NL1015875C2 - Werkwijze en systeem voor het identificeren en kwantificeren van chemische componenten van een te onderzoeken mengsel van materialen. - Google Patents

Description

Werkwijze en systeem voor het identificeren en kwantificeren van chemische componenten van een te onderzoeken mengsel van materialen

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het identificeren en 5 kwantificeren van chemische componenten van een te onderzoeken mengsel van materialen, omvattende het onderwerpen van het mengsel aan chromatografie om de componenten van het mengsel te scheiden in gescheiden materialen en het onderwerpen van de gescheiden materialen aan spectrometrie om de componenten te detecteren en te identificeren, waarbij een totaal ionenstroomchromatogram en spectra worden 10 verkregen en waarbij uit de spectra massa's worden geselecteerd en voor elke massa massachromatogrammen worden verkregen.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 5.672.869.

Met moderne instrumentatie is de tijd voor het verkrijgen van de bovengenoemde dataset, zoals chromatogrammen en massaspectra niet de kritische factor meer, maar de 15 tijd die nodig is voor het analyseren van de data zelf. In het bijzonder bevat een dataset duizenden spectra gemeten over een m/z (massa/lading) bereik van twee tot drie decaden. Een uitgebreid onderzoek aan een dataset kan verscheidene uren tot zelfs dagen in beslag nemen, indien een volledige analyse vereist is. In het bijzonder in een researchomgeving moet deze analyse worden uitgevoerd door hoog gekwalificeerde en 20 daarom dure werknemers.

In het Amerikaanse octrooischrift 5.672.869 is een dataverwerking beschreven, die gebaseerd is op het zoveel mogelijk scheiden van storingspieken en ruis uit de chromatogrammen om de relevante data te verkrijgen. Hierbij wordt een soortgelijkheidsindex tussen elk massachromatogram en een daarbij behorend 25 gladgestreken (ook wel smoothed genoemd) massachromatogram berekend en gebruikt voor de betreffende scheiding.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort, waarbij de scheiding tussen storingspieken en ruis enerzijds en relevante data anderzijds nauwkeuriger en duidelijker plaatsvindt, waardoor de data-30 analysetijd wordt verkort en de operator zijn of haar deskundigheid efficiënter kan gebruiken. Met andere woorden kan meer aandacht worden geschonken aan interpretatie van de data in plaats van het uitvoeren van herhaalde routinematige taken.

2

Dit doel wordt volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat de basislijn van de massachromatogrammen wordt gecorrigeerd en dat de entropie van elk massachromatogram wordt berekend en opgeslagen.

Verdere uitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de uitvinding zijn in 5 volgconclusies omschreven.

Voorts heeft de uitvinding betrekking op een systeem voor het identificeren en kwantificeren van chemische componenten van een te onderzoeken mengsel van materialen, welk systeem een chromatograaf omvat voor het scheiden van de componenten van het mengsel in gescheiden materialen en een spectrometer waaraan 10 de gescheiden materialen worden toegevoerd om de componenten te detecteren en te identificeren, waarbij een totaal ionenstroomchromatogram en spectra worden verkregen en waarbij uit de spectra massa's worden geselecteerd en voor elke massa een chromatogram wordt verkregen.

Dit systeem heeft volgens de uitvinding het kenmerk, dat een basislijncorrectie-15 inrichting aanwezig is voor het corrigeren van de basislijn van de massachromatogrammen en dat een entropie-rekeninrichting aanwezig is voor het berekenen van de entropie van de massachromatogrammen en voorts een opslaginrichting aanwezig is voor het opslaan van de entropiewaarden.

Uitvoeringsvormen van het systeem volgens de uitvinding zijn in volgconclusies 20 omschreven.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de figuren.

Figuur 1 toont een voorbeeld van een totale ionenstroomchromatogram zoals verkregen door middel van een vloeistofchromatograaf in combinatie met een massaspectrometer.

25 Figuur 2 toont een grafiek van voorbeelden van berekende entropieën van chromatogrammen.

Figuur 3 toont een volgens de uitvinding gecorrigeerd totaal ionenstroomchromatogram.

Figuur 4a, 4b toont een stroomschema van een bij voorkeur toe te passen 30 uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Bij het detecteren, identificeren en kwantificeren van componenten in een materiaal wordt dikwijls de combinatie van chromatografie en spectrometrie toegepast. In figuur 1 is een voorbeeld van een totale ionenstroomchromatogram getoond, dat ·'. .VV. I ,¾¾. v.;r 3 verkregen is door middel van de combinatie van vloeistofchromatografie en massaspectrometrie.

Vloeistofchromatografie is een type van chromatografie en is een methode voor het scheiden van mengsels. In de eenvoudigste vorm van een chromatografieproces 5 wordt een verticale buis toegepast, die gevuld is met fijn verdeelde vaste deeltjes en wordt zoals bekend de stationaire fase genoemd. Het te scheiden mengsel van materialen wordt aan de bovenzijde van de buis geplaatst en langzaam naar beneden gewassen met een geschikte vloeistof, namelijk de mobiele fase.

Het mengsel lost eerst op en elk molecuul wordt in de stromende vloeistof 10 getransporteerd en wordt daarna gebonden met of geadsorbeerd aan de stationaire fase. Elk type molecuul zal een verschillende tijdsperiode in de vloeistoffase verblijven afhankelijk van de mate van adsorptie, zodat elke verbinding door de buis zal dalen met een afwijkende snelheid, zodat elke verbinding wordt gescheiden van elke andere verbinding.

15 De moleculen van het te scheiden mengsel wisselen vele malen uit tussen de mobiele en de stationaire fase. De snelheid waarmee dit plaatsvindt hangt af van de mobiliteit van de afzonderlijke moleculen, de temperatuur en de bindingskrachten. Het verschil in de tijdsperiode waarin elk type molecuul in de mobiele fase verblijft, leidt tot een verschil in transportsnelheid en tot de scheiding van substanties.

20 Chromatografie wordt primair toegepast als een scheidingstechniek. Ondanks de verschillen in de analysetijden voor verschillende hierboven genoemde species is er in het algemeen onvoldoende specificiteit om de componenten te kunnen identificeren. Daarom wordt in het algemeen de chromatograftetechniek gebruikt in serie met een identificatietechniek. De meest geschikte en dikwijls toegepaste techniek is 25 massaspectrometrie.

Bij de hierboven genoemde techniek, hierna LCMS-techniek genoemd, is de chromatografïe-inrichting direct gekoppeld met een massaspectrometer die constant scant (bijvoorbeeld elke 1-5 seconden) terwijl de gescheiden componenten uit de chromatograaf spoelen. Op deze wijze wordt een groot aantal massaspectra voor elke 30 analyse geregistreerd. Er zullen spectra worden verkregen, die slechts "achtergrond" bevatten, omdat op dat moment geen componenten uit de chromatograaf spoelen. Wanneer een component uit de chromatograaf komt zullen de massaspectra veranderen afhankelijk van de aard van de component die de massaspectrometer binnentreden. Elk 4 massaspectrum zal een bepaald aantal ionen bevatten, die tezamen een totale ionenstroom tot stand brengen, waarvan de intensiteit in figuur 1 is uitgezet als functie van de tijd. Dit totale ionenstroomchromatogram is in het algemeen het initiële product van de LCMS-techniek en vormt de basis voor de componentdetectie. Een alternatieve 5 grafiek is die van een individuele massa als functie van de tijd, deze grafiek wordt een massachromatogram genoemd.

Bij de hierboven beschreven methode wordt vloeistofchromatografie en massaspectrometrie toegepast, echter er zijn uiteraard ook andere combinaties mogelijk, zoals bijvoorbeeld LC/NMR, LC/UV.

10 Uit het voorgaande blijkt dat de LCMS-techniek een zeer uitgebreide dataset oplevert. Bij het analyseren van deze uitgebreide dataset worden dikwijls de volgende problemen ondervonden.

Vooral in een researchomgeving zijn de van belang zijnde massa's niet vooraf bekend. Voorts is vaak het belang van minderheidscomponenten hoog. Een zeer groot 15 aantal massachromatogrammen moeten worden bekeken en bestudeerd, terwijl de identificatie van de pieken van de chromatogrammen moeilijk is als gevolg van de complexiteit van de dataset en meestal ook van de lage signaal-ruisverhouding daarvan.

De uitvinding komt tegemoet aan deze problemen en minimaliseert de analysetijd van de data in de dataset.

20 De uitvinding is gebaseerd op twee aspecten namelijk het maken van een onderscheid tussen pieken en ruis of storingspieken en het herkennen van massa's die van eenzelfde component afkomstig zijn.

Volgens het eerste aspect worden massachromatogrammen geselecteerd, die chemische informatie bevatten en worden massachromatogrammen verwijderd die 25 slechts achtergrondruis of storingspieken bevatten. Hierdoor wordt de signaal-ruisverhouding in de overblijvende dataset aanzienlijk verhoogd omdat de ruis en storingen selectief worden verwijderd (verhoging van de sensitiviteit).

Volgens het tweede aspect worden de massa's die overeenkomstige chromatogrammen vertonen snel gedetecteerd en gebruikt voor de identificatie van een 30 chemische component.

Alle cruciale beslissingsstappen worden dus overgelaten aan de expert. Massachromatogrammen worden gesorteerd volgens waarschijnlijkheid dat deze relevante pieken bevatten of door hun waarschijnlijkheid te behoren bij een bepaalde SB15875 5 component. Door toepassing van de uitvinding kan de expertise van personen op een efficiëntere wijze worden gebruikt.

Volgens het eerste aspect van de uitvinding wordt de basislijn van de massachromatogrammen gecorrigeerd, waarna de entropieën van deze 5 massachromatogrammen worden berekend en opgeslagen. Hiermede wordt een goede en nauwkeurige maatstaf verkregen, op basis waarvan de massachromatogrammen kruinen worden geanalyseerd. Hiertoe worden de massachromatogrammen met de berekende entropiewaarden op een beeldscherm weergegeven en kunnen aldus worden beoordeeld.

10 De basislijncorrectie volgens de uitvinding is gebaseerd op de aanname dat de basislijn door alle pieken van het chromatogram loopt waar geen pieken voorkomen. Daarom wordt eerst aan de hand van de eerste en tweede afgeleide van het chromatogram bepaald waar pieken voorkomen. Vervolgens worden door de overgebleven pieken een functie geplot met behulp van het Savitsky-Golay Algoritme.

15 Deze functie wordt gebruikt om elk punt van het originele chromatogram te corrigeren voor de voorspelde hoogte van de basislijn op dat punt.

Na deze correctie wordt van het resterende spectrum de entropie berekend volgens de formule 20 H = X'=|Pi ln(p()

De hierboven weergegeven formule, het Savitsky-Golay algoritme en “smoothing” zijn beschreven in Numerical Recipes in C, second edition, The Art of Scientific computing, W.H. Press, B.P. Flannery, S.A. Teukolsky, W.T. Vetterrling, 25 Cambridge University Press, 1988 ISBN 0-521-35465-X, pagina’s 650-655.

Bij een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding worden voorafgaand aan de entropieberekening de massachromatogrammen gladgestreken (ook wel smoothing genoemd).

In figuur 2 zijn als voorbeeld de entropiewaarden als functie van de m/z waarde 30 getoond. Voorts is als horizontale lijn een gekozen entropiedrempelwaarde ingetekend. In deze figuur 2 is de selectiemogelijkheid op basis van entropiewaarde gevisualiseerd.

Volgens de uitvinding kunnen massachromatogrammen worden geselecteerd, waarvan de berekende entropiewaarde hoger is dan een vooraf gekozen entropie- 6 drempelwaarde. Uit de aldus geselecteerde massachromatogrammen kan weer een gereconstrueerd totaal ionenstroomchromatogram worden gevormd. In figuur 3 is een voorbeeld van een dergelijk gereconstrueerd totaal ionenchromatogram weergegeven. Hier is weer de intensiteit van de totale ionenstroom als functie van de tijd uitgezet. Het 5 initiële in figuur 1 getoonde totale ionenstroomchromatogram en het in figuur 3 getoonde gereconstrueerde chromatogram gelden voor hetzelfde mengsel. Bij vergelijking van deze beide chromatogrammen blijkt duidelijk de aanzienlijke ruisreductie. De pieken toornen duidelijk boven de ruis uit.

Het gereconstrueerde totale ionenstroomchromatogram is een zeer goed 10 hulpmiddel voor de operator bij de analyse van het te onderzoeken mengsel.

Volgens het tweede aspect van de uitvinding moeten de volgende stappen worden uitgevoerd, te weten het identificeren van massa's van een component; het groeperen en opslaan daarvan onder één (component-) naam en het verwijderen van de hele groep uit het gereconstrueerde totale ionenstroomchromatogram en het vervolgens identificeren 15 van de resterende pieken.

De werkwijzestappen volgens de uitvinding zullen hierna aan de hand van het stroomschema van figuur 4a, 4b worden toegelicht.

Allereerst wordt volgens het bovenste blok de data opgehaald uit de LCMS-inrichting of andere inrichting met soortgelijke functie. Een chromatogram wordt in 20 blok A geselecteerd. Het geselecteerde chromatogram wordt in blok B gladgestreken (smoothing) waarna in blok C een basislijncorrectie wordt uitgevoerd. De volgorde van gladstrijken en basislijncorrectie kan ook worden omgekeerd. Na het uitvoeren van de gladstrijkstap en de basislijncorrectiestap wordt in blok D de entropie van het chromatogram berekend. Volgens de lus via (N = N+1) wordt op elk 25 massachromatogram de werkwijzestappen A, B, C en D uitgevoerd. Opgemerkt wordt dat de stappen B en D van essentieel belang voor de uitvinding zijn, terwijl stap C een bij voorkeur toe te passen stap is.

Vervolgens kunnen de massachromatogrammen worden geordend naar entropiewaarde en als zodanig worden weergegeven. De entropiewaarden worden in 30 stap F weergegeven, bijvoorbeeld gerelateerd aan de massachromatogrammen, zoals in figuur 2.

In stap G wordt een te kiezen entropie-drempelwaarde ingesteld. In blok H worden de massachromatogrammen geselecteerd, waarvan de entropiewaarde hoger ; ü 1 b R 7 5 7 ligt dan de ingestelde entropie-drempelwaarde. Dit wordt aangegeven door de luslijn a. In blok I worden de geselecteerde chromatogrammen samengevoegd tot een gereconstrueerd totale ionenchromatogram en op een beeldscherm weergegeven. In het blok K wordt een lijst met relevante entropiewaarden gemaakt en weergegeven.

5 Zoals met de blokken M en N is aangegeven kunnen de chromatogrammen worden weergegeven evenals de geselecteerde massaspectra. Tussen deze tweè weergavemogelijkheden kan worden geschakeld hetgeen een goed hulpmiddel is bij de analyse van de data door de operator.

De operator kan als volgt te werk gaan.

10 Uit een lijst of de weergegeven spectra kan een massa worden geselecteerd en wordt volgens de uitvinding de correlatie tussen het bij de geselecteerde massa behorende massachromatogram en alle andere massachromatogrammen berekend en alle andere massa's worden weergegeven volgens hun correlatiecoëfficiënt. De massachromatogrammen kunnen op basis van de correlatiecoëfïiciënten worden 15 bekeken en eventueel worden toegevoegd aan een bepaalde groep. Aan deze groep kan dan een naam worden toegewezen.

Bij een uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt weer een gereconstrueerde totale ionenstroomchromatogram gevormd, waarbij echter een geselecteerde groep wordt uitgezonderd. Deze operatie kan worden voortgezet, totdat in het 20 gereconstrueerde totale ionenstroomchromatogram geen piek meer overblijft.

De hierboven beschreven werkwijzestappen volgens de uitvinding kunnen door middel van hardware-inrichting en worden uitgevoerd die in de volgende inrichtingconclusies zijn omschreven, echter worden deze bij voorkeur in software geïmplementeerd.

25 Door het optellen van de intensiteiten voor ieder massaspoor kan een centraal spectrum worden verkregen dat representatief is voor gehele dataset. Dit centrale spectrum kan bovendien worden gewogen met de entropiewaarden van ieder individueel massaspoor, hetgeen leidt tot een entropie gewogen centraal massaspectrum.

Claims (30)

1. Werkwijze voor het identificeren en kwantificeren van chemische componenten van een te onderzoeken mengsel van materialen, omvattende het 5 onderwerpen van het mengsel aan chromatografie om de componenten van het mengsel te scheiden in gescheiden materialen en het onderwerpen van de gescheiden materialen aan spectrometrie om de componenten te detecteren en te identificeren, waarbij een totale ionenstroomchromatogram en spectra worden verkregen en waarbij uit de spectra massa's worden geselecteerd en voor elke massa massachromatogrammen worden 10 verkregen, met het kenmerk, dat de basislijn van de massachromatogrammen wordt gecorrigeerd en dat de entropie van elk massachromatogram wordt berekend en opgeslagen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste en tweede afgeleiden van de massachromatogrammen worden bepaald en door de overgebleven 15 pieken een functie geplot met behulp van het Savitsky-Golay algoritme, waarbij deze functie wordt gebruikt voor de basislijncorrectie.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de entropiewaarden worden weergegeven.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, waarbij voorafgaand aan de 20 entropieberekening de massachromatogrammen worden gladgestreken (smoothing).

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, waarbij massachromatogrammen worden geselecteerd, waarvan de berekende entropiewaarde hoger is dan een vooraf gekozen entropiedrempelwaarde.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij uit de geselecteerde 25 massachromatogrammen een gereconstrueerd totale ionenstroomchromatogram wordt gevormd.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de massachromatogrammen naar entropiewaarden worden geordend.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij de massachromatogrammen geordend 30 naar entropiewaarden worden weergegeven.

9. Werkwijze volgens één van de voorafgaande conclusies, waarbij spectra voor bepaalde massa's worden geselecteerd en weergegeven.

10. Werkwijze volgens conclusie 8 en 9, waarbij wordt geschakeld tussen het weergeven van massachromatogrammen en het weergeven van massaspectra.

11. Werkwijze volgens één van de voorafgaande conclusies, waarbij een massa uit een lijst of een spectrum wordt geselecteerd, de correlatie tussen het bij de 5 geselecteerde massa behorende massachromatogram en alle andere massachromatogrammen wordt berekend en alle andere massa's worden weergegeven volgens hun correlatiecoëfficiënten.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij de massachromatogrammen worden bekeken en op basis van correlatie eventueel toegevoegd aan een groep.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij een naam aan de groep wordt toegewezen.

14. Werkwijze volgens conclusie 12 of 13, waarbij een gereconstrueerd ionenstroomchromatogram wordt gevormd, waarbij een geselecteerde groep wordt uitgezonderd.

15. Werkwijze volgens conclusie, waarbij de stap van conclusie 13 wordt herhaald totdat er geen pieken in het gereconstrueerde totale chromatogram voorkomt.

16. Systeem voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één van de voorafgaande conclusies, omvattende een chromatograaf waaraan een te onderzoeken mengsel kan worden toegevoerd en een daarop aangesloten spectrometer, waarbij een 20 totale ionenstroomchromatogram en spectra worden verkregen en waarbij uit de spectra massa's worden geselecteerd en voor elke massa massachromatogrammen worden verkregen, gekenmerkt door een basislijn-correctie-inrichting waaraan de massachromatogrammen kunnen worden toegevoerd, een entropie-rekeninrichting waaraan massachromatogrammen met gecorrigeerde basislijn kunnen worden 25 toegevoerd en een opslaginrichting voor het opslaan van de berekende entropie-waarden.

17. Systeem volgens conclusie 16, waarbij een inrichting aanwezig is voor het bepalen van de eerste en tweede afgeleide van massachromatogrammen en een inrichting voor het bepalen van een functie door de overgebleven pieken met behulp 30 van het Savitsky-Golay algoritme, waarbij deze functie wordt gebruikt voor de basislijncorrectie.

18. Systeem volgens conclusie 16 of 17, waarbij een weergeefinrichting aanwezig is voor het weergeven van entropiewaarden. .ü .3 87 5

19. Systeem volgens conclusie 16, 17 of 18, waarbij een gladstrijkinrichting (smoothing) aanwezig is voor het gladstrijken van massachromatogrammen voorafgaand aan de entropieberekening.

20. Systeem volgens conclusie 16, 17, 18 of 19, waarbij een selectie-inrichting 5 aanwezig is voor het selecteren van massachromatogrammen waarvan de berekende entropiewaarde hoger is dan een aan de selectie-inrichting toegevoerde vooraf gekozen entropiedrempelwaarde.

21. Systeem volgens conclusie 20, waarbij een optelinrichting aanwezig is voor het optellen van de geselecteerde massachromatogrammen, waarbij op de uitgang van 10 de optelinrichting een gereconstrueerd totaal ionenstroomchromatogram kan worden afgenomen.

22. Systeem volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat een geheugeninrichting aanwezig is voor het opslaan van de massachromatogrammen geordend naar entropiewaarden.

23. Systeem volgens conclusie 20, waarbij een weergeefinrichting aanwezig is die gekoppeld is met het geheugen om massachromatogrammen geordend naar entropiewaarden te kunnen weergeven.

24. Systeem volgens één van de conclusies 16-23, waarbij een selectie- en weergeefinrichting aanwezig is voor het selecteren en weergeven van spectra voor 20 bepaalde massa's.

25. Systeem volgens conclusie 23 en 24, waarbij een schakelinrichting aanwezig is voor het schakelen tussen het weergeven van massachromatogrammen en het weergeven van massaspectra.

26. Systeem volgens één van de voorafgaande conclusies, waarbij een selectie- 25 inrichting aanwezig is voor het selecteren van een massa uit een lijst of een spectrum, een correlator aanwezig is voor het berekenen van de correlatie tussen het bij de geselecteerde massa behorende massachromatogram en alle andere massachromatogrammen, waarbij alle andere massa's worden weergegeven volgens hun correlatiecoëfficiënten.

27. Systeem volgens conclusie 26, waarbij een inrichting aanwezig is voor het toevoegen van één of meer massachromatogrammen aan een vooraf bepaalde groep op basis van de berekende correlatiecoëfficiënten. * ^ 1 S» % y £

28. Systeem volgens conclusie 27, waarbij een inrichting aanwezig is voor het toewijzen van een naam aan een bepaalde groep.

29. Een systeem volgens conclusie 27 of 28, waarbij een optelinrichting aanwezig is voor het telkens vormen van een gereconstrueerd ionenstroomchromatogram, waarbij 5 telkens een geselecteerde groep wordt uitgezonderd.

30. Een systeem waarbij een entropie-gewogen centraal massaspectrum wordt berekend en weergegeven. ******** - '3 1 5 3 7 5