WO2021228362A1 - Verfahren zur quantifizierung eines spurenkomponenten-peaks in einem chromatogramm - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Quantifizierung eines Spurenkomponenten-Peaks in einem Chromatogramm, wobei der Spurenkomponenten- Peak von einem Hauptkomponenten-Peak überlagert ist und die Retentionszeit der Spurenkomponente bekannt ist. Das Verfahren umfasst die Schritte a) Digitalisieren des Chromatogramms mit einer Abtastfrequenz von mindestens 800 Hz; b) Glätten des Chromatogramms durch Anlegen eines Tiefpassfilters; c) gegebenenfalls Anlegen eines Gauß-Filters an das in Schritt b) erhaltene Chromatogramm, d) Auswahl eines den Spurenkomponenten-Peak umfassenden Retentionszeitfensters t _R1 - t _R2, mit dem Startpunkt t _R1 und dem Endpunkt t _R2. und Auswahl eines Fit-Zeitfensters t _F1 - t _F2 mit dem Startpunkt t pi und dem Endpunkt t _F2, welches das Retentionszeitfenster t _R1 -t _R2 umfasst; e) Anpassen des Chromatogramms im Bereich des Fit-Zeitfensters t _F1- t _F2 an ein Polynom, wobei der Bereich des Retentionszeitfensters t _R1 -t _R2 von der Anpassung ausgeschlossen ist, wobei die so erhaltene Fit-Kurve vom Chromatogramm im Bereich des Fit-Zeitfensters aus Schritt d) unter Erhalt eines isolierten Spurenkomponenten- Peaks subtrahiert wird; f) Erfassen eines Startpunkts und eines Endpunkts des isolierten Spurenkomponenten-Peaks mit einem Gradientenverfahren; g) Wiederholen von Schritt e) mit dem in Schritt f) bestimmten Start- und Endpunkt des Spurenkomponenten- Peaks, wobei t _R1 der Startpunkt und t _R2 der Endpunkt ist; h) Bestimmung der Fläche unterhalb des Spurenkomponenten-Peaks; i) Konzentrationsbestimmung der Spurenkomponente anhand der Fläche aus Schritt h) mittels einer Kalibrationsgeraden.

Description

Verfahren zur Quantifizierung eines Spurenkomponenten-Peaks in einem Chromatogramm

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Quantifizierung eines Spurenkomponenten-Peaks in einem Chromatogramm, wobei der Spurenkomponenten-Peak von einem Hauptkomponenten-Peak überlagert ist und die Retentionszeit der Spurenkomponente bekannt ist.

Bei der kontinuierlichen und in der Regel vollautomatischen chromatografischen Analyse von hochreinen Substanzen sind Peaks von Nebenkomponenten (bzw. Verunreinigungen) trotz der Anwendung von beispielsweise gaschromatografischen Schnitttechniken meist vom abfallenden Peak der Hauptkomponente (Tailing) überlagert. Peaks von Nebenkomponenten sind dadurch entweder gar nicht zu erkennen oder nur sehr schwierig analytisch auszuwerten. Hochreine Substanzen haben in der Regel höchstens einen Verunreinigungsanteil im zweistelligen ppm- Bereich. Der Anteil einer Spurenkomponente kann vom einstelligen ppm-Bereich bis in den einstelligen ppb-Bereich liegen.

Peakerkennungs-Algorithmen im Rahmen von Gradientenverfahren können Peaks von Nebenkomponenten im Tailing von Hauptkomponenten für gewöhnlich nur unzureichend erkennen.

In der US 3,778,975 sind Möglichkeiten beschrieben, das Tailing bei Chromatografie-Peaks zu reduzieren. Insbesondere wird das Tailing mittels Gasmischungen in Injektoren vermindert.

Üblicherweise wird heute vorwiegend mit Kapillarsäulen und mit einer totvolumenfreien Gasumschaltung gearbeitet, um eine Hauptkomponente von einer Nebenkomponente chromatografisch zu trennen. Dies ist beispielsweise in der DE 2806123 A1 beschrieben. Eine Erhöhung der auf die Säule aufgegebene Probenmenge verstärkt zwar den Nebenkomponenten-Peak, allerdings wird auch das Tailing der Hauptkomponente verstärkt. Die verwendeten Kapillarsäulen zur Trennung der Komponenten sind in der Regel robust, zuverlässig und selektiv. Andere Säulen führen in der Regel zu breiteren Peaks und können darüber hinaus über eine Zeit von einigen Wochen ihr Adsorbtionsverhalten ändern.

In der On-Line Spurenanalytik ist die Verwendung von Helium- ionisationsdetektoren im ECD (Electron Capture Detection)- oder im PID (Photoionization Detection)-Modus bekannt. Diese Detektoren reagieren empfindlich auf ionisierbare Moleküle und funktionelle Gruppen. Ein weiterer weit verbreiteter Detektor im Spurenbereich ist der Flammenionisationsdetektor (FID, Flame Ionization Detector). Nachteilig bei diesem Detektortyp ist, dass ggf. Nebenprodukte durch den Ionisationsprozess gebildet werden.

Eine selektive Ionisation der Nebenkomponente, beispielsweise durch Zugabe von Make-up-Gas (Spülgas, z.B. Argon) scheitert oft an hohen Reinheitsanforderungen an die Zielsubtanz. Eine vollständige chromatografische Trennung der Nebenkomponenten- Peaks von der Hauptkomponente ist oft nicht möglich und die Nachweisgrenze für eine im Tailing des Hauptkomponenten-Peaks befindliche Nebenkomponente ist je nach Detektorempfindlichkeit meist auf den Bereich oberhalb des Tailings der Hauptkomponente begrenzt.

Übliche Auswertungsmethoden bei gängigen On-Line

Chromatographie-Softwares zur Peakanfangs- und Peakenderkennung basieren in der Regel auf Gradientenverfahren und versagen meist bei einem verrauschten Signal oder bei einem signifikanten Tailing. Generell ist es zwar möglich, ein verrauschtes Chromatogramm mit einem Tiefpass-Filter zu filtern, um den Peakanfang und das Peakende mittels Gradienten zu erkennen. Wenn allerdings die Signalamplituden einer Nebenkomponente zu klein werden und stark von dem abfallenden (Desorption) Peak der Hauptkomponente überlagert werden, sind keine auswertbaren Gradienten im Signal vorhanden.

Aus den beschriebenen Nachteilen ergab sich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Diese bestand darin, ein Verfahren bereitzustellen, das eine verbesserte Erkennung und Auswertung von Spurenkomponenten in einem Chromatogramm ermöglicht, obgleich deren Signal überlagert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Quantifizierung eines Spurenkomponenten-Peaks in einem Chromatogramm, wobei der Spurenkomponenten-Peak von einem Hauptkomponenten-Peak überlagert ist und die Retentionszeit der Spurenkomponente bekannt ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte a) bis i): a) Digitalisieren des Chromatogramms mit einem 24-Bit oder 32- Bit A/D-Wandler, wobei die Abtastfrequenz mindestens 800 Hz beträgt; b) Glätten des in Schritt a) digitalisierten Chromatogramms durch Anlegen eines Tiefpassfilters, wobei Frequenzen oberhalb eines Bereichs von 350 bis 500 kHz entfernt werden; c) gegebenenfalls Anlegen eines Gauß-Filters an das in Schritt b) erhaltene Chromatogramm, wobei der Gauß-Filter eine Länge von 1,3 bis 1,6 s und ein Sigma von 1,3 bis 1,6 s aufweist. d) Auswahl (aus dem in Schritt b) oder c) erhaltenen Chromatogramm) eines den Spurenkomponenten-Peak umfassenden Retentionszeitfensters t_R1-t_R2, mit dem Startpunkt t_R1 und dem Endpunkt t_R2, und Auswahl eines Fit-Zeitfensters t_F1 ^_t_F2 mit dem Startpunkt t_F1 und dem Endpunkt t_F2, welches das Retentionszeitfenster t_R1-t_R2 umfasst (vgl. Fig. 3); e) Anpassen des Chromatogramms im Bereich des Fit-Zeitfensters t_F1 ^_t_F2 an ein 2N-Polynom, wobei N eine ganze Zahl ist und der Bereich des Retentionszeitfensters t_R1-t_R2 von der Anpassung ausgeschlossen ist, wobei die so erhaltene Fit- Kurve vom Chromatogramm im Bereich des Fit-Zeitfensters aus Schritt d) unter Erhalt eines isolierten Spurenkomponenten- Peaks subtrahiert wird; f) Erfassen eines Startpunkts und eines Endpunkts des isolierten Spurenkomponenten-Peaks mit einem Gradienten- verfahren, wobei die 1. Ableitung gebildet wird und der Startpunkt als ein erster Nullwert in negativer Richtung ausgehend von einem maximalen Wert der 1. Ableitung festgelegt wird, wobei ein nächstes lokales Minimum oder Maxima mindestens 2,5 bis 5 % eines globalen Maximum betragen muss, und der Endpunkt als ein erster Nullwert in positiver Richtung ausgehend von einem minimalen Wert der 1. Ableitung festgelegt wird, wobei ein nächstes lokales Minimum oder Maximum mindestens 2,5 bis 5 % eines globalen Maximums betragen muss; g) Wiederholen von Schritt e) mit dem in Schritt f) bestimmten Start- und Endpunkt des Spurenkomponenten-Peaks, wobei t_R1 der Startpunkt und t_R2 der Endpunkt ist; h) Bestimmung der Fläche unterhalb des Spurenkomponenten-Peaks; i) Konzentrationsbestimmung der Spurenkomponente anhand der Fläche aus Schritt f) mittels einer Kalibrationsgeraden.

Das Verfahren ermöglicht eine verbesserte Auswertung von Spurenkomponenten, deren Peak sich im Chromatogramm insbesondere als Schulter im Tailing oder als Schulter im Fronting eines Hauptkomponenten-Peaks befindet. Die verbesserte Auswertung basiert grundsätzlich auf einer Steigerung von lokaler Rechnerleistung, einer Erfassung von schnellen Mikro- Adsorptions- und Mikro-Desorptionsvorgängen, einer Reduzierung des relativen Quantisierungsfehlers bei der Digitalisierung sowie „intelligenten" numerischen Algorithmen.

Bei dem Chromatogramm handelt es sich vorzugsweise um ein Gaschromatogramm. Allerdings ist das erfindungsgemäße Verfahren generell auf jedes Chromatogramm anwendbar.

Das Chromatogramm wird vorzugsweise mit einem Helium- ionisationsdetektor, insbesondere einem Elektronenanlagerungs- detektor oder Photoionisationsdetektor (ECD; Electron Capture Detection oder PID; Photoionization Detection), aufgezeichnet.

Das Chromatogramm (Detektorsignal) oder ggf. nur ein Ausschnitt, der den Hauptkomponenten-Peak umfasst, wird in Schritt a) mittels eines 24-Bit oder 32-Bit A/D-Wandlers und mit einer Abtastrate von mehr als 800 Hz digitalisiert (im Prozess-GC verbauter A/D Wandler 200 Hz). Die Abtastfrequenz liegt vorzugsweise in einem Bereich von 800 bis 1100 Hz und beträgt besonders bevorzugt 1 kHz. Die Daten können einem Mikrocontroller zugeführt werden.

Bedingt durch die hohe Abtastrate wird ohne signifikanten Informationsverlust in Schritt b) ein Tiefpassfilter zum Glätten der in Schritt a) erhaltenen Kurve eingesetzt. Vorzugsweise wird ein FFT-Tiefpassfilter verwendet. Je nach Wahl des Tiefpassfilters sollen Frequenzen in Bereich von 350 bis 500 kHz entfernt werden. Vorzugsweise werden Frequenzen oberhalb von 400 kHz entfernt. Gegebenenfalls kann im Schritt c) noch ein Gauß-Filters an die in Schritt b) erhaltene Kurve angelegt werden. Einfach ausgedrückt werden durch den Gauß-Filter Bereiche, die nicht Gauß-ähnlich sind, entfernt, insbesondere das Rauschen. Der Peak wird dadurch sichtbarer (schärfer). Der Gauß-Filter kann eine Länge von 1,3 bis 1,6 s und ein Sigma von 1,3 bis 1,6 s aufweisen. Sigma definiert dabei die Form der Gaußkurve für den Filter gemäß der allgemein gültigen Formel: Gauß-Filter = exp(—x²/(2 * Sigma²)).

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die a priori Information ausgenutzt, dass die Retentionszeit des Spurenkomponenten-Peaks bekannt ist. Bei einer relativ hohen Konzentration der Spurenkomponente (z.B. 1000 ppm) ist in der Regel die Amplitude des Spurenkomponenten-Peaks höher als das Tailing der Hauptkomponente. Dadurch kann der Spuren- komponenten-Peak relativ zum Tailing des nach einem Schnitt verbliebenen Hauptkomponenten-Peaks lokalisiert werden. Unter Schneiden ist zu verstehen, dass der Hauptkomponenten-Peak durch apparative Eingriffe (z.B. totvolumenfreie Gasumschaltung) beispielsweise nicht direkt auf einen sensitiven Heliumionisationsdetektor gelangt, sondern auf einen weniger sensitiven Detektor, beispielsweise einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor. Vorzugsweise ist das Chromatogramm mit einer totvolumenfreien Gasumschaltung erzeugt worden.

Durch Auswahl eines ausreichend großen Retentionszeitfensters kann sichergestellt werden, dass sich der Nebenkomponenten-Peak in seiner vollen Breite im Zeitintervall des Retentionszeit- fensters befindet. Die Auswahl des Retentionszeitfenster t_R1-t_R2 im Verfahrensschritt d) erfolgt auf Basis der bekannten Retentionszeit der Spurenkomponente. Das in Schritt d) auszuwählende Fit-Zeitfensters t_F1 ^_t_F2 aus dem in Schritt b) oder c) erhaltenen Chromatogramm ist größer als das Retentionszeitfenster t_F1 ^_t_F2, da es dieses jedenfalls enthalten muss (vgl. Fig. 3).

Der Bereich zwischen dem Startpunkt des Fit-Zeitfensters t_F1 und dem Startpunkt des Retentionszeitfensters t_R1 ist vorzugsweise um mindestens 150 %, besonders bevorzugt um mindestens 200 %, größer als das Retentionszeitfenster t_R1-t_R2.

Der Bereich zwischen dem Endpunkt des Retentionszeitfensters t_R2 und dem Endpunkt des Fit-Zeitfensters t_F2 ist vorzugsweise um mindestens 200 %, besonders bevorzugt um mindestens 350 %, insbesondere um mindestens 400 %, größer als das Retentionszeitfenster t_R1-t_R2.

Die Anpassung des Chromatogramms im Schritt e) erfolgt im ausgewählten Fit-Zeitfenster t_F1-t_F2 unter Ausschluss des Chromatogramm-Bereichs im Retentionszeitfenster t_R1-t_R2. Das heißt, dass die Anpassung (der Fit) nur im Bereich zwischen t_F1 und t_R1 sowie zwischen t_R2 und t_F2 erfolgt. Die Anpassung erfolgt an ein 2N-Polynom.

Dazu werden die Koeffizienten von ausgewählten Polynomen höherer Ordnung (2N) geschätzt (z.B. Polynom 4. (N=2) oder 6.

(N=3) Ordnung). Die Schätzung der Parameter kann mit klassischen numerischen Verfahren über die Minimierung der Fehlerquadrate erfolgen. Durch die Subtraktion der so erhaltenen Fit-Kurve vom Chromatogramm im Bereich des Fit- Zeitfensters t_F1 ^_t_F2 aus Schritt d) (inklusive des Retentionszeitfensters) wird ein freigestellter Peak der Spurenkomponente erhalten. Vorzugsweise handelt es sich in Schritt e) um ein Polynom 6. Ordnung, wobei N einen Wert von 3 hat.

In Schritt f) erfolgt die Ermittlung des exakten Start- und Endpunktes des Spurenkomponenten-Peaks. Zunächst wird die 1. Ableitung des in Schritt e) erhaltenen Spurenkomponenten-Peaks erzeugt. Es wird der Wert auf der y-Achse ermittelt, der die höchste Steigung aufweist. Von diesem Wert wird solange in negativer Richtung (nach links) auf der y-Achse gesucht bis der erste Nulldurchgang (1. Ableitung = 0) erreicht wird.

Allerdings muss gelten, dass ausgehend von diesem Nulldurchgang ein nächstes lokales Minimum oder Maximum mindestens 2,5 bis 5 % eines globalen Maximums betragen muss. Ist diese Bedingung erfüllt, kann der Nulldurchgang als Startpunkt des Spuren- komponenten-Peaks festgelegt werden. Diese Bedingung ist vorgesehen, um ggf. auftretende kleine Schwankungen (Rauschen) bei kleinen Peaks nicht als Peak-Start oder -Ende zu erkennen. Die Ermittlung des Endpunktes erfolgt entsprechend in positiver Richtung der y-Achse (nach rechts) ausgehend von einem minimalen Wert der 1. Ableitung.

Im Schritt g) erfolgt nochmals, analog zu Schritt f) die Anpassung des Chromatogramms im ausgewählten Fit-Zeitfenster t_F1—t_F2 unter Ausschluss des Chromatogramm-Bereichs im Retentionszeitfenster t_R1-t_R2. Dabei ist t_R1 der Startpunkt des Peaks, welcher im Schritt e) ermittelt wurde, und t_R2 der Endpunkt des Peaks, welcher im Schritt e) ermittelt wurde. Das heißt, dass die Anpassung (der Fit) nur im Bereich zwischen t_F1 und t_RI sowie zwischen t_R2 und t_F2 erfolgt. Die Anpassung erfolgt mit demselben N für das 2N-Polynom, welches im Schritt e) verwendet wird. Dazu werden die Koeffizienten von ausgewählten Polynomen höherer Ordnung (2N) geschätzt (z.B. Polynom 4. (N=2) oder 6. (N=3) Ordnung). Die Schätzung der Parameter kann mit klassischen numerischen Verfahren über die Minimierung der Fehlerquadrate erfolgen. Durch die Subtraktion der so erhaltenen Fit-Kurve vom Chromatogramm im Bereich des Fit- Zeitfensters t_F1 ^_t_F2 aus Schritt d) (inklusive des Retentionszeitfensters) wird ein freigestellter Peak der Spurenkomponente erhalten.

Die Bestimmung der Fläche in Schritt h) unterhalb des in Schritt g) ermittelten Spurenkomponenten-Peaks erfolgt vorzugsweise mittels einer numerischen Trapez-Integration. Die Trapez-Integration erfolgt derart, dass innerhalb der in Schritt g) bestimmten Peakgrenzen für jedes Zeitfenster (t bis t+1, wobei t ein Messpunkt ist) eine Fläche gebildet wird. Dazu wird ein Trapez zwischen den beiden Zeitpunkten gemäß der allgemein gültigen Formel ((y(t)+y(t+1))/2)*(x(t+1)-x(t)) gebildet und dann die Summe aller Zeitfenster (t bis t+1) vom Startpunkt bis Endpunkt gebildet.

Aus der so bestimmten Fläche wird in Schritt i) über eine Kalibrationsgerade die Konzentration der Spurenkomponente ermittelt.

Die Kalibrationsgerade ist eine lineare Abbildung der Integrationsfläche auf die Konzentration und gilt für gewöhnlich nur für kleine Änderungen der Fläche. Bei großen Nebenkomponenten-Peaks kann diese Näherung nicht mehr gültig sein.

Grundsätzlich werden für die Kalibrationsgerade zwei oder mehr Proben genommen und diese mit bekannten Verfahren (z.B. Gaschromatograph oder Massenspektrometer) untersucht und die Konzentration bestimmt. Diese Konzentrationen können dann der Fläche aus Schritt h) zugeordnet werden. Von den folgenden x-y Daten wird ein Polynom 1. Ordnung Fit (y = mx+b) ermittelt (wobei b = 0). Mit Hilfe dieser Steigung kann nun aus der Fläche die jeweilige Konzentration errechnet werden.

Gegebenenfalls kann noch eine Überprüfung der Qualität der Messung durch einen Vergleich mit einer idealen Gauß-Kurve erfolgen. Dazu wird der in Schritt g) ermittelte Spuren- komponenten-Peak an eine Gauß-Kurve angepasst und das Bestimmtheitsmaß (Determinationskoeffizient) bestimmt. Dieses Bestimmtheitsmaß ist vorzugsweise größer als 0,99. Ohne die Ausführung von Schritt f) ist das Bestimmtheitsmaß vorzugsweise größer als 0,98.

Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Nachweisgrenze von Nebenkomponenten im Tailing einer Hauptkomponente deutlich, insbesondere um den Faktor 4 bis 5, reduziert werden kann. Es konnten sogar Empfindlichkeitssteigerungen um den Faktor 10 detektiert werden.

Zusätzlich konnten Analysen mit fehlerhaft detektierten Peaks (i.d.R. Nullwerte) vermieden werden. Durch die vorherige Subtraktion des Tailings bei der Peak-Erkennung wird insbesondere bei kleinen Konzentrationen der Peak genauer. Der Grund dafür ist, dass bei einer üblicherweise durchgeführten normaler Peak-Erkennung (z.B. Algorithmen) die Ableitung immer negativ ist und bei Abzug des Tailings nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Ableitung um die Null auftritt. Dadurch sind Start- und Endpunkt des Peaks besser ermittelbar.

Die Quantifizierung des Residuums bei der Parameterschätzung für den subtrahierten Nebenkomponenten-Peak kann eine Aussage zur statistischen Unsicherheit des Wertes resultierend aus der Differenzchromatografie ermöglichen. Überschreitet das Residuum einstellbare Grenzwerte für diese Grenzwertüberschreitung können von übergeordneten Prozessregelstrategien Maßnahmen zur Stabilisierung ergriffen werden.

Zudem konnte der prozentuale Fehler des Messpeaks vor allen bei kleinen Konzentrationen vermindert werden, weil der Fit der Tailingkurve in Schritt e) genauer ist als die übliche Approximation mittels einem Polynom 1. Ordnung vom Peak-Anfang bis Peak-Ende.

Die erhöhte Bitbreite des A/D-Wandlers kann den

Quantisierungsfehler reduzieren und erhöht somit scheinbar die Messgenauigkeit, insbesondere für mikroskopische Adsorptions- und Desorptionsvorgänge auf einer Kapillarsäule. Die erhöhte Abtastrate zur Erfassung des Detektorsignals (etwa um einen Faktor 100) erhöht die Anzahl an Experimenten und zeigt überraschenderweise, dass die statistischen Fehler bei der Messung des Adsorptions- und Desorptionsverhaltens einer Gaußverteilung folgen. Messtechnisch gesehen kann sich das Signal-Rauschverhältnis um max. 10 dB reduzieren und kleinste Adsorptions- und Desorptionsvorgänge werden sichtbar.

Eine mögliche physikalische Erklärung der Wirkung der Erfindung könnte sein, dass der abfallende Desorptionspeak der Hauptkomponente dynamisch auf dem Weg zu einem neuen Gleichgewichtszustand (Abreicherung) ist, während die Nebenkomponente sich gerade in der Anreicherungsphase befindet und mikroskopisch dynamische Vorgänge der Adsorption und Desorption zwischen Haupt- und Nebenkomponente sich nichtlinear und asymmetrisch überlagern. Ferner könnte möglich sein, dass durch die höhere Abtastrate auch Moleküle gemessen werden, welche bei einer niedrigen Abtastrate durch Molekülbewegung nicht sichtbar waren. Diese noch nicht vollständig verstandenen Effekte werden durch einen hohe Abtastrate des Detektorsignals in Kombination mit einem geringeren Quantisierungsfehler besser sichtbar.

Im industriellen Umfeld sind üblicherweise erhebliche elektromagnetische Einstrahlungen (Frequenzumrichter hoher Leistung) vorhanden. Der Einfluss dieser Störungen wird durch die Erfindung ebenfalls stark reduziert, weil zyklische Schwankungen mit 50 bis 100 Hz dank der hohen Abtastfrequenz zuverlässig erkannt werden können.

Figur 1 zeigt das Chromatogramm einer Hauptkomponente, die mit einer Spurenkomponente verunreinigt ist.

Figur 2 zeigt das ausgewählte Retentionszeitfenster.

Figur 3 zeigt das Chromatogramm mit der Polynom-Anpassung.

Figur 4 zeigt das angepasste Spektrum im Ausschnitt des Retentionszeitfensters.

Figur 5 zeigt die Auswertung eines Spurenkomponenten-Peaks gemäß dem Stand der Technik.

Beispiel

Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte die Nachweisgrenze einer exemplarischen Spurenkomponente im Online Betrieb um einen Faktor 4 auf einen zweistelligen ppb Bereich reduziert werden. Im folgenden Beispiel ist eine Spur im niedrigen dreistelligen ppb Bereich dargestellt, welche mit bisherigen Messverfahren nicht auswertbar war.

Fig. 1 zeigt das Spektrum von einer Hauptkomponente, welche mittels einer z.B. totvolumenfreien Gasumschaltung herausgeschnitten wurde (etwa zwischen 5,8 und 8 a.u.)· Durch den Schnitt ist nur die abfallende Flanke der Hauptkomponente sichtbar. Bei dieser Figur wurde Schritt b) und c) durchgeführt. Die Einheit a.u. (arbitrary units) ist willkürlich. Das Spektrum wurde mit einem Heliumionisations- detektor aufgenommen. Es handelt sich um ein Gaschromatogramm. Die Spurenkomponente ist als kleine Schulter 1 (Pfeil) im Tailing der Hauptkomponente zu erkennen. Die Retentionszeit der Spurenkomponente ist bekannt. Das Spektrum ist mit einer Abtastfrequenz von 825 Hz und einer Genauigkeit von 24 Bit aufgezeichnet.

Fig. 2 zeigt das ausgewählte Retentionszeitfenster (Schritt d)) um den Peak der Spurenkomponente. Bei dieser Figur bzw. bei dem 825 Hz-Chromatogramm wurden die Schritte b) und c) durchge- führt. Zum Vergleich ist hier in einer gepunkteten Kurve das Spektrum mit einer Abtastfrequenz von nur 25 Hz dargestellt.

Fig. 3 zeigt das gemäß den Schritten b) und c) gefilterte Chromatogramm im Bereich um den Spurenkomponenten-Peak (Schulter bei etwa 9,2 a.u.) zusammen mit dem Fit des Polynoms 6. Ordnung (gestrichelte Linie) im Fit-Zeitfenster t_F1 ^_t_F2. Der Fit (gestrichelte Linie) ist über den Bereich des Retentionszeitfensters t_R1-t_R2 extrapoliert worden, um den Spurenkomponenten-Peak hervor zu heben. Für den Polynomfit wurde allerdings der Bereich des Retentionszeitfensters t_R1-t_R2 mit einer Breite von etwa 0,35 a.u. ausgespart. Der Fit erfolgte also nur zwischen t_F1 und t_R1 (0,61 a.u.) sowie zwischen t_R2 und t_F2 (1,22 a.u.).

Fig. 4 zeigt das Spektrum im Ausschnitt des Retentionszeit- fensters nach der Durchführung von Schritt e). Ferner wurde die 1. Ableitung zur Durchführung des Schritts f) gebildet (gepunktete Linie). Der Startpunkt des Spurenkomponenten-Peaks (Pfeil 2) entspricht dem ersten Nulldurchgang der 1. Ableitung ausgehend von dem maximalen Wert der 1. Ableitung (Pfeil 3) in negativer Richtung (nach links im Spektrum) bei etwa 8,9 a.u. (Pfeil 2). Das nächste lokale Minimum (Pfeil 1) ist größer als der eingestellte Grenzwert von 2,5 bis 5 % des globalen Maximums. Der Endpunkt des Peaks (Pfeil 6) entspricht dem zweiten Nulldurchgang bei etwa 9,6 a.u. (Pfeil 6) der 1. Ableitung in positiver Richtung (nach rechts im Spektrum) nach deren Maximum (Pfeil 3) bzw. dem ersten Nulldurchgang (Pfeil 6) der 1. Ableitung nach deren Minimum (Pfeil 4). Das nächste lokale Maximum (Pfeil 5) ist größer als der eingestellte Grenzwert von 2,5 bis 5 % des globalen Maximums. Mit besonderem Vorteil wird durch das Verfahren verhindert, dass kleine Schwankungen (Pfeil 7) bereits als Teil des Spurenkomponenten- Peaks erkannt werden.

Mit dem Start- (Pfeil 2) und dem Endpunkt (Pfeil 6) aus der Figur 4 wurde im Schritt g) der Polynom-Fit und die darauffolgende Subtraktion nochmals durchgeführt. Mit dem nun erhaltenen Differenzchromatogramm wurden nun die Schritte h) und i) durchgeführt. Nach Durchführung der Schritte h) und i) konnte eine Konzentration im niedrigen dreistelligen ppb Bereich festgestellt werden. Dazu wurde im Bereich des Spurenkomponenten-Peaks (zwischen den Pfeilen 2 und 6) die Fläche mittels einer numerischen Trapez-Integration errechnet. Es wurde dabei eine Fläche von ca. 0,025 V*a.u. erhalten. Diese Fläche wurde mit der vorher bestimmten Steigung aus einer Kalibration (y = mx) verrechnet.

Fig. 5 zeigt zum Vergleich eine Auswertung eines Retentions- zeitfensters um einen exemplarischen Spurenkomponenten-Peak mit einer anderen Methode, nämlich dem Gradientenverfahren. Das obere Spektrum zeigt die Gradienten des unteren Chromatogramms mit dem Spurenkomponenten-Peak. Im unteren Chromatogramm ist die gepunktete Linie nur zur Verdeutlichung des Spurenkomponenten-Peaks eingefügt. Die Gradienten wurden mittels Δy/Δx aus dem Chromatogramm erzeugt. Es zeigt, dass sich im Bereich der Spurenkomponente (zwischen 9 und 9,7 a.u.) die Gradienten im Vergleich zu den Gradienten vor und nach dem Bereich der Spurenkomponente deutlich verändern. Der Spuren- komponenten-Peak ist für das Auge erkennbar, aber durch die kleine Schwankung (vgl. Pfeil im oberen Spektrum) stoßen übliche Gradientenverfahren an ihre Grenzen. Diese Schwankung, fallende Gradienten, wird als Ende des Spurenkomponente-Peaks definiert und somit ein viel zu kleiner Peak als Ergebnis ausgegeben. Im Ergebnis wurde der Spurenkomponenten-Peak mittels Gradientenverfahren nicht erkannt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen wurde der Spurenkomponenten-Peak komplett erkannt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Quantifizierung eines Spurenkomponenten-Peaks in einem Chromatogramm, wobei der Spurenkomponenten-Peak von einem Hauptkomponenten-Peak überlagert ist und die Retentionszeit der Spurenkomponente bekannt ist, umfassend die folgenden Schritte a) Digitalisieren des Chromatogramms mit einem 24-Bit oder 32- Bit A/D-Wandler, wobei die Abtastfrequenz mindestens 800 Hz beträgt; b) Glätten des in Schritt a) digitalisierten Chromatogramms durch Anlegen eines Tiefpassfilters, wobei Frequenzen oberhalb eines Bereichs von 350 bis 500 kHz entfernt werden; c) gegebenenfalls Anlegen eines Gauß-Filters an das in Schritt b) erhaltene Chromatogramm, wobei der Gauß-Filter eine Länge von 1,3 bis 1,6 s und ein Sigma von 1,3 bis 1,6 s aufweist. d) Auswahl (aus dem in Schritt b) oder c) erhaltenen Chromatogramm) eines den Spurenkomponenten-Peak umfassenden Retentionszeitfensters t_R1-t_R2, mit dem Startpunkt t_R1 und dem Endpunkt t_R2, und Auswahl eines Fit-Zeitfensters t_F1 ^_t_F2 mit dem Startpunkt t_F1 und dem Endpunkt t_F2, welches das Retentionszeitfenster t_R1-t_R2 umfasst (vgl. Fig. 3); e) Anpassen des Chromatogramms im Bereich des Fit-Zeitfensters t_F1—t_F2 an ein 2N-Polynom, wobei N eine ganze Zahl ist und der Bereich des Retentionszeitfensters t_R1-t_R2 von der Anpassung ausgeschlossen ist, wobei die so erhaltene Fit- Kurve vom Chromatogramm im Bereich des Fit-Zeitfensters aus Schritt d) unter Erhalt eines isolierten Spurenkomponenten- Peaks subtrahiert wird; f) Erfassen eines Startpunkts und eines Endpunkts des isolierten Spurenkomponenten-Peaks mit einem Gradienten- verfahren, wobei die 1. Ableitung gebildet wird und der Startpunkt als ein erster Nullwert in negativer Richtung ausgehend von einem maximalen Wert der 1. Ableitung festgelegt wird, wobei ein nächstes lokales Minimum oder Maxima mindestens 2,5 bis 5 % eines globalen Maximum betragen muss, und der Endpunkt als ein erster Nullwert in positiver Richtung ausgehend von einem minimalen Wert der 1. Ableitung festgelegt wird, wobei ein nächstes lokales Minimum oder Maximum mindestens 2,5 bis 5 % eines globalen Maximums betragen muss; g) Wiederholen von Schritt e) mit dem in Schritt f) bestimmten Start- und Endpunkt des Spurenkomponenten-Peaks, wobei t_R1 der Startpunkt und t_R2 der Endpunkt ist; h) Bestimmung der Fläche unterhalb des Spurenkomponenten-Peaks; i) Konzentrationsbestimmung der Spurenkomponente anhand der Fläche aus Schritt f) mittels einer Kalibrationsgeraden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Chromatogramm mit einem Heliumionisationsdetektor, insbesondere einem Elektronenanlagerungsdetektor oder Photoionisationsdetektor, aufgezeichnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz in Schritt a) in einem Bereich von 800 bis 1100 Hz liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Frequenzen oberhalb von 400 kHz entfernt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gauß-Filter in Schritt c) eine Länge von 1,3 bis 1,6 s und ein Sigma von 1,3 bis 1,6 s aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen t_FI und t_R1 um mindestens 150 %, vorzugsweise um mindestens 200 % größer ist als das Retentionszeitfenster t_R2-t_R2.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen t_R2 und t_F2 um mindestens 200 %, vorzugsweise um mindestens 350 % größer ist als das Retentionszeitfenster t_R2-t_R2.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich in Schritt e) um ein Polynom 6. Ordnung handelt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche in Schritt g) mittels numerischer Trapez-Integration bestimmt wird.