector
- 13 13
- Membraneinlass membrane inlet
- 14 14
- Steuergitter control grid
- 15 15
- externe Hilfsapparaturen (Ventile, Pumpe, Flussmesser) external auxiliary equipment (valves, pump, flow meter)
- 16 16
- gaschromatographische Trenneinrichtung Gas chromatographic separator
Claims (12)
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