EP1217643A1 - 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

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EP1217643A1
EP1217643A1 EP00127558A EP00127558A EP1217643A1 EP 1217643 A1 EP1217643 A1 EP 1217643A1 EP 00127558 A EP00127558 A EP 00127558A EP 00127558 A EP00127558 A EP 00127558A EP 1217643 A1 EP1217643 A1 EP 1217643A1
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EP
European Patent Office
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gaseous mixture
sample
ion beam
components
mass spectrometer
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EP1217643B1 (de
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Johannes Dr. Villinger
Werner Dr. Federer
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V & F Analyse- und Messtechnik GmbH
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V & F Analyse- und Messtechnik GmbH
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    • 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, the substances in the atmosphere surrounding them dispense one or more of these substances in a gaseous mixture be determined, a method for analyzing a gaseous mixture with main and secondary components, and a device for carrying them out Method comprising a mass spectrometer.
  • the object of the present invention is a method for analysis of gaseous mixtures to provide the rapid determination of Major and minor components of the gaseous mixture allowed.
  • Another object of the invention is a device for analyzing gaseous To provide mixtures for carrying out the above-mentioned processes is suitable and a quick analysis of samples of gaseous mixtures allowed, the components of which are present in a wide concentration range.
  • the invention is based on the knowledge that the above-mentioned tasks are met With the help of a mass spectrometer, the sample can be solved ion gaseous mixture to be analyzed acts in a high vacuum.
  • the present invention therefore provides a first method for assessing the condition of organisms and natural products, the substances in the surrounding Release atmosphere, available in which one or more of these substances be determined as components of a gaseous mixture, the determination by means of a mass spectrometer, in which the gaseous mixture acts on an ion beam in a high vacuum, and that at Determination obtained values are evaluated to determine the condition.
  • the method according to the invention can be used to assess the condition of living and dead organisms and their parts as well as natural products of all kinds become.
  • Natural products are natural in the sense of this invention Products such as fruit, vegetables, meat, cow's milk etc., through natural manufacturing processes products obtained such as Wine, beer, cheese, cooking oil etc., as well as through Refinement of natural products such as Coffee beans, Smoked ham etc. understood.
  • gaseous mixtures are mixtures of substances understood the other main components in gaseous form at room temperature Contain components that are in the form of the main components Gas phase.
  • Mass spectrometer in which an ion beam on a gaseous mixture in the High vacuum acts, for example from EP 0 290 711, EP 0 290 712 and DE 196 28 093 known.
  • the disclosure content of these publications is hereby incorporated Referred.
  • the method according to the invention has the advantage that from the one to be examined Organism or natural product, no samples taken artificially need to be, causing any injury to the organism or natural product is avoided. So it is a non-invasive procedure.
  • Another The 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 multiple components the gaseous mixture to be analyzed essentially no overlays (Interference) can be obtained in determining the components that a Prevent analysis of individual specific components.
  • the method for assessing the condition used by humans and animals has the advantage that no samples such as blood samples for the object to be examined must be taken, especially for carrying, because such sampling by trained personnel, in the case of humans, for example by doctors, be performed. In addition, such sampling is done by people and felt uncomfortable to animals.
  • the invention Method 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 by untrained personnel or by the test person himself.
  • the process according to the invention the exhaled air used by humans as a gaseous mixture.
  • This offers the advantage that on the one hand sampling can be carried out very easily and that on the other hand the substances obtained in the exhaled air the assessment of Condition of the test subject with regard to a variety of clinical pictures and Enable metabolic processes.
  • the process according to the invention the concentration of one or more of those contained in the gaseous mixture Substances quantified. Since the method according to the invention Determination by means of a mass spectrometer, in which the sample The quantities are a gaseous mixture which acts on an ion beam in a high vacuum of the certain substances linearly proportional to the detected signal, therefore the quantitative detection can be carried out in a simple manner.
  • the quantitative determination also offers the advantage that it allows further statements on 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.
  • the sample of the gaseous mixture without pretreatment to the mass spectrometer fed is fed.
  • 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 additional costs Pretreatment steps, such as concentrating the sample, arise.
  • the gaseous mixture of main components and secondary components to be analyzed the concentration of the main components being that of the secondary components by at least a factor of 10, preferably 50, more preferably 100.
  • the gaseous mixture to be analyzed each consisting of at least one main component in the concentration range of ⁇ 0.1 vol%, preferably ⁇ 1 vol%, and at least one secondary component in the concentration range of ⁇ 0.1 vol%, preferably ⁇ 0.03 vol%, the concentration of at least one in each case the main and secondary components are determined.
  • the concentration of at least one of the major and one of the minor components quantified is determined quantitatively.
  • concentrations are also more preferred the main components of the gaseous mixture to be analyzed essentially the same as that of atmospheric air.
  • all components of the gaseous mixture to be analyzed has a molecular mass of up to 500, preferably have a molecular mass of up to 200, quantitatively detected.
  • the ion beam that acts on the sample molecules in a high vacuum is an atomic one Ion beam.
  • the ion beam further preferably comprises ions which are in the electronic ground state and / or are in a selectively excited metastable state.
  • At least the ion beam that acts on the sample molecules in a high vacuum two ion beams with different ionization potential.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, an Hg ion beam.
  • the ion beam which acts on the sample molecules in a high vacuum, 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 a high vacuum.
  • the present process preferably uses substances with an ionization potential ⁇ 17 eV determined.
  • the evaluation of the values obtained is preferably carried out in such a way that the concentration of the secondary components on the concentration of at least one of the Main components is sourced.
  • the present invention further provides a second method for analysis a gaseous mixture with one or more major and minor components available, with at least one main component in each case Concentration range ⁇ 0.1 vol%, preferably ⁇ 1 vol%, and at least one Secondary component in the concentration range ⁇ 0.1 vol%, preferably ⁇ 0.03 Vol%, can be determined by means of a mass spectrometer, on which the sample the gaseous mixture is subjected to an ion beam in a high vacuum.
  • This method offers the advantage that it can be determined quickly and simultaneously of major and minor components of a gas mixture allowed and therefore allows comprehensive statements about the gas mixture.
  • the mass spectrometer is used for the evaluation data obtained a correlation between at least one Main component and at least one secondary component.
  • This offers for example the advantage that the evaluation of the data by standardization of the data of the secondary components to that of the main components.
  • the proportion of main components may indicate faulty ones Samples are closed and these are sorted out.
  • the present invention further provides an apparatus for analyzing gaseous mixtures are available, which a mass spectrometer with a Gas inlet system comprises, wherein from the sample to be analyzed the gaseous Mixture is generated from a molecular beam in an intermediate vacuum then a second molecular beam by means of a pressure gradient in a capillary is generated in a high vacuum, which is ionized by an ion beam, the pressure of the intermediate vacuum is kept constant.
  • the device according to the invention has the advantage that the in the high vacuum located analyzer of the mass spectrometer passing second molecular beam has a constant particle density. This way the viscosity of the second sample molecular beam kept constant. Furthermore, with the device reaches a high density of the second sample molecular beam, wherein simultaneously with the action of the ion beam on the sample molecular beam Single impact conditions prevail.
  • the sensitivity of the Mass spectrometers can be increased to the ppb range and at the same time Components of gaseous mixtures determined in the volume percentage range become.
  • the gas inlet system of the device according to the invention inert to the components contained in the sample of the gaseous mixture, so that the system is not rinsed before measuring a new sample got to.
  • At least the ion beam that acts on the sample molecules in a high vacuum two ion beams with different ionization potential.
  • the device according to the invention includes the ion beam, which acts on the sample molecules in a high vacuum, an atomic ion beam.
  • the ion beam further preferably comprises ions which are in the electronic ground state and / or are in a selectively excited metastable state.
  • the device according to the invention includes the ion beam, which acts on the sample molecules in a high vacuum, an Hg ion beam.
  • the device according to the invention includes the ion beam, which acts on the sample molecules in a high vacuum, 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 a high vacuum.
  • the methods according to the invention preferably include the use of device according to the invention.
  • an increased content of methane in the breathing air can be caused by the Improper colonization of the small intestine can be caused by colon bacteria, which then produce methane in the small intestine, which enters the lungs and through the bloodstream to get into the exhaled air.
  • increased methane values can also be found in certain Types of malnutrition occur.
  • 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 body Exhaled air come.
  • the propanol content is in relation to the ethanol content the exhaled air is increased by a factor of 10.
  • the pentane level in the exhaled air is a measure of changes in lipid activity in the body and related diseases. For example, at rheumatic inflammation, in the case of lung injuries caused by inhalation of high Oxygen concentrations, in heart attack patients and in patients with cancer Respiratory organs an elevated pentane level was detected.
  • the pentane content in the Exhaled air can also be increased in schizophrenia and multiple sclerosis. Furthermore is a linear relationship between the age of subjects and the pentane content in their exhaled air has been determined.
  • the CO content is increased in the exhaled air.
  • ketones in the exhaled air is detected if increased by Lipolysis the supply of fatty acids in the body is high. This can be different Causes such as hunger or insulin stomach (diabetes mellitus) are attributed become.
  • ketonuria an increased concentration of ketone bodies (acetoacetate, R3 hydroyxbutyrate and acetone). This is due to poor glycogen the liver due to failure of carbohydrate metabolism.
  • Ketoacidosis such as that of coma diabeticum, hunger or Alcoholism is present, an increased content of propionic acid and butyric acid in of the exhaled air can be determined.
  • Phenols can be determined in the exhaled air.
  • the metabolic products of bacteria in the human body such as CO 2 and H 2 (Escherichia coli) or H 2 S (Proteus) 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).
  • 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 thus be used to diagnose clinical pictures and metabolic disorders of all kinds are used in the human body.
  • monitoring can be carried out by the method according to the invention the metabolism of organisms when taking pharmaceuticals, monitoring of therapeutic measures such as the continuous control of Healing processes, as well as for monitoring provocation tests in which a substance is administered in a certain (high) dose and the reaction of the body is followed up on this substance.
  • the method according to the invention is not based on the analysis of the exhaled air from People limited, but it can also, for example, samples of human gaseous mixtures of other nature such as, for example, the vapors and sweat, as well as the gas phases of urine, blood, faeces and other body fluids.
  • Sampling in the case of analysis of the sweat can be done for example take place that this is taken up by the test person 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 detection of animals suffering from BSE, for example, about the changed composition from their exhaled air.
  • 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 at one so that a direct connection between the gas space in which the gas mixture to be analyzed is located and manufactured in the mass spectrometer becomes.
  • this can be done using a Breathing mask happen, as described for example in WO 99/20177.
  • the breathing air exhaled by a test subject becomes direct through this breathing mask fed to the mass spectrometer.
  • This allows online real-time data of the test person's breathing air components are obtained because the Response time of the mass spectrometer to changes in the gaseous feed Mix is in the range of milliseconds. For example rapidly progressing metabolic changes of the test person such as the rapid degradation of an easily degradable pharmaceutical is directly observed become.
  • This procedure can be used, for example, in emergency medicine are used, for example for the detection of rapidly deteriorating Health conditions.
  • Another application of the online process can be Real-time monitoring of metabolic processes, for example after a provocative test his.
  • Sampling can also be done using the subject and mass spectrometer are separated from each other in time and / or space, so that the exhaled air sample must first be kept in a suitable container.
  • Vials made of glass with a preferred volume of 20 ml are used.
  • Sampling is carried out in such a way that the test person is even (preferably by Nose) and through a common drinking straw about 1 to 2 cm above the bottom of the vessel exhales into the vial.
  • the vial is then sealed airtight. This is preferably done with a crimp cap, which is fixed with the after sampling Glass vial is crimped. It was found that a time of a few seconds, in which the vial is still unlocked after the subject exhales has no negative effects, such as a change in composition have the gaseous mixture exhaled by the subject.
  • the crimp cap is preferably designed so that it is in the area where a direct Contact of the cap with the interior of the vessel, i.e. with the exhaled gaseous mixture takes place, is completely covered with Teflon.
  • the opening the glass vial is advantageously designed so that its upper edge is a conical has a sloping shape.
  • the crimp cap can thus be designed in this way be that it includes an outer ring of butyl rubber that adapts to the conical outer wall of the vial rests elastically and thus acts as a seal. This preferred embodiment of the glass vial seal is the maximum Inertness to the gaseous mixture exhaled by the test person guaranteed.
  • composition of the ambient air in which the test person is located and to be able to determine any contamination in this ambient air becomes parallel to the glass vial filled with the subject's exhaled breath a second vial that did not come into contact with the breath of the test person is closed in the vicinity of the subject (comparison vial).
  • the test person's exhaled air can last several days in the sealed glass vials can be kept without loss of quality. This can serve, for example, the Transport samples from the treating doctor to the evaluation laboratory. That kind of Sampling is also known as the offline method.
  • the sampling points the advantage of being simple, even by untrained personnel can be carried out.
  • Sampling can also be used to determine the condition of natural products done offline or online. For example, offline sampling a glass vial that spends some time with the gas phase immediately above that to be examined Product has been in contact.
  • the samples are first for example mounted on an autosampler.
  • This can be a modified one, for example CNC system of the type "step-4 milling machine basic 540", which is modified in this way was that they have 70 samples, each consisting of 70 sample and comparison vials, fully automatically is sampling.
  • the sample is preferably placed on a prior to being fed to the mass spectrometer higher temperature than room temperature, more preferably 65 ° C, heated.
  • the gas passes through a hot capillary that is at a higher temperature than the autosampler has to the gas inlet system, which in turn is a higher temperature than the capillary has.
  • the amount of gas passing through the capillary is a maximum of about 5 ml / min.
  • the gas injection system of the mass spectrometer is designed to compensate for pressure and viscosity fluctuations, so that in the analyzer of the mass spectrometer always the same particle density is injected.
  • Mass spectrometers are used to analyze the gaseous sample mixtures, in which an ion beam acts on the sample molecules in a high vacuum. With this type of mass spectrometer, no calibration is necessary to obtain quantitative concentration values for the individual masses detected. The concentrations are therefore given directly in absolute terms.
  • the mass spectrometer according to the invention also allows linear detection of the concentrations of the masses in the concentration range from 10 -7 vol% (ppb) up to 10 2 vol%, ie to a range of 10 9 . This means that the quantities of the determined masses are obtained directly from the measurement.
  • the components of the gaseous mixture are measured accordingly in the mass spectrometer their molecular mass is detected.
  • the sample gas is in a High vacuum chamber introduced and converted into ions, which subsequently accordingly their mass are selected by electromagnetic fields and in be counted using 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 up to 10 -7 vol%. Furthermore, very few compounds are fragmented by the mercury ion beam.
  • the mass spectrometer uses 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 together with a krypton ion beam are further preferred 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 is carried out so that the concentrations all masses up to a molecular weight after ionization of 500, preferably 200, can be 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 * protonated water, pyridine, pentane, cyclopentane, Methyl ethyl ketone, propionic acid, butyric acid, methyl mercaptan, ethylene, nitrous oxide, Propane and sulfur dioxide are assigned.
  • the method according to the invention also offers the advantage of chemical compounds of all kinds, ie. for example acids and bases, polar and non-polar Substances that 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 °, a CO 2 content of approximately 2 to 3.5 vol% normally results. 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 2 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 carried out at least five times for a sample or comparison vial repeated (5 cycles) and the mean values from these cycles were formed.
  • One cycle takes about a minute to measure 200 masses.
  • the sample vial is first used and then the comparison vial certainly.
  • the mean values are obtained from the results of the measurement cycles educated.
  • the determination of the comparison vial shows that contamination of the ambient air of the subject, 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 because the difference from same contaminations gives zero and results from that Breathing air and contamination exist, correspond to the actually exhaled value.
  • the data are evaluated in such a way that the measured quantitative values for the components, either by mass or by chemical nature after are determined, compared with the normal values of the respective component become. This can result in deviations in the content of components in the exhaled air of the respective test person from the normal state. values then outside the normal range of the respective component Allow conclusions to be drawn about the subject's state of health.
  • the normal values can be measured, for example, by series measurements on a large number of subjects to determine the normal state of human breathing air be preserved.
  • the normal values can also be found in the literature, as far as these are known.
  • the normal values generally include a certain one Area.
  • 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 temporally offset measurements of a subject's breathing air can be compared with one another.
  • the value determined after the standardization is further preferred by the value for human subjects known maximum value divided. This results in each case Values for the individual components between 0 to 1. This makes the evaluation further simplified and clearer for the evaluating specialist staff (doctors).
  • Correlations established to capture certain clinical pictures. For example the ethanol / propanal ratio can be determined, so statements to enable a possible hepatitis infection.
  • a particular advantage of the method when determining all components in a certain mass range is that an overall overview of the most varied clinical pictures and metabolic processes is obtained. 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 about build-up processes (anabolisms) as well as about breakdown processes (catabolisms) act.
  • the inventive method has the additional advantage that it can also be carried out by untrained personnel, resulting in cost savings leads.
  • 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 is preferably made of fused silica is 250 microns inside diameter and a quarter inch Teflon tube is placed. There is also a in the Teflon tube Heating wire.
  • the capillary (3) has a cannula (2) for taking samples from a sample vial (1) connected.
  • the various components up to the pinhole (5) each have a higher temperature in the direction of the gas flow. preferably, the sample vial (1) to 65 ° C, the cannula (2) to 85 ° C and the Gas transfer capillary (3) heated to 100 ° C.
  • the small diameter the capillary also allows the smallest gas quantities from the sample vial can be removed.
  • the gas inlet system has the advantage that it the gaseous mixtures to be analyzed is inert towards and therefore none Has memory effects. Therefore, it is not necessary to rinse the System necessary.
  • the gas flow through the capillary (3) is preferably limited to a maximum of 5 ml / min. In the area in front of the pinhole there is a pressure of about 700 mbar, if atmospheric pressure prevailed in the sample vial before sampling.
  • the cannula (2) is changed from a robot to the desired sample vial controlled.
  • gas switching valves (4) in the area in front of the pinhole (5) the zero gas and calibration gases, preferably up to a maximum pressure of 1.5 bar can be added. However, the total gas flow must be greater than that Be back diffusion.
  • the Pump (9) which is preferably a two-stage, oil-free vacuum pump with 0.2 to 200 mbar is its own pressure, a pressure of about 20 mbar is generated.
  • the cannula (2) when the cannula (2) is inserted into the sample vial (1), it is at approximately atmospheric pressure there is the gaseous mixture to be analyzed in the direction of the Negative pressure through the gas transfer capillary (3) to the pinhole (5), whereby in the intermediate vacuum chamber (24) behind the pinhole (5) a first molecular beam (6) is generated. In the area in front of the further capillary (10), which is also made of fused silica, this jet (6) has laminar flow.
  • the pressure of about 20 mbar is a Proportional control valve (8), the secondary air or inert gases flow into this room can be kept exactly at a constant value.
  • the control of the proportional control valve (8) is preferably carried out via a capacitive absolute pressure sensor (7), the pressure within the intermediate vacuum chamber (24) is accurate and independent of the composition of the gas. This ensures that Pressure fluctuations of the sample molecular beam (6), as in the repeated Measurements from the same sample vial occur, can be compensated and no changes in the viscosity of the sample molecular flow in the capillary (10) occur. Thus, a sample molecule flow of into the further capillary (10) constant particle density.
  • one end of the capillary (10) which has a preferred inside diameter of 250 Has micrometers and heated to a temperature above 100 ° C, preferably 220 ° C is.
  • the heating of the capillary (10) causes the desorption times be kept as low 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 -7 mbar, is generated by, for example, a turbomolecular pump (23).
  • the capillary end is located just before an open slot in the octopole guide field (16) in the charge exchange chamber (17). Due to the pressure gradient in the capillary (10), the sample molecular beam (6) passes through the capillary (10) into the charge exchange area (17) of the high vacuum chamber (22), at the end of the capillary (10) it receives a second molecular beam ( 11) forms.
  • the primary ion beam (12) for ionizing the molecular beam (11) is formed that from one of the gas reservoirs (13) of mercury, krypton and xenon Gas removed with reduced pressure and to the electron impact source (14), the hot tungsten filament, Includes anode and pull-out screen, is performed.
  • the resulting primary ion beam (12) is through a first octopole guidance field (15) performed. Only high molecular weights (primary ions) guided and suppressed the masses of impurities in the gas reservoirs (13), 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).
  • a sample molecule ion beam (18) is generated in individual burst processes at a pressure of on average 10 -4 mbar, the sample molecules then being 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 coupled out 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 .
  • sample vial was then each crimped using crimping pliers locked. This closing took place after about five seconds at the latest after the subject exhaled into the vial.
  • a second vial (comparison vial) was placed in the area the subject closed without the atmosphere in the comparison vial had come into contact with the subject's exhaled air.
  • Sample and comparison vials were each placed in an autosampler and there Pre-thermostatted to 65 ° C for at least 10 min.
  • the samples were tested first and then the comparison vial of the test persons using the embodiment described above the device according to the invention.
  • the measurement of each Vials took place in at least six cycles, i.e. the content of each vial was determined at least six times. From the at least obtained for the respective mass six values were then averaged.
  • 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 2 .
  • Lines 1 to 9 show the values for subjects 1 to 9. In The respective values for the masses are shown in the columns. Where an assignment chemical compounds could be made, this is instead of the mass Connection specified.
  • This example shows that the condition of a subject with a serious health disorder against which other subjects can be determined.

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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 mittels eines Massenspektrometers, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum einwirkt, bestimmt werden. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Mischung mit jeweils einer oder mehrerer Haupt- und Nebenkomponenten, wobei jeweils mindestens eine Haupt- und eine Nebenkomponente mittels eines Massenspektrometers, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum einwirkt, bestimmt werden, sowie eine Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Mischung, die ein Massenspektrometer mit einem Gaseinleitungssystem umfaßt, worin aus der zu analysierenden Probe der gasförmigen Mischung ein Molekularstrahl in einem Vorvakuum erzeugt wird, aus dem dann mittels eines Druckgradienten in einer Kapillare ein zweiter Molekularstrahl im Hochvakuum erzeugt wird, welcher von einem Ionenstrahl ionisiert wird, wobei der Druck des Zwischenvakuums konstant gehalten wird.

Description

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 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 oder 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 einwirkt.
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 einwirkt, 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 einwirkt, 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.
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 erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung mittels eines Massenspektrometers umfaßt, bei dem auf die Probe der gasförmigen Mischung ein Ionenstrahl im Hochvakuum einwirkt, 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 Zustands des Organismus oder Naturprodukts festgestellt werden.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die zu analysierende gasförmige Mischung aus 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 besteht die zu analysierende gasförmige Mischung aus jeweils mindestens einer Hauptkomponente im Konzentrationsbereich von ≥ 0,1 Vol%, vorzugsweise ≥ 1 Vol%, und mindestens einer Nebenkomponente im Konzentrationsbereich von ≤ 0,1 Vol%, vorzugsweise ≤ 0.03 Vol%, wobei die Konzentration von jeweils mindestens einer der Haupt- und Nebenkomponenten bestimmt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Konzentration von wenigstens einer der Haupt- und einer der Nebenkomponenten quantitativ bestimmt. Weiter bevorzugt wird die Konzentration von wenigstens einer der Haupt- und einer Vielzahl der Nebenkomponenten quantitativ 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.
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 Probenmoleküle 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 Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, wenigstens zwei Ionenstrahlen mit verschiedenem Ionisationspotential.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle 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 Probenmoleküle im Hochvakuum ein.
Bevorzugterweise werden mit dem vorliegenden Verfahren Stoffe mit einem Ionisierungspotential < 17 eV bestimmt.
Weiter bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nur Stoffe bestimmt, die bei Raumtemperatur einen Dampfdruck von mindestens 10-3 mbar aufweisen.
Bevorzugterweise erfolgt die Auswertung der erhaltenen Werte so, daß die Konzentration der Nebenkomponenten auf die Konzentration von mindestens einer der Hauptkomponenten bezogen wird.
Die vorliegende Erfindung stellt des weiteren ein zweites Verfahren zur Analyse 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 einwirkt.
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, welcher von einem Ionenstrahl ionisiert wird, 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, wenigstens zwei Ionenstrahlen mit verschiedenem Ionisationspotential.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle 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 Probenmoleküle im Hochvakuum einwirkt, einen Hg-Ionenstrahl.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt der Ionenstrahl, der auf die Probenmoleküle 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 Probenmoleküle im Hochvakuum ein.
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/l 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 Ethanolgehalt in der Ausatemluft etwa um einen Faktor 10 erhöht.
Der Pentanspiegel in der Ausatemluft ist ein Maß für Veränderungen der Lipidaseaktivität 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 Gastrointestinalen 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 - Rachen- oder 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 diabeticum, 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 (Proteus) 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 erfindungsgemäße 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 Provokationstests, 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. Sci. 15 (1977) 239 - 244, in dem Diagnosemöglichkeiten durch die Analyse von menschlicher Ausatemluft beschrieben werden. Auf den Offenbarungsgehalt dieses Artikels wird hiermit Bezug genommen.
Im folgenden werden die erfindungsgemäßen Verfahren und die Vorrichtung im Detail 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 Autosamplers 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 (Vergleichsvial).
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 Autosampler 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 Autosampler 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, Kohlenmonoxid, 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, Formaldehyd*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, dh. 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° 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 CO2-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 Ausatemluft daher eine niedrigere Konzentration als in der Umgebungsluft aufweisen. Bei solchen Kontaminationen 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 Normalwerten 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 Gasflusses 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 Konzentrationserhöhung 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 10-7 mbar erzeugt wird. Dabei befindet sich das Kapillarende knapp vor einem offenen Schlitz des Octopolführungsfelds (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 Wolframfilament, Anode und Ziehblende umfaßt, geführt wird.
Der dabei entstehende Primärionenstrahl (12) wird durch ein erstes Octopolführungsfeld (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 Probenmolekül-Ionenstrahl (18) erzeugt, wobei die Probenmoleküle dann im Quadrupol-Analysator (19) entsprechend ihres Masse/Ladungsverhältnisses getrennt werden. Die Probenmolekülionen werden dann im Ionendetektor (20) zu elektronisch 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 Autosampler 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 CO2 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 (8)

  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 einwirkt, 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 Konzentration einer oder mehrerer der Substanzen quantitativ bestimmt wird.
  5. Verfahren zur Analyse einer gasförmigen Mischung mit jeweils einer oder mehrerer Haupt- und Nebenkomponenten, wobei 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 einwirkt.
  6. Verfahren nach Anspruch 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 5 oder 6, wobei zur Auswertung der durch das Massenspektrometer erhaltenen Daten eine Korrelation zwischen mindestens einer Hauptkomponente und den Nebenkomponenten hergestellt wird.
  8. Vorrichtung zur Analyse einer gasförmigen Mischung, 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, welcher von einem Ionenstrahl ionisiert wird, wobei der Druck des Zwischenvakuums konstant gehalten wird.
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