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WO2002058106A2 - Verfahren und vorrichtung zur beurteilung des zustandes von organismen und naturprodukten sowie zur analyse einer gasförmigen mischung mit haupt- und nebenkomponenten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur beurteilung des zustandes von organismen und naturprodukten sowie zur analyse einer gasförmigen mischung mit haupt- und nebenkomponenten Download PDF

Info

Publication number
WO2002058106A2
WO2002058106A2 PCT/EP2001/014804 EP0114804W WO02058106A2 WO 2002058106 A2 WO2002058106 A2 WO 2002058106A2 EP 0114804 W EP0114804 W EP 0114804W WO 02058106 A2 WO02058106 A2 WO 02058106A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gaseous mixture
sample
ion beam
determined
mass spectrometer
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/014804
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2002058106A3 (de
Inventor
Johannes Villinger
Werner Federer
Original Assignee
V & F Analyse- Und Messtechnik Ges.M.B.H.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by V & F Analyse- Und Messtechnik Ges.M.B.H. filed Critical V & F Analyse- Und Messtechnik Ges.M.B.H.
Priority to KR1020037007736A priority Critical patent/KR100885654B1/ko
Priority to US10/433,370 priority patent/US6982416B2/en
Priority to JP2002558304A priority patent/JP4316883B2/ja
Priority to EP01986885A priority patent/EP1342254A2/de
Publication of WO2002058106A2 publication Critical patent/WO2002058106A2/de
Publication of WO2002058106A3 publication Critical patent/WO2002058106A3/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/145—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers using chemical ionisation

Definitions

  • the present invention relates to a method for assessing the state of organisms and natural products which release substances into the atmosphere surrounding them, in which one or more of these substances are determined in a gaseous mixture, a method for analyzing a gaseous mixture with major and minor components , and an apparatus for performing these methods, which comprises a mass spectrometer with a gas introduction system.
  • Invasive methods are mainly used to assess the condition of organisms and natural products, i.e. samples are taken from the subject to be examined, which are then analyzed in laboratories.
  • samples are taken from the subject to be examined, which are then analyzed in laboratories.
  • assignments to clinical pictures and metabolic disorders are mainly carried out by blood, urine or stool examinations.
  • these methods have the disadvantage that they act directly on the subject to be examined by sampling.
  • they sometimes require complex sampling, such as taking blood from humans, by medical professionals.
  • the analysis of the sample itself can only be carried out by trained personnel and the analyzes usually require a lot of time.
  • the object of the present invention is to provide a method for the analysis of gaseous mixtures which allows the rapid determination of main and secondary components of the gaseous mixture.
  • Another object of the invention is to provide a device for the analysis of gaseous mixtures, which is suitable for carrying out the above-mentioned methods and allows a quick analysis of samples of gaseous mixtures, the components of which are present in a wide concentration range.
  • the invention is based on the knowledge that the above-mentioned objects can be achieved with the aid of a mass spectrometer in which an ion beam acts in a high vacuum on the sample of the gaseous mixture to be analyzed in such a way that the sample molecules ionize with the help of the internal energy of the ions of the ion beam become.
  • the present invention therefore provides a first method for assessing the state of organisms and natural products which release substances into the atmosphere surrounding them, in which one or more of these substances are determined as components of a gaseous mixture, the determination using a mass spectrometer in which an ion beam acts on the sample of the gaseous mixture in a high vacuum in such a way that the sample molecules are ionized with the aid of the internal energy of the ions of the ion beam, and the values obtained in the determination are evaluated to determine the state.
  • natural products include natural products such as fruit, vegetables, meat, cow's milk, etc., products obtained by natural production processes such as e.g. Wine, beer, cheese, cooking oil etc., as well as products obtained from refining natural products such as Coffee beans, smoked ham etc. understood.
  • gaseous mixtures are understood to mean mixtures of substances which, in addition to main components which are gaseous at room temperature, contain further components which are in the gas phase formed by the main components.
  • Mass spectrometer in which an ion beam acts on a gaseous mixture in a high vacuum in such a way that the sample molecules are internal energy of the ions of the ion beam are known, for example, from EP 0 290 711, EP 0 290 712 and DE 196 28 093. Reference is hereby made to the disclosure content of these publications.
  • the method according to the invention has the advantage that no samples have to be taken artificially from the organism or natural product to be examined, thereby avoiding any damage to the organism or natural product. So it is a non-invasive procedure.
  • Another advantage of the method is that the method for analyzing a sample takes only a short time in the range of a few minutes.
  • the method offers the advantage that when determining several components of the gaseous mixture to be analyzed, essentially no superimpositions (interferences) are obtained when determining the components, which prevent analysis of individual specific components.
  • the method is used to assess the condition of humans and animals.
  • the advantage here is that no samples, such as blood samples, for example, have to be taken from the object to be examined, since such samples must be taken by trained personnel, in the case of humans, for example, by doctors.
  • sampling of humans and animals is perceived as unpleasant.
  • the method according to the invention as a non-invasive method has the advantage that, on the one hand, the sampling is not perceived as unpleasant and, on the other hand, it can also be carried out by untrained personnel or by the test subject himself.
  • the exhaled air of humans is used as the gaseous mixture in the process according to the invention.
  • This offers the advantage that, on the one hand, sampling is very easy can take place and that on the other hand the substances obtained in the exhaled air allow the assessment of the condition of the test person with regard to a variety of clinical pictures and metabolic processes.
  • the gaseous mixture to be analyzed further preferably comprises main components and secondary components, the concentration of the main components falling below that of the secondary components by at least a factor of 10, preferably 50, more preferably 100.
  • the gaseous mixture to be analyzed comprises main and secondary components, in each case at least one of the main components in the concentration range of> 0.1% by volume, preferably> 1% by volume, and at least one secondary component in the concentration range of ⁇ 0 , 1% by volume, preferably ⁇ 0.03% by volume.
  • a correlation between at least one main component and at least one secondary component is established for evaluating the data obtained by the mass spectrometer. This can be done, for example, by calibrating the determination of one or more secondary components to determine one or more main components.
  • the sample of the gaseous mixture is fed to the mass spectrometer without pretreatment.
  • This offers the advantages that, on the one hand, the time requirement for the measurement of a sample is minimized and, on the other hand, no further costs arise from pretreatment steps, such as the concentration of the sample.
  • two or more substances of the gaseous mixture with different molecular structure are further preferably determined with one measurement.
  • the concentration of one or more of the substances contained in the gaseous mixture is determined quantitatively in the process according to the invention.
  • the method according to the invention comprises the determination by means of a mass spectrometer, in which an ion beam acts on the sample of the gaseous mixture in a high vacuum in such a way that the sample molecules are ionized with the aid of the internal energy of the ions of the ion beam, the quantities of the determined substances are linear proportional to the detected signal, therefore the quantitative detection can be done easily.
  • the quantitative determination also has the advantage that further statements can be made about the condition of the organism or natural product. In particular, in the case of multiple measurements, changes in the concentrations of substances and thus changes in the state of the organism or natural product can be determined in chronological order.
  • the concentration of at least one of the main components and at least one, preferably a multiplicity, of the secondary components is more preferably determined quantitatively.
  • the concentration of the specific secondary component (s) is preferably calibrated using the concentration of one or more of the specific main components when evaluating the mass spectrometer data.
  • only substances are determined with the method according to the invention which have a vapor pressure of at least 10 "3 at room temperature have mbar. All components of the gaseous mixture are more preferably determined with a vapor pressure> 10 -3 mbar.
  • the main components of the gaseous mixture to be analyzed are essentially the same as those of the atmospheric air. More preferably, the concentrations of the main components of the gaseous mixture to be analyzed are essentially the same as those of the atmospheric air or that of the human exhaled air.
  • all components of the gaseous mixture to be analyzed which have a molecular mass of up to 500, preferably a molecular mass of up to 200, in the detection in the mass spectrometer are quantitatively detected.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum comprises an atomic ion beam.
  • the ion beam further preferably comprises ions which are in the electronic ground state and / or in a selectively excited metastable state.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises at least two ion beams with different ionization potential.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum comprises an Hg ion beam.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum comprises an Hg ion beam and additionally a Kr ion beam and / or a Xe ion beam.
  • the different ion beams further preferably act on the sample molecules in succession in a high vacuum.
  • Substances with an ionization potential ⁇ 17 eV are preferably determined with the present method.
  • the present invention furthermore provides a second method for analyzing a gaseous mixture each having one or more main and secondary components, at least one main component in each case in the concentration range> 0.1% by volume, preferably> 1% by volume, and at least a secondary component in the concentration range ⁇ 0.1 vol%, preferably ⁇ 0.03 vol%, can be determined by means of a mass spectrometer in which an ion beam acts on the sample of the gaseous mixture in a high vacuum in such a way that the sample molecules use the internal energy of the ions of the ion beam are ionized.
  • This method has the advantage that it allows a quick and simultaneous determination of the main and secondary components of a gas mixture and therefore enables comprehensive statements to be made about the gas mixture.
  • a correlation between at least one main component and at least one secondary component is established for the evaluation of the data obtained by the mass spectrometer.
  • This offers the advantage, for example, that the data can be evaluated by normalizing the data of the secondary components to that of the main components. Furthermore, for example, by the proportion of main components inferred from faulty samples and these are separated out.
  • the present invention further provides a device for analyzing gaseous mixtures, comprising a mass spectrometer with a gas introduction system, in which a molecular beam is generated in an intermediate vacuum from the sample of the gaseous mixture to be analyzed, from which a pressure gradient in a capillary is then used a second molecular beam is generated in a high vacuum and the sample molecules of the second molecular beam are ionized, the pressure of the intermediate vacuum being kept constant.
  • the device according to the invention has the advantage that the second molecular beam entering the analyzer of the mass spectrometer, which is in a high vacuum, has a constant particle density. In this way, the viscosity of the second sample molecular beam is kept constant. Furthermore, a high density of the second sample molecular beam is achieved with the device, single impact conditions prevailing simultaneously when the ion beam acts on the sample molecular beam. Thus, on the one hand, the sensitivity of the mass spectrometer can be increased to the ppb range and, at the same time, components of gaseous mixtures in the volume percent range can also be determined.
  • the gas introduction system of the device according to the invention is inert to the components contained in the sample of the gaseous mixture, so that there is no need to flush the system before measuring a new sample.
  • the sample molecules of the second molecular beam are preferably ionized with the aid of the internal energy of the ions of an ion beam.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises at least two ion beams with different ionization potential.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an atomic ion beam.
  • the ion beam further preferably comprises ions which are in the electronic ground state and / or in a selectively excited metastable state.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an Hg ion beam.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, comprises an Hg ion beam and additionally a Kr ion beam and / or a Xe ion beam.
  • the different ion beams further preferably act on the sample molecules in succession in a high vacuum.
  • the ionized molecular beam is stored using an octopole guide field.
  • the pressure of the intermediate vacuum is more preferably 0.2 to 200 mbar, preferably 1 to 100 mbar and more preferably 5 to 50 mbar.
  • the pressure of the high vacuum is preferably at most 10 "7 mbar.
  • the molecular beam in the intermediate vacuum is preferably generated by means of a pressure gradient between the gaseous mixture fed to the mass spectrometer, the pressure of which is preferably> 500 mbar, and the intermediate vacuum. generated.
  • the methods according to the invention preferably include the use of the device according to the invention.
  • an increased content of methane in the air we breathe can be caused by colonization of the small intestine with large intestinal bacteria, which then produce methane in the small intestine, which reaches the lungs and thus the exhaled air through the bloodstream.
  • elevated methane levels can also occur with certain types of malnutrition.
  • the content of acetone in the exhaled air of diabetics is increased.
  • Cancer cells in the body can increase the amount of aldehyde in the exhaled air.
  • the propanol content is increased by a factor of 10 compared to the ethanol content in the exhaled air.
  • the pentane level in the exhaled air is a measure of changes in lipid activity in the body and related diseases. For example, rheumatic inflammation, lung injuries caused by inhalation of high oxygen concentrations, heart attack patients and patients with cancer of the respiratory system are found to have an elevated pentane level.
  • the pentane content in the exhaled air can also be increased in schizophrenia and multiple sclerosis.
  • a linear relationship between the age of subjects and the pentane content in their exhaled air has been established.
  • Bacterial pollution that causes inflammation causes an increased NO content in the exhaled air.
  • the content of certain volatile organic compounds is increased in lung cancer patients.
  • the content of 2,5-dimethylfuran in the exhaled air is increased.
  • ketones in the exhaled air is detected when the fatty acid supply in the body is high due to increased lipolysis. This can be attributed to various causes such as hunger or insulin (diabetes mellitus).
  • Ketonuria is also found to have an increased concentration of ketone bodies (acetoacetate, R3 hydroxybutyrate and acetone). This is due to the low level of glycogen in the liver due to the failure of the carbohydrate metabolism.
  • ketoacidosis as is the case, for example, with coma diabetes, hunger or alcoholism, an increased content of propionic acid and butyric acid in the exhaled air can be determined.
  • an increased content of, for example, phenols in the exhaled air can be determined.
  • the metabolic products of bacteria in the human body such as CO 2 and H 2 (Escherichia coli) or H 2 S (Protus) can also be found in the exhaled air. Volatile fatty acids can be detected particularly in the case of infection by clostridia (gas fire bacteria).
  • clostridia gas fire bacteria
  • an increased content of H 2 in the exhaled air can be determined after their intake by test subjects.
  • the method according to the invention can be used, for example, to control pilots, train or bus drivers even before the respective means of transportation are used.
  • the composition of the exhaled air has also changed compared to non-doped athletes. This means that even athletes can be checked for doping before the competition.
  • the method according to the invention can thus be used for the diagnosis of clinical pictures and metabolic disorders in the human body of all kinds.
  • the method according to the invention can be used to monitor the metabolism of organisms when taking pharmaceuticals, to monitor therapeutic measures such as the continuous monitoring of healing processes, and also to monitor provo cation tests, in which a substance is administered in a certain (high) dose and the body's reaction to this substance is monitored.
  • the method according to the invention is not limited to the analysis of the exhaled air of humans, but samples of human gaseous mixtures of other nature such as for example the evaporation and sweat as well as the gas phases of urine, blood, faeces and other body fluids can also be carried out.
  • the sampling can take place, for example, in such a way that the test person absorbs it by means of a cotton ball and the gas phase over the cotton ball is analyzed.
  • the method according to the invention can be used for quality control of all kinds of natural products, where, for example, when certain gaseous substances appear in the gas phase above the natural product, decomposition of the product can be concluded. For example, when analyzing the gas phase over fresh meat, first lactic acid is found, then with increasing age NH 3 and finally S-compounds.
  • Another conceivable application of the method according to the invention is the detection of animals suffering from BSE, for example via the changed composition of their exhaled air.
  • At least two, more preferably at least 3 and particularly preferably at least 5 of the key components are determined in the method according to the invention.
  • a maximum of 20, particularly preferably a maximum of 10 of the key components are further preferably determined.
  • Figure 1 shows the device according to the invention in a schematic drawing.
  • FIG. 2 shows a graphical representation of the results of the measurements of the example.
  • Sampling and sample feeding to the mass spectrometer can be carried out on the one hand in such a way that a direct connection between the gas space in which the gas mixture to be analyzed is located and the mass spectrometer is established.
  • this can be done using a breathing mask, as described for example in WO 99/20177.
  • the breathing air exhaled by a test subject is fed directly to the mass spectrometer through this breathing mask.
  • online real-time data of the test person's breathing air components can be obtained, since the response time of the mass spectrometer to changes in the gaseous mixture supplied is in the range of milliseconds. For example, rapidly progressing metabolic changes in the subject, such as the rapid degradation of an easily degradable pharmaceutical, can be observed directly.
  • This method can be used, for example, in emergency medicine, for example for the detection of rapidly deteriorating health conditions.
  • Another application of the online method can be the real-time monitoring of metabolic processes, for example after a provocative test.
  • Sampling can also take place in such a way that the subject and the mass spectrometer are separated from one another in time and / or space, so that the exhaled air sample must first be stored in a suitable container. Vials made of glass with a preferred volume of 20 ml are preferably used for this.
  • vials have the advantages that, on the one hand, they are very inexpensive, which makes them suitable for single use. Furthermore, they have excellent inertness compared to other gas storage systems and they are very easy to handle with the help of an autosampler.
  • Sampling is carried out in such a way that the test person breathes into the vial evenly (preferably through the nose) and through a common drinking straw about 1 to 2 cm above the bottom of the vessel.
  • the vial is then sealed airtight. This is preferably done with a crimp cap, according to the Sampling is firmly crimped with the glass vial. It was found that a time of a few seconds in which the vial is still unsealed after the subject exhaled did not have any negative effects, such as a change in the composition, on the gaseous mixture exhaled by the subject.
  • the crimp cap is preferably designed such that it is completely covered with Teflon in the area where there is direct contact of the cap with the interior of the vessel, that is to say with the exhaled gaseous mixture.
  • the opening of the glass vial is advantageously designed such that its upper edge has a conically sloping shape.
  • the crimp cap can thus be designed such that it comprises an outer ring of butyl rubber which rests elastically on the conical outer wall of the vial and thus acts as a seal. This preferred embodiment of the glass vial seal ensures a high degree of inertness towards the gaseous mixture exhaled by the test person.
  • a second vial which has not come into contact with the subject's breathing air, is added to the glass vial filled with the subject's exhaled breath. closed in the environment of the subject (comparison vial).
  • the test person's exhaled air can be stored in the sealed glass vials for several days without loss of quality. This can be used, for example, to transport the samples from the treating doctor to the evaluation laboratory.
  • This type of sampling is also known as the offline method. Sampling has the advantage that, due to its simplicity, it can also be carried out by untrained personnel.
  • sampling can also take place offline or online. For example, during offline sampling, a glass vial that has been in contact with the gas phase directly above the product to be examined can be closed.
  • the samples are first mounted on an autosampler, for example.
  • This can be, for example, a modified CNC system of the "step-4 milling basic 540" type, which has been modified so that it contains 70 samples, each consisting of 70 . Sampling sample and comparison vials fully automatically.
  • the sample Before being fed to the mass spectrometer, the sample is preferably heated to a temperature higher than room temperature, more preferably 65 ° C. This has the advantage that, on the one hand, the reproducibility in the analysis of the samples increases, and, on the other hand, the water-soluble, that is, the polar compounds dissolved in the moisture of the exhaled air can enter the gas phase much better.
  • the gas passes through a hot capillary, which has a higher temperature than the autosampler, to the gas introduction system, which in turn has a higher temperature than the capillary.
  • the maximum amount of gas passing through the capillary is about 5 ml / min.
  • the gas introduction system of the mass spectrometer is designed to compensate for pressure and viscosity fluctuations, so that the same particle density is always injected into the analyzer of the mass spectrometer.
  • Mass spectrometers are used to analyze the gaseous sample mixtures, in which an ion beam acts on the sample molecules in a high vacuum. This type of mass spectrometer is used to obtain quantitative concentration values for the individual masses detected no calibration necessary. The concentrations are therefore given directly in absolute terms.
  • the mass spectrometer according to the invention also allows a linear detection of the concentrations of the masses in the concentration range from 10 "7 vol% (ppb) up to 10 2 vol%, ie in a range of 10 9. This means that the quantities of the determined directly from the measurement Masses are preserved.
  • the components of the gaseous mixture are detected in the mass spectrometer according to their molecular mass.
  • the sample gas is introduced into a high vacuum chamber and converted into ions, which are then selected according to their mass by electromagnetic fields and counted in a particle counter.
  • the action of an ion beam on the molecular beam of the sample of the gaseous mixture in a high vacuum preferably comprises an Hg ion beam.
  • the Hg ion beam has an ionization energy of 10.4 eV, which is sufficient for the ionization of over 90% of the compounds to be determined.
  • the main components of the exhaled air such as N 2 and O 2 are not ionized, but selectively only the secondary components contained in the exhaled air, which are therefore only detected. This enables a quantitative determination of components that are only present in traces of up to 10 "7 % by volume. Furthermore, very few compounds are fragmented by the mercury ion beam.
  • the mass spectrometer use different ionization levels, i.e. at least two primary ion beams, to distinguish between molecules of identical mass to be able to distinguish. This distinction is based on the principle that each molecule has an individual ionization energy in which the molecule is transformed into an ion.
  • An Hg ion beam is further preferably used together with a krypton ion beam and / or a xenon ion beam.
  • the sequence of the different ion beams during the measurement can be in any order.
  • the molecules N 2 and CO which have identical mass, can differentiate between 14.2 eV (N 2 ) and 13.7 eV (CO) due to their different ionization potentials become.
  • Another separation effect can be achieved by the formation of defined fragment ions.
  • a distinction is made between the mass-identical molecules methanol and O 2 by ionization with a xenon ion beam (12.2 eV), which forms an O 2 + ion with mass 32 and a CH 3 O + ion with mass 31.
  • a xenon ion beam (12.2 eV)
  • higher hydrocarbons require ionization energies in the range of 10 eV as generated by a mercury ion beam with an energy of 10.4 eV.
  • the measurement of the samples of the gaseous mixtures takes place in such a way that the concentrations of all masses up to a molecular weight after the ionization of 500, preferably 200, are determined quantitatively.
  • the compounds carbon dioxide, carbon monoxide, water, ethanol, isoprene, methane, acetone, ammonia, formic acid, acetic acid, acetaldehyde, acetylene, acetonitrile, benzene, methylamine, formaldehyde, hydrogen sulfide, nitrous acid, methanol, oxygen, Propanol, toluene, methyl, ethyl group, nitrogen monoxide, protonated water as water adduct, acetyl group, formyl group, formaldehyde hyd * protonated water, pyridine, pentane, cyclopentane, methyl ethyl ketone, propionic acid, butyric acid, methyl mercaptan, ethylene, nitrous oxide, propane and sulfur dioxide.
  • the method according to the invention also offers the advantage that chemical compounds of all kinds, i.e. for example, acids and bases, polar and non-polar substances, can be measured simultaneously with one measurement.
  • the CO 2 content of the sample is first determined. With a sampling temperature of the sample gas mixture from the vial of 65 ° C., a CO 2 content of approximately 2 to 3.5% by volume is normally obtained. It was found that this CO 2 value only fluctuates in the range of about 10% in normal exhalation samples. Therefore, if the measured CO content is significantly outside this normal range, it can be assumed that either the sample vial was improperly closed or handled improperly or that the test person used the wrong breathing technique so that the exhaled air from the lungs was not recorded. Using this and similar criteria, falsified samples can be discarded.
  • the measuring process is repeated at least five times for a sample or comparison vial (5 cycles) and the mean values from these cycles are formed.
  • a cycle takes around one minute to measure 200 masses.
  • the sample vial is determined first and then the comparison vial.
  • the mean values are formed from the results of the measurement cycles.
  • the sample can either be discarded or the amount of the component present as contamination in the exhaled air sample can be obtained from the difference (probevial minus comparison vial). This approach makes it possible to eliminate any contamination in the vials, since the difference between the same contaminations results in zero and results that consist of breathing air and contamination correspond to the actually exhaled value.
  • the data are evaluated in such a way that the measured quantitative values for the components, which are determined either by their mass or by their chemical nature, are compared with the normal values of the respective component. In this way, deviations in the content of components in the respiratory air of the respective test person from the normal state can be determined. Values outside the normal range the respective component can then allow conclusions to be drawn about the subject's state of health.
  • the normal values can be obtained, for example, by series measurements on a large number of test persons for determining the normal state of the human breathing air.
  • the normal values can also be found in the literature, insofar as they are known.
  • the normal values generally cover a certain range.
  • the quantitative values measured for the components are preferably standardized to the value of one of the main components of the gaseous mixture, preferably CO 2 .
  • the standardization establishes a relationship between the content of the individual components and the actually exhaled amount of breathable air per subject. This has the advantage that values between different test subjects and also values obtained by time-shifted measurements of a subject's breathing air can be compared with one another.
  • the value determined after normalization is further preferably divided by the maximum value known for human subjects. This results in values for the individual components between 0 and 1. This further simplifies the evaluation and makes it clearer for the evaluating specialist personnel (doctors).
  • Correlations are more preferably established between the measured values of individual components in order to record certain clinical pictures.
  • the ethanol / propanal ratio can be determined in order to allow statements about a possible hepatitis infection.
  • a particular advantage of the method when determining all components in a certain mass range is that it gives an overall view of a wide variety of diseases and metabolic processes becomes. For example, it is known that in schizophrenia patients both the pentane content and the content of H 2 S and CS 2 in the exhaled air are increased, so that when these components are determined simultaneously, other clinical pictures can be excluded in which only the content of one of these components increases is.
  • the observable metabolic processes can be both build-up processes (anabolisms) and breakdown processes (catabolisms).
  • the inventive method also has the advantage that it can also be carried out by untrained personnel, which leads to cost savings.
  • the evaluation of the measurements is advantageously carried out with IT support.
  • One embodiment of the device according to the invention comprises a gas inlet system with a flexible gas transfer capillary (3), which preferably consists of fused silica, has an inner diameter of 250 micrometers and is placed in a quarter inch Teflon tube. There is also a heating wire in the Teflon tube.
  • the capillary (3) is connected to the cannula (2) for taking samples from a sample vial (1).
  • the various components up to the pinhole (5) each have a higher temperature in the direction of the gas flow.
  • the sample vial (1) is preferably heated to 65 ° C., the cannula (2) to 85 ° C. and the gas transfer capillary (3) to 100 ° C.
  • the small diameter of the capillary also enables the smallest amounts of gas to be removed from the sample vial.
  • a gradient vacuum is created in this way, which, depending on the vapor pressure of the individual components, produces a selective concentration. increase and thus better detection limits.
  • the gas inlet system has the advantage that it is inert to the gaseous mixtures to be analyzed and thus has no memory effects. It is therefore not necessary to rinse the system to analyze a new sample.
  • the gas flow through the capillary (3) is preferably limited to a maximum of 5 ml / min.
  • a pressure of approximately 700 mbar prevails in the area in front of the pinhole if there was atmospheric pressure in the sample vial before sampling.
  • the cannula (2) is controlled by a robot to the desired sample vial.
  • gas switching valves (4) in the area in front of the pinhole (5), through which zero gas and calibration gases can be added, preferably up to a maximum pressure of 1.5 bar. However, the total gas flow must be greater than the back diffusion.
  • the pump (9) which is preferably a two-stage, oil-free vacuum pump with an intrinsic pressure of 0.2 to 200 mbar Pressure of about 20 mbar generated.
  • the gaseous mixture to be analyzed is guided in the direction of the negative pressure through the gas transfer capillary (3) to the pinhole (5), with the intermediate vacuum chamber ( 24) a first molecular beam (6) is generated behind the pinhole (5).
  • this jet (6) has laminar flow.
  • the pressure of approximately 20 mbar is kept exactly at a constant value by a proportional control valve (8) which can allow secondary air or inert gases to flow into this space.
  • the proportional control valve (8) is preferably controlled via a capacitive absolute pressure sensor (7) which measures the pressure within the intermediate vacuum chamber (24) precisely and independently of the composition of the gas. This ensures that pressure fluctuations of the sample molecular beam (6), such as occur during repeated measurements from the same sample vial, can be compensated for and that no changes in the viscosity of the sample molecular flow in the capillary (10) occur. A sample molecule flow of constant particle density thus enters the further capillary (10).
  • the capillary (10) in the region of the molecular beam (6), which has a preferred inner diameter of 250 micrometers and is heated to a temperature above 100 ° C., preferably 220 ° C.
  • the heating of the capillary (10) has the effect that the desorption times are kept as short as possible.
  • the other end of the capillary (10) is located in the high vacuum chamber (22), in which a high vacuum, preferably of at least 10 " mbar, is generated by, for example, a turbomolecular pump (23).
  • the capillary end is located just in front of an open slot in the octopole - Guide field (16) in the charge exchange chamber (17)
  • the sample molecular beam (6) passes through the capillary (10) through the capillary (10) into the charge exchange area (17) of the high vacuum chamber (22), whereby he forms a second molecular beam (11) at the end of the capillary (10).
  • the primary ion beam (12) for ionizing the molecular beam (11) is formed in such a way that gas is removed in a pressure-reduced manner from one of the gas reservoirs (13) of mercury, krypton and xenon and leads to the electron impact source (14), which comprises hot tungsten, anode and a pull-out screen becomes.
  • the resulting primary ion beam (12) is guided through a first octopole guide field (15). Only high molecular weights (primary ions) are carried out and the masses of impurities in the gas reservoirs (13) are suppressed in order to achieve a high signal-to-noise ratio for the substances to be measured.
  • the primary ion beam (12) is then carried on in a second octopole guide field (16) which has the same transmission for all types of molecules.
  • a second octopole guide field (16) which has the same transmission for all types of molecules.
  • the charge exchange zone (17) in which the primary ion beam (12) strikes the sample molecular beam (11).
  • Probenmole- is in single-shot process at a pressure of the means 10 "4 mbar generated kül ion beam (18), wherein the Probenmolekule then be separated in the quadrupole analyzer (19) according to their mass / charge ratio.
  • the Sample molecule ions are then converted into electronically processable electron pulses in the ion detector 20.
  • the electron pulses are then decoupled for the counting electronics (21).
  • test persons carried out exhaled breath analyzes in a clinical test.
  • samples of the respiratory air of the respective test person were taken in such a way that the test person breathed in and out evenly a few breaths through the nose, then held the air for two to three seconds and then the air evenly through a straw, the end of which was one to two centimeters exhaled above the bottom of a glass vial with a volume of 20 cm 3 .
  • the sample vial was then closed with a crimp cap using crimping pliers. This closing took place no later than about five seconds after the subject had exhaled into the vial.
  • a second vial (reference vial) was closed in the area surrounding the subject without the atmosphere in the reference vial having come into contact with the subject's exhaled air.
  • Sample and comparison vials were each placed in an autosampler and pre-thermostatted at 65 ° C for at least 10 min.
  • the sample vial and then the comparison vial of the test subjects were determined using the embodiment of the device according to the invention described above. Each vial was measured in at least six cycles, ie the content of each vial was determined at least six times. The mean value was then formed from the at least six values obtained for the respective mass. To eliminate contamination in the ambient air, the mean value obtained for the respective comparison vial was then subtracted from the mean value obtained for the sample vial for the respective mass. The mean values were then normalized to the value of CO 2 by dividing the mean values by the value obtained for CO.
  • Lines 1 to 9 show the values for subjects 1 to 9. The respective values for the masses are shown in the columns. Where an assignment to chemical compounds could be made, this compound is given instead of the mass.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, bei dem eine oder mehrere Substanzen in einer gasförmigen Mischung bestimmt werden, wobei die Bestimmung mittels eines Massenspektrometers erfolgt, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum so einwirkt, dass die Probenmoleküle mit Hilde der inneren Energie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden, und die bei der Bestimmung erhaltenen Werte zur Beurteilung des Zustandes ausgewertet werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten sowie zur Analyse einer gasförmigen Mischung mit Haupt- und Nebenkomponenten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben, bei dem ein oder mehrere dieser Substanzen in einer gasförmigen Mischung bestimmt werden, ein Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Mischung mit Haupt- und Nebenkomponenten, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahren, die ein Massenspektrometer mit einem Gaseinleitungssystem umfaßt.
Zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten werden hauptsächlich invasive Verfahren angewendet, d.h. es werden Proben aus dem zu untersuchenden Subjekt entnommen, die dann in Labors analysiert werden. Beispielsweise werden in der modernen medizinischen Diagnostik am menschlichen Körper Zuordnungen zu Krankheitsbildern und Stoffwechselstörungen hauptsächlich durch Blut-, Harn- oder Stuhluntersuchungen vorgenommen. Diese Verfahren haben zum einen den Nachteil, daß sie durch die Probenahme direkt auf das zu untersuchende Subjekt einwirken. Zum anderen erfordern sie teilweise eine aufwendige Probeentnahme wie beispielsweise Blutentnahmen am Menschen durch medizinisches Fachpersonal. Des weiteren kann die Analyse der Probe selbst nur von geschultem Personal durchgeführt werden und die Analysen erfordern meistenteils großen Zeitaufwand.
Weiter sind Verfahren wie beispielsweise die 13C- Analytik der menschlichen Ausatemluft zur Bestimmung der gastritischen Heliobakter-Pyloriinfektion unter Verwendung von Massenspektrometern bekannt. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie ganz spezifisch auf die Bestimmung einer bestimmten Komponente ausgerichtet sind und diese nur in einem engen Konzentrationsbereich bestimmen können. Zudem muß vor der Analyse der gasförmigen Mischung vom Probanden noch ein Provokationsmittel eingenommen werden oα'er nach der Probennahme noch eine Vorbehandlung der Probe wie etwa ein Aufkonzentrieren erfolgen.
Im Gebiet der Analyse von gasförmigen Mischungen sind verschiedene Verfahren bekannt, bei denen Massenspektrometer eingesetzt werden, wie beispielsweise die Kopplung von Gaschromatograph und Massenspektrometer (GC/MS). Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie für die Bestimmung mehrerer Komponenten einer gasförmigen Mischung in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen sehr zeitaufwendig und damit kostenintensiv sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben, bereitzustellen, das die Nachteile bekannter Verfahren des Standes der Technik vermeidet.
Des weiteren ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Analyse von gasförmigen Mischungen bereitzustellen, das die schnelle Bestimmung von Haupt- und Nebenkomponenten der gasförmigen Mischung erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Analyse von gasförmigen Mischungen bereitzustellen, die zur Durchführung obengenannter Verfahren geeignet ist und eine schnelle Analyse von Proben gasförmiger Mischungen erlaubt, deren Komponenten in einem weiten Konzentrationsbereich vorliegen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die oben genannten Aufgaben mit Hilfe eines Massenspektrometers gelöst werden können, bei dem auf die Probe der zu analysierenden gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum so einwirkt, dass die Probenmolekule mit Hilfe der inneren Energie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein erstes Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben, zur Verfügung, bei dem eine oder mehrere dieser Substanzen als Komponenten einer gasförmigen Mischung bestimmt werden, wobei die Bestimmung mittels eines Massenspektrometers erfolgt, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum so einwirkt, dass die Probenmolekule mit Hilfe der inneren Energie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden, und die bei der Bestimmung erhaltenen Werte zur Bestimmung des Zustands ausgewertet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Beurteilung des Zustandes von lebendigen und toten Organismen und deren Teilen sowie Naturprodukten aller Art eingesetzt werden. Unter Naturprodukten werden im Sinne dieser Erfindung natürliche Produkte wie Obst, Gemüse, Fleisch, Kuhmilch etc., durch natürliche Herstellungsverfahren erhaltene Produkte wie z.B. Wein, Bier, Käse, Speiseöl etc., sowie durch Veredelung von natürlichen Produkten erhaltene Produkte wie z.B. Kaffeebohnen, Räucherschinken etc. verstanden.
Unter gasförmigen Mischungen werden im Sinne dieser Erfindung Stoffgemische verstanden, die neben bei Raumtemperatur gasförmigen Hauptkomponenten weitere Komponenten enthalten, die sich in der von den Hauptkomponenten gebildeten Gasphase befinden.
Massenspektrometer, bei denen ein Ionenstrahl auf eine gasförmige Mischung im Hochvakuum so einwirkt, dass die Probenmolekule mit Hilfe der inneren Energie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden, sind beispielsweise aus EP 0 290 711, EP 0 290 712 und DE 196 28 093 bekannt. Auf den Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird hiermit Bezug genommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß aus dem zu untersuchenden Organismus oder Naturprodukt keine Proben auf künstlichem Wege entnommen werden müssen, wodurch jegliche Verletzung des Organismus oder Naturprodukts vermieden wird. Es handelt sich also um ein nicht- invasives Verfahren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß das Verfahren zur Analyse einer Probe eine nur geringe Zeit im Bereich von wenigen Minuten beansprucht. Des weiteren bietet das Verfahren den Vorteil, daß bei Bestimmung von mehreren Komponenten der zu analysierenden gasförmigen Mischung im wesentlichen keine Überlagerungen (Interferenzen) bei der Bestimmung der Komponenten erhalten werden, die eine Analyse einzelner bestimmter Komponenten verhindern.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Menschen und Tieren verwendet. Hierbei kommt der Vorteil, daß aus dem zu untersuchenden Gegenstand keine Proben wie zum Beispiel Blutproben entnommen werden müssen, besonders zum Tragen, denn solche Probenentnahmen müssen von geschultem Personal, im Falle des Menschen beispielsweise von Ärzten, durchgeführt werden. Darüberhinaus wird eine solche Probennahme von Menschen und Tieren als unangenehm empfunden. Demgegenüber bietet das erfindungsgemäße Verfahren als nicht-invasives Verfahren den Vorteil, daß zum einen die Probennahme nicht als unangenehm empfunden wird und zum anderen auch von ungeschultem Personal oder auch vom Probanden selbst durchgeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird im erfindungsgemäßen Verfahren als gasförmige Mischung die Ausatemluft von Menschen verwendet. Dies bietet den Vorteil, daß zum einen die Probennahme sehr einfach erfolgen kann und daß zum anderen die in der Ausatemluft erhaltenen Substanzen die Beurteilung des Zustandes des Probanden im Hinblick auf eine Vielzahl von Krankheitsbildern und Stoffwechselprozessen ermöglichen.
Weiter bevorzugt umfaßt die zu analysierende gasförmige Mischung Hauptkomponenten und Nebenkomponenten wobei die Konzentration der Hauptkomponenten die der Nebenkomponenten um mindestens den Faktor 10, vorzugsweise 50, weiter bevorzugt 100, unterschreiten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die zu analysierende gasförmige Mischung Haupt- und Nebenkomponenten, wobei jeweils mindestens eine der Hauptkomponenten im Konzentrationsbereich von > 0,1 Vol%, vorzugsweise > 1 Vol%, und mindestens eine Nebenkomponente im Konzentrationsbereich von < 0,1 Vol%, vorzugsweise < 0.03 Vol% bestimmt werden.
Weiter bevorzugt wird zur Auswertung der durch das Massenspektrometer erhaltenen Daten eine Korrelation zwischen mindestens einer Hauptkomponente und mindestens einer Nebenkomponenten hergestellt. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass die Bestimmung einer oder mehrerer Nebenkomponenten auf die Bestimmung einer oder mehrerer Hauptkomponenten kalibriert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Probe der gasförmigen Mischung ohne Vorbehandlung dem Massenspektrometer zugeführt. Dies bietet die Vorteile, daß zum einen die Zeiterfordernis für die Messung einer Probe minimiert wird und zum anderen keine weiteren Kosten durch Vorbehandlungsschritte, wie etwa dem Aufkonzentrieren, der Probe entstehen. Weiter bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei oder mehrere Substanzen der gasförmigen Mischung mit unterschiedlicher Molekularstruktur mit einer Messung bestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird im erfindungsgemäßen Verfahren die Konzentration einer oder mehrerer der in der gasförmigen Mischung enthaltenen Substanzen quantitativ bestimmt. Da das erfindungsge- mäße Verfahren die Bestimmung mittels eines Massenspektrometers umfaßt, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum so einwirkt, dass die Probenmolekule mit Hilfe der inneren Energie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden, sind die Quantitäten der bestimmten Substanzen linear proportional zum detektierten Signal, daher kann die quantitative Detektion in einfacher Weise erfolgen. Die quantitative Bestimmung bietet darüberhinaus den Vorteil, daß damit weitergehende Aussagen zum Zustand des Organismus oder Naturprodukts getroffen werden können. Insbesondere können bei Mehrfachmessungen in zeitlicher Abfolge Veränderungen der Konzentrationen von Substanzen und damit Veränderungen des Zustande des Organismus oder Naturprodukts festgestellt werden.
Weiter bevorzugt wird die Konzentration von wenigstens einer der Hauptkomponenten und wenigstens einer, bevorzugterweise einer Vielzahl, der Nebenkomponenten quantitativ bestimmt. Vorzugsweise wird in dieser bevorzugten Ausführungsform bei der Auswertung der Massenspektrometerda- ten die Konzentration der bestimmten Nebenkomponente(n) mit Hilfe der Konzentration einer oder mehrerer der bestimmten Hauptkomponenten kalibriert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nur Stoffe bestimmt, die bei Raumtemperatur einen Dampfdruck von mindestens 10"3 mbar aufweisen. Weiter bevorzugt werden alle Komponenten der gasförmigen Mischung mit einem Dampfdruck > 10"3 mbar bestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Hauptkomponenten der zu analysierenden gasförmigen Mischung im wesentlichen gleich denen der atmosphärischen Luft. Weiter bevorzugt sind auch die Konzentrationen die Hauptkomponenten der zu analysierenden gasförmigen Mischung im wesentlichen gleich denen der atmosphärischen Luft oder der der menschlichen Ausatemluft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden von der zu analysierenden gasförmigen Mischung alle Komponenten, die bei der Detektion im Massenspektrometer eine molekulare Masse von bis zu 500, vorzugsweise eine molekulare Masse von bis zu 200 aufweisen, quantitativ detektiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, einen atomaren Ionenstrahl.
Weiter bevorzugt umfaßt der Ionenstrahl Ionen, die sich im elektronischen Grundzustand und/oder in einem selektiv angeregten metastabilen Zustand befinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, wenigstens zwei Ionenstrahlen mit verschiedenem Ionisationspotential.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl und zusätzlich einen Kr-Ionenstrahl und/oder einen Xe-Ionenstrahl.
Weiter bevorzugt wirken die verschiedenen Ionenstrahlen nacheinander auf die Probenmolekule im Hochvakuum ein.
Bevorzugterweise werden mit dem vorliegenden Verfahren Stoffe mit einem Ionisierungspotential < 17 eV bestimmt.
Die vorliegende Erfindung stellt des weiteren ein zweites Verfahren zur A- nalyse einer gasförmigen Mischung mit jeweils einer oder mehreren Haupt- und Nebenkomponenten zur Verfügung, wobei jeweils mindestens eine Hauptkomponente im Konzentrationsbereich > 0,1 Vol%, vorzugsweise > 1 Vol%, und mindestens eine Nebenkomponente im Konzentrationsbereich < 0,1 Vol%, vorzugsweise < 0,03 Vol%, mittels eines Massenspektrometers bestimmt werden, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum so einwirkt, daß die Probenmolekule mit Hilfe der inneren Energie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden.
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß es eine schnelle und simultane Bestimmung von Haupt- und Nebenkomponenten eines Gasgemisches erlaubt und daher umfassende Aussagen über das Gasgemisch ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird für die Auswertung der durch das Massenspektrometer erhaltenen Daten eine Korrelation zwischen mindestens einer Hauptkomponente und mindestens einer Nebenkomponente hergestellt. Dies bietet beispielsweise den Vorteil, daß die Auswertung der Daten durch eine Normierung der Daten der Nebenkomponenten auf die der Hauptkomponenten erfolgen kann. Des weiteren kann beispielsweise durch den Anteil an Hauptkomponenten auf fehlerhafte Proben geschlossen und diese ausgesondert werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind auch die für das erste erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen, die für das zweite anwendbar sind.
Die vorliegende Erfindung stellt des weiteren eine Vorrichtung zur Analyse von gasförmigen Mischungen zur Verfügung, die ein Massenspektrometer mit einem Gaseinleitungssystem umfaßt, worin aus der zu analysierenden Probe der gasförmigen Mischung ein Molekularstrahl in einem Zwischenvakuum erzeugt wird, aus dem dann mittels eines Druckgradienten in einer Kapillare ein zweiter Molekularstrahl im Hochvakuum erzeugt wird und die Probenmolekule des zweiten Molekularstrahls ionisiert werden, wobei der Druck des Zwischenvakuums konstant gehalten wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß der in den im Hochvakuum befindlichen Analysator des Massenspektrometers gelangende zweite Molekularstrahl eine konstante Teilchendichte aufweist. Auf diese Weise wird die Viskosität des zweiten Probenmolekularstrahls konstant gehalten. Des weiteren wird mit der Vorrichtung eine hohe Dichte des zweiten Probenmolekularstrahls erreicht, wobei gleichzeitig bei der Einwirkung des Ionenstrahls auf den Probenmolekularstrahl Einzelstoßbedingungen herrschen. Somit kann zum einen die Empfindlichkeit des Massenspektrometers bis in den ppb-Bereich erhöht werden und gleichzeitig auch Komponenten von gasförmigen Mischungen im Volumenprozentbereich bestimmt werden.
Des weiteren ist das Gaseinleitungssystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung inert gegenüber den in der Probe der gasförmigen Mischung enthaltenen Komponenten, so daß keine Spülung des Systems vor der Messung einer neuen Probe erfolgen muß. Bevorzugterweise werden die Probenmolekule des zweiten Molekularstrahls mit Hilfe der inneren Energie der Ionen eines Ionenstrahls ionisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, wenigstens zwei Ionenstrahlen mit verschiedenem Ionisationspotential.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, einen atomaren Ionenstrahl.
Weiter bevorzugt umfaßt der Ionenstrahl Ionen, die sich im elektronischen Grundzustand und/oder in einem selektiv angeregten metastabilen Zustand befinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmolekule im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl und zusätzlich einen Kr-Ionenstrahl und/oder einen Xe-Ionenstrahl.
Weiter bevorzugt wirken die verschiedenen Ionenstrahlen nacheinander auf die Probenmolekule im Hochvakuum ein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird der ionisierte Molekularstrahl mit Hilfe eines Oktopolführungsfeldes gespeichert. Weiter bevorzugt beträgt der Druck des Zwischenvakuums 0,2 bis 200 mbar, bevorzugterweise 1 bis 100 mbar und weiter bevorzugt 5 bis 50 mbar.
Bevorzugterweise beträgt der Druck des Hochvakuums höchstens 10"7 mbar.
Der Molekularstrahl im Zwischenvakuum wird vorzugsweise mittels eines Druckgradienten zwischen der dem Massenspektrometer zugeführten gasförmigen Mischung, deren Druck vorzugsweise > 500 mbar beträgt, und dem Zwischenvakuum. erzeugt.
Die erfindungsgemäßen Verfahren umfassen vorzugsweise die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Im folgenden sind Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung angegeben.
In der menschlichen Ausatemluft befinden sich neben den Hauptkomponenten Stickstoff, Sauerstoff, Wasser und CO2 mehr als 400 flüchtige Substanzen. Stickstoff und Sauerstoff bilden zusammen mehr als 90% der Ausatemluft, CO2 ist etwa zu 5% vorhanden und Wasser kann in Konzentrationen bis zu 40 mg/1 bei 37 °C vorhanden sein. Demgegenüber sind die meisten anderen flüchtigen Substanzen in der Atemluft nur als Nebenkomponenten in Konzentrationen deutlich unterhalb derer der Hauptkomponenten vorhanden. Speziell die Nebenkomponenten der Atemluft lassen aber umfassende Rückschlüsse bezüglich des Gesundheitszustandes des Menschen bzw. der im Menschen ablaufenden Stoffwechselprozesse zu.
So kann beispielsweise ein erhöhter Gehalt an Methan in der Atemluft durch die Fehlbesiedlung des Dünndarms mit Dickdarmbakterien verursacht werden, welche dann im Dünndarm Methan produzieren, der über die Blutbahn in die Lunge und damit in die Ausatemluft gelangt. Ferner können erhöhte Methanwerte auch bei bestimmten Arten von Fehlernährung auftreten. Bei Diabetikern ist in der Ausatemluft der Gehalt an Aceton erhöht.
Bei Krebszellen im Körper kann es zu einer Erhöhung des Aldehydanteils in der Ausatemluft kommen.
Bei Hepatitis-Patienten ist der Propanolgehalt im Verhältnis zum Ethanolge- halt in der Ausatemluft etwa um einen Faktor 10 erhöht.
Der Pentanspiegel in der Ausatemluft ist ein Maß für Veränderungen der Li- pidaseaktivität im Körper und dadurch bedingte Erkrankungen. So wird beispielsweise bei rheumatischen Entzündungen, bei Lungenverletzungen durch Einatmen von hohen Sauerstoffkonzentrationen, bei Herzinfarktpatienten und bei Patienten mit Krebs der Atmungsorgane ein erhöhter Pentanspiegel nachgewiesen. Der Pentangehalt in der Ausatemluft kann auch bei Schizophrenie und multipler Sklerose erhöht sein. Darüberhinaus ist ein linearer Zusammenhang zwischen dem Alter von Probanden und dem Pentangehalt in deren Ausatemluft festgestellt worden.
Bei Schizophreniepatienten wird auch ein erhöhter Gehalt an CS2 und H2S in der Ausatemluft festgestellt.
Bakterielle Belastungen, die Entzündungsherde hervorrufen, bewirken einen erhöhten Gehalt an NO in der Ausatemluft.
Veränderungen des NO und NO2-Gehalts der Ausatemluft wird bei Gastro- intestinalen Erkrankungen festgestellt.
Bei Asthmatikern ist ebenfalls der Gehalt an NO in der Ausatemluft erhöht.
Bei hämolytischen Erkrankungen beispielsweise bei Neugeborenen ist der CO-Gehalt in der Ausatemluft erhöht.
Bei Lungenkrebspatienten ist der Gehalt an bestimmten flüchtigen organischen Verbindungen erhöht. Bei Rauchern ist der Gehalt an 2,5-Dimethylfuran in der Ausatemluft erhöht.
Des weiteren ist bei Foetor ex ore (übler Mundgeruch bei lokalen Ursachen im Mund und Nasen-Rachen-Raum), sowie bei Halitose (übler Geruch der Atemluft) eine starke Veränderung der Atemluftkomponenten festzustellen. Bei diesen Krankheiten kann durch Vergleichsmessung der menschlichen Ausatemluft, ausgeatmet einmal durch den Mund und einmal durch die Nase, festgestellt werden, ob es sich um eine lokale Ursache im Mund - Rachenoder Nasenraum handelt oder ob eine sonstige Krankheit vorliegt.
Ein erhöhter Gehalt an Ketonen in der Ausatemluft wird detektiert, wenn durch gesteigerte Lipolyse das Fettsäureangebot im Körper hoch ist. Dies kann auf verschiedene Ursachen wie zum Beispiel Hunger oder Insulinmagel (Diabetes Mellitus) zurückgeführt werden.
Bei Ketonurie wird ebenfalls eine erhöhte Konzentration an Ketonkörpern (Acetacetat, R3 Hydroyxbutyrat und Aceton) festgestellt. Dies ist auf die Glykogenarmut der Leber in Folge Versagens des Kohlehydratstoffwechsels zurückzuführen. Bei Ketoacidose, wie sie zum Beispiel bei Coma diabeti- cum, Hungerzuständen oder Alkoholismus vorliegt, kann ein erhöhter Gehalt an Propionsäure und Buttersäure in der Ausatemluft festgestellt werden.
Bei chronischer Niereninsuffizienz und Urämie ist ein erhöhter Gehalt an beispielsweise Phenolen in der Ausatemluft bestimmbar.
Auch die Stoffwechselprodukte von im menschlichen Körper befindlichen Bakterien wie zum Beispiel CO2 und H2 (Escherichia coli) oder H2S (Pro- teus) können in der Ausatemluft gefunden werden. Speziell bei der Infektion durch Clostridien (Gasbrandbakterien) können flüchtige Fettsäuren detektiert werden. Nach der Aufnahme von Lipid-Proteinhaltiger Nahrung wird ein im Vergleich zu vor der Nahrungsaufnahme verminderter Aceton- und NH3-Gehalt festgestellt, der erst langsam wieder ansteigt. Direkt nach der Nahrungsaufnahme kann ein erhöhter Gehalt an Ethanol festgestellt werden. Der Gehalt an Isoprene und Methanol bleibt im wesentlichen unverändert.
Bei der Unverträglichkeit gegenüber bestimmten Zuckern kann nach deren Aufnahme durch Probanden ein erhöhter Gehalt an H2 in der Ausatemluft festgestellt werden.
Bei Müdigkeit wird ein erhöhter Gehalt an Isopren festgestellt.
Bei Gebrauch von Stimmungsaufhellenden Pharmazeutika kann eine erhöhte Anzahl an Aminverbindungen in der Atemluft vorhanden sind. Demgemäß kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Kontrolle von Piloten, Bahn- oder Busfahrern bereits vor dem Führen des jeweiligen Fortbewegungsmittels eingesetzt werden.
Bei der Einnahme von Dopingmitteln beispielsweise durch Spitzensportler vor Wettkämpfen ist ebenfalls die Zusammensetzung der Ausatemluft gegenüber nicht gedopten Sportlern verändert. Somit können auch Sportler bereits vor den Wettkämpfen auf die Einnahme von Dopingmittel hin überprüft werden.
Das erfϊndungsgemäße Verfahren kann also zur Diagnose von Krankheitsbildern und Stoffwechselstörungen im menschlichen Körper aller Art eingesetzt werden.
Des weiteren können durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Überwachung des Stoffwechsels von Organismen bei Einnahme von Pharmazeutika, die Überwachung von therapeutischen Maßnahmen wie z.B. die fortlaufende Kontrolle von Heilungsprozessen, sowie auch zur Überwachung von Provo- kationstests, bei denen eine Substanz in einer bestimmten (hohen) Dosis verabreicht wird und die Reaktion des Körpers auf diese Substanz verfolgt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Analyse der Ausatemluft von Menschen beschränkt, sondern es können auch beispielsweise auch Proben von menschlichen gasförmigen Gemischen anderer Natur wie beispielsweise der Ausdünstungen und des Schweißes, sowie der Gasphasen von Harn, Blut, Faeces und anderer Körperflüssigkeiten erfolgen.
Dabei kann die Probenahme im Falle der Analyse des Schweißes beispielsweise so erfolgen, daß dieser vom Proband mittels eines Wattebausches aufgenommen, und die Gasphase über dem Wattebausch analysiert wird.
Des weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Qualitätskontrolle von Naturprodukten aller Art eingesetzt werden, wo beispielsweise bei Auftreten von bestimmten gasförmigen Substanzen in der Gasphase über dem Naturprodukt auf eine Zersetzung des Produkts geschlossen werden kann. Beispielsweise wird bei der Analyse der Gasphase über frischem Fleisch zunächst Milchsäure festgestellt, mit zunehmendem Alter dann zunehmend NH3 und schließlich S-Verbindungen.
Eine weitere denkbare Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Detektion von BSE-kranken Tieren beispielsweise über die veränderte Zusammensetzung von deren Ausatemluft.
Weitere Anwendungsbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Artikel von B. Krotoszynski et al., J. Chromatograph. Sei. 15 (1977) 239 - 244, in dem Diagnosemöglichkeiten durch die Analyse von menschlicher Ausatemluft beschrieben werden. Auf den Offenbarungsgehalt dieses Artikels wird hiermit Bezug genommen. Wie aus obenstehenden Anwendungsbeispielen ersichtlich, wird die Beurteilung des Zustandes von Organismen bzw. Naturprodukten üblicherweise hinsichtlich einer bestimmten Fragestellung, wie beispielsweise dem Vorliegen einer bestimmten Erkrankung, erfolgen. Demzufolge ist für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt, dass in der gasförmigen Mischung die für die jeweilige Fragestellung relevanten Schlüsselkomponenten bestimmt werden.
Bevorzugterweise werden daher im erfindungsgemäßen Verfahren mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens 3 und besonders bevorzugt mindestens 5 der Schlüsselkomponenten bestimmt. Weiter bevorzugt werden maximal 20, besonders bevorzugt maximal 10 der Schlüsselkomponenten bestimmt.
Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Verfahren und die Vorrichtung anhand weiterer bevorzugter Details beschrieben. Die vorliegende detaillierte Beschreibung bezieht sich hauptsächlich auf die Analyse der menschlichen Ausatemluft.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer schematischen Zeichnung.
Figur 2 zeigt eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Messungen des Beispiels.
Die Probennahme und die Probenzuführung zum Massenspektrometer kann zum einen so erfolgen, daß eine direkte Verbindung zwischen dem Gasraum, in dem sich das zu analysierende Gasgemisch befindet und dem Massenspektrometer hergestellt wird. Im Falle der Analyse von menschlicher Ausatemluft kann dies mit Hilfe einer Atemmaske geschehen, wie beispielsweise in WO 99/20177 beschrieben ist. Durch diese Atemmaske wird die von einem Probanden ausgeatmete Atemluft direkt dem Massenspektrometer zugeführt. Auf diese Weise können online-Echtzeitdaten der Atemluftkomponenten des Probanden gewonnen werden, da die Anprechzeit des Massenspektrometers auf Veränderungen der zugeführten gasförmigen Mischung im Bereich von Millisekunden liegt. So können beispielsweise schnell fortschreitende Stoffwechseländerungen des Probanden wie zum Beispiel der schnelle Abbau eines leicht abbaubaren Pharmazeutikums direkt beobachtet werden.
Dieses Verfahren (Online-Verfahren) kann beispielsweise in der Notfallmedizin eingesetzt werden, beispielsweise zur Detektion von sich rasch verschlechternden Gesundheitszuständen. Eine weitere Anwendung des Online- Verfahrens kann die Echtzeitüberwachung von Stoffwechselvorgängen beispielsweise nach einem Provokativtest sein.
Die Probennahme kann auch so erfolgen, daß Proband und Massenspektrometer zeitlich und/oder räumlich voneinander getrennt sind, so daß die Ausatemluftprobe zunächst in einem geeigneten Gefäß aufbewahrt werden muß. Dazu werden bevorzugt Vials aus Glas mit einem bevorzugten Volumen von 20 ml verwendet.
Diese Vials weisen die Vorteile auf, daß sie zum einen sehr kostengünstig sind, wodurch sie für eine Einmalbenutzung geeignet sind. Des weiteren weisen sie im Vergleich zu anderen Gasbevorratungssystemen ausgezeichnete Inertheit auf und sie sind mit Hilfe eines Autosampiers sehr leicht handhabbar.
Die Probennahme erfolgt so, daß der Proband gleichmäßig (bevorzugt durch die Nase) ein und durch einen gängigen Trinkstrohhalm etwa 1 bis 2 cm über dem Gefäßboden in das Vial ausatmet. Das Vial wird danach luftdicht verschlossen. Dies geschieht bevorzugt mit einer Bördelkappe, die nach der Probennahme fest mit dem Glasvial verbördelt wird. Dabei wurde festgestellt, daß eine Zeit von einigen Sekunden, in denen das Vial nach dem Ausatmen des Probanden noch unverschlossen ist, keine negative Auswirkungen, wie eine Veränderung der Zusammensetzung, auf die vom Probanden ausgeatmete gasförmige Mischung haben.
Die Bördelkappe ist bevorzugt so ausgebildet, daß sie in dem Bereich, wo ein direkter Kontakt der Kappe mit dem Gefäßinnenraum, das heißt mit der ausgeatmeten gasförmigen Mischung stattfindet, vollständig mit Teflon bedeckt ist. Die Öffnung des Glasvials ist vorteilhafterweise so ausgestaltet, daß sein oberer Rand eine konisch nach außen abfallende Form besitzt. Damit kann die Bördelkappe so ausgebildet werden, daß sie einen äußeren Ring von Butylgummi umfaßt, der sich an die konische Aussenwand des Vials elastisch anschmiegt und somit abdichtend wirkt. Durch diese bevorzugte Ausführungsform der Glasvialabdichtung ist ein Höchstmaß an Inertheit gegenüber der vom Probanden ausgeatmeten gasförmigen Mischung gewährleistet.
Um die Zusammensetzung der Umgebungsluft, in der sich der Proband befindet, und eventuelle Kontaminationen in dieser Umgebungsluft feststellen zu können, wird parallel zum dem mit ausgeatmeter Atemluft des Probanden gefüllten Glasvial ein zweites Vial, das nicht mit der Atemluft des Probanden in Berührung gekommen ist, in der Umgebung des Probanden verschlossen (Vergleichs vial).
In den verschlossenen Glasvials kann die Ausatemluft des Probanden mehrere Tage ohne Qualitätsverlust aufbewahrt werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, die Proben vom behandelnden Arzt zum Auswertelabor zu befördern. Diese Art der Probennahme wird auch als Offline-Verfahren bezeichnet. Die Probennahme weist den Vorteil auf, daß sie aufgrund ihrer Einfachheit auch von ungeschulten Personal durchgeführt werden kann. Bei der Bestimmung des Zustands von Naturprodukten kann die Probenahme ebenfalls offline oder online erfolgen. Beispielsweise kann bei der offline Probenahme ein Glasvial, das einige Zeit mit der Gasphase unmittelbar über dem zu untersuchenden Produkt in Kontakt gestanden hat, verschlossen werden.
Zur Zuführung der Proben zum Massenspektrometer werden die Proben zunächst beispielsweise auf einen Autosampier montiert. Dies kann beispielsweise eine modifizierte CNC-Anlage des Typs "step-4 fräse basic 540" sein, die so modifiziert wurde, daß sie 70 Proben bestehend aus je 70. Probe- und Vergleichsvials vollautomatisch sampelt.
Die Probe wird vor der Zuführung zum Massenspektrometer vorzugsweise auf eine höhere Temperatur als Raumtemperatur, weiter bevorzugt 65 °C, erwärmt. Dies bietet den Vorteil, daß einerseits die Reproduzierbarkeit in der Analytik der Proben ansteigt, und andererseits die wasserlöslichen, das heißt, die in der Feuchte der ausgeatmeten Luft gelösten polaren Verbindungen wesentlich besser in die Gasphase treten können.
Das Gas gelangt über eine heiße Kapillare, die eine höhere Temperatur als der Autosampier aufweist, zum Gaseinleitungssystem, das wiederum eine höhere Temperatur als die Kapillare aufweist. Die durch die Kapillare hindurch tretende Gasmenge beträgt maximal etwa 5 ml/min. Das Gaseinleitungssystems des Massenspektrometers ist so beschaffen, daß es Druck- und Viskositätsschwankungen ausgleicht, so daß in den Analysator des Massenspektrometers immer die gleiche Teilchendichte injiziert wird.
Zur Analyse der gasförmigen Probenmischungen werden Massenspektrometer verwendet, bei denen im Hochvakuum ein Ionenstrahl auf die Probemoleküle einwirkt. Bei dieser Art des Massenspektrometers ist zum Erhalt von quantitativen Konzentrationswerten für die einzelnen detektierten Massen keine Kalibrierung notwendig. Es erfolgt also eine direkte Absolutangabe der Konzentrationen. Das erfindungsgemäße Massenspektrometer erlaubt weiterhin eine lineare Detektion der Konzentrationen der Massen im Konzentrationsbereich von 10"7 Vol% (ppb) bis zu 102 Vol%, d.h. in einem Umfang von 109. Dies bedeutet, daß aus der Messung direkt die Quantitäten der bestimmten Massen erhalten werden.
Die Komponenten der gasförmigen Mischung werden im Massenspektrometer entsprechend ihrer molekularen Masse detektiert. Dazu wird das Probengas in eine Hochvakuumkammer eingeführt und in Ionen überführt, welche nachfolgend entsprechend ihrer Masse durch elektromagnetische Felder selektiert werden und in einem Teilchenzähler gezählt werden.
Die Einwirkung eines Ionenstrahls auf den Molekularstrahls der Probe der gasförmigen Mischung im Hochvakuum umfaßt bevorzugt einen Hg- Ionenstrahl. Der Hg-Ionenstrahl weist eine Ionisierungsenergie von 10,4 eV auf, die für die Ionisation von über 90% der zu bestimmenden Verbindungen ausreichend ist. Demgegenüber werden die Hauptkomponenten der Ausatemluft wie N2 und O2 nicht ionisiert, sondern selektiv nur die in der Ausatemluft enthaltenen Nebenkomponenten, welche somit ausschließlich detektiert werden. Dies ermöglicht eine quantitative Bestimmung auch von Komponenten, die nur in Spuren bis zu 10"7 Vol% vorhanden sind. Des weiteren werden durch den Hg-Ionenstrahl sehr wenige Verbindungen fragmentiert.
Da verschiedene Moleküle identische Molekulargewichte haben können, wie zum Beispiel N2 und CO, oder Formaldehyd und NO, oder CO2 und NO2 ist bevorzugt, daß das Massenspektrometer unterschiedliche Ionisationslevels, das heißt mindestens zwei primäre Ionenstrahlen benutzt, um zwischen Molekülen mit identischer Masse unterscheiden zu können. Diese Unterscheidung beruht auf dem Prinzip, daß jedes Molekül eine individuelle Ionisierungsenergie besitzt, bei der das Molekül in ein Ion transformiert wird. Weiter bevorzugt werden ein Hg-Ionenstrahl zusammen mit einem Kryptonionenstrahl und/oder einem Xenonionenstrahl eingesetzt. Die Abfolge der verschiedenen Ionenstrahlen bei der Messung kann in beliebiger Reihenfolge erfolgen.
Demnach können mit einem Kryptonionenstrahl, der eine Energie von 13,9 eV aufweist beispielsweise die Moleküle N2 und CO, die identische Masse besitzen, aufgrund ihrer unterschiedlichen Ionisierungspotentiale von 14,2 eV (N2) und 13,7 eV (CO) unterschieden werden.
Ein weiterer Separierungseffekt kann durch die Bildung von definierten Fragmentionen erreicht werden. So wird beispielsweise zwischen den massenidentischen Molekülen Methanol und O2 durch die Ionisation mit einem Xenonionenstrahl (12,2 eV) unterschieden, welcher ein O2 +-Ion mit der Masse 32 und ein CH3O+-Ion mit der Masse 31 bildet. Höhere Kohlenwasserstoffe benötigen beispielsweise Ionisationsenergien im Bereich von 10 eV wie sie von einem Quecksilberionenstrahl mit einer Energie von 10,4 eV generiert werden.
Die Messung der Proben der gasförmigen Mischungen erfolgt so, daß die Konzentrationen sämtlicher Massen bis zu einem Molekulargewicht nach der Ionisation von 500, vorzugsweise 200, quantitativ bestimmt werden.
Bei Atemluftproben von menschlichen Probanden wurden bei der Messung von 200 möglichen Massen 100 Massen am Massenspektrometer detektiert. Zu diesen Massen konnten bisher die Verbindungen Kohlendioxid, Kohlen- monoxid, Wasser, Ethanol, Isopren, Methan, Aceton, Ammoniak, Ameisensäure, Essigsäure, Acetaldehyd, Acetylen, Acetonitril, Benzol, Methylamin, Formaldehyd, Schwefelwasserstoff, Salpetrige Säure, Methanol, Sauerstoff, Propanol, Toluol, Methyl-, Ethylgruppe, Stickstoffmonoxid, protoniertes Wasser als Wasseraddukt, Acetylgruppe, Formylgruppe, Formalde- hyd*protoniertes Wasser, Pyridin, Pentan, Cyclopentan, Methylethylketon, Propionsäure, Buttersäure, Methylmercaptan, Ethylen, Distickstoffmonoxid, Propan und Schwefeldioxid zugeordnet werden.
Diese Substanzen können einzeln, in Gruppen oder insgesamt qualitativ und quantitativ bestimmt werden, ohne daß Interferenzen zwischen den einzelnen bestimmten Komponenten erfolgen, d.h. ohne daß die quantitative Bestimmung einer Komponente durch das Vorliegen einer der anderen Komponenten gestört wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet weiterhin den Vorteil, das chemische Verbindungen aller Art, d.h. beispielsweise Säuren und Basen, polare und unpolare Stoffe, simultan mit einer Messung vermessen werden können.
Von großer Bedeutung ist für die Analyse von Ausatemluftproben die Validierung der Proben, das heißt die Detektion bzw. das Verwerfen von kontaminierten oder aus anderen Anlässen unbrauchbaren Proben. Dazu wird zunächst der CO2-Gehalt der Probe festgestellt. Bei einer Entnahmetemperatur des Probegasgemisches aus dem Vial von 65 °C ergibt sich normalerweise ein CO2-Gehalt von etwa 2 bis 3,5 Vol%. Es wurde festgestellt, daß dieser CO2-Wert bei normalen Ausatemproben nur im Bereich von etwa 10 % schwankt. Liegt daher der gemessene CO -Gehalt signifikant außerhalb dieses Normalbereichs, so ist davon auszugehen, daß entweder das Probenvial unsachgemäß verschlossen oder unsachgemäß gehandhabt wurde oder aber der Proband eine falsche Atemtechnik angewandt hat, so daß nicht die Ausatemluft der Lunge erfaßt wurde. Mittels dieses und analoger Kriterien können verfälschte Proben verworfen werden.
Mit Hilfe der Analyse des zweiten Vergleichsvials mit der den Probanden umgebenden Raumluft (ohne Ausatemluft des Probanden) kann festgestellt werden, mit welchen Substanzen die umgebende Raumluft verunreinigt war. Dementsprechend können bei zu hoher Kontamination mit bestimmten Stoffen auch solche Proben verworfen werden.
Die Validierbarkeit der Messungen über die obengenannten oder weitere Kriterien ist speziell für den medizinisch-diagnostischen Bereich von äußerster Wichtigkeit, da sie Aussagen über die Qualität der Probe erlauben und somit das Risiko von Fehlmessungen und damit von falschen Aussagen über den Zustand des Probanden erheblich vermindern. Neben der Bestimmung des CO2 können routinemäßig auch N2, O2, sowie H2O als Hauptkomponenten aus Atemluft bestimmt werden.
Der Meßvorgang wird jeweils mindestens fünfmal für ein Proben- bzw. Vergleichsvial wiederholt (5 Zyklen) und die Mittelwerte aus diesen Zyklen gebildet. Ein Zyklus dauert dabei für die Messung von 200 Massen etwa eine Minute.
Während des Meßvorganges wird zuerst das Probenvial und anschließend das Vergleichsvial bestimmt. Aus den Ergebnissen der Meßzyklen werden jeweils die Mittelwerte gebildet.
Ergibt die Bestimmung des Vergleichsvials, daß eine Kontamination der Umgebungsluft des Probanden vorgelegen hat, so kann die Probe entweder verworfen oder die Menge der als Kontamination vorhandenen Komponente in der Ausatemluftprobe aus der Differenz (Probevial minus Vergleichsvial) erhalten werden. Dieser Ansatz ermöglicht, allfällige Kontaminationen in den Vials zu eliminieren, da die Differenz von gleichen Kontaminationen Null ergibt und Ergebnisse, die aus Atemluft und Kontaminationen bestehen, dem tatsächlich ausgeatmeten Wert entsprechen.
Einige Kontaminationskomponenten der Umgebungsluft können aber auch durch die Lunge absorbiert werden und in der Ausätemluft daher eine niedrigere Konzentration als in der Umgebungsluft aufweisen. Bei solchen Kon- taminationen kommt es i.a. bei Überschreiten einer gewissen Konzentration in der Umgebungsluft dazu, daß sie nicht mehr absorbiert werden können. Man erhält somit bei Messung der Ausatemluft in Abhängigkeit der Konzentration der Kontamination eine Durchbruchskurve.
Bei der Messung von Ausatemluftproben wurde festgestellt, daß zum einen die detektierten Konzentrationen von nicht oder schwer wasserlöslichen Substanzen wie CO2 vom ersten Zyklus zum letzten Zyklus hin kontinuierlich abfallen. Dies entspricht der Tatsache, daß durch die Entnahme der Probe aus dem Vial die Konzentration dieser Stoffe im Vial abnimmt. Im Gegensatz dazu wurde festgestellt, daß die detektierten Konzentrationen von Wasser und wasserlöslichen Stoffen über alle Meßzyklen hin in etwa konstant sind. Eine mögliche Erklärung dafür könnte die Tatsache sein, daß in den Glasvials an den Glaswänden adsorbiertes Wasser/wasserlösliche Stoffe bei die ursprüngliche Konzentration dieser Komponenten nach Entnahme wiederherstellen. Damit besteht für diese Komponenten ein gewisses Reservoir in den Glasvials. Diese Feststellung bildet ein weiteres Kriterium für die Validierung von Atemluftproben, da bei Proben mit einem anderen als dem geschilderten Analyseverhalten darauf geschlossen werden kann, daß die Atemluftprobe nicht korrekt gewonnen oder auf sonstige Weise verfälscht worden ist. Solche Proben können daher erkannt und gegebenenfalls verworfen werden.
Die Auswertung der Daten erfolgt so, daß die gemessenen quantitativen Werte für die Komponenten, die entweder ihrer Masse nach oder auch ihrer chemischen Natur nach bestimmt sind, mit den Normal werten der jeweiligen Komponente verglichen werden. Somit können Abweichungen des Gehalts von Komponenten in der Ausatemluft des jeweiligen Probanden vom Normalzustand festgestellt werden. Werte außerhalb des Normalwertebereichs der jeweiligen Komponente können dann Rückschlüsse auf den Gesundheitszustand des Probanden zulassen.
Die Normalwerte können beispielsweise durch Reihenmessungen an einer Vielzahl von Probanden zur Bestimmung des Normalzustandes der menschlichen Atemluft erhalten werden. Die Normalwerte können auch der Literatur entnommen werden, soweit diese bekannt sind. Die Normalwerte umfassen im allgemeinen einen bestimmten Bereich.
Bevorzugterweise werden die für die Komponenten gemessenen quantitativen Werte auf den Wert einer der Hauptkomponenten der gasförmigen Mischung, vorzugsweise CO2, normiert. Durch die Normierung wird ein Bezug des Gehalts der einzelnen Komponenten auf die tatsächlich ausgeatmete Menge an Atemluft pro Proband erreicht. Dies hat den Vorteil, daß Werte zwischen verschiedenen Probanden und auch Werte, die durch zeitlich versetzte Messungen der Atemluft eines Probanden erhalten wurden, miteinander verglichen werden können.
Weiter bevorzugt wird der nach der Normierung ermittelte Wert durch den für menschliche Probanden bekannten Maximalwert geteilt. Damit ergeben sich jeweils Werte für die einzelnen Komponenten zwischen 0 bis 1. Dadurch wird die Auswertung weiter vereinfacht und für das auswertende Fachpersonal (Ärzte) übersichtlicher.
Weiter bevorzugt werden zwischen den gemessenen Werten einzelner Komponenten Korrelationen hergestellt, um bestimmte Krankheitsbilder zu erfassen. Beispielsweise kann das Ethanol/Propanal-Verhältnis bestimmt werden, um so Aussagen über eine eventuelle Hepatitisinfektion zu ermöglichen.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens bei Bestimmung aller Komponenten in einem gewissen Massenbereich besteht darin, daß ein Gesamtüberblick über verschiedenste Krankheitsbilder und Stoffwechselvorgänge erhalten wird. So ist beispielsweise bekannt, daß bei Schizophreniepatienten sowohl der Pentangehalt als auch der Gehalt an H2S und CS2 in der Ausatemluft erhöht, so daß bei simultaner Bestimmung dieser Komponenten andere Krankheitsbilder ausgeschlossen werden können, bei denen nur der Gehalt an einer dieser Komponenten erhöht ist.
Bei den beobachtbaren Stoffwechselvorgängen (Metabolismen) kann es sich sowohl um Aufbauvorgänge (Anabolismen) als auch um Abbauvorgänge (Katabolismen) handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, daß es auch von ungeschultem Personal durchgeführt werden kann, was zu einer Kosteneinsparung führt.
Die Auswertung der Messungen erfolgt vorteilhafterweise EDV-gestützt.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt ein Gaseinlaßsystem mit einer flexiblen Gastransferkapillare (3), die bevorzugt aus fused silica besteht, einen Innendurchmesser von 250 Mikrometer aufweist und in einem Viertelzoll Teflonschlauch plaziert ist. Im Teflonschlauch befindet sich außerdem ein Heizdraht. Die Kapillare (3) ist mit Kanüle (2) zur Probenentnahme aus einem Probenvial (1) verbunden. Die verschiedenen Komponenten bis hin zur Lochblende (5) weisen dabei in Richtung des Gas- flusses jeweils höhere Temperatur auf. Bevorzugterweise werden das Probenvial (1) auf 65 °C, die Kanüle (2) auf 85 °C und die Gastransferkapillare (3) auf 100 °C aufgeheizt. Dadurch werden im gesamten System vom Probenvial bis ins Massenspektrometer Kondensationseffekte ausgeschlossen und ein effizienter Gastransfer gewährleistet. Der geringe Durchmesser der Kapillare ermöglicht ausserdem, daß geringste Gasmengen aus dem Probenvial entnommen werden können. Während des Meßvorgangs, welcher abhängig von der Anzahl der Verbindungen von wenigen Sekunden bis zu 15 Minuten reichen kann, entsteht auf diesem Wege ein Gradientenvakuum, das je nach Dampfdruck der einzelnen Komponente eine selektive Konzentrati- onserhöhung und damit bessere Nachweisgrenzen bewirkt. Das Gaseinlaßsystem weist den Vorteil auf, daß es den zu analysierenden gasfömigen Mischungen gegenüber inert ist und damit keine Memory-Effekte besitzt. Daher ist zur Analyse einer neuen Probe kein Spülen des Systems notwendig.
Vorzugsweise ist der Gasfluß durch die Kapillare (3) auf höchstens 5 ml/min begrenzt. Im Bereich vor der Lochblende herrscht ein Druck von etwa 700 mbar, falls im Probenvial vor der Probenahme Atmosphärendruck geherrscht hat. Bei Verwendung eines Autosamplersystems wird die Kanüle (2) von einem Roboter zu dem gewünschten Probenvial gesteuert.
Weiter befinden sich im Bereich vor der Lochblende (5) Gasschaltventile (4), über die Nullgas und Kalibriergase, vorzugsweise bis zu einem Druck von maximal 1,5 bar, zugegeben werden können. Jedoch muß der Gesamtgasstrom größer als die Rückdiffusion sein.
Im Bereich nach der Lochblende (5), die bevorzugt einen Durchmesser von 300 Mikrometer aufweist und mittels eines Laserstrahls erzeugt wurde, wird durch die Pumpe (9), die bevorzugt eine zweistufige, ölfreie Vakuumpumpe mit 0,2 bis 200 mbar Eigendruck ist, ein Druck von etwa 20 mbar erzeugt.
Somit wird bei Einstechen der Kanüle (2) in das Probenvial (1), in dem etwa Atmosphärendruck herrscht, die zu analysierende gasförmige Mischung in Richtung des Unterdrucks durch die Gastransferkapillare (3) zur Lochblende (5) hin geführt, wobei in der Zwischenvakuumkammer (24) hinter der Lochblende (5) ein erster Molekularstrahl (6) erzeugt wird. Im Bereich vor der weiteren Kapillare (10), die ebenfalls aus fused silica besteht, besitzt dieser Strahl (6) laminare Strömung.
In der Zwischenvakuumkammer (24) wird der Druck von etwa 20 mbar durch ein Proportionalregelventil (8), das Nebenluft oder Inertgase in diesen Raum strömen lassen kann, genau auf einem konstanten Wert gehalten. Die Steuerung des Proportionalregelventils (8) erfolgt bevorzugt über einen kapazitiven Absolutdrucksensor (7), der den Druck innerhalb der Zwischenvakuumkammer (24) genau und unabhängig von der Zusammensetzung des Gases mißt. Damit ist gewährleistet, daß Druckschwankungen des Probenmolekularstrahls (6), wie sie etwa bei der wiederholten Messung aus demselben Probenvial auftreten, ausgeglichen werden können und keine Änderungen in der Viskosität des Probenmolekularflußes in der Kapillare (10) auftreten. Somit tritt in die weitere Kapillare (10) ein Probenmolekülfluß von konstanter Teilchendichte ein.
In der Zwischenvakuumkammer (24) befindet sich im Bereich des Molekularstrahls (6) ein Ende der Kapillare (10), die einen bevorzugten Innendurchmesser von 250 Mikrometer aufweist und auf eine Temperatur über 100 °C, bevorzugt 220 °C, aufgeheizt ist. Die Aufheizung der Kapillare (10) bewirkt, daß die Desorptionszeiten möglichst gering gehalten werden.
Durch den auf einen konstant Wert geregelten Druck in der Zwischenvakuumkammer (24) ist der Gasstrahldruck vor der Kapillare (10) immer genau gleich. Durch diese Anordnung wird eine quantitative Bestimmung von Komponenten bis in den Bereich von 10"7 Vol% hinunter ermöglicht.
Das andere Ende der Kapillare (10) befindet sich in der Hochvakuumkammer (22), in der durch beispielsweise eine Turbomolekularpumpe (23) ein Hochvakuum, vorzugsweise von mindestens 10" mbar erzeugt wird. Dabei befindet sich das Kapillarende knapp vor einem offenen Schlitz des Octopol- führungsfelds (16) in der Ladungsaustauschkammer (17). Durch den in der Kapillare (10) bestehenden Druckgradienten tritt der Proben-Molekularstrahl (6) durch die Kapillare (10) hindurch in den Ladungsaustauschbereich (17) der Hochvakuumkammer (22), wobei er am Ende der Kapillare (10) einen zweiten Molekularstrahl (11) bildet. Der Primärionenstrahl (12) zur Ionisation des Molekularstrahls (11) wird so gebildet, daß aus einem der Gasreservoire (13) von Quecksilber, Krypton und Xenon Gas druckreduziert entnommen und zur Elektronenstoßquelle (14), die heißes Wolframfϊlament, Anode und Ziehblende umfaßt, geführt wird.
Der dabei entstehende Primärionenstrahl (12) wird durch ein erstes Octopol- führungsfeld (15) geführt. Dabei werden nur hohe Molekulargewichte (Primärionen) geführt und die Massen von Verunreinigungen in den Gasreservoirs (13) unterdrückt, um ein hohes Signal-Rausch- Verhältnis für die zu messenden Stoffe zu erreichen.
Der Primärionenstrahl (12) wird dann in einem zweiten Octopolführungsfeld (16) weiter geführt, das für alle Molekülsorten gleiche Transmission besitzt. Innerhalb dieses Octopolführungsfeldes (16) befindet sich die Ladungsaustauschzone (17), in der der Primärionenstrahl (12) auf den Proben- Molekularstrahl (11) trifft. In der Ladungsaustauschzone (17) wird in Einzelstoßprozessen bei einem Druck von im Mittel 10"4 mbar ein Probenmole- kül-Ionenstrahl (18) erzeugt, wobei die Probenmolekule dann im Quadrupol- Analysator (19) entsprechend ihres Masse/Ladungsverhältnisses getrennt werden. Die Probenmolekülionen werden dann im Ionendetektor (20) zu e- lektronisch verarbeitbaren Elektronenimpulsen umgewandelt. Die Elektronenimpulse werden dann für die Zählelektronik ausgekoppelt (21).
Octopolanordnungen für Massenspektrometer auf der Basis von Ionenstrahlen sind beispielsweise in EP 0 290 712 und De 196 28 093 beschrieben. Auf den Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird hiermit Bezug genommen.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Beispieles weiter illustriert. Beispiel
Zur Feststellung des Gesundheitszustandes wurden von neun Probanden in einem klinischen Test Analysen der Ausatemluft durchgeführt. Dazu wurden Proben der Ausatemluft des jeweiligen Probanden so genommen, daß der Proband gleichmäßig einige Atemzüge über die Nase ein- und ausatmete, dann die Luft für zwei bis drei Sekunden anhielt und anschließend die Luft gleichmäßig durch einen Strohhalm, dessen Ende sich ein bis zwei Zentimeter über dem Boden eines Glasvials mit einem Volumen von 20 cm3 befand, ausatmete.
Danach wurde das Probenvial jeweils mit einer Bördelkappe mittels einer Bördelzange verschlossen. Dieses Verschließen erfolgte spätestens nach etwa fünf Sekunden nachdem der Proband in das Vial ausgeatmet hatte.
Parallel zum Probenvial wurde jeweils ein zweites Vial (Vergleichsvial) in der Umgebung des Probanden verschlossen, ohne daß die Atmosphäre im Vergleichsvial mit der Ausatemluft des Probanden in Berührung gekommen war.
Proben- und Vergleichsvial wurden jeweils in einen Autosampier plaziert und dort mindestens 10 min auf 65°C vorthermostatisiert.
Nach der Vorthermostatisierung wurden jeweils zunächst das Proben- und anschließend das Vergleichsvial der Probanden mittels der vorstehend geschilderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt. Die Messung jedes Vials erfolgte dabei in mindestens sechs Zyklen, d.h. der Inhalt jedes Vials wurde mindestens sechsmal bestimmt. Aus den für die jeweilige Masse erhaltenen mindestens sechs Werten wurde dann jeweils der Mittelwert gebildet. Zur Elimination von Kontaminationen in der Umgebungsluft wurde anschließend für die jeweilige Masse der für das jeweilige Vergleichsvial erhaltene Mittelwert vom für das Probenvial erhaltenen Mittelwert abgezogen. Anschließend erfolgte die Normierung der Mittelwerte auf den Wert von CO2 durch Division der Mittelwerte durch den für CO erhaltenen Wert.
Die normierten Werte wurden dann durch den für die jeweilige Masse aus einer Reihenmessung an einer Vielzahl von Probanden bekannten Maximalwert für diese Masse geteilt. Damit wurden für die einzelnen Massen jeweils Werte zwischen 0 und 1 erhalten.
In Figur 2 sind die Ergebnisse der Messungen an den neun Probanden graphisch dargestellt. Hierzu sind die Werte der detektierten Massen im Bereich von 0 bis 102 nach folgendem Code dargestellt:
Schwarz: Wertebereich 0,75 - 1 Dunkelgrau: Wertebereich 0,5 - 0,75 Hellgrau: Wertebereich 0,25 - 0,5 Weiß: Wertebereich 0 - 0,25
In den Zeilen 1 bis 9 sind jeweils die Werte für die Probanden 1 bis 9 dargestellt. In den Spalten sind die jeweiligen Werte für die Massen dargestellt. Wo eine Zuordnung zu chemischen Verbindungen getroffen werden konnte, ist statt der Masse diese Verbindung angegeben.
Aus Figur 2 geht hervor, daß die Werte für Proband 9 sich deutlich von den Werten von den anderen Probanden unterscheiden. Zur Zeit der Probenahme wies der Proband 9 ein nicht klar definiertes Krankheitsbild auf, wobei vermutet wurde, daß ein septisches Geschehen, d.h. eine bakterielle Infektion mit der Folge einer Leber- und Gerinnungsstörung vorlag. Einige Tage nach der Probenahme trat bei Proband 9 der Hirntod und in weiterer Folge der endgültige Tod ein. Dieses Beispiel zeigt, daß der Zustand eines Probanden mit einer schweren Gesundheitsstörung gegenüber dem anderer Probanden bestimmt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Beurteilung des Zustandes von Organismen und Naturprodukten, die Substanzen in die sie umgebende Atmosphäre abgeben, bei dem eine oder mehrere dieser Substanzen in einer gasförmigen Mischung bestimmt werden, wobei die Bestimmung mittels eines Massenspektrometers erfolgt, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum so einwirkt, daß die Probenmolekule mit Hilfe der inneren Energie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden, und die bei der Bestimmung erhaltenen Werte zur Beurteilung des Zustandes ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Organismen Menschen oder Tiere sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die gasförmige Mischung die vom Menschen ausgeatmete Luft ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gasförmige Mischung Haupt- und Nebenkomponenten umfasst und jeweils mindestens eine Hauptkomponente im Konzentrationsbereich > 0,1 Vol% und mindestens eine Nebenkomponente im Konzentrationsbereich < 0, 1 Vol% bestimmt wird.
5. Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Mischung mit jeweils einer oder mehrerer Haupt- und Nebenkomponenten, worin jeweils mindestens eine Hauptkomponente im Konzentrationsbereich > 0,1 Vol% und mindestens eine Nebenkomponente im Konzentrationsbereich < 0,1 Vol% mittels eines Massenspektrometers bestimmt werden, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum so einwirkt, daß die Probenmolekule mit Hilfe der inneren E- nergie der Ionen des Ionenstrahls ionisiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei jeweils mindestens eine Hauptkomponente im Konzentrationsbereich > 1 Vol% und mindestens eine Nebenkomponente im Konzentrationsbereich < 0,03 Vol% bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei zur Auswertung der durch das Massenspektrometer erhaltenen Daten eine Korrelation zwischen mindestens einer Hauptkomponente und mindestens einer Nebenkomponenten hergestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Probe dem Massenspektrometer ohne Vorbehandlung zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwei oder mehrere Substanzen der gasförmigen Mischung mit unterschiedlicher molekularer Struktur mit einer Messung bestimmt werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Konzentration einer oder mehrerer der Substanzen quantitativ bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei alle Kom- ponenten der gasförmigen Mischung mit einem Dampfdruck > 10" mbar bestimmt werden.
12. Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Mischung, die ein Massenspektrometer mit einem Gaseinleitungssystem umfaßt, worin aus der zu analysierenden Probe der gasförmigen Mischung ein Moleku- larstrahl in einem Zwischenvakuum erzeugt wird, aus dem dann mittels eines Druckgradienten in einer Kapillare ein zweiter Molekularstrahl im Hochvakuum erzeugt wird und die Probenmolekule des zweiten Molekularstrahls ionisiert werden, wobei der Druck des Zwischenvakuums konstant gehalten wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Probenmolekule des zweiten Molekularstrahls mit Hilfe der inneren Energie der Ionen eines Ionenstrahls ionisiert werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, worin der ionisierte Molekularstrahl mit Hilfe eines Oktopolführungsfelds gespeichert wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, worin der
Druck des Zwischenvakuums 0,2 bis 200 mbar, bevorzugterweise 1 bis 100 mbar und weiter bevorzugt 5 bis 50 mbar beträgt.
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