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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Gasen, insbesondere
zur Analyse der menschlichen Ausatemluft, bei welchem eine zu analysierende
Gasprobe aus einer Gasprobenaufnahme zunächst durch eine gaschromatographische
Trenneinrichtung geführt,
nachfolgend in den Ionisationsraum eines Ionenbeweglichkeitsspektrometers
geleitet und im Ionenbeweglichkeitsspektrometer analysiert wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines
solchen Verfahrens mit einem Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit
Auswerteeinheit, einer dem Ionenbeweglichkeitsspektrometer vorgeschalteten
gaschromatographischen Trenneinrichtung und einer der Trenneinrichtung
vorgeschalteten Gasprobenaufnahme.
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Die
Ionenbeweglichkeitsspektrometrie hat sich als analytische Methode
zur Charakterisierung von Spuren von Gasen oder Gasgemischen in
Luft oder anderen Trägergasen
(ng- bis pg-, ppmv bis pptv-Bereich)
bei Umgebungsdruck in den vergangenen Jahrzehnten laufend weiter
entwickelt. Standen zunächst
militärische
Anwendungen zur Detektion chemischer Kampfstoffe oder von Sprengstoffen
im Vordergrund, so erweiterte sich das Anwendungsspektrum schnell
um Gebiete wie Drogendetektion, die Prozesskontrolle bei der Synthese
flüchtiger
organischer Verbindungen und die Spurenanalytik luftgetragener organischer
Komponenten sowie die Detektion von Peptiden, Biomolekülen und
Bakterien.
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Die
Ionenbeweglichkeitsspektrometrie beruht auf der geeigneten Ionisierung
eines gasförmigen
Analyten (beispielsweise mit radioaktiver Strahlung, UV-Licht oder
mit elektrischen Entladungen) und nachfolgender Trennung der so
gebildeten positiven oder negativen Ionen in einer Driftröhre bei
Umge bungsdruck und häufig
auch bei Umgebungstemperatur. Hierzu gelangen Schwärme von
Ionen für kurze
Gitteröffnungszeiten
(üblicherweise
10 μs bis
1 ms) in Driftröhren
von wenigen cm Länge
und werden dort idealerweise in elektrischen Feldern um 300 Vcm–1 getrennt.
Zur exakten Bestimmung des Startpunktes der Ionen am Innentor und
zum Schutz vor dem Eintreten von Analytmolekülen in den Driftraum wird häufig ein
Driftgas eingesetzt, welches den in Richtung auf eine am dem Innentor
abgewandten Ende des Driftraumes angeordnete Faraday-Platte driftenden
Ionen entgegenströmt.
Die an der Faraday-Platte abgreifbare Ladungsmenge bildet das Laufzeitspektrum.
Die Zeit, die die Ionen für
das Durchlaufen einer bestimmten Driftstrecke in einem möglichst
homogenen elektrischen Feld benötigen, ist
umgekehrt proportional zur Beweglichkeit der Ionen. Über die
Beweglichkeit können
so unter bestimmten Bedingungen die Analyten identifiziert werden.
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Die
Ionenbeweglichkeitsspektrometrie wird zwischenzeitlich auch erfolgreich
bei der online- und auch der offline-Diagnostik menschlicher Ausatemluft
eingesetzt, welche z. B. eine Früherkennung
von insbesondere Lungenerkrankungen möglich macht. Bei dieser Diagnostik
menschlicher Ausatemluft liegen die interessierenden Analyten ohne
Anreicherung im Spurenbereich vor. Bei der Analyse der Metabolite
in der Ausatemluft mittels Ionenbeweglichkeitsspektrometrie werden
meistens Ionenbeweglichkeitsspektrometer mit einer gaschromatographischen
Vortrenneinheit, z. B. Multi-Kapillar-Säulen (MCC), eingesetzt.
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Die
Auswertung von Ionenbeweglichkeitsspektrometrie-Chromatogrammen
zeigt, dass später eluierende
Analyte häufig über eine
längere
Zeit verteilt das Ionenbeweglichkeitsspektrometer erreichen als
frühzeitig
eluierende. Bei festliegender Nachweisgrenze des Ionenbeweglichkeitsspektrometers
wird in Folge der über
längere
Zeit eluierenden Analyte eine solche Verdünnung im Trägergas registriert, dass diese
Analyte nicht oder nicht mehr sicher bestimmt werden können. Insbesondere
bei der Atemluftdiagnostik mittels Ionenbeweglichkeitsspektrometern
mit gekoppelten Multi-Kapillar-Säulen
wurde überraschend
beobachtet, dass sich ein Teil der Analyten im Bereich niedriger
Drift- und niedriger Retentionszeiten findet, während ab einer bestimmten Retentionszeit
nur wenige Metabolite auftreten, welche aus den vorerwähnten Gründen schlecht
oder gar nicht mehr bestimmt werden können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Lösung
zu schaffen, die es ermöglicht,
Analyte zuverlässig
zu erfassen, auch wenn sie bei einem Analysevorgang das Ionenbeweglichkeitsspektrometer
erst zeitverzögert,
d. h. erst nach verhältnismäßig langer
Retentionszeit, erreichen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Gasprobe aus der Gasprobenaufnahme zunächst isotherm zum Ionenbeweglichkeitsspektrometer
geleitet und ab einer vorgebbaren Retentionszeit kontinuierlich
vor dem Eintritt in das Ionenbeweglichkeitsspektrometer erwärmt wird.
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Es
hat sich herausgestellt, dass durch eine Erwärmung, d. h. Temperaturerhöhung des
Anteils der Gasprobe, welcher zur vorgebbaren Retentionszeit das
Ionenbeweglichkeitsspektrometer noch nicht erreicht hat, sich die
weiteren Retentionszeiten der Analyten dadurch wesentlich verkürzen und
dadurch bedingt mehr Analytmoleküle
im Ionisationsraum zum entsprechenden Zeitpunkt vorliegen, so dass das
Messsignal entsprechend größer wird.
Um eine Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu gewährleisten,
ist selbstverständlich
eine vorherige Kalibration bei gleicher Temperatur durchzuführen. Somit
sind auch vergleichsweise schwache Messsignale bei an sich hohen
Retentionszeiten deutlich erfass- und quantifizierbar.
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Sie
gelangen nun bei niedrigeren Retentionszeiten in das Ionenbeweglichkeitsspektrometer und
mit höheren
Konzentrationen in den Ionisationsraum.
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Vorteilhaft
ist dabei vorgesehen, dass die gaschromatographische Trenneinheit
selbst zunächst
isotherm und ab der vorgebbaren Retentionszeit mit ansteigender
Temperatur betrieben wird, was durch eine mit einer Steuerung versehenen
Heizeinrichtung realisierbar ist.
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Bevorzugt
wird die gaschromatographische Trenneinheit ab der vorgebbaren Retentionszeit
so temperiert, dass die Temperatur etwa linear ansteigt. So kann
beispielsweise ab einer Retentionszeit von 150 s eine lineare Temperaturerhöhung, ausgehend von
Umgebungstemperatur auf maximal 300°C durchgeführt werden.
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Als
gaschromatographische Trenneinheit wird vorzugsweise eine an sich
bekannte Multi-Kapillar-Säule
(MCC) verwendet.
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Zur
Lösung
der vorgenannten Aufgabenstellung sieht die Erfindung auch eine
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens vor, die sich dadurch auszeichnet, dass die gaschromatographische
Trenneinrichtung mit einer mit einer Steuerung verbundenen Heizeinrichtung
versehen ist.
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Dabei
ist bevorzugt die gaschromatographische Trenneinrichtung eine Multi-Kapillar-Säule.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 ein
typisches Ionenbeweglichkeitsspektrometer-Chromatogramm ohne Einsatz
der Erfindung,
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3 ein
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugtes Ionenbeweglichkeitsspektrometer-Chromatogramm und
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4 das
Chromatogramm nach 2 mit zusätzlichen Signalen, die durch
die erfindungsgemäße Verfahrensweise
gemäß 3 ermittelt
worden sind.
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In 1 ist
in Form einer Prinzipdarstellung eine Vorrichtung zur Durchführung eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Analyse von Gasen, insbesondere zur Analyse der menschlichen
Ausatemluft, dargestellt. Diese Vorrichtung weist zunächst ein
Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 auf, welches für sich betrachtet
hinlänglich
bekannt ist und deshalb nicht im Detail dargestellt ist. Dieses
Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 weist im Sinne der 1 im
unteren Bereich einen Ionisationsraum auf, der durch ein Ionengitter
vom im oberen Bereich befindlichen Driftraum getrennt ist, am Ende
des Driftraumes, d. h. am oberen Ende gemäß der Darstellung in 1 ist eine
Faraday-Platte angeordnet. Das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 ist
in üblicher
Weise mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden, die ebenfalls
nicht dargestellt ist.
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Dem
Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 vorgeschaltet ist eine
gaschromatographische Trenneinrichtung 2, welche vorzugsweise
von einer Multi-Kapillar-Säule
(MCC) gebildet ist. Diese Multi-Kapillar-Säule 2 steht über eine
Leitung 3 an ihrem Austritt mit dem Ionisationsraum des
Ionenbeweglichkeitsspektrometers 1 in Verbindung. Am Eingang
der gaschromatographischen Trenneinrichtung 2 ist eine Leitung 4 angeordnet,
welche zu einem 6-Wege-Ventil 5 führt. An dieses 6-Wege-Ventil 5 ist
eine Gasprobenaufnahme, vorzugsweise in Form einer Probenschleife 6,
angeschlossen. Des Weiteren sind an das 6-Wege-Ventil 5 eine
Pumpe 7, ein Spülgaseinlass 8 sowie
ein Trägergaseinlass 9 angeschlossen.
Die Pumpe 7 ist mit einem Auslass 10 versehen,
das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 weist am dem Ionisationsraum
abgewandten Ende des Driftraumes einen Driftgaseinlass 11 und
im Bereich des Ionisationsraumes einen Auslass 12 auf.
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Der
so beschriebene Aufbau der Vorrichtung ist bekannt, wesentlich für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist nun, dass eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, die allgemein
mit 13 bezeichnet und nur schematisch dargestellt ist.
Diese Heizeinrichtung 13 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass
sie die gaschromatographische Trenneinrichtung 2 umgibt
und in der Lage ist, die gaschromatographische Trenneinheit 2 und
damit das darin befindliche, zu analysierende Gas zu erwärmen bzw.
zu temperieren. Dazu ist die Heizeinrichtung 13 mit einer
nicht dargestellten elektronischen Steuerung versehen.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass die in der Probenschleife 6 befindliche
Gasprobe über
das 6-Wege-Ventil 5 mittels des Trägergases 9 in die
gaschromatographische Trenneinrichtung 2 und anschließend in
den Ionisationsraum des Ionenbeweglichkeitspektrometers 1 gefördert wird.
Dabei wird die Gasprobe zunächst
isotherm zum Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 geleitet
und ab einer vorgebbaren Retentionszeit kontinuierlich vor dem Eintritt
in das Ionenbeweglichkeitsspektrometer 1 erwärmt. Dazu
wird die gaschromatographische Trenneinheit 2 zunächst isotherm
und ab der vorgebbaren Retentionszeit mit ansteigender Temperatur
betrieben, und zwar vorzugsweise derart, dass die Temperatur etwa
linear ansteigt.
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Die
Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes
wird anhand der 2 bis 4 erläutert.
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Die 2 zeigt
ein Ionenbeweglichkeitsspektrometer-Chromatogramm, welches mit einer Vorrichtung
nach dem Stand der Technik, d. h. ohne Heizeinrichtung 13,
aufgenommen worden ist. In diesem Chromatogramm sind drei Signale
(A, B, C) zu erkennen und besonders gekennzeichnet. Man sieht, dass
in der Grauskala für
die zweite Ebene von unten schwarz gewählt wurde, d. h. das Signal
A ist sehr niedrig.
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3 zeigt
demgegenüber
das Ergebnis einer Messung, bei dem erfindungsgemäß die Heizeinrichtung 13 eingesetzt
wurde. Erkennbar treten die Signale der jeweils zugehörigen Analyte
nunmehr bei niedrigeren Retentionszeiten auf, gleichzeitig sind die
Signale höher
(siehe Signal A), weil die zu einer Probe gehörenden Analyte bei erhöhter Temperatur im
Vergleich in einer kürzeren
Zeitspanne die gaschromatographische Trenneinheit 2 verlassen.
Dies bedeutet, dass im Ionisationsraum des Ionenbeweglichkeitsspektrometers 1 eine
vergleichsweise höhere
Konzentration vorliegt. Daher sind im Vergleich zur Messung nach 2 auch
zusätzliche
Signale zu erkennen (z. B. D, E, F, G, H), die durch das "Zusammenschieben" des Zeitraumes des
Verlassens der gaschromatographischen Trenneinheit 2 überhaupt erst
oberhalb der Nachweisgrenze liegen und so erfolgreich detektiert
werden können.
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In
der 4 sind in derselben Darstellung wie in 2 die
Positionen dieser zusätzlichen,
in 3 erkennbaren Signale eingezeichnet, welche ohne
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens überhaupt
nicht nachweisbar sind.
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Natürlich ist
die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, weitere Ausgestaltungen
sind möglich,
ohne den Grundgedanken zu verlassen. So könnte die Heizeinrichtung selbstverständlich auch
an anderer Stelle angeordnet sein, vorzugsweise dient sie jedoch
zur Beheizung der gaschromatographischen Trenneinheit 2.