WO2003075002A1 - Verfahren zur auswertung von spektrogrammen oder chromatogrammen sowie ein analysesystem und eine auswerteelektronik zur ausführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur auswertung von spektrogrammen oder chromatogrammen sowie ein analysesystem und eine auswerteelektronik zur ausführung des verfahrens Download PDF

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WO2003075002A1
WO2003075002A1 PCT/DE2003/000560 DE0300560W WO03075002A1 WO 2003075002 A1 WO2003075002 A1 WO 2003075002A1 DE 0300560 W DE0300560 W DE 0300560W WO 03075002 A1 WO03075002 A1 WO 03075002A1
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peaks
peak
evaluating
evaluation
analysis
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Inventor
Bernhard Steffen
Ralf Koppmann
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/86—Signal analysis
    • G01N30/8624—Detection of slopes or peaks; baseline correction
    • G—PHYSICS
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    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/86—Signal analysis
    • G01N30/8624—Detection of slopes or peaks; baseline correction
    • G01N30/8641—Baseline

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating spectrograms or chromatograms, and to an analysis system and evaluation electronics for carrying out the method.
  • Routine methods of chemical analysis are used to break down complex substance mixtures into a sequence of components and thus make qualitative and quantitative statements about their composition.
  • the expression of such a sequence is the chromatogram or spectrogram as the course of the substance concentration over time. From the chromatograms / spectrograms, both qualitative and quantitative statements can be made regarding the consistency of the analyzed sample. It is a sequence of peaks, the position of a peak providing information about the identity of the corresponding substances; the peak area is proportional to the amount of substance.
  • the ideal peak profile is described by sufficiently separated peaks, which have the shape of a normal distribution and between which sections of a baseline with a small slope or ideally with a slope of zero can be found.
  • a curve is searched for by which the recorded peak profile has to be corrected so that only the concentration profile of all evaluable components of the sample is obtained as the difference signal.
  • baseline dips and fluctuations must be compensated for and negative peaks separated so that their area can be determined. The course of the baseline under a peak can only be estimated by continuing from the areas in which there is no peak.
  • Spectrograms can also cause the measurement signal of interest for the evaluation to be overlaid with an interference signal, as well as peaks of different substances that have not been adequately separated.
  • the object is achieved according to the invention with the features specified in the characterizing part of claim 1.
  • the task continues from the preamble of the claim 7 solved with the features specified in the characterizing part of claim 7.
  • the object is achieved on the basis of the preamble of claim 9 with the features specified in the characterizing part of claim 9.
  • the analysis system and the evaluation electronics enable automatic evaluation of chromatograms / spectrograms without manual post-processing. Furthermore, the method according to the invention, the analysis system and the evaluation electronics enable a more precise determination of the peak area and thus the amounts of substance, since a more precise resolution and differentiation of the individual peak areas is possible.
  • the figures show exemplary experimental results obtained with the method according to the invention, as well as the mathematical functions of the method. They also show a structure diagram which generally represents the sequence of the method steps of the method according to the invention.
  • Fig. 2 Section of a spectrogram without using the method according to the invention.
  • Fig. 3 Structogram
  • Fig. 4 Hyperbolic scaling of selected peaks.
  • Fig. 5 Computer program listing with mathematical functions
  • FIG. 1 shows a section of a spectrogram and evaluation results after using the method according to the invention.
  • the abscissa X indicates the etion time in minutes and the ordinate Y the signal of the analyzer (eg mV), which is the peak area from which the concentration (eg g / L) or the quantity of Sample can be determined, is recognizable.
  • the curve (1) shown with a black solid line shows the pure measurement curve as a signal from the analyzer.
  • the curve (2) shown in bold dotted lines shows the baseline and has been shifted downwards by 5 mV for better clarity.
  • the curve (3) shown with a broken line shows the fit curve created by the method according to the invention, which is almost completely covered by the measurement curve.
  • the curve (4) shown with a thin dotted line shows the error line caused by the measurement conditions.
  • the curve (5) shown with a thin dash-dotted line shows the peaks plus base determined with the aid of the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows the same section of a spectrogram as in FIG. 1 and measurement results using previously known standard evaluation methods.
  • the abscissa X indicates the retention time in minutes and the ordinate Y the signal from the analyzer (e.g. mV), which determines the peak area from which the concentration (e.g. g / L) or the quantity of the sample is determined can be recognized.
  • the curve (1) shown with a bold solid line shows the pure measurement curve as a signal from the analyzer.
  • the curve (2) shown with a bold dash-dotted line shows the baseline, which has been moved down by 5 mV for better clarity.
  • the bold dashed line (3a) shows the area of the manually defined one
  • Limits between individual peaks This is used to determine and limit the peak area that is to be assigned to a specific substance.
  • the curve shown with a thin dotted line shows the measurement curve caused by errors.
  • the curve (5) shown by a bold dotted line shows the individual peaks plus the baseline.
  • the fit curve determined in FIG. 1 is identical in FIG. 2 to curve (5), which shows the peaks plus baseline, and is therefore not recognizable separately.
  • FIG. 3 shows a structure diagram of the steps taking place in the method according to the invention.
  • FIG. 4 shows an example of the graphical representation of 6 different peaks according to hyperbolic scale. -regulation. The following can be used for all the curves shown
  • the parameter c specifies the slope at the zero point.
  • Parameter “e” determines the width of the transition area.
  • the transition area corresponds to the slope of the curve of the hyperbolic scaling or the sharpness of the curvature.
  • Table 1 shows the parameters c, d and e determined for the respective curves 1 to 6.
  • FIG. 5 shows the computer program listing of an implementation of the method according to the invention in the Scilab programming language with the mathematical functions of the method according to the invention
  • the functions necessary for the evaluation of the samples are determined directly from a single complex measured spectrum with many peaks or from several spectra measured specifically for calibration purposes.
  • the required subroutines are first connected and the opening files.
  • the subroutines take over individual processing steps of the method.
  • Two files contain the measured values and information on the names of substances at specific retention times, others record the result lists and information on the course of the analysis.
  • the data to be analyzed are read in and the analysis area is defined.
  • the data originate, for example, from analyzes of spectrograms or chromatograms.
  • the analysis area corresponds to the entire area of the measured signals measured. However, it can also be restricted to certain areas of the analysis.
  • z. B a certain area of the retention time can be defined in the method according to the invention by calling parameters this area.
  • step (2) an estimation of the noise of the measured values is carried out with the aid of the 50% quantile of the difference between successive measured values.
  • the width of the largest peaks at half the peak height is also determined.
  • the base is then (3) estimated by linear interpolation of the areas in which the noise dominates the local shape of the curve.
  • an interval is searched for between noise-dominated areas in which the measurement curve lies significantly above the baseline.
  • step (5) a clear maximum of the measurement curve, which cannot be explained by noise, is sought in the area selected according to method step (4).
  • the peak is adjusted (fit) to the base and the EmG curve (Exponentially Modified Gaussian function) until approx. 1 ⁇ 2 of the height of the peak is reached (process step 6).
  • This range of ⁇ 1/5 the height of the peak is advantageous, since experience has shown that errors due to neighboring peaks or errors in the baseline play no role.
  • step (7) it is checked whether the end of the interval between noise-dominated areas determined in step (4), where the measurement curve becomes significantly higher than the base, has been reached.
  • step (5) If the end of this range has not been reached, another local maximum is searched for, as described in step (5). If the end of the range determined according to method step (4) is reached, a check is carried out to determine whether the end of the analysis range has been reached (method step 8). If the end of the analysis area is not reached, process steps (4) to (7) are repeated until the end of the analysis area is reached. After reaching the measurement curve, the procedure can continue according to method step (9).
  • a search is then made for large, at least 20% of the height of the largest and single peak.
  • These peaks should have a steep and evenly sloping curve and approximately correspond to a Gaussian distribution. Furthermore, the peaks should be distinguishable individually and have a sufficient height, i. h peaks that approximate the background noise of the baseline signal by 4- times, can be considered as measuring peaks.
  • the mean peak width at 1/3 of the height of the total peak height should have at least 20 measuring points so that a sufficient adjustment can be carried out by the method according to the invention. More than 50 measuring points per peak generally do not lead to an increase in accuracy, but may even lead to a more complex adjustment. Signals that have more than 10 mean peak widths (> 500 measuring points) are no longer considered as a peak, but as a basic drift. These peaks are broadly adjusted to the improved base and EG function.
  • FIG. 3 shows, by way of example, curves which were obtained by hyperbolic scaling of real peaks. In this example, the curves could be
  • peaks should be able to be generated from one to a maximum of three “standard shapes”. Changes in the operating conditions of the analyzer should not significantly change the basic shape of the peaks within a spectrum.
  • the "device standard peaks” are for the respective profile such as. B. the selection of the separation column, the detector, the sample processor, in particular the dryer, the analysis temperature at which the analysis device is operated, specifically.
  • the substance class to be examined also has an influence on the "device standard peaks”.
  • the implementation also identifies the peaks caused by the ignition of the detector or by the washing out of particles from the column and eliminated from the analysis.
  • the "device standard peak” is not determined in a single step, but for the respective substance class.
  • These “device standard peaks”, which are determined separately and are specific to the respective substance class, can then be stored in a profile and for the subsequent analyzes can be called up individually so that different substance classes can be evaluated in one process step.
  • the final baseline estimate (11) can be made by the parameters or functions determined from the "device standard peaks” by pushing straight line sections against the measurement curve from below. All peaks determined in the first pass are adapted using the new baseline and the new "device standard” peak form and the functions resulting from this (12). Subsequently, the difference curve is subtracted from the curve of the newly calculated pass from the curve of the first pass which consists of the sum of the base and the peak is determined (13).
  • next interval between noise-dominated areas is searched, in which the measurement curve becomes significantly higher than the base.
  • method step (15) a search is made for a clear local maximum that cannot be explained by noise within the range determined according to method step (14).
  • Process step (16) adjusts the difference curve formed by process step (13) in the vicinity of the previously determined maximum until the peak drops to approximately 1/5.
  • step (17) of the method the new peak determined according to (16) is subtracted from the difference curve.
  • Method step (18) checks whether the end of the interval, which was determined by step (14), has been reached. If this end has not been reached, process steps (15) to (18) are repeated until the end of the interval is reached. Now, according to method step (19), the optimal parameter parameters of all peaks in the interval are determined together with a non-linear optimization.
  • step (20) it is then checked whether the end of the analysis range has been reached. If the end of the analysis range has not been reached, process steps (13) to (19) are repeated until the end of the analysis range is reached.
  • Measurement computer with AMD K6 166 Mhz processor and 48 MB RAM are sufficient to carry out the evaluation of the chromatograms / spectrograms in less than the measurement time.
  • Scilab can be used as software. Scilab is available for both Unix and Windows versions.
  • the data from the chromatograph / spectrograph can be transferred to the computer via a data connection with an analog-digital converter. The data amounts only require a few KB (kilo bytes) and therefore do not require any special transmission performance. All commercially available chromatographs or spectrographs can be used as analysis devices.
  • the evaluation electronics according to the invention must have properties that enable the method according to the invention to be carried out.
  • the evaluation electronics can include, for example, the software supplied with the analysis system.
  • the evaluation electronics serve to provide the method according to the invention with the analysis results to be evaluated in a suitable form.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Spektrogrammen oder Chromatogrammen sowie ein Analyse­system und eine Auswerteelektronik zur Ausführung des Verfahrens. Bisher bekannte Auswerteverfahren passen die Basislinie und die Peaks durch analytisch gegebene Funktionen an. Dabei muss der Benutzer aus einer Liste der zur Verfü­gung stehenden Funktionen auswählen. Diese Funktionen führen jedoch bei komplexen Spektren zu ungenauen Mess­ergebnissen. Mit der erfindungsgemäßen Verfahren, dem Analysesystem sowie der Auswerteelektronik ist es nunmehr möglich, „Geräte-Standardpeaks" sowie eine Basislinie für die Auswertung von Chromatogrammen/Spektrogrammen zu erzeu­gen, die eine automatische Analyse unterschiedlicher Proben ohne jeweilige manuelle Nachskalierung ermögli­chen. Weiterhin ist es möglich, Substanzen zu detektie­ren, die durch Peaküberlagerungen im Chromatogramm/Spektrogramm mit den bisher bekannten Auswerte­verfahren nicht sichtbar waren.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Auswertung von Spektrogrammen oder Chromatogrammen sowie ein Analysesystem und eine Auswerteelektronik zur Ausführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Spektrogrammen oder Chromatogrammen sowie ein Analysesystem und eine Auswerteelektronik zur Ausführung des Verfahrens .
Die Chromatographie sowie die Spektroskopie stellen
Routineverfahren der chemischen Analytik dar, mit welchen komplexe Substanzgemische in eine Sequenz der Komponenten aufgespalten werden und so qualitative und quantitative Aussagen zu deren Zusammensetzung getrof- fen werden können. Ausdruck einer solchen Sequenz ist das Chromatogramm bzw. Spektrogramm als Verlauf der Substanzkonzentration über der Zeit. Aus den Chromatogrammen/Spektrogrammen lassen sich sowohl qualitative als auch quantitative Aussagen zur Konsistenz der ana- lysierten Probe treffen. Es handelt sich um eine Folge von Peaks, wobei die Position eines Peaks Aufschluss über die Identität der entsprechenden Substanzen gibt; die Peakflache ist der Substanzmenge proportional . Das ideale Peakprofil ist durch ausreichend separierte Peaks beschrieben, welche die Form einer Normalverteilung besitzen und zwischen denen Abschnitte einer Basislinie mit kleiner Neigung bzw. im Idealfall mit einer Neigung von Null zu finden sind. In Bezug auf die Peakpositions- und Flächenbestimmung wird nach einer Kurve (Basislinie) gesucht, um die das aufgezeichnete Peakprofil korrigiert werden muss, so dass als Differenzsignal ausschließlich das Konzentra- tionsprofil aller auswertbaren Komponenten der Probe erhalten wird. Dies bedeutet, dass in die Basislinie Schwankungen einbezogen werden müssen, die von kleinen, nicht weiter analysierten Peaks von Komponenten der gleichen Probe herrühren, Überlappungen von Peaks ver- gleichbarer Breite jedoch bestehen bleiben. Weiterhin müssen Basislinieneinbrüche und Schwankungen kompensiert und negative Peaks abgetrennt werden, so dass deren Fläche bestimmt werden kann. Der Verlauf der Basis- linie unter einem Peak kann nur durch Fortsetzung aus den Bereichen, in denen kein Peak ist, geschätzt werden.
Die Bestimmung der Peakgrenzen und des Basislinienverlaufs unter dem Peak stellt damit einen kritischen Punkt der Auswertung da . Bei der Auswertung von Chromatogrammen oder
Spektrogrammen kann es weiterhin zu Überlagerungen des für die Auswertung interessanten Meßsignals mit einem Störsignal kommen sowie zu Überlagerung von Peaks unterschiedlicher Substanzen, die nicht ausreichend sepa- riert wurden.
Bisher bekannte Auswerteverfahren passen die Basislinie und die Peaks durch analytisch gegebene Funktionen an. Dabei muß der Benutzer aus einer Liste der zur Verfügung stehenden Funktionen auswählen. Diese Funktionen führen jedoch bei komplexen Spektren zu ungenauen Meßergebnissen, da die analysierten Peaks in vielen Fäl- len nicht exakt der tatsächlichen Peakform entsprechen. Dies wird dadurch verursacht, dass ein grosser einzelner Peak durch
Überlagerung eines - im wesentlichen korrekten - großen Peaks mit mehreren kleinen, versteckten Peaks auf den Flanken angepasst wird, die den Passungsfehler korrigieren. Um zu verhindern, dass so eine große Anzahl von Substanzen mit kleiner Konzentration von der Analyse nur vorgetäuscht wird, muss der Schwellenwert für die Identifizierung von Peaks wesentlich höher gesetzt werden, als es die Analysegerätefehler allein erfordern würden. Diese Fehler erschweren eine automatische Analyse und führen zu einem hohen Zeitaufwand bei der Auswertung der Spektro-gramme/Chromatogramme . Bei den bis- her verfügbaren Auswerteverfahren ist es ausserdem häufig notwendig, den für die Auswertung interessanten Integrationsbereich manuell auszuwählen und eine manuelle Basislinienanpassung durchzuführen. Dies kann zu ungenauen Messergebnissen führen, da die Auswahl des In- tergrationsbereichs nicht genau zu bestimmen ist und die Auswahl oftmals sehr willkürlich geschieht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und ein Analysesystem sowie eine Auswerteelektronik zu schaffen, mit dem eine verbesserte Auswertung von
Spektrogrammen/Chromatogrammen möglich wird.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Die Aufgabe wird weiterhin ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 7 gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 angegebenen Merkmalen. Weiterhin wird die Aufgabe ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 9 gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 angegebenen Merkmalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie dem Analysesystem und der Auswerteelektronik ist es nunmehr möglich, Substanzen zu detektieren, die durch Peakuberlagerungen im Chromatogramm/Spektrogramm mit den bisher bekannten Auswerteverfahren nicht sichtbar waren. Das erfindungsgemäße Verfahren, das Anlysesystem sowie die Auswerteelektronik ermöglichen eine automatische Auswertung von Chromatogrammen/Spektrogrammen ohne manuelle Nachbearbeitung. Weiterhin ermöglicht das erfin- dungsgemäße Verfahren, das Analysesystem sowie die Auswerteelektronik eine genauere Bestimmung der Peakfläche und damit der Substanzmengen, da eine exaktere Auflösung und Differenzierung der einzelnen Peakflächen möglich wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Figuren zeigen beispielhaft experimentelle Ergeb- nisse, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen wurden, sowie die mathematischen Funktionen des Verfahrens. Sie zeigen weiterhin ein Struktogramm, welches allgemein den Ablauf der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.
Es zeigt : Fig. 1: Ausschnitt eines Spektrogramms mit Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 2: Ausschnitt eines Spektrogramms ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens Fig. 3: Struktogramm
Fig. 4: Hyperbolische Skalierung ausgewählter Peaks Fig. 5: Computerprogrammlisting mit mathematischen Funktionen
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Spektrogramms sowie Auswerteergebnisse nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei gibt die Abszisse X die eten- tionszeit in Minuten an und die Ordinate Y das Signal des Analysegerätes (z. B. mV), welches die Peakfläche, aus der die Konzentration (z. B. g/L) bzw. die Quantität der Probe bestimmt werden kann, erkennbar ist. Die mit einer schwarzen durchgezogenen Linie dargestellte Kurve (1) zeigt die reine Messkurve als Signal des Analysegerätes. Die durch eine fett strichpunktierte Linie dargestellte Kurve (2) zeigt die Basislinie und ist zur besseren Übersichtlichkeit um 5 mV nach unten verschoben. Die mit einer gestrichelten Linie dargestellte Kurve (3) zeigt die durch das erfindungsgemäße Verfahren erstellte Fit- kurve, die fast komplett von der Messkurve überdeckt wird. Die mit einer dünn punktierten Linie dargestellte Kurve (4) zeigt die durch die Messbedingungen verursachte Fehlerlinie. Die mit einer dünnen strich punktierten Linie dargestellte Kurve (5) zeigt die mit Hil- fe des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelten Peaks plus Basis. Figur 2 zeigt den selben Ausschnitt eines Spektrogramms wie in Figur 1 sowie Messergebnisse unter Anwendung bisher bekannter Standard Auswerteverfahren. Dabei gibt die Abszisse X die Retentionszeit in Minuten an und die Ordinate Y das Signal des Analysegerätes (z. B. mV), welches die Peakflache, aus der die Konzentration (z. B. g/L) bzw. die Quantität der Probe bestimmt werden kann, erkennbar ist. Die mit einer fetten durchgezoge- nen Linie dargestellte Kurve (1) zeigt die reine Messkurve als Signal des Analysegerätes. Die mit einer fett strichpunktierten Linie dargestellte Kurve (2) zeigt die Basislinie, die zur besseren Übersichtlichkeit um 5 mV nach unten verschoben wurde . Die fett gestrichelte Linie (3a) zeigt den Bereich der manuell definierten
Grenzen zwischen einzelnen Peaks. Dies dient dazu, die Peakfläche zu bestimmen und einzugrenzen, die einer bestimmten Substanz zugeordnet werden soll . Die mit einer dünn punktierten Linie dargestellte Kurve zeigt die durch Fehler verursachte Messkurve. Die durch eine fett strichpunktierte Linie dargestellte Kurve (5) zeigt die einzelnen Peaks plus Basislinie. Die in Figur 1 ermittelte Fitkurve ist in Figur 2 mit der Kurve (5) , die die Peaks plus Basislinie wiedergibt, identisch und ist daher nicht separat erkennbar.
Figur 3 zeigt ein Struktogramm der beim erfindungsgemäßen Verfahren ablaufenden Schritte.
Figur 4 zeigt beispielhaft die graphische Darstellung von 6 unterschiedlichen Peaks nach hyperbolischer Ska- lierung. Für alle dargestellten Kurven kann folgende
Funktion angegeben werden: y =
Figure imgf000009_0001
Der Parameter c gibt die Steigung am Nullpunkt an. Die
Parameter „c+d" die Steigung für t- oo sowie „c-d" die Steigung für t- -oo . Parameter „e" bestimmt die Breite des Übergangsbereichs. Der Übergangsbereich entspricht der Steigung der Kurve der hyperbolischen Skalierung bzw. der Schärfe der Krümmung.
Die folgende Tabelle 1 gibt die für die jeweiligen Kur- ven 1 bis 6 ermittelten Parameter c, d und e an.
Tab. 1: Parameter c, d und e für 6 unterschiedliche Peaks nach hyperbolischer Skalierung
Figure imgf000009_0002
Wie aus den Werten der Kurven 1, 3, und 6 ersichtlich ist, weisen diese keinerlei Krümmung auf, wohingegen die Kurven 2, 4 und 5 eine deutliche Krümmung aufweisen. Jedem Peak der Messkurve werden durch den Verfahrensschritt der hyperbolischen Skalierung eigene Para- meter c, d und e zugeordnet, die seine Verzerrung relativ zum Standardpeak beschreiben. Figur 5 zeigt das Computerprogrammlisting einer Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Programmiersprache Scilab mit den mathematischen Funktionen des erfindungsgemäßen Verfahrens
Im folgenden soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die für die Auswertung der Proben notwendigen Funktionen direkt aus einem einzelnen komplexen gemessenen Spektrum mit vie- len Peaks oder aus mehreren gezielt zu Eichzwecken gemessenen Spektren bestimmt.
Die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen aus folgendem:
Auswahl von Meßpeaks mit einer Verteilung, die an- nähernd einer Gaußverteilung entspricht (Verfahrensschritt 9) ;
Normierung der ausgewählten Messpeaks durch eine hyperbolische Skalierung auf gleiche Form und Höhe und Festlegung des „Geräte-Standardpeaks" (Verfah- rensschritt (Verfahrensschritt 10)
Anpassung der Basislinie auf Grund des „Geräte- Standardpeaks (Verfahrensschritt 11)
sowie Auswertung der Proben auf Grundlage der Funktionen, die durch die vorhergehenden Operationen erhalten wurden (Verfahrensschritt 21)
Im ersten Verfahrensschritt (1) erfolgt zunächst der Anschluss der benötigten Unterprogramme sowie das Öff- nen der benötigten Dateien. Die Unterprogramme übernehmen einzelne Verarbeitungsschritte des Verfahrens. Zwei Dateien enthalten die Messwerte und Informationen über die Namen von Substanzen zu bestimmten Retentionszei- ten, andere nehmen die Ergebnislisten und Informationen zum Verlauf der Analyse auf. Die Daten, die analysiert werden sollen, werden eingelesen und der Analysebereich festgelegt. Die Daten stammen beispielsweise aus Analysen von Spektrogrammen oder Chromatogrammen. In der Re- gel entspricht der Analysebereich dem gesamten Bereich der gemessenen Messsignale. Es kann jedoch auch eine Beschränkung auf bestimmte Bereiche der Analyse durchgeführt werden. Durch Auswahl z. B. eines bestimmten Bereichs der Retentionszeit kann im erfindungsgemäßen Verfahren durch Aufrufparameter dieser Bereich definiert werden.
Im nachfolgenden Schritt (2) wird eine Schätzung des Rauschens der Messwerte mit Hilfe des 50%igen Quantil der Differenz aufeinanderfolgender Messwerte durchge- führt. Weiterhin wird die Breite der größten Peaks auf halber Peakhöhe bestimmt.
Anschließend (3) erfolgt eine Schätzung der Basis durch lineare Interpolation der Bereiche, in denen das Rauschen die lokale Form der Kurve dominiert. Im nachfolgenden Schritt (4) wird nach einem Intervall zwischen Rauschen-dominierten Bereichen gesucht, in denen die Messkurve deutlich über der Basislinie liegt.
In Schritt (5) wird ein klares, nicht durch Rauschen erklärbares Maximum der Messkurve im gemäß Verfahrens- schritt (4) ausgewählten Bereich gesucht. In der Nähe dieses Maximums wird der Peak an die Basis und die EmG-Kurve (Exponentially Modified Gaussian Funktion) angepasst (fitten) , bis ca. ~l/5 der Höhe des Peaks erreicht ist (Verfahrensschritt 6) . Dieser Be- reich von ~l/5 der Höhe des Peaks ist vorteilhaft, da hier Fehler durch benachbarte Peaks oder Fehler in der Basislinie erfahrungsgemäß keine Rolle spielen.
Im weiteren Verfahrensschritt (7) wird geprüft, ob das Ende des in Schritt (4) bestimmten Intervalls zwischen Rauschen-dominierten Bereichen, wo die Messkurve deutlich höher wird als die Basis, erreicht ist.
Ist das Ende dieses Bereichs nicht erreicht, wird nach einem weiteren lokalen Maximum, wie in Schritt (5) beschrieben, gesucht. Ist das Ende des gemäß Verfahrensschritt (4) bestimmten Bereichs erreicht, wird geprüft, ob das Ende Analysebereichs erreicht ist (Verfahrensschritt 8) . Wenn das Ende des Analysebereichs nicht erreicht ist, werden die Verfahrensschritte (4) bis (7) so lange wiederholt, bis das Ende des Analysebereichs erreicht ist. Nach Erreichen der Messkurve kann gemäß Verfahrensschritt (9) fortgefahren werden.
In Verfahrensschritt (9) wird dann nach großen, mindestens 20% der Höhe des größten und einzeln stehenden Peaks gesucht. Diese Peaks sollten einen möglichst steilen und gleichmäßig abfallenden Kurvenverlauf aufweisen und annähernd einer Gaußverteilung entsprechen. Weiterhin sollten die Peaks einzeln unterscheidbar sein und eine ausreichende Höhe aufweisen, d. h Peaks, die das Grundrauschen des Basisliniensignals ca. um das 4- fache überschreiten, können als Messpeaks gewertet werden. Die mittlere Peakbreite auf 1/3 der Höhe der gesamten Peakhöhe sollte mindestens 20 Messpunkte aufweisen, damit eine ausreichende Anpassung durch das erfin- dungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Mehr als 50 Messpunkte pro Peak führen in der Regel zu keinem Genauigkeitsgewinn, sondern eventuell sogar zu einer aufwendigeren Anpassung. Signale, die mehr als 10 mittlere Peakbreiten (> 500 Messpunkte) aufweisen, wer- den nicht mehr als Peak gewertet, sondern als Basis- drift. Diese Peaks werden in einem breiten Bereich an die verbesserte Basis und E G-Funktion angepasst .
Anschließend (10) wird eine Überlagerung der ausgewählten Peaks zu „Geräte-Standardpeaks" durchgeführt, indem eine hyperbolische Skalierung durchgeführt wird. Die
Peaks werden dadurch normiert und auf gleiche Form und Höhe gestaucht . Die Form eines realen Peaks wird dann durch eine Funktion der Form F(t) = a*F(g(σ, d, e, t- b) ) angepasst. Dabei beschreibt g(c, d, e, t) eine Hy- perbel, die monoton steigt und durch den Punkt (0,0) geht. Der Parameter „t" gibt die Zeit, insbesondere die Retentionszeit z. B. in min, an. Der Parameter „c" gibt die Steigung am Nullpunkt an. Die Parameter „c+d" die
Steigung für t- oo und „c-d" die Steigung für t- -oo. Die Parameter „c, d, und eλλ ergeben die Achsen der Hyperbel und damit die Breite und Schiefe der Peaks an. Die Lage des Peaks wird durch „b" und die Höhe durch „a" definiert. Figur 3 zeigt beispielhaft Kurven, die durch hyperbolische Skalierung realer Peaks gewonnen wurden. In diesem Beispiel konnten die Kurven durch die
Funktion y = - d jt2 + e2 + dej dargestellt werden.
Alle Peaks sollten aus einer bis höchstens drei „Stan- dardformen" erzeugt werden können. Änderungen der Betriebsbedingungen des Analysegerätes sollten innerhalb eines Spektrums die Grundform der Peaks nicht wesentlich verändern. Die „Geräte-Standardpeaks" sind für das jeweilige Profil wie z. B. die Auswahl der Trennsäule, des Detektors, des Probenaufbereitere, insbesondere des Trockners, der Analysetemperatur mit der das Analysege- rät betrieben wird, spezifisch. Aber auch die zu untersuchende Substanzklasse hat einen Einfluss auf die „Geräte-Standardpeaks" . Außer den Substanzpeaks werden in der Implementierung auch die durch die Zündung des Detektors oder die durch die Auswaschung von Partikeln aus der Säule verursachten Peaks identifiziert und aus der Analyse eliminiert.
Bei verschiedenen Substanzklassen wird der „Geräte- Standarpeak" nicht in einem einzigen Schritt festgelegt, sondern für die jeweilige Substanzklasse. Diese separat bestimmten, für die jeweilige Substanzklasse spezifischen „Geräte-Standardpeaks", können anschließend in einem Profil gespeichert werden und für die folgenden Analysen einzeln abgerufen werden, so dass unterschiedliche Substanzklassen in einem Verfahrens- schritt ausgewertet werden können.
Durch die aus den „Geräte-Standarpeaks" bestimmten Parameter bzw. Funktionen kann die endgültige Basislinienschätzung (11) erfolgen, indem Geradenstücke von unten gegen die Messkurve geschoben werden. Alle im ersten Durchlauf ermittelten Peaks werden mittels der neuen Basislinie und der neuen „Geräte- Standard"-Peakform und den daraus resultierenden Funktionen angepasst (12) . Nachfolgend wird die Differenzkurve durch Subtraktion der Messkurve des neu berechneten Durchlaufs von der Kurve des ersten Durchlaufs, die aus der Summe aus Basis und Peak besteht, bestimmt (13) .
Im nächsten Verfahrensschritt (14) wird nach dem nächs- ten Intervall zwischen Rauschen-dominierten Bereichen gesucht, in denen die Messkurve deutlich höher wird als die Basis.
In Verfahrensschritt (15) wird nach einem klaren nicht durch Rauschen erklärbaren lokalen Maximum innerhalb des gemäß Verfahrensschritt (14) bestimmten Bereichs gesucht .
Durch Verfahrensschritt (16) wird die durch Verfahrens- schritt (13) gebildete Differenzkurve in der Nähe des zuvor bestimmten Maximums angepasst, bis der Peak auf ca. 1/5 absinkt.
Im folgenden Schritt (17) des Verfahrens wird der neu gemäß (16) ermittelte Peak von der Differenzkurve abgezogen.
Verfahrensschritt (18) überprüft, ob das Intervall- Ende, welches durch Schritt (14) bestimmt wurde, erreicht ist. Wenn dieses Ende nicht erreicht ist, werden die Verfahrensschritte (15) bis (18) so lange wiederholt, bis das Intervall-Ende erreicht ist. Nun werden gemäß Verfahrensschritt (19) die optimalen Parmameter aller Peaks im Intervall gemeinsam mit einer nichtlinearen Optimierung bestimmt.
Anschließend wird in Verfahrensschritt (20) geprüft, ob das Ende des Analysebereichs erreicht ist. Ist das Ende des Analysebereichs nicht erreicht, werden die Verfahrensschritte (13) bis (19) so lange wiederholt, bis das Ende des Analysbereichs erreicht ist .
In Verfahrensschritt (21) erfolgt dann die endgültige Berechnung der Peakflachen für alle Peaks und die Ausgabe der Ergebnisse.
Wie aus Figur 1 und einem Vergleich der Tabellen 2 und 3 hervorgeht, wurde nach Anwendung des erfindungsgemä- ßen Verfahrens ein weiterer Peak ermittelt (Retentions- zeit 36,274), der mit den bisher bekannten Verfahren auf Grund der Überlagerung von Peaks nicht detektiert wurde. Weiterhin konnte durch das erfindungsgemäße Verfahren eine genauere Bestimmung der Substanzmengen er- reicht werden. So wurde für die Substanz mit einer Re- tentionszeit von 37,132 ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Peakflache von 104 592 ermittelt. Nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Peakflache von 58 173 ermittelt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnte eine bessere Zuordnung der Peakflachen zu den Substanzen erfolgen.
Tabelle 2: Analyseergebnisse ohne Anwendung des erindungsgemäßen Verfahrens
Figure imgf000017_0001
Tabelle 3 : Analyseergebnisse nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Figure imgf000017_0002
Unter der Voraussetzung, dass das Geräteprofil nicht verändert wird, können nun alle weiteren Proben mit Hilfe der durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmten „Geräte-Standardpeaks" beliebig oft ausgewertet werden. So können ohne weitere Anpassungen der Auswertefunktionen alle Proben genauer und schneller als mit den bisher verfügbaren Auswerteverfahren analysiert werden .
Für das erfindungsgemäße Verfahren können folgende
Grundbedingungen an das Analysesystem angegeben werden: Messrechner mit AMD K6 166 Mhz Prozessor und 48 MB RAM sind ausreichend, um die Auswertung der Chromatogram- me/Spektrogramme in weniger als der Messzeit durchzuführen. Als Software kann beispielsweise das frei verfügbare Scilab (von INRIA) eingesetzt werden. Scilab ist sowohl für Unix-Versionen als auch für Windows- Versionen erhältlich. Die Übertragung der Daten des Chromatographen/Spektrographen zum Rechner kann über eine Datenverbindung mit einem Analog-Digital-Wandler erfolgen. Die Datenmengen benötigen nur einige KB (Kilo Byte) und benötigen daher keine besondere Übertragungsleistung. Als Analysegeräte können beispielsweise alle handelsüblichen Chromatographen oder Spektrographen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Auswerteelektronik muss Eigen- Schäften aufweisen, die die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Zur Auswerteelektronik kann beispielsweise die mit dem Analysesystem mitgelieferte Software gehören. Die Auswerteelektronik dient dazu, dem erfindungsgemäßen Verfahren die auszuwerten- den Analyseergebnisse in geeigneter Form zur Verfügung zu stellen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Verfahren zur Auswertung von Chromatogrammen und Spektrogrammen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Auswahl von Messpeaks mit einer Verteilung, die an- nähernd einer Gaußverteilung entspricht,
Normierung der ausgewählten Messpeaks durch eine hyperbolische Skalierung auf gleiche Form und Höhe und Festlegung des „Geräte-Standardpeaks" ,
Anpassung der Basislinie auf Grund des „Geräte- Standarpeaks" ,
Auswertung der Proben auf Grundlage der Funktionen, die durch die vorhergehenden Operationen erhalten wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Messpeaks ausgewählt werden, die einen steilen gleichmäßigen Kurvenverlauf aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpeaks mindestens die 4-fache Höhe des Basisliniensignals aufweisen und eine Breite von 20 bis 50 Messpunkten aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dass zur hyperbolischen Skalierung folgende mathematische Funktion eingesetzt wird: F(t) = a*F(g(c, d, e, t-b) ) mit a = Höhe des Peaks, b = Lage des Peaks, c = Steigung am Nullpunkt, d = Krümmung, e = Breite der Krümmung und t = Zeit .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Hilfe des „Geräte-Standardpeaks" ge- wonnenen Funktionen abgespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Hilfe des „Geräte-Standardpeaks" gewonnenen und abgespeicherten Funktionen nachfolgend auf andere Analyseergebnisse angewendet werden.
Analysesystem, umfassend mindestens ein elektronisches Bauteil, das zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 geeignet ist.
Analysesystem nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass es ein Analysegerät sowie eine Einheit zur Umwandlung der Messsignale in computerlesbare Form aufweist . Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 geeignet ist.
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