EP1217643B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten sowie zur Analyse einer gasförmigen Mischung mit Haupt- und Nebenkomponenten - Google Patents

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EP1217643B1
EP1217643B1 EP00127558A EP00127558A EP1217643B1 EP 1217643 B1 EP1217643 B1 EP 1217643B1 EP 00127558 A EP00127558 A EP 00127558A EP 00127558 A EP00127558 A EP 00127558A EP 1217643 B1 EP1217643 B1 EP 1217643B1
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EP
European Patent Office
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gaseous mixture
sample
components
ion beam
mass spectrometer
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EP00127558A
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Johannes Dr. Villinger
Werner Dr. Federer
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V & F Analyse- und Messtechnik GmbH
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V & F Analyse- und Messtechnik GmbH
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    • H01J49/02—Details
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/145—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers using chemical ionisation

Definitions

  • the present invention relates to a method for assessing the state of organisms and natural products which release substances into the surrounding atmosphere, in which one or more of these substances are determined in a gaseous mixture, a method of analyzing a gaseous mixture with main and minor components , as well as an apparatus for carrying out these methods comprising a mass spectrometer.
  • WO 00/74553 describes a device for checking the calibration of a gas analyzer, especially for use with breath samples.
  • US 5,032,722 describes a time-of-flight mass spectrometer that allows additional mass selection and / or a secondary ionization step.
  • the object of the present invention is to provide a method for the analysis of gaseous mixtures, which allows the rapid determination of major and minor components of the gaseous mixture.
  • Another object of the invention is to provide an apparatus for the analysis of gaseous mixtures which is suitable for carrying out the above-mentioned methods and permits rapid analysis of samples of gaseous mixtures whose components are present in a wide concentration range.
  • the invention is based on the finding that the abovementioned objects can be achieved with the aid of a mass spectrometer in which an ion beam acts on the sample of the gaseous mixture to be analyzed in a high vacuum.
  • the present invention therefore provides a first method for assessing the state of organisms and natural products which release substances into the surrounding atmosphere, in which two or more of these substances are determined to be components of a gaseous mixture, wherein the gaseous mixture to be analyzed consists of main components and secondary components, and the concentrations of the secondary components are less than those of the main components by at least a factor of 10, wherein in each case the concentration of at least one main component and at least one minor component of the gaseous mixture is determined by means of a mass spectrometer, and in which acts on the sample of the gaseous mixture, an ion beam in a high vacuum, and the values obtained in the determination are evaluated to determine the state.
  • natural products are natural products such as fruit, vegetables, meat, cow's milk, etc., products obtained by natural production processes, such as e.g. Wine, beer, cheese, edible oil, etc., as well as products obtained by refining natural products, e.g. Coffee beans, smoked ham, etc. understood.
  • gaseous mixtures are mixtures of substances which, in addition to main components gaseous at room temperature, contain further components which are located in the gas phase formed by the main components.
  • the method according to the invention has the advantage that no samples have to be taken by artificial means from the organism or natural product to be examined, whereby any injury to the organism or natural product is avoided. It is therefore a non-invasive procedure.
  • Another advantage of the method is that the method of analyzing a sample takes only a short time in the range of a few minutes.
  • the method offers the advantage that, when determining several components of the gaseous mixture to be analyzed, substantially no interference is obtained in the determination of the components which prevent an analysis of individual specific components.
  • the method is used to assess the condition of humans and animals.
  • This has the advantage that from the object to be examined no samples such as blood samples must be taken, especially for carrying, because such sampling must be performed by trained personnel, in the case of humans, for example, by doctors.
  • such a sampling of humans and animals is perceived as unpleasant.
  • the method according to the invention offers the advantage that, on the one hand, sampling is not perceived as unpleasant and, on the other hand, it can also be carried out by untrained personnel or by the subject himself.
  • the exhaled air of humans is used in the process according to the invention as gaseous mixture.
  • the sampling can be done very simply and, on the other hand, the substances obtained in the exhaled air make it possible to assess the condition of the subject with regard to a large number of clinical pictures and metabolic processes.
  • the concentration of two or more of the substances contained in the gaseous mixture is determined quantitatively. Since the method according to the invention comprises the determination by means of a mass spectrometer in which an ion beam is applied to the sample of the gaseous mixture in a high vacuum, the quantities of the determined substances are linearly proportional to the detected signal, therefore the quantitative detection can be carried out in a simple manner.
  • the quantitative determination offers the advantage that it can be used to make further statements on the condition of the organism or natural product. In particular, in multiple measurements in time sequence changes in the concentrations of substances and thus changes in the state of the organism or natural product can be detected.
  • the sample of the gaseous mixture without pretreatment is supplied to the mass spectrometer. This offers the advantages of minimizing the time required to measure a sample and of not incurring any additional costs associated with pretreatment steps such as concentration of the sample.
  • the gaseous mixture to be analyzed consists of main components and secondary components, the concentrations of the secondary components being lower than those of the main components by at least a factor of 10, preferably 50, more preferably 100.
  • the gaseous mixture to be analyzed consists in each case of at least one main component in the concentration range of ⁇ 0.1% by volume, preferably ⁇ 1% by volume, and at least one minor component in the concentration range of ⁇ 0.1% by volume, preferably ⁇ 0.03 vol%, the concentration being determined by at least one of the major and minor components.
  • the concentration of at least one of the major and minor components is quantified.
  • the concentration of at least one of the major and a plurality of minor components is determined quantitatively.
  • the major components of the gaseous mixture to be analyzed are substantially the same as those of the atmospheric air. More preferably, the concentrations are also the major components of the gaseous mixture to be analyzed substantially equal to those of the atmospheric air.
  • all the components which are used in the detection in the mass spectrometer has a molecular mass of up to 500, preferably a molecular mass of up to 200, detected quantitatively.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an atomic ion beam.
  • the ion beam includes ions that are in the electronic ground state and / or in a selectively excited metastable state.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises at least two ion beams with different ionization potential.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises a Hg ion beam.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an Hg ion beam and additionally a Kr ion beam and / or an Xe ion beam.
  • the various ion beams act successively on the sample molecules in a high vacuum.
  • substances with an ionization potential ⁇ 17 eV are determined.
  • only substances are determined by the method according to the invention, which have a vapor pressure of at least 10 -3 mbar at room temperature.
  • the evaluation of the values obtained is carried out so that the concentration of the secondary components is based on the concentration of at least one of the main components.
  • the present invention further provides a second method of analyzing a gaseous mixture according to claim 2.
  • This method has the advantage that it allows a fast and simultaneous determination of major and minor components of a gas mixture and therefore allows comprehensive statements about the gas mixture.
  • a correlation between at least one main component and at least one secondary component is produced for the evaluation of the data obtained by the mass spectrometer.
  • This offers, for example, the advantage that the evaluation of the data can be carried out by normalizing the data of the secondary components to that of the main components. Furthermore, it can be closed, for example, by the proportion of major components on faulty samples and these are discarded.
  • the present invention further provides a gaseous mixture analysis apparatus comprising a mass spectrometer having a gas introduction system, wherein a molecular beam is generated in an intermediate vacuum from the gaseous mixture sample to be analyzed which is then generated by means of a pressure gradient in a capillary, a second molecular beam in a high vacuum, which is ionized by an ion beam, wherein the pressure of the intermediate vacuum is kept constant.
  • the device according to the invention has the advantage that the second molecular beam arriving in the high-vacuum analyzer of the mass spectrometer has a constant particle density. In this way, the viscosity of the second sample molecular beam is kept constant. Furthermore, a high density of the second sample molecular beam is achieved with the device, wherein simultaneously prevail at the impact of the ion beam on the sample molecular beam single impact conditions.
  • the sensitivity of the mass spectrometer can be increased up to the ppb range and at the same time components of gaseous mixtures in the volume percent range can be determined.
  • the gas introduction system of the device according to the invention is inert to the components contained in the sample of the gaseous mixture, so that no flushing of the system must take place before the measurement of a new sample.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises at least two ion beams with different ionization potential.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an atomic ion beam.
  • the ion beam includes ions that are in the electronic ground state and / or in a selectively excited metastable state.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an Hg ion beam.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an Hg ion beam and additionally a Kr ion beam and / or an Xe ion beam.
  • the various ion beams act successively on the sample molecules in a high vacuum.
  • the methods according to the invention preferably comprise the use of the device according to the invention.
  • an increased content of methane in the air can be caused by the incorrect colonization of the small intestine with colon bacteria, which then produce methane in the small intestine, which passes through the bloodstream into the lungs and thus into the exhaled air.
  • increased methane levels may also occur in certain types of malnutrition.
  • the propanol content in relation to the ethanol content in the exhaled air is increased by a factor of about 10.
  • the pentane level in the exhaled air is a measure of changes in lipid activity in the body and related diseases. For example, elevated levels of pentane are detected in rheumatic inflammation, lung injury caused by inhalation of high concentrations of oxygen, heart attack patients and patients with cancer of the respiratory organs.
  • the pentane content in the exhaled air may also be elevated in schizophrenia and multiple sclerosis.
  • a linear relationship has been found between the age of subjects and the pentane content in their exhaled air.
  • Bacterial strains causing inflammatory sites cause an increased level of NO in the exhaled air.
  • ketones in the exhaled air is detected when the fatty acid supply in the body is high due to increased lipolysis. This can be attributed to various causes such as hunger or insulin mails (diabetes mellitus).
  • ketonuria an increased concentration of ketone bodies (acetoacetate, R3 hydroxybutyrate and acetone) is also found. This is due to the low glycogen content of the liver as a result of carbohydrate metabolism failure.
  • ketoacidosis such as in coma diabeticum, starvation or alcoholism, an increased content of propionic acid and butyric acid in the exhaled air can be detected.
  • an increased content of, for example, phenols in the exhaled air can be determined.
  • the metabolic products of bacteria found in the human body such as CO 2 and H 2 (Escherichia coli) or H 2 S (Proteus) can be found in the exhaled air. Especially in the case of infection by clostridia (gas gangrene bacteria), volatile fatty acids can be detected.
  • the inventive method can be used, for example, to control pilots, train or bus drivers before driving the respective means of transport.
  • the composition of the exhaled air is also changed compared to non-doped athletes.
  • athletes can be checked for the intake of doping before the competitions.
  • the method according to the invention can therefore be used for the diagnosis of clinical pictures and metabolic disorders in the human body of all kinds.
  • a monitoring of the metabolism of organisms when ingesting pharmaceuticals the monitoring of therapeutic measures such. the continuous control of healing processes as well as the monitoring of provocation tests in which a substance is given in a certain (high) dose and the body's reaction to that substance is monitored.
  • the inventive method is not limited to the analysis of the exhaled air of humans, but it can also, for example, samples of human gaseous mixtures of other nature such as the exhalations and the sweat, as well as the gas phases of urine, blood, faeces and other body fluids done.
  • the sampling can be carried out, for example, by picking it up by means of a cotton swab and analyzing the gas phase over the cotton swab.
  • inventive method for quality control of natural products of all kinds can be used, where, for example, when certain gaseous substances in the gas phase over the natural product on a decomposition of the product can be concluded.
  • certain gaseous substances in the gas phase over the natural product on a decomposition of the product can be concluded.
  • certain gaseous substances in the gas phase over the natural product on a decomposition of the product can be concluded.
  • in the analysis of the gas phase over fresh meat first lactic acid is detected, with increasing age then increasingly NH 3 and finally S compounds.
  • Another conceivable application of the method according to the invention is the detection of BSE-sick animals, for example via the altered composition of their exhaled air.
  • FIG. 1 shows the device according to the invention in a schematic drawing.
  • FIG. 2 shows a graphical representation of the results of the measurements of the example.
  • the sampling and the sample supply to the mass spectrometer can on the one hand take place so that a direct connection between the gas space in which the gas mixture to be analyzed and the mass spectrometer is produced.
  • this can be done with the aid of a breathing mask, such as in WO 99/20177 is described.
  • This method can be used for example in emergency medicine, for example for the detection of rapidly deteriorating health conditions.
  • Another application of the online method may be the real-time monitoring of metabolic processes, for example after a provocative test.
  • the sampling can also be done so that the subject and mass spectrometers are separated in time and / or space, so that the exhaled air sample must first be stored in a suitable vessel.
  • a suitable vessel preferably glass vials are used with a preferred volume of 20 ml.
  • vials have the advantages of being very cost effective, making them suitable for single use. Furthermore, they have excellent inertness compared to other gas storage systems and they are very easy to handle with the help of an autosampler.
  • the sample is taken so that the test person exhales evenly (preferably through the nose) and through a common drinking straw about 1 to 2 cm above the bottom of the vessel into the vial.
  • the vial is then sealed airtight. This is preferably done with a crimp cap, which is crimped after sampling with the Glasvial. It was found that a time of a few seconds, in which the vial is still uncapped after exhalation of the subject, have no adverse effects, such as a change in composition, on the gaseous mixture exhaled by the subject.
  • the crimp cap is preferably formed so that it is completely covered with Teflon in the area where direct contact of the cap with the interior of the vessel, that is, with the exhaled gaseous mixture takes place.
  • the opening of the glass vial is advantageously designed so that its upper edge has a conically sloping outward shape.
  • the crimp cap can be formed so that it comprises an outer ring of butyl rubber, which conforms elastically to the conical outer wall of the vial and thus acts sealingly. This preferred embodiment of the glass vial seal ensures maximum inertia over the gaseous mixture exhaled by the subject.
  • a second vial which has not come into contact with the test subject's breathing air is connected in parallel to the glass vial filled with exhaled breath of the test subject. closed in the vicinity of the subject (Verticianvial).
  • the exhaled air of the subject can be stored for several days without loss of quality. This can be used, for example, to transport the samples from the attending physician to the evaluation laboratory. This type of sampling is also referred to as offline. The sampling shows the advantage that it can be carried out by untrained personnel due to their simplicity.
  • sampling can also be done offline or online. For example, in offline sampling, a glass vial that has been in contact with the gas phase immediately above the product to be examined for some time may be closed.
  • the samples are first mounted on an autosampler, for example.
  • an autosampler for example.
  • This can be, for example, a modified CNC machine of the type "step-4 milling basic 540", which has been modified so that it fully automatically samples 70 samples consisting of 70 sample and comparison vials.
  • the sample is preferably heated to a temperature higher than room temperature, more preferably 65 ° C, before being fed to the mass spectrometer.
  • the gas passes through a hot capillary, which has a higher temperature than the autosampler, to the gas introduction system, which in turn has a higher temperature than the capillary.
  • the amount of gas passing through the capillary is at most about 5 ml / min.
  • the gas introduction system of the mass spectrometer is designed to compensate for pressure and viscosity fluctuations, so that the same particle density is always injected into the analyzer of the mass spectrometer.
  • mass spectrometers are used in which an ion beam acts on the sample molecules in a high vacuum. This type of mass spectrometer is used to obtain quantitative concentration values No calibration required for the individual detected masses. So there is a direct absolute indication of the concentrations.
  • the mass spectrometer according to the invention further allows a linear detection of the concentrations of the masses in the concentration range of 10 -7 vol% (ppb) up to 10 2 % by volume, ie in an amount of 10 9 . This means that the quantities of the given masses are obtained directly from the measurement.
  • the components of the gaseous mixture are detected in the mass spectrometer according to their molecular mass.
  • the sample gas is introduced into a high-vacuum chamber and converted into ions, which are subsequently selected according to their mass by electromagnetic fields and counted in a particle counter.
  • the action of an ion beam on the molecular beam of the sample of the gaseous mixture in a high vacuum preferably comprises a Hg ion beam.
  • the Hg ion beam has an ionization energy of 10.4 eV, which is sufficient for the ionization of over 90% of the compounds to be determined.
  • the main components of the exhaled air such as N 2 and O 2 are not ionized, but selectively only the secondary components contained in the exhaled air, which are thus detected exclusively. This allows a quantitative determination of components that are present only in traces up to 10 -7 vol%. Furthermore, very few compounds are fragmented by the Hg ion beam.
  • the mass spectrometer use different ionization levels, that is, at least two primary ion beams, to move between molecules of identical mass to be able to distinguish. This distinction is based on the principle that each molecule has an individual ionization energy at which the molecule is transformed into an ion.
  • an Hg ion beam is used together with a krypton ion beam and / or a xenon ion beam.
  • the sequence of the different ion beams in the measurement can be done in any order.
  • the molecules N 2 and CO having identical mass can be discriminated because of their different ionization potentials of 14.2 eV (N 2 ) and 13.7 eV (CO) become.
  • methanol and O 2 are distinguished by ionization with a xenon ion beam (12.2 eV), which forms an O 2 + ion with mass 32 and a CH 3 O + ion with mass 31.
  • a xenon ion beam (12.2 eV)
  • Higher hydrocarbons for example, require ionization energies in the range of 10 eV, as generated by a mercury ion beam with an energy of 10.4 eV.
  • the measurement of the samples of the gaseous mixtures is carried out so that the concentrations of all the masses up to a molecular weight after the ionization of 500, preferably 200, are determined quantitatively.
  • the compounds carbon dioxide, carbon monoxide, water, ethanol, isoprene, methane, acetone, ammonia, formic acid, acetic acid, acetaldehyde, acetylene, acetonitrile, benzene, methylamine, formaldehyde, hydrogen sulfide, nitrous acid, methanol, oxygen, propanol, Toluene, methyl, ethyl group, nitric oxide, protonated water as water adduct, acetyl group, formyl group, formaldehyde * protonated water, pyridine, pentane, cyclopentane, methyl ethyl ketone, propionic acid, butyric acid, methylmercaptan, ethylene, dinitrogen monoxide, propane and sulfur dioxide.
  • the inventive method further offers the advantage that chemical compounds of all kinds, ie. For example, acids and bases, polar and nonpolar substances, can be measured simultaneously with a measurement.
  • the CO 2 content of the sample is determined. At a take-off temperature of the test gas mixture from the vial of 65 ° normally results in a CO 2 content of about 2 to 3.5 vol%. It has been found that this CO 2 value varies only in the range of about 10% in normal exhalation samples. Therefore, if the measured CO 2 content significantly outside this normal range, it can be assumed that either the Probenvial was improperly closed or improperly handled or the subject has used a wrong breathing technique, so that the exhaled air of the lungs was not detected. By means of this and analogous criteria, adulterated samples can be discarded.
  • the measuring procedure is repeated at least five times for one sample or comparison vial (5 cycles) and the average values are formed from these cycles.
  • One cycle takes about one minute to measure 200 masses.
  • the sample vial and then the comparison vial are determined.
  • the mean values are formed from the results of the measuring cycles.
  • the sample may either be discarded or the amount of contaminant component in the exhaled air sample may be obtained from the difference (trial vial minus control vial). This approach makes it possible to eliminate any contamination in the vials, as the difference of equal contamination results in zero and results consisting of respiratory air and contaminants correspond to the actual exhaled value.
  • contamination components of the ambient air may also be absorbed by the lungs and therefore have a lower concentration in the exhaled air than in the ambient air.
  • contaminations i.a. when a certain concentration in the ambient air is exceeded, they can no longer be absorbed.
  • a breakthrough curve is obtained by measuring the exhaled air as a function of the concentration of the contamination.
  • the evaluation of the data is carried out in such a way that the measured quantitative values for the components, which are determined either by their mass or also by their chemical nature, are compared with the normal values of the respective component.
  • the measured quantitative values for the components which are determined either by their mass or also by their chemical nature, are compared with the normal values of the respective component.
  • the normal values can be obtained, for example, by series measurements on a large number of subjects for determining the normal state of the human respiratory air.
  • the normal values can also be taken from the literature, as far as they are known.
  • the normal values generally include a certain range.
  • the quantitative values measured for the components are normalized to the value of one of the main components of the gaseous mixture, preferably CO 2 . Normalization achieves a relationship between the content of the individual components and the actual exhaled amount of respiratory air per subject. This has the advantage of having values between different subjects and values obtained by staggered measurements of a subject's breathing air can be compared.
  • the value determined after the normalization is divided by the maximum value known for human subjects. This results in values for the individual components ranging from 0 to 1. This further simplifies the evaluation and makes it easier to understand for the evaluating specialist personnel (doctors).
  • correlations are made between the measured values of individual components in order to detect certain clinical pictures.
  • the ethanol / propanal ratio can be determined to provide information about a possible Hepatitis infection.
  • a particular advantage of the method in determining all components in a certain mass range is that an overall view of a variety of clinical pictures and metabolic processes is obtained.
  • both the pentane content and the content of H 2 S and CS 2 in the exhaled air increase, so that with simultaneous determination of these components other clinical pictures can be ruled out in which only the content of one of these components increases is.
  • the observable metabolic processes can be both structural processes (anabolisms) and degradation processes (catabolisms).
  • the inventive method also has the advantage that it can also be performed by untrained personnel, resulting in a cost savings.
  • the evaluation of the measurements is advantageously carried out computerized.
  • An embodiment of the device according to the invention comprises a gas inlet system with a flexible gas transfer capillary (3), which preferably consists of fused silica, has an inner diameter of 250 microns and in a quarter inch Teflon tube is placed.
  • the teflon hose also contains a heating wire.
  • the capillary (3) is connected to cannula (2) for sampling from a Probenvial (1).
  • the various components up to the pinhole (5) in each case have higher temperature in the direction of the gas flow.
  • the sample vial (1) is preferably heated to 65 ° C., the cannula (2) to 85 ° C. and the gas transfer capillary (3) to 100 ° C.
  • the small diameter of the capillary also allows that smallest amounts of gas can be removed from the sample vial.
  • a gradient vacuum is created in this way, which, depending on the vapor pressure of the individual component, causes a selective increase in concentration and thus better detection limits.
  • the gas inlet system has the advantage that it is inert to the gaseous mixtures to be analyzed and thus has no memory effects. Therefore, rinsing the system is not necessary to analyze a new sample.
  • the gas flow through the capillary (3) is limited to at most 5 ml / min.
  • a pressure of about 700 mbar In the area in front of the pinhole there is a pressure of about 700 mbar, if atmospheric pressure prevailed in the sample vial before sampling.
  • the cannula (2) is controlled by a robot to the desired sample vial.
  • Gasschaltventile (4) can be added via the zero gas and calibration gases, preferably up to a pressure of at most 1.5 bar. However, the total gas flow must be greater than the back diffusion.
  • the Pump (9) which is preferably a two-stage, oil-free vacuum pump with 0.2 to 200 mbar autogenous pressure, a pressure of about 20 mbar generated.
  • the pressure of about 20 mbar is kept at a constant value by a proportional control valve (8), which can allow auxiliary air or inert gases to flow into this space.
  • the control of the proportional control valve (8) is preferably carried out via a capacitive absolute pressure sensor (7), which measures the pressure within the intermediate vacuum chamber (24) accurately and independently of the composition of the gas. This ensures that pressure fluctuations of the sample molecular beam (6), as occur for example in the repeated measurement from the same Probenvial, can be compensated and no changes in the viscosity of the sample molecular flow in the capillary (10) occur. Thus, a sample molecule flow of constant particle density enters into the further capillary (10).
  • the capillary (10) In the intermediate vacuum chamber (24) is located in the region of the molecular beam (6) one end of the capillary (10), which has a preferred inner diameter of 250 microns and to a temperature above 100 ° C, preferably 220 ° C, heated. The heating of the capillary (10) causes the desorption times are kept as low as possible.
  • the gas jet pressure upstream of the capillary (10) is always exactly the same. This arrangement enables quantitative determination of components down to the 10 -7 vol% range.
  • the other end of the capillary (10) is located in the high vacuum chamber (22), in which, for example, a turbomolecular pump (23) a high vacuum, preferably of at least 10 -7 mbar is generated.
  • the capillary end is just in front of an open slot of the octopole guide field (16) in the charge exchange chamber (17).
  • the sample molecular beam (6) passes through the capillary (10) into the charge exchange region (17) of the high-vacuum chamber (22), at the end of the capillary (10) forming a second molecular beam (10). 11).
  • the primary ion beam (12) for the ionization of the molecular beam (11) is formed so that gas is taken from one of the gas reservoirs (13) of mercury, krypton and xenon reduced pressure and the electron impact source (14) comprising hot tungsten filament, anode and Ziehblende out becomes.
  • the resulting primary ion beam (12) is passed through a first octopole guide field (15). Only high molecular weights (primary ions) are guided and the masses of impurities in the gas reservoirs (13) suppressed in order to achieve a high signal-to-noise ratio for the substances to be measured.
  • the primary ion beam (12) is then passed on in a second octopole guide field (16), which has the same transmission for all types of molecules.
  • a sample molecule ion beam (18) is generated in single impact processes at a pressure of on average 10 -4 mbar, the sample molecules are then separated in the quadrupole analyzer (19) according to their mass / charge ratio.
  • the sample molecule ions are then converted in the ion detector (20) to electronically processable electron pulses.
  • the electron pulses are then decoupled (21) for the counting electronics.
  • Octopole arrangements for ion beam based ion mass spectrometers are, for example, in EP 0 290 712 and De 196 28 093 described.
  • exhaled air analyzes were carried out by nine subjects in a clinical test. For this purpose, samples of the exhaled air of each subject were taken so that the subject inhaled and exhaled evenly over the nose a few breaths, then the air for two to three seconds and then stopped the air evenly through a straw, the end of one to two centimeters above the floor of a glass vial with a volume of 20 cm 3 , exhaled.
  • sample vial was closed in each case with a crimp cap by means of a crimping pliers. This occlusion occurred no later than about five seconds after the subject had exhaled into the vial.
  • Sample and reference vials were each placed in an autosampler and pre-thermostated there for at least 10 minutes at 65 ° C.
  • the sample and then the reference vial of the subjects were determined by means of the above-described embodiment of the device according to the invention.
  • the measurement of each vial took place in at least six cycles, ie the content of each vial was determined at least six times.
  • the mean value was then formed from the at least six values obtained for the respective mass.
  • the mean value obtained for the respective comparison vial was then subtracted from the mean value obtained for the sample vial for the respective mass.
  • the normalization of the mean values to the value of CO 2 was then carried out by dividing the mean values by the value obtained for CO 2 .
  • the normalized values were then divided by the maximum value for that mass known for the particular mass from a series measurement on a plurality of subjects. Values between 0 and 1 were obtained for each mass.
  • FIG. 2 The results of the measurements on the nine volunteers are shown graphically.
  • the values of the detected masses are shown in the range from 0 to 102 according to the following code: Black: Value range 0.75 - 1 Dark gray: Value range 0.5 - 0.75 Light gray: Value range 0.25 - 0.5 White: Value range 0 - 0.25
  • FIG. 2 It can be seen that the values for subject 9 differ significantly from the values of the other subjects.
  • the subject 9 had a not clearly defined disease, it was assumed that a septic disease, ie a bacterial infection with the result of liver and Coagulation disorder was present.
  • a septic disease ie a bacterial infection with the result of liver and Coagulation disorder was present.
  • subject 9 suffered brain death and subsequently the definitive death.
  • This example shows that the condition of a subject with a severe health disorder can be determined over that of other subjects.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben, bei dem ein oder mehrere dieser Substanzen in einer gasförmigen Mischung bestimmt werden, ein Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Mischung mit Haupt- und Nebenkomponenten, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren, die ein Massenspektrometer umfaßt.
  • Zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten werden hauptsächlich invasive Verfahren angewendet, d.h. es werden Proben aus dem zu untersuchenden Subjekt entnommen, die dann in Labors analysiert werden. Beispielsweise werden in der modernen medizinischen Diagnostik am menschlichen Körper Zuordnungen zu Krankheitsbildern und Stoffwechselstörungen hauptsächlich durch Blut-, Harn- oder Stuhluntersuchungen vorgenommen. Diese Verfahren haben zum einen den Nachteil, daß sie durch die Probenahme direkt auf das zu untersuchende Subjekt einwirken. Zum anderen erfordern sie teilweise eine aufwendige Probeentnahme wie beispielsweise Blutentnahmen am Menschen durch medizinisches Fachpersonal. Des weiteren kann die Analyse der Probe selbst nur von geschultem Personal durchgeführt werden und die Analysen erfordern meistenteils großen Zeitaufwand.
  • Weiter sind Verfahren wie beispielsweise die 13C-Analytik der menschlichen Ausatemluft zur Bestimmung der gastritischen Heliobakter-Pyloriinfektion unter Verwendung von Massenspektrometern bekannt. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie ganz spezifisch auf die Bestimmung einer bestimmten Komponente ausgerichtet sind und diese nur in einem engen Konzentrationsbereich bestimmen können. Zudem muß vor der Analyse der gasförmigen Mischung vom Probanden noch ein Provokationsmittel eingenommen werden oder nach der Probennahme noch eine Vorbehandlung der Probe wie etwa ein Aufkonzentrieren erfolgen.
  • Im Gebiet der Analyse von gasförmigen Mischungen sind verschiedene Verfahren bekannt, bei denen Massenspektrometer eingesetzt werden, wie beispielsweise die Kopplung von Gaschromatograph und Massenspektrometer (GC/MS). Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie für die Bestimmung mehrerer Komponenten einer gasförmigen Mischung in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen sehr zeitaufwendig und damit kostenintensiv sind.
  • In US 4,018,241 ist ein Gaseinlaßsystem für eine Vakuumkammer, beispielsweise eines Massenspektrometers beschrieben, das zusammen mit einem Massenspektrometer zur Messung von Atemgasen verwendet werden kann.
  • WO 00/74553 beschreibt eine Vorrichtung zur Überprüfung der Kalibrierung eines Gasanalysators, speziell zur Verwendung für Atemproben.
  • In US 3,392,280 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur massenspektroskopischen Identifizierung von Materialien, speziell zur Unterscheidung von Isomeren, beschrieben, bei dem das Probengas mittels eines Ionenstrahls ionisiert wird.
  • B. Krotoszynski et al., J. Chromatograph. Sci. 15 (1977), p. 239-244, XP 904670 beschreibt speziell in Fig. 2 die Durchschnittsskonzentrationen von über 100 organischen Komponenten, die in der menschlichen Ausatemluft vorhanden sind.
  • Im artikel "The Respiratory Mass Spectrometer" von K.T. Farler, Phys. Med. Biol., 1969, Vol. 14, No. 2, 185-199, wird die Verwendung von Massenspektrometern zur Analyse der menschlichen Ausatemluft beschrieben.
  • US 5,032,722 beschreibt ein time-of-flight Massenspektrometer, das eine zusätzliche Massenselektion und/oder einen sekundären Ioniesierungsschritt erlaubt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben, bereitzustellen, das die Nachteile bekannter Verfahren des Standes der Technik vermeidet.
  • Des weiteren ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Analyse von gasförmigen Mischungen bereitzustellen, das die schnelle Bestimmung von Haupt- und Nebenkomponenten der gasförmigen Mischung erlaubt.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Analyse von gasförmigen Mischungen bereitzustellen, die zur Durchführung obengenannter Verfahren geeignet ist und eine schnelle Analyse von Proben gasförmiger Mischungen erlaubt, deren Komponenten in einem weiten Konzentrationsbereich vorliegen.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die oben genannten Aufgaben mit Hilfe eines Massenspektrometers gelöst werden können, bei dem auf die Probe der zu analysierenden gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum einwirkt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt daher ein erstes Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben, zur Verfügung, bei dem zwei oder mehrere dieser Substanzen als Komponenten einer gasförmigen Mischung bestimmt werden,
    wobei die zu analysierende gasförmige Mischung aus Hauptkomponenten und Nebenkomponenten besteht, und die Konzentrationen der Nebenkomponenten die der Hauptkomponenten um mindestens den Faktor 10 unterschreiten,
    wobei jeweils die Konzentration mindestens einer Hauptkomponente und mindestens einer Nebenkomponente der gasförmigen Mischung mittels eines Massenspektrometers bestimmt wird, und, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum einwirkt, und die bei der Bestimmung erhaltenen Werte zur Bestimmung des Zustands ausgewertet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Beurteilung des Zustandes von lebendigen und toten Organismen und deren Teilen sowie Naturprodukten aller Art eingesetzt werden. Unter Naturprodukten werden im Sinne dieser Erfindung natürliche Produkte wie Obst, Gemüse, Fleisch, Kuhmilch etc., durch natürliche Herstellungsverfahren erhaltene Produkte wie z.B. Wein, Bier, Käse, Speiseöl etc., sowie durch Veredelung von natürlichen Produkten erhaltene Produkte wie z.B. Kaffeebohnen, Räucherschinken etc. verstanden.
  • Unter gasförmigen Mischungen werden im Sinne dieser Erfindung Stoffgemische verstanden, die neben bei Raumtemperatur gasförmigen Hauptkomponenten weitere Komponenten enthalten, die sich in der von den Hauptkomponenten gebildeten Gasphase befinden.
  • Massenspektrometer, bei denen ein Ionenstrahl auf eine gasförmige Mischung im Hochvakuum einwirkt, sind beispielsweise aus EP 0 290 711 , EP 0 290 712 und DE 196 28 093 bekannt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß aus dem zu untersuchenden Organismus oder Naturprodukt keine Proben auf künstlichem Wege entnommen werden müssen, wodurch jegliche Verletzung des Organismus oder Naturprodukts vermieden wird. Es handelt sich also um ein nicht-invasives Verfahren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das Verfahren zur Analyse einer Probe eine nur geringe Zeit im Bereich von wenigen Minuten beansprucht. Des weiteren bietet das Verfahren den Vorteil, daß bei Bestimmung von mehreren Komponenten der zu analysierenden gasförmigen Mischung im wesentlichen keine Überlagerungen (Interferenzen) bei der Bestimmung der Komponenten erhalten werden, die eine Analyse einzelner bestimmter Komponenten verhindern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Menschen und Tieren verwendet. Hierbei kommt der Vorteil, daß aus dem zu untersuchenden Gegenstand keine Proben wie zum Beispiel Blutproben entnommen werden müssen, besonders zum Tragen, denn solche Probenentnahmen müssen von geschultem Personal, im Falle des Menschen beispielsweise von Ärzten, durchgeführt werden. Darüberhinaus wird eine solche Probennahme von Menschen und Tieren als unangenehm empfunden. Demgegenüber bietet das erfindungsgemäße Verfahren als nicht-invasives Verfahren den Vorteil, daß zum einen die Probennahme nicht als unangenehm empfunden wird und zum anderen auch von ungeschultem Personal oder auch vom Probanden selbst durchgeführt werden kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird im erfindungsgemäßen Verfahren als gasförmige Mischung die Ausatemluft von Menschen verwendet. Dies bietet den Vorteil, daß zum einen die Probennahme sehr einfach erfolgen kann und daß zum anderen die in der Ausatemluft erhaltenen Substanzen die Beurteilung des Zustandes des Probanden im Hinblick auf eine Vielzahl von Krankheitsbildern und Stoffwechselprozessen ermöglichen.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Konzentration zweier oder mehrerer der in der gasförmigen Mischung enthaltenen Substanzen quantitativ bestimmt. Da das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung mittels eines Massenspektrometers umfaßt, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum einwirkt, sind die Quantitäten der bestimmten Substanzen linear proportional zum detektierten Signal, daher kann die quantitative Detektion in einfacher Weise erfolgen. Die quantitative Bestimmung bietet darüberhinaus den Vorteil, daß damit weitergehende Aussagen zum Zustand des Organismus oder Naturprodukts getroffen werden können. Insbesondere können bei Mehrfachmessungen in zeitlicher Abfolge Veränderungen der Konzentrationen von Substanzen und damit Veränderungen des Zustands des Organismus oder Naturprodukts festgestellt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Probe der gasförmigen Mischung ohne Vorbehandlung dem Massenspektrometer zugeführt. Dies bietet die Vorteile, daß zum einen die Zeiterfordernis für die Messung einer Probe minimiert wird und zum anderen keine weiteren Kosten durch Vorbehandlungsschritte, wie etwa dem Aufkonzentrieren, der Probe entstehen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die zu analysierende gasförmige Mischung aus Hauptkomponenten und Nebenkomponenten wobei die Konzentrationen der Nebenkomponenten die der Hauptkomponenten um mindestens den Faktor 10, vorzugsweise 50, weiter bevorzugt 100, unterschreiten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die zu analysierende gasförmige Mischung aus jeweils mindestens einer Hauptkomponente im Konzentrationsbereich von ≥ 0,1 Vol%, vorzugsweise ≥ 1 Vol%, und mindestens einer Nebenkomponente im Konzentrationsbereich von ≤ 0,1 Vol%, vorzugsweise ≤ 0.03 Vol%, wobei die Konzentration von jeweils mindestens einer der Haupt- und Nebenkomponenten bestimmt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Konzentration von wenigstens einer der Haupt- und einer der Nebenkomponenten quantitativ bestimmt. Bevorzugt wird die Konzentration von wenigstens einer der Haupt- und einer Vielzahl der Nebenkomponenten quantitativ bestimmt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Hauptkomponenten der zu analysierenden gasförmigen Mischung im wesentlichen gleich denen der atmosphärischen Luft. Weiter bevorzugt sind auch die Konzentrationen die Hauptkomponenten der zu analysierenden gasförmigen Mischung im wesentlichen gleich denen der atmosphärischen Luft.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden von der zu analysierenden gasförmigen Mischung alle Komponenten, die bei der Detektion im Massenspektrometer eine molekulare Masse von bis zu 500, vorzugsweise eine molekulare Masse von bis zu 200 aufweisen, quantitativ detektiert.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen atomaren Ionenstrahl.
  • Weiter bevorzugt umfaßt der Ionenstrahl Ionen, die sich im elektronischen Grundzustand und/oder in einem selektiv angeregten metastabilen Zustand befinden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, wenigstens zwei Ionenstrahlen mit verschiedenem Ionisationspotential.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl und zusätzlich einen Kr-Ionenstrahl und/oder einen Xe-Ionenstrahl.
  • Weiter bevorzugt wirken die verschiedenen Ionenstrahlen nacheinander auf die Probenmoleküle im Hochvakuum ein.
  • Bevorzugterweise werden mit dem vorliegenden Verfahren Stoffe mit einem Ionisierungspotential < 17 eV bestimmt.
  • Weiter bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nur Stoffe bestimmt, die bei Raumtemperatur einen Dampfdruck von mindestens 10-3 mbar aufweisen.
  • Bevorzugterweise erfolgt die Auswertung der erhaltenen Werte so, daß die Konzentration der Nebenkomponenten auf die Konzentration von mindestens einer der Hauptkomponenten bezogen wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt gemäß Anspruch 2 des weiteren ein zweites Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Mischung zur Verfügung.
  • Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß es eine schnelle und simultane Bestimmung von Haupt- und Nebenkomponenten eines Gasgemisches erlaubt und daher umfassende Aussagen über das Gasgemisch ermöglicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird für die Auswertung der durch das Massenspektrometer erhaltenen Daten eine Korrelation zwischen mindestens einer Hauptkomponente und mindestens einer Nebenkomponente hergestellt. Dies bietet beispielsweise den Vorteil, daß die Auswertung der Daten durch eine Normierung der Daten der Nebenkomponenten auf die der Hauptkomponenten erfolgen kann. Des weiteren kann beispielsweise durch den Anteil an Hauptkomponenten auf fehlerhafte Proben geschlossen und diese ausgesondert werden.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind auch die für das erste erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen, die für das zweite anwendbar sind.
  • Die vorliegende Erfindung stellt des weiteren eine Vorrichtung zur Analyse von gasförmigen Mischungen zur Verfügung, die ein Massenspektrometer mit einem Gaseinleitungssystem umfaßt, worin aus der zu analysierenden Probe der gasförmigen Mischung ein Molekularstrahl in einem Zwischenvakuum erzeugt wird, aus dem dann mittels eines Druckgradienten in einer Kapillare ein zweiter Molekularstrahl im Hochvakuum erzeugt wird, welcher von einem Ionenstrahl ionisiert wird, wobei der Druck des Zwischenvakuums konstant gehalten wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß der in den im Hochvakuum befindlichen Analysator des Massenspektrometers gelangende zweite Molekularstrahl eine konstante Teilchendichte aufweist. Auf diese Weise wird die Viskosität des zweiten Probenmolekularstrahls konstant gehalten. Des weiteren wird mit der Vorrichtung eine hohe Dichte des zweiten Probenmolekularstrahls erreicht, wobei gleichzeitig bei der Einwirkung des Ionenstrahls auf den Probenmolekularstrahl Einzelstoßbedingungen herrschen. Somit kann zum einen die Empfindlichkeit des Massenspektrometers bis in den ppb-Bereich erhöht werden und gleichzeitig auch Komponenten von gasförmigen Mischungen im Volumenprozentbereich bestimmt werden.
  • Des weiteren ist das Gaseinleitungssystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung inert gegenüber den in der Probe der gasförmigen Mischung enthaltenen Komponenten, so daß keine Spülung des Systems vor der Messung einer neuen Probe erfolgen muß.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, wenigstens zwei Ionenstrahlen mit verschiedenem Ionisationspotential.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen atomaren Ionenstrahl.
  • Weiter bevorzugt umfaßt der Ionenstrahl Ionen, die sich im elektronischen Grundzustand und/oder in einem selektiv angeregten metastabilen Zustand befinden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl und zusätzlich einen Kr-Ionenstrahl und/oder einen Xe-Ionenstrahl.
  • Weiter bevorzugt wirken die verschiedenen Ionenstrahlen nacheinander auf die Probenmoleküle im Hochvakuum ein.
  • Die erfindungsgemäßen Verfahren umfassen vorzugsweise die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Im folgenden sind Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung angegeben.
  • In der menschlichen Ausatemluft befinden sich neben den Hauptkomponenten Stickstoff, Sauerstoff, Wasser und CO2 mehr als 400 flüchtige Substanzen. Stickstoff und Sauerstoff bilden zusammen mehr als 90% der Ausatemluft, CO2 ist etwa zu 5% vorhanden und Wasser kann in Konzentrationen bis zu 40 mg/l bei 37° C vorhanden sein. Demgegenüber sind die meisten anderen flüchtigen Substanzen in der Atemluft nur als Nebenkomponenten in Konzentrationen deutlich unterhalb derer der Hauptkomponenten vorhanden. Speziell die Nebenkomponenten der Atemluft lassen aber umfassende Rückschlüsse bezüglich des Gesundheitszustandes des Menschen bzw. der im Menschen ablaufenden Stoffwechselprozesse zu.
  • So kann beispielsweise ein erhöhter Gehalt an Methan in der Atemluft durch die Fehlbesiedlung des Dünndarms mit Dickdarmbakterien verursacht werden, welche dann im Dünndarm Methan produzieren, der über die Blutbahn in die Lunge und damit in die Ausatemluft gelangt. Ferner können erhöhte Methanwerte auch bei bestimmten Arten von Fehlernährung auftreten.
  • Bei Diabetikern ist in der Ausatemluft der Gehalt an Aceton erhöht.
  • Bei Krebszellen im Körper kann es zu einer Erhöhung des Aldehydanteils in der Ausatemluft kommen.
  • Bei Hepatitis-Patienten ist der Propanolgehalt im Verhältnis zum Ethanolgehalt in der Ausatemluft etwa um einen Faktor 10 erhöht.
  • Der Pentanspiegel in der Ausatemluft ist ein Maß für Veränderungen der Lipidaseaktivität im Körper und dadurch bedingte Erkrankungen. So wird beispielsweise bei rheumatischen Entzündungen, bei Lungenverletzungen durch Einatmen von hohen Sauerstoffkonzentrationen, bei Herzinfarktpatienten und bei Patienten mit Krebs der Atmungsorgane ein erhöhter Pentanspiegel nachgewiesen. Der Pentangehalt in der Ausatemluft kann auch bei Schizophrenie und multipler Sklerose erhöht sein. Darüberhinaus ist ein linearer Zusammenhang zwischen dem Alter von Probanden und dem Pentangehalt in deren Ausatemluft festgestellt worden.
  • Bei Schizophreniepatienten wird auch ein erhöhter Gehalt an CS2 und H2S in der Ausatemluft festgestellt.
  • Bakterielle Belastungen, die Entzündungsherde hervorrufen, bewirken einen erhöhten Gehalt an NO in der Ausatemluft.
  • Veränderungen des NO und NO2-Gehalts der Ausatemluft wird bei Gastrointestinalen Erkrankungen festgestellt.
  • Bei Asthmatikern ist ebenfalls der Gehalt an NO in der Ausatemluft erhöht.
  • Bei hämolytischen Erkrankungen beispielsweise bei Neugeborenen ist der CO-Gehalt in der Ausatemluft erhöht.
  • Bei Lungenkrebspatienten ist der Gehalt an bestimmten flüchtigen organischen Verbindungen erhöht.
  • Bei Rauchern ist der Gehalt an 2,5-Dimethylfuran in der Ausatemluft erhöht.
  • Des weiteren ist bei Foetor ex ore (übler Mundgeruch bei lokalen Ursachen im Mund und Nasen-Rachen-Raum), sowie bei Halitose (übler Geruch der Atemluft) eine starke Veränderung der Atemluftkomponenten festzustellen. Bei diesen Krankheiten kann durch Vergleichsmessung der menschlichen Ausatemluft, ausgeatmet einmal durch den Mund und einmal durch die Nase, festgestellt werden, ob es sich um eine lokale Ursache im Mund - Rachen- oder Nasenraum handelt oder ob eine sonstige Krankheit vorliegt.
  • Ein erhöhter Gehalt an Ketonen in der Ausatemluft wird detektiert, wenn durch gesteigerte Lipolyse das Fettsäureangebot im Körper hoch ist. Dies kann auf verschiedene Ursachen wie zum Beispiel Hunger oder Insulinmagel (Diabetes Mellitus) zurückgeführt werden.
  • Bei Ketonurie wird ebenfalls eine erhöhte Konzentration an Ketonkörpern (Acetacetat, R3 Hydroyxbutyrat und Aceton) festgestellt. Dies ist auf die Glykogenarmut der Leber in Folge Versagens des Kohlehydratstoffwechsels zurückzuführen. Bei Ketoacidose, wie sie zum Beispiel bei Coma diabeticum, Hungerzuständen oder Alkoholismus vorliegt, kann ein erhöhter Gehalt an Propionsäure und Buttersäure in der Ausatemluft festgestellt werden.
  • Bei chronischer Niereninsuffizienz und Urämie ist ein erhöhter Gehalt an beispielsweise Phenolen in der Ausatemluft bestimmbar.
  • Auch die Stoffwechselprodukte von im menschlichen Körper befindlichen Bakterien wie zum Beispiel CO2 und H2 (Escherichia coli) oder H2S (Proteus) können in der Ausatemluft gefunden werden. Speziell bei der Infektion durch Clostridien (Gasbrandbakterien) können flüchtige Fettsäuren detektiert werden.
  • Nach der Aufnahme von Lipid-Proteinhaltiger Nahrung wird ein im Vergleich zu vor der Nahrungsaufnahme verminderter Aceton- und NH3-Gehalt festgestellt, der erst langsam wieder ansteigt. Direkt nach der Nahrungsaufnahme kann ein erhöhter Gehalt an Ethanol festgestellt werden. Der Gehalt an Isoprene und Methanol bleibt im wesentlichen unverändert.
  • Bei der Unverträglichkeit gegenüber bestimmten Zuckern kann nach deren Aufnahme durch Probanden ein erhöhter Gehalt an H2 in der Ausatemluft festgestellt werden.
  • Bei Müdigkeit wird ein erhöhter Gehalt an Isopren festgestellt.
  • Bei Gebrauch von stimmungsaufhellenden Pharmazeutika kann eine erhöhte Anzahl an Aminverbindungen in der Atemluft vorhanden sind. Demgemäß kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Kontrolle von Piloten, Bahn- oder Busfahrern bereits vor dem Führen des jeweiligen Fortbewegungsmittels eingesetzt werden.
  • Bei der Einnahme von Dopingmitteln beispielsweise durch Spitzensportler vor Wettkämpfen ist ebenfalls die Zusammensetzung der Ausatemluft gegenüber nicht gedopten Sportlern verändert. Somit können auch Sportler bereits vor den Wettkämpfen auf die Einnahme von Dopingmittel hin überprüft werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann also zur Diagnose von Krankheitsbildern und Stoffwechselstörungen im menschlichen Körper aller Art eingesetzt werden.
  • Des weiteren können durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Überwachung des Stoffwechsels von Organismen bei Einnahme von Pharmazeutika, die Überwachung von therapeutischen Maßnahmen wie z.B. die fortlaufende Kontrolle von Heilungsprozessen, sowie auch zur Überwachung von Provokationstests, bei denen eine Substanz in einer bestimmten (hohen) Dosis verabreicht wird und die Reaktion des Körpers auf diese Substanz verfolgt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Analyse der Ausatemluft von Menschen beschränkt, sondern es können auch beispielsweise auch Proben von menschlichen gasförmigen Gemischen anderer Natur wie beispielsweise der Ausdünstungen und des Schweißes, sowie der Gasphasen von Harn, Blut, Faeces und anderer Körperflüssigkeiten erfolgen.
  • Dabei kann die Probenahme im Falle der Analyse des Schweißes beispielsweise so erfolgen, daß dieser vom Proband mittels eines Wattebausches aufgenommen, und die Gasphase über dem Wattebausch analysiert wird.
  • Des weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Qualitätskontrolle von Naturprodukten aller Art eingesetzt werden, wo beispielsweise bei Auftreten von bestimmten gasförmigen Substanzen in der Gasphase über dem Naturprodukt auf eine Zersetzung des Produkts geschlossen werden kann. Beispielsweise wird bei der Analyse der Gasphase über frischem Fleisch zunächst Milchsäure festgestellt, mit zunehmendem Alter dann zunehmend NH3 und schließlich S-Verbindungen.
  • Eine weitere denkbare Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Detektion von BSE-kranken Tieren beispielsweise über die veränderte Zusammensetzung von deren Ausatemluft.
  • Weitere Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Artikel von B. Krotoszynski et al., J. Chromatograph. Sci. 15 (1977) 239 - 244, in dem Diagnosemöglichkeiten durch die Analyse von menschlicher Ausatemluft beschrieben werden.
  • Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Verfahren und die Vorrichtung im Detail beschrieben. Die vorliegende detaillierte Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Analyse der menschlichen Ausatemluft.
  • Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Zeichnung.
  • Figur 2 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Messungen des Beispiels.
  • Die Probennahme und die Probenzuführung zum Massenspektrometer kann zum einen so erfolgen, daß eine direkte Verbindung zwischen dem Gasraum, in dem sich das zu analysierende Gasgemisch befindet und dem Massenspektrometer hergestellt wird. Im Falle der Analyse von menschlicher Ausatemluft kann dies mit Hilfe einer Atemmaske geschehen, wie beispielsweise in WO 99/20177 beschrieben ist.
  • Durch diese Atemmaske wird die von einem Probanden ausgeatmete Atemluft direkt dem Massenspektrometer zugeführt. Auf diese Weise können online-Echtzeitdaten der Atemluftkomponenten des Probanden gewonnen werden, da die Anprechzeit des Massenspektrometers auf Veränderungen der zugeführten gasförmigen Mischung im Bereich von Millisekunden liegt. So können beispielsweise schnell fortschreitende Stoffwechseländerungen des Probanden wie zum Beispiel der schnelle Abbau eines leicht abbaubaren Pharmazeutikums direkt beobachtet werden.
  • Dieses Verfahren (Online-Verfahren) kann beispielsweise in der Notfallmedizin eingesetzt werden, beispielsweise zur Detektion von sich rasch verschlechternden Gesundheitszuständen. Eine weitere Anwendung des Online-Verfahrens kann die Echtzeitüberwachung von Stoffwechselvorgängen beispielsweise nach einem Provokativtest sein.
  • Die Probennahme kann auch so erfolgen, daß Proband und Massenspektrometer zeitlich und/oder räumlich voneinander getrennt sind, so daß die Ausatemluftprobe zunächst in einem geeigneten Gefäß aufbewahrt werden muß. Dazu werden bevorzugt Vials aus Glas mit einem bevorzugten Volumen von 20 ml verwendet.
  • Diese Vials weisen die Vorteile auf, daß sie zum einen sehr kostengünstig sind, wodurch sie für eine Einmalbenutzung geeignet sind. Des weiteren weisen sie im Vergleich zu anderen Gasbevorratungssystemen ausgezeichnete Inertheit auf und sie sind mit Hilfe eines Autosamplers sehr leicht handhabbar.
  • Die Probennahme erfolgt so, daß der Proband gleichmäßig (bevorzugt durch die Nase) ein und durch einen gängigen Trinkstrohhalm etwa 1 bis 2 cm über dem Gefäßboden in das Vial ausatmet. Das Vial wird danach luftdicht verschlossen. Dies geschieht bevorzugt mit einer Bördelkappe, die nach der Probennahme fest mit dem Glasvial verbördelt wird. Dabei wurde festgestellt, daß eine Zeit von einigen Sekunden, in denen das Vial nach dem Ausatmen des Probanden noch unverschlossen ist, keine negative Auswirkungen, wie eine Veränderung der Zusammensetzung, auf die vom Probanden ausgeatmete gasförmige Mischung haben.
  • Die Bördelkappe ist bevorzugt so ausgebildet, daß sie in dem Bereich, wo ein direkter Kontakt der Kappe mit dem Gefäßinnenraum, das heißt mit der ausgeatmeten gasförmigen Mischung stattfindet, vollständig mit Teflon bedeckt ist. Die Öffnung des Glasvials ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß sein oberer Rand eine konisch nach außen abfallende Form besitzt. Damit kann die Bördelkappe so ausgebildet werden, daß sie einen äußeren Ring von Butylgummi umfaßt, der sich an die konische Aussenwand des Vials elastisch anschmiegt und somit abdichtend wirkt. Durch diese bevorzugte Ausführungsform der Glasvialabdichtung ist ein Höchstmaß an Inertheit gegenüber der vom Probanden ausgeatmeten gasförmigen Mischung gewährleistet.
  • Um die Zusammensetzung der Umgebungsluft, in der sich der Proband befindet, und eventuelle Kontaminationen in dieser Umgebungsluft feststellen zu können, wird parallel zum dem mit ausgeatmeter Atemluft des Probanden gefüllten Glasvial ein zweites Vial, das nicht mit der Atemluft des Probanden in Berührung gekommen ist, in der Umgebung des Probanden verschlossen (Vergleichsvial).
  • In den verschlossenen Glasvials kann die Ausatemluft des Probanden mehrere Tage ohne Qualitätsverlust aufbewahrt werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, die Proben vom behandelnden Arzt zum Auswertelabor zu befördern. Diese Art der Probennahme wird auch als Offline-Verfahren bezeichnet. Die Probennahme weist den Vorteil auf, daß sie aufgrund ihrer Einfachheit auch von ungeschulten Personal durchgeführt werden kann.
  • Bei der Bestimmung des Zustands von Naturprodukten kann die Probenahme ebenfalls offline oder online erfolgen. Beispielsweise kann bei der offline Probenahme ein Glasvial, das einige Zeit mit der Gasphase unmittelbar über dem zu untersuchenden Produkt in Kontakt gestanden hat, verschlossen werden.
  • Zur Zuführung der Proben zum Massenspektrometer werden die Proben zunächst beispielsweise auf einen Autosampler montiert. Dies kann beispielsweise eine modifizierte CNC-Anlage des Typs "step-4 fräse basic 540" sein, die so modifiziert wurde, daß sie 70 Proben bestehend aus je 70 Probe- und Vergleichsvials vollautomatisch sampelt.
  • Die Probe wird vor der Zuführung zum Massenspektrometer vorzugsweise auf eine höhere Temperatur als Raumtemperatur, weiter bevorzugt 65 °C, erwärmt. Dies bietet den Vorteil, daß einerseits die Reproduzierbarkeit in der Analytik der Proben ansteigt, und andererseits die wasserlöslichen, das heißt, die in der Feuchte der ausgeatmeten Luft gelösten polaren Verbindungen wesentlich besser in die Gasphase treten können.
  • Das Gas gelangt über eine heiße Kapillare, die eine höhere Temperatur als der Autosampler aufweist, zum Gaseinleitungssystem, das wiederum eine höhere Temperatur als die Kapillare aufweist. Die durch die Kapillare hindurch tretende Gasmenge beträgt maximal etwa 5 ml/min. Das Gaseinleitungssystems des Massenspektrometers ist so beschaffen, daß es Druck- und Viskositätsschwankungen ausgleicht, so daß in den Analysator des Massenspektrometers immer die gleiche Teilchendichte injiziert wird.
  • Zur Analyse der gasförmigen Probenmischungen werden Massenspektrometer verwendet, bei denen im Hochvakuum ein Ionenstrahl auf die Probemoleküle einwirkt. Bei dieser Art des Massenspektrometers ist zum Erhalt von quantitativen Konzentrationswerten für die einzelnen detektierten Massen keine Kalibrierung notwendig. Es erfolgt also eine direkte Absolutangabe der Konzentrationen. Das erfindungsgemäße Massenspektrometer erlaubt weiterhin eine lineare Detektion der Konzentrationen der Massen im Konzentrationsbereich von 10-7 Vol% (ppb) bis zu 102 Vol%, d.h. in einem Umfang von 109. Dies bedeutet, daß aus der Messung direkt die Quantitäten der bestimmten Massen erhalten werden.
  • Die Komponenten der gasförmigen Mischung werden im Massenspektrometer entsprechend ihrer molekularen Masse detektiert. Dazu wird das Probengas in eine Hochvakuumkammer eingeführt und in Ionen überführt, welche nachfolgend entsprechend ihrer Masse durch elektromagnetische Felder selektiert werden und in einem Teilchenzähler gezählt werden.
  • Die Einwirkung eines Ionenstrahls auf den Molekularstrahls der Probe der gasförmigen Mischung im Hochvakuum umfaßt bevorzugt einen Hg-Ionenstrahl. Der Hg-Ionenstrahl weist eine Ionisierungsenergie von 10,4 eV auf, die für die Ionisation von über 90% der zu bestimmenden Verbindungen ausreichend ist. Demgegenüber werden die Hauptkomponenten der Ausatemluft wie N2 und O2 nicht ionisiert, sondern selektiv nur die in der Ausatemluft enthaltenen Nebenkomponenten, welche somit ausschließlich detektiert werden. Dies ermöglicht eine quantitative Bestimmung auch von Komponenten, die nur in Spuren bis zu 10-7 Vol% vorhanden sind. Des weiteren werden durch den Hg-Ionenstrahl sehr wenige Verbindungen fragmentiert.
  • Da verschiedene Moleküle identische Molekulargewichte haben können, wie zum Beispiel N2 und CO, oder Formaldehyd und NO, oder CO2 und NO2 ist bevorzugt, daß das Massenspektrometer unterschiedliche Ionisationslevels, das heißt mindestens zwei primäre Ionenstrahlen benutzt, um zwischen Molekülen mit identischer Masse unterscheiden zu können. Diese Unterscheidung beruht auf dem Prinzip, daß jedes Molekül eine individuelle Ionisierungsenergie besitzt, bei der das Molekül in ein Ion transformiert wird.
  • Weiter bevorzugt werden ein Hg-Ionenstrahl zusammen mit einem Kryptonionenstrahl und/oder einem Xenonionenstrahl eingesetzt. Die Abfolge der verschiedenen Ionenstrahlen bei der Messung kann in beliebiger Reihenfolge erfolgen.
  • Demnach können mit einem Kryptonionenstrahl, der eine Energie von 13,9 eV aufweist beispielsweise die Moleküle N2 und CO, die identische Masse besitzen, aufgrund ihrer unterschiedlichen Ionisierungspotentiale von 14,2 eV (N2) und 13,7 eV (CO) unterschieden werden.
  • Ein weiterer Separierungseffekt kann durch die Bildung von definierten Fragmentionen erreicht werden. So wird beispielsweise zwischen den massenidentischen Molekülen Methanol und O2 durch die Ionisation mit einem Xenonionenstrahl (12,2 eV) unterschieden, welcher ein O2 +-Ion mit der Masse 32 und ein CH3O+-Ion mit der Masse 31 bildet. Höhere Kohlenwasserstoffe benötigen beispielsweise Ionisationsenergien im Bereich von 10 eV wie sie von einem Quecksilberionenstrahl mit einer Energie von 10,4 eV generiert werden.
  • Die Messung der Proben der gasförmigen Mischungen erfolgt so, daß die Konzentrationen sämtlicher Massen bis zu einem Molekulargewicht nach der Ionisation von 500, vorzugsweise 200, quantitativ bestimmt werden.
  • Bei Atemluftproben von menschlichen Probanden wurden bei der Messung von 200 möglichen Massen 100 Massen am Massenspektrometer detektiert. Zu diesen Massen konnten bisher die Verbindungen Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser, Ethanol, Isopren, Methan, Aceton, Ammoniak, Ameisensäure, Essigsäure, Acetaldehyd, Acetylen, Acetonitril, Benzol, Methylamin, Formaldehyd, Schwefelwasserstoff, Salpetrige Säure, Methanol, Sauerstoff, Propanol, Toluol, Methyl-, Ethylgruppe, Stickstoffmonoxid, protoniertes Wasser als Wasseraddukt, Acetylgruppe, Formylgruppe, Formaldehyd*protoniertes Wasser, Pyridin, Pentan, Cyclopentan, Methylethylketon, Propionsäure, Buttersäure, Methylmercaptan, Ethylen, Distickstoffmonoxid, Propan und Schwefeldioxid zugeordnet werden.
  • Diese Substanzen können einzeln, in Gruppen oder insgesamt qualitativ und quantitativ bestimmt werden, ohne daß Interferenzen zwischen den einzelnen bestimmten Komponenten erfolgen, d.h. ohne daß die quantitative Bestimmung einer Komponente durch das Vorliegen einer der anderen Komponenten gestört wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet weiterhin den Vorteil, das chemische Verbindungen aller Art, dh. beispielsweise Säuren und Basen, polare und unpolare Stoffe, simultan mit einer Messung vermessen werden können.
  • Von großer Bedeutung ist für die Analyse von Ausatemluftproben die Validierung der Proben, das heißt die Detektion bzw. das Verwerfen von kontaminierten oder aus anderen Anlässen unbrauchbaren Proben. Dazu wird zunächst der CO2-Gehalt der Probe festgestellt. Bei einer Entnahmetemperatur des Probegasgemisches aus dem Vial von 65° ergibt sich normalerweise ein CO2-Gehalt von etwa 2 bis 3,5 Vol%. Es wurde festgestellt, daß dieser CO2-Wert bei normalen Ausatemproben nur im Bereich von etwa 10 % schwankt. Liegt daher der gemessene CO2-Gehalt signifikant außerhalb dieses Normalbereichs, so ist davon auszugehen, daß entweder das Probenvial unsachgemäß verschlossen oder unsachgemäß gehandhabt wurde oder aber der Proband eine falsche Atemtechnik angewandt hat, so daß nicht die Ausatemluft der Lunge erfaßt wurde. Mittels dieses und analoger Kriterien können verfälschte Proben verworfen werden.
  • Mit Hilfe der Analyse des zweiten Vergleichsvials mit der den Probanden umgebenden Raumluft (ohne Ausatemluft des Probanden) kann festgestellt werden, mit welchen Substanzen die umgebende Raumluft verunreinigt war. Dementsprechend können bei zu hoher Kontamination mit bestimmten Stoffen auch solche Proben verworfen werden.
  • Die Validierbarkeit der Messungen über die obengenannten oder weitere Kriterien ist speziell für den medizinisch-diagnostischen Bereich von äußerster Wichtigkeit, da sie Aussagen über die Qualität der Probe erlauben und somit das Risiko von Fehlmessungen und damit von falschen Aussagen über den Zustand des Probanden erheblich vermindern. Neben der Bestimmung des CO2 können routinemäßig auch N2, O2, sowie H2O als Hauptkomponenten aus Atemluft bestimmt werden.
  • Der Meßvorgang wird jeweils mindestens fünfmal für ein Proben- bzw. Vergleichsvial wiederholt (5 Zyklen) und die Mittelwerte aus diesen Zyklen gebildet. Ein Zyklus dauert dabei für die Messung von 200 Massen etwa eine Minute.
  • Während des Meßvorganges wird zuerst das Probenvial und anschließend das Vergleichsvial bestimmt. Aus den Ergebnissen der Meßzyklen werden jeweils die Mittelwerte gebildet.
  • Ergibt die Bestimmung des Vergleichsvials, daß eine Kontamination der Umgebungsluft des Probanden vorgelegen hat, so kann die Probe entweder verworfen oder die Menge der als Kontamination vorhandenen Komponente in der Ausatemluftprobe aus der Differenz (Probevial minus Vergleichsvial) erhalten werden. Dieser Ansatz ermöglicht, allfällige Kontaminationen in den Vials zu eliminieren, da die Differenz von gleichen Kontaminationen Null ergibt und Ergebnisse, die aus Atemluft und Kontaminationen bestehen, dem tatsächlich ausgeatmeten Wert entsprechen.
  • Einige Kontaminationskomponenten der Umgebungsluft können aber auch durch die Lunge absorbiert werden und in der Ausatemluft daher eine niedrigere Konzentration als in der Umgebungsluft aufweisen. Bei solchen Kontaminationen kommt es i.a. bei Überschreiten einer gewissen Konzentration in der Umgebungsluft dazu, daß sie nicht mehr absorbiert werden können. Man erhält somit bei Messung der Ausatemluft in Abhängigkeit der Konzentration der Kontamination eine Durchbruchskurve.
  • Bei der Messung von Ausatemluftproben wurde festgestellt, daß zum einen die detektierten Konzentrationen von nicht oder schwer wasserlöslichen Substanzen wie CO2 vom ersten Zyklus zum letzten Zyklus hin kontinuierlich abfallen. Dies entspricht der Tatsache, daß durch die Entnahme der Probe aus dem Vial die Konzentration dieser Stoffe im Vial abnimmt. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, daß die detektierten Konzentrationen von Wasser und wasserlöslichen Stoffen über alle Meßzyklen hin in etwa konstant sind. Eine mögliche Erklärung dafür könnte die Tatsache sein, daß in den Glasvials an den Glaswänden adsorbiertes Wasser/wasserlösliche Stoffe bei die ursprüngliche Konzentration dieser Komponenten nach Entnahme wiederherstellen. Damit besteht für diese Komponenten ein gewisses Reservoir in den Glasvials. Diese Feststellung bildet ein weiteres Kriterium für die Validierung von Atemluftproben, da bei Proben mit einem anderen als dem geschilderten Analyseverhalten darauf geschlossen werden kann, daß die Atemluftprobe nicht korrekt gewonnen oder auf sonstige Weise verfälscht worden ist. Solche Proben können daher erkannt und gegebenenfalls verworfen werden.
  • Die Auswertung der Daten erfolgt so, daß die gemessenen quantitativen Werte für die Komponenten, die entweder ihrer Masse nach oder auch ihrer chemischen Natur nach bestimmt sind, mit den Normalwerten der jeweiligen Komponente verglichen werden. Somit können Abweichungen des Gehalts von Komponenten in der Ausatemluft des jeweiligen Probanden vom Normalzustand festgestellt werden. Werte außerhalb des Normalwertebereichs der jeweiligen Komponente können dann Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand des Probanden zulassen.
  • Die Normalwerte können beispielsweise durch Reihenmessungen an einer Vielzahl von Probanden zur Bestimmung des Normalzustandes der menschlichen Atemluft erhalten werden. Die Normalwerte können auch der Literatur entnommen werden, soweit diese bekannt sind. Die Normalwerte umfassen im allgemeinen einen bestimmten Bereich.
  • Bevorzugterweise werden die für die Komponenten gemessenen quantitativen Werte auf den Wert einer der Hauptkomponenten der gasförmigen Mischung, vorzugsweise CO2, normiert. Durch die Normierung wird ein Bezug des Gehalts der einzelnen Komponenten auf die tatsächlich ausgeatmete Menge an Atemluft pro Proband erreicht. Dies hat den Vorteil, daß Werte zwischen verschiedenen Probanden und auch Werte, die durch zeitlich versetzte Messungen der Atemluft eines Probanden erhalten wurden, miteinander verglichen werden können.
  • Weiter bevorzugt wird der nach der Normierung ermittelte Wert durch den für menschliche Probanden bekannten Maximalwert geteilt. Damit ergeben sich jeweils Werte für die einzelnen Komponenten zwischen 0 bis 1. Dadurch wird die Auswertung weiter vereinfacht und für das auswertende Fachpersonal (Ärzte) übersichtlicher.
  • Weiter bevorzugt werden zwischen den gemessenen Werten einzelner Komponenten Korrelationen hergestellt, um bestimmte Krankheitsbilder zu erfassen. Beispielsweise kann das Ethanol/Propanal-Verhältnis bestimmt werden, um so Aussagen über eine eventuelle Hepatitisinfektion zu ermöglichen.
  • Ein besonderer Vorteil des Verfahrens bei Bestimmung aller Komponenten in einem gewissen Massenbereich besteht darin, daß ein Gesamtüberblick über verschiedenste Krankheitsbilder und Stoffwechselvorgänge erhalten wird. So ist beispielsweise bekannt, daß bei Schizophreniepatienten sowohl der Pentangehalt als auch der Gehalt an H2S und CS2 in der Ausatemluft erhöht, so daß bei simultaner Bestimmung dieser Komponenten andere Krankheitsbilder ausgeschlossen werden können, bei denen nur der Gehalt an einer dieser Komponenten erhöht ist.
  • Bei den beobachtbaren Stoffwechselvorgängen (Metabolismen) kann es sich sowohl um Aufbauvorgänge (Anabolismen) als auch um Abbauvorgänge (Katabolismen) handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, daß es auch von ungeschultem Personal durchgeführt werden kann, was zu einer Kosteneinsparung führt.
  • Die Auswertung der Messungen erfolgt vorteilhafterweise EDV-gestützt.
  • Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt ein Gaseinlaßsystem mit einer flexiblen Gastransferkapillare (3), die bevorzugt aus fused silica besteht, einen Innendurchmesser von 250 Mikrometer aufweist und in einem Viertelzoll Teflonschlauch plaziert ist. Im Teflonschlauch befindet sich außerdem ein Heizdraht. Die Kapillare (3) ist mit Kanüle (2) zur Probenentnahme aus einem Probenvial (1) verbunden. Die verschiedenen Komponenten bis hin zur Lochblende (5) weisen dabei in Richtung des Gasflusses jeweils höhere Temperatur auf. Bevorzugterweise werden das Probenvial (1) auf 65 °C, die Kanüle (2) auf 85 °C und die Gastransferkapillare (3) auf 100 °C aufgeheizt. Dadurch werden im gesamten System vom Probenvial bis ins Massenspektrometer Kondensationseffekte ausgeschlossen und ein effizienter Gastransfer gewährleistet. Der geringe Durchmesser der Kapillare ermöglicht ausserdem, daß geringste Gasmengen aus dem Probenvial entnommen werden können. Während des Meßvorgangs, welcher abhängig von der Anzahl der Verbindungen von wenigen Sekunden bis zu 15 Minuten reichen kann, entsteht auf diesem Wege ein Gradientenvakuum, das je nach Dampfdruck der einzelnen Komponente eine selektive Konzentrationserhöhung und damit bessere Nachweisgrenzen bewirkt. Das Gaseinlaßsystem weist den Vorteil auf, daß es den zu analysierenden gasfömigen Mischungen gegenüber inert ist und damit keine Memory-Effekte besitzt. Daher ist zur Analyse einer neuen Probe kein Spülen des Systems notwendig.
  • Vorzugsweise ist der Gasfluß durch die Kapillare (3) auf höchstens 5 ml/min begrenzt. Im Bereich vor der Lochblende herrscht ein Druck von etwa 700 mbar, falls im Probenvial vor der Probenahme Atmosphärendruck geherrscht hat. Bei Verwendung eines Autosamplersystems wird die Kanüle (2) von einem Roboter zu dem gewünschten Probenvial gesteuert.
  • Weiter befinden sich im Bereich vor der Lochblende (5) Gasschaltventile (4), über die Nullgas und Kalibriergase, vorzugsweise bis zu einem Druck von maximal 1,5 bar, zugegeben werden können. Jedoch muß der Gesamtgasstrom größer als die Rückdiffusion sein.
  • Im Bereich nach der Lochblende (5), die bevorzugt einen Durchmesser von 300 Mikrometer aufweist und mittels eines Laserstrahls erzeugt wurde, wird durch die Pumpe (9), die bevorzugt eine zweistufige, ölfreie Vakuumpumpe mit 0,2 bis 200 mbar Eigendruck ist, ein Druck von etwa 20 mbar erzeugt.
  • Somit wird bei Einstechen der Kanüle (2) in das Probenvial (1), in dem etwa Atmosphärendruck herrscht, die zu analysierende gasförmige Mischung in Richtung des Unterdrucks durch die Gastransferkapillare (3) zur Lochblende (5) hin geführt, wobei in der Zwischenvakuumkammer (24) hinter der Lochblende (5) ein erster Molekularstrahl (6) erzeugt wird. Im Bereich vor der weiteren Kapillare (10), die ebenfalls aus fused silica besteht, besitzt dieser Strahl (6) laminare Strömung.
  • In der Zwischenvakuumkammer (24) wird der Druck von etwa 20 mbar durch ein Proportionalregelventil (8), das Nebenluft oder Inertgase in diesen Raum strömen lassen kann, genau auf einem konstanten Wert gehalten. Die Steuerung des Proportionalregelventils (8) erfolgt bevorzugt über einen kapazitiven Absolutdrucksensor (7), der den Druck innerhalb der Zwischenvakuumkammer (24) genau und unabhängig von der Zusammensetzung des Gases mißt. Damit ist gewährleistet, daß Druckschwankungen des Probenmolekularstrahls (6), wie sie etwa bei der wiederholten Messung aus demselben Probenvial auftreten, ausgeglichen werden können und keine Änderungen in der Viskosität des Probenmolekularflußes in der Kapillare (10) auftreten. Somit tritt in die weitere Kapillare (10) ein Probenmolekülfluß von konstanter Teilchendichte ein.
  • In der Zwischenvakuumkammer (24) befindet sich im Bereich des Molekularstrahls (6) ein Ende der Kapillare (10), die einen bevorzugten Innendurchmesser von 250 Mikrometer aufweist und auf eine Temperatur über 100 °C, bevorzugt 220 °C, aufgeheizt ist. Die Aufheizung der Kapillare (10) bewirkt, daß die Desorptionszeiten möglichst gering gehalten werden.
  • Durch den auf einen konstant Wert geregelten Druck in der Zwischenvakuumkammer (24) ist der Gasstrahldruck vor der Kapillare (10) immer genau gleich. Durch diese Anordnung wird eine quantitative Bestimmung von Komponenten bis in den Bereich von 10-7 Vol% hinunter ermöglicht.
  • Das andere Ende der Kapillare (10) befindet sich in der Hochvakuumkammer (22), in der durch beispielsweise eine Turbomolekularpumpe (23) ein Hochvakuum, vorzugsweise von mindestens 10-7 mbar erzeugt wird. Dabei befindet sich das Kapillarende knapp vor einem offenen Schlitz des Octopolführungsfelds (16) in der Ladungsaustauschkammer (17). Durch den in der Kapillare (10) bestehenden Druckgradienten tritt der Proben-Molekularstrahl (6) durch die Kapillare (10) hindurch in den Ladungsaustauschbereich (17) der Hochvakuumkammer (22), wobei er am Ende der Kapillare (10) einen zweiten Molekularstrahl (11) bildet.
  • Der Primärionenstrahl (12) zur Ionisation des Molekularstrahls (11) wird so gebildet, daß aus einem der Gasreservoire (13) von Quecksilber, Krypton und Xenon Gas druckreduziert entnommen und zur Elektronenstoßquelle (14), die heißes Wolframfilament, Anode und Ziehblende umfaßt, geführt wird.
  • Der dabei entstehende Primärionenstrahl (12) wird durch ein erstes Octopolführungsfeld (15) geführt. Dabei werden nur hohe Molekulargewichte (Primärionen) geführt und die Massen von Verunreinigungen in den Gasreservoirs (13) unterdrückt, um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis für die zu messenden Stoffe zu erreichen.
  • Der Primärionenstrahl (12) wird dann in einem zweiten Octopolführungsfeld (16) weiter geführt, das für alle Molekülsorten gleiche Transmission besitzt. Innerhalb dieses Octopolführungsfeldes (16) befindet sich die Ladungsaustauschzone (17), in der der Primärionenstrahl (12) auf den Proben-Molekularstrahl (11) trifft. In der Ladungsaustauschzone (17) wird in Einzelstoßprozessen bei einem Druck von im Mittel 10-4 mbar ein Probenmolekül-Ionenstrahl (18) erzeugt, wobei die Probenmoleküle dann im Quadrupol-Analysator (19) entsprechend ihres Masse/Ladungsverhältnisses getrennt werden. Die Probenmolekülionen werden dann im Ionendetektor (20) zu elektronisch verarbeitbaren Elektronenimpulsen umgewandelt. Die Elektronenimpulse werden dann für die Zählelektronik ausgekoppelt (21).
  • Octopolanordnungen für Massenspektrometer auf der Basis von Ionenstrahlen sind beispielsweise in EP 0 290 712 und De 196 28 093 beschrieben.
  • Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Beispieles weiter illustriert.
    • Beispiel
  • Zur Feststellung des Gesundheitszustandes wurden von neun Probanden in einem klinischen Test Analysen der Ausatemluft durchgeführt. Dazu wurden Proben der Ausatemluft des jeweiligen Probanden so genommen, daß der Proband gleichmäßig einige Atemzüge über die Nase ein- und ausatmete, dann die Luft für zwei bis drei Sekunden anhielt und anschließend die Luft gleichmäßig durch einen Strohhalm, dessen Ende sich ein bis zwei Zentimeter über dem Boden eines Glasvials mit einem Volumen von 20 cm3 befand, ausatmete.
  • Danach wurde das Probenvial jeweils mit einer Bördelkappe mittels einer Bördelzange verschlossen. Dieses Verschließen erfolgte spätestens nach etwa fünf Sekunden nachdem der Proband in das Vial ausgeatmet hatte.
  • Parallel zum Probenvial wurde jeweils ein zweites Vial (Vergleichsvial) in der Umgebung des Probanden verschlossen, ohne daß die Atmosphäre im Vergleichsvial mit der Ausatemluft des Probanden in Berührung gekommen war.
  • Proben- und Vergleichsvial wurden jeweils in einen Autosampler plaziert und dort mindestens 10 min auf 65°C vorthermostatisiert.
  • Nach der Vorthermostatisierung wurden jeweils zunächst das Proben- und anschließend das Vergleichsvial der Probanden mittels der vorstehend geschilderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt. Die Messung jedes Vials erfolgte dabei in mindestens sechs Zyklen, d.h. der Inhalt jedes Vials wurde mindestens sechsmal bestimmt. Aus den für die jeweilige Masse erhaltenen mindestens sechs Werten wurde dann jeweils der Mittelwert gebildet.
  • Zur Elimination von Kontaminationen in der Umgebungsluft wurde anschließend für die jeweilige Masse der für das jeweilige Vergleichsvial erhaltene Mittelwert vom für das Probenvial erhaltenen Mittelwert abgezogen. Anschließend erfolgte die Normierung der Mittelwerte auf den Wert von CO2 durch Division der Mittelwerte durch den für CO2 erhaltenen Wert.
  • Die normierten Werte wurden dann durch den für die jeweilige Masse aus einer Reihenmessung an einer Vielzahl von Probanden bekannten Maximalwert für diese Masse geteilt. Damit wurden für die einzelnen Massen jeweils Werte zwischen 0 und 1 erhalten.
  • In Figur 2 sind die Ergebnisse der Messungen an den neun Probanden graphisch dargestellt. Hierzu sind die Werte der detektierten Massen im Bereich von 0 bis 102 nach folgendem Code dargestellt:
    Schwarz: Wertebereich 0,75 - 1
    Dunkelgrau: Wertebereich 0,5 - 0,75
    Hellgrau: Wertebereich 0,25 - 0,5
    Weiß: Wertebereich 0 - 0,25
  • In den Zeilen 1 bis 9 sind jeweils die Werte für die Probanden 1 bis 9 dargestellt. In den Spalten sind die jeweiligen Werte für die Massen dargestellt. Wo eine Zuordnung zu chemischen Verbindungen getroffen werden konnte, ist statt der Masse diese Verbindung angegeben.
  • Aus Figur 2 geht hervor, daß die Werte für Proband 9 sich deutlich von den Werten von den anderen Probanden unterscheiden. Zur Zeit der Probenahme wies der Proband 9 ein nicht klar definiertes Krankheitsbild auf, wobei vermutet wurde, daß ein septisches Geschehen, d.h. eine bakterielle Infektion mit der Folge einer Leber- und Gerinnungsstörung vorlag. Einige Tage nach der Probenahme trat bei Proband 9 der Hirntod und in weiterer Folge der endgültige Tod ein.
  • Dieses Beispiel zeigt, daß der Zustand eines Probanden mit einer schweren Gesundheitsstörung gegenüber dem anderer Probanden bestimmt werden kann.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben,
    bei dem zwei oder mehrere dieser Substanzen in einer gasförmigen Mischung bestimmt werden,
    wobei die zu analysierende gasförmige Mischung aus Hauptkomponenten und Nebenkomponenten besteht, und die Konzentrationen der Nebenkomponenten die der Hauptkomponenten um mindestens den Faktor 10 unterschreiten,
    wobei jeweils die Konzentration mindestens einer Hauptkomponente und mindestens einer Nebenkomponente der gasförmigen Mischung mittels eines Massenspektrometers bestimmt wird, und
    die bei der Bestimmung erhaltenen Werte dann zur Beurteilung des Zustandes ausgewertet werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    auf eine Probe der gasförmigen Mischung ein lonenstrahl im Hochvakuum einwirkt.
  2. Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben,
    bei dem eine oder mehrere dieser Substanzen in einer gasförmigen Mischung bestimmt werden,
    wobei die Bestimmung mittels eines Massenspektrometers mit einem Gaseinleitungssystem erfolgt, und die bei der Bestimmung erhaltenen Werte zur Beurteilung des Zustandes ausgewertet werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Gaseinleitungssystem aus einer zu analysierenden Probe der gasförmigen Mischung ein Molekularstrahl (6) in einem Zwischenvakuum (24) erzeugt wird, aus dem dann mittels eines Druckgradienten in einer Kapillare (10) ein zweiter Molekularstrahl (11) im Hochvakuum (22) erzeugt wird, welcher von einem lonenstrahl (12) ionisiert wird, wobei der Druck des Zwischenvakuums (24) konstant gehalten wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Organismen Menschen oder Tiere sind.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gasförmige Mischung die vom Menschen ausgeatmete Luft ist.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Konzentration einer oder mehrerer der Substanzen quantitativ bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeweils mindestens eine Hauptkomponente im Konzentrationsbereich ≥ 1 Vol% und mindestens eine Nebenkomponente im Konzentrationsbereich ≤ 0,03 Vol% bestimmt werden.
  7. Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Mischung, die ein Massenspektrometer mit einem Gaseinleitungssystem umfasst, worin aus der zu analysierenden Probe der gasförmigen Mischung ein Molekularstrahl (6) in einem Zwischenvakuum (24) erzeugt wird, wobei der Druck des Zwischenvakuums (24) konstant gehalten wird und aus diesem dann mittels eines Druckgradienten in einer Kapillare (10) ein zweiter Molekularstrahl (11) im Hochvakuum (22) erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Molekularstrahl (11) von einem Ionenstrahl (12) ionisiert wird.
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