WO2007045224A2 - Analyse von stoffgemischen - Google Patents

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    • G01N30/8658—Optimising operation parameters

Definitions

  • the present invention relates to a method for the analysis of mixtures of substances, in particular complex chemical and / or biochemical mixtures, wherein a substance mixture to be analyzed is supplied to a separation device, by chemically and / or physically effected transport, the substances of the substance to be analyzed mixture are separated from each other by the separator and the separated substances are detected by an evaluation device.
  • the present invention relates to methods and apparatus for generating pulsed mixtures, in particular complex chemical and / or biochemical mixtures, preferably for use with an inventive analysis of mixtures, in particular complex chemical and / or biochemical mixtures.
  • Proteins, peptides and / or the like biochemically relevant, for example, in a so-called genome, proteome, metabolome, and / or transcriptional analysis compounds to be analyzed, in particular chromatographic or electrophoretic separation methods and / or devices are used, the analyzed Mixtures are analyzed sequentially and / or in parallel.
  • the separation devices are also coupled or connected for analysis usually with an evaluation device for detecting or detecting the separated substances of the mixture.
  • an evaluation device for detecting or detecting the separated substances of the mixture.
  • spectroscopic and / or spectrometric detection techniques are used on the part of the evaluation devices or detectors, in particular spectroscopic detectors in connection with genome, proteome, metabolome and / or transcriptome analyzes, for example in nuclear magnetic resonance (NMR) or infrared spectroscopy (IR) , and mass spectrometric (MS) detectors are used.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • IR infrared spectroscopy
  • MS mass spectrometric
  • the hitherto known methods and devices for the analysis of substance mixtures have various disadvantages.
  • the previously known, in particular high-resolution spectroscopic and / or spectrometric techniques using methods and devices due to large analysis periods and low detection sensitivities or poor signal-to-noise ratios (SNRs) of the Use of upcoming evaluation facilities limited.
  • SNRs signal-to-noise ratios
  • an analysis of very small amounts of substance is not possible in the detection of the entire spectroscopic or spectrometric range of a substance mixture to be analyzed.
  • the throughput of mixtures to be analyzed is severely limited, in particular due to the previously required large analysis periods.
  • the qualitative and quantitative analysis of the starting materials and products of a 7-by-7 parallel reactor requires about 24.5 hours with an analysis time of about 30 minutes.
  • the object of the present invention is to improve the analysis of substance mixtures while avoiding the described disadvantages, in particular with regard to analysis duration, throughput and resolution.
  • a method for the analysis of mixtures in particular complex chemical and / or biochemical mixtures, wherein a substance to be analyzed mixture is fed to a separator, by chemically and / or physically effected transport the substances of the substance mixture to be analyzed by the Separator are separated from each other and the separated substances are detected by an evaluation, proposed, in which the substance mixture to be analyzed is supplied to the separator in pulses of a unique binary sequence.
  • the invention is based on the finding that by using a mixture of substances to be analyzed with pulses of a unique binary sequence, that is, an arbitrary sequence of zeros ("0") and ones ("1"), one with an identifier, in particular after Type of bar code, provided substance mixture to be analyzed, so that simultaneously different mixtures - virtually in the manner of a multiplexing method, similar to US 2004/0144918 A1 for applications in spectroscopy (FT-NMR, FT-IR) and mass spectrometry (FT-ICR-MS and HT-TOF-MS) - can be fed to the analysis, which in particular the analysis time, the substance mixture throughput to be analyzed and the resolution improve the analyzed substances.
  • FT-NMR, FT-IR spectroscopy
  • FT-ICR-MS and HT-TOF-MS mass spectrometry
  • the pulses of the substance mixture to be analyzed are supplied separated in time and space from one another to the separating device.
  • the unique binary sequence is generated with a binary random number generator.
  • the unique binary sequence is formed from a sequence which is subdivided with a repeating sequence and generated with a binary random number generator.
  • the unique binary sequence consists of 2 n elements, with 0 ⁇ n ⁇ (at least theoretically), preferably with 5 ⁇ n ⁇ 128, particularly preferably with 7 ⁇ n ⁇ 14.
  • the invention makes up the To realize that n analyzes can be performed in the same time as a conventional analysis. As a result, the signal-to-noise ratio (SNR) can be improved in a range of J-> SNR ⁇ -.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • Signal-to-noise ratio is accordingly ⁇ %.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • a further embodiment of the invention is characterized by a modulation interval with a sequence or pulse interval duration ( ⁇ t) in a range from about 0.25 s to about 120 s, preferably in a range from about 1 s to about 20 s.
  • ⁇ t sequence or pulse interval duration
  • a further advantageous embodiment of The invention provides a pulse duration ( ⁇ t Mr ) in a range of about 1 ms to about 1 s, preferably in a range of about 1 ms to about 10 ms.
  • highly precise pulsed sequences of the substance mixture to be analyzed can be produced, which in particular lead to a further improvement in throughput and resolution.
  • the substance detection of the evaluation device is synchronized with the substance mixture supply.
  • the evaluation device is operated with a detection duration that corresponds to the pulse interval duration ( ⁇ t) or an integral fraction of the pulse interval duration ( ⁇ t).
  • detectors can advantageously be used by the evaluation device for detecting the substances of the substance mixture to be analyzed, which are operated in comparison with the pulse interval duration ( ⁇ t) with lower acquisition times, that is, in particular slower. According to the invention, it is thus advantageously possible to detect substances of the substance mixture to be analyzed in the entire detection range of the detector of the evaluation device.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the substances detected by the evaluation device are mathematically deconvoluted with the unique binary sequence of the pulses of the substance mixture to be analyzed, preferably by a two-dimensional mathematical deconvolution.
  • the substances detected by the evaluation device are subjected to a Hadamard transformation with the unique binary sequence, the concentration distributions of the substances detected by the evaluation device are determined from the result of the Hadamard transformation, and the concentrations of the individual detected by the evaluation device Substances are determined, preferably by dissolving one of the concentration distributions, the concentrations of the individual substances detected by the evaluation device and the linear equation system formed by the evaluation device according to the concentrations of the individual detected by the evaluation device Substances.
  • the respective spectra of the substances of the substance mixture can advantageously be determined for identification and quantification as a function of their respective retention time, advantageously providing an improved signal-to-analysis method compared to previously known, in particular continuously operated analysis methods.
  • Noise ratio (SNR) and an improved detection limit is achieved.
  • the Hadamard transformation (HT) advantageously enables a multiplexing of the substance mixture to be analyzed, which can advantageously be coded for up to three discrete states ("-1", "0", “+1")
  • a simplex matrix derived therefrom which encodes only two discrete states (“0", "1") and can be converted from the latter by simple transformation Hadamard matrix can be obtained as follows:
  • the separation device uses chromatographic and / or electrophoretic separation methods and is preferably a gas chromatograph or a supercritical liquid chromatograph.
  • the evaluation device comprises at least one detector and / or at least one spectroscopic and / or spectrometric detector.
  • At least one substance mixture is continuously fed to at least one channel via at least one capillary line, the substance mixture is vaporized in at least one deactivated glass tube arranged in the at least one channel, the at least one channel is acted upon by a gas flow via a switchable pressure valve and injected with the gas flow vaporized substance mixture from the at least one channel in a needle.
  • the switchable pressure valve is switched with pulses of a unique binary sequence.
  • switching times of the switchable pressure valve are provided in a range from about 1 ms to about 1 s, preferably in a range from about 1 ms to about 10 ms.
  • a further embodiment of the invention provides for an admission of the vaporized substance mixture with a gas flow of a gas and / or a gas mixture which changes the composition of the vaporized mixture, particularly preferably with an inert gas and / or inert gas mixture.
  • the at least one channel and / or the needle is flushed by being exposed to the gas flow, preferably controlled by the switchable pressure valve of the channel.
  • An embodiment of the invention with at least two channels injecting into the needle provides that the respective switchable pressure valves of the channels are controlled synchronously and / or separately from one another.
  • the evaporation of the mixture is controlled, preferably by controlling the temperature of a heater for evaporation of the mixture.
  • the pressure of the gas flow is controlled.
  • a device for generating pulsed substance mixtures, in particular complex chemical and / or biochemical substance mixtures, which is characterized by at least one channel with at least one capillary line for supplying at least one substance mixture into the channel, with at least one deactivated glass tube arranged in the channel Evaporation of the at least one mixture supplied to the channel in the channel with a heater and with a switchable pressure valve for connection of the channel to a gas supply for acting on the at least one vaporized mixture with a gas flow, and one to the at least one channel fluidly subsequent output for connection of a Gas discharge, preferably an injection needle.
  • the inflow direction of the gas flow for the admission of the at least one vaporized substance mixture is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the channel.
  • the gas supply line can be connected via the switchable pressure valve approximately centrally of the longitudinal extension direction of the channel to the channel.
  • a further embodiment of the invention provides that the heating device is arranged at least in the region of the inactivated glass tube arranged in the channel, wherein the heating device is preferably designed in the form of an exchangeable heating cartridge.
  • the embodiment of the invention thus allows in particular a simple and quick replacement of the heater.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides for the use of at least one sensor element for detecting the temperature of the heating device and / or the evaporation, wherein the detected temperature is preferably usable for controlling the heating device.
  • the pressure valve of the device according to the invention with switching times in a range of about 1 ms to about 1 s, preferably in a range of about 1 ms to about 10 ms, switchable.
  • the at least one capillary of the device according to the invention is advantageously made of metal, glass and / or fused silica glass.
  • the device according to the invention is advantageously made of metal and / or a metallic alloy, preferably in one piece.
  • the method according to the invention and the device according to the invention for generating pulsed substance mixtures, in particular complex chemical and / or biochemical substance mixtures are used with an analysis method according to the invention, wherein the substance mixture to be analyzed is supplied via the needle to the separation device or can be supplied.
  • a continuous substance mixture stream one after the other by at least two separate chambers, wherein in the first chamber, a focus of the substance mixture flow and in the second chamber, a modulation of the focused substance mixture flow with pulses of a unique binary sequence.
  • the focus of the substance mixture stream and / or the modulation of the focused substance mixture stream by means of a cold and hot gas stream the mixture of substances is first frozen out and then released by rapid heating again.
  • the chambers each have at least one cold gas jet nozzle and at least one hot gas jet nozzle, the nozzle openings of which allow a substantially perpendicular to the flow direction of the substance mixture flow through the respective chamber enabling KaIt- or warm gas flow.
  • the nozzle openings of the at least one cold gas jet nozzle and the at least one hot gas jet nozzle of the respective chambers enable a flow which is substantially perpendicular to one another.
  • the cold and / or Warmgasjetdüsen the respective chambers are advantageously operated with gas flows of up to 40 l / min.
  • a further embodiment of the invention provides that at least the nozzles of the chamber enabling a modulation of the focused substance mixture flow are actuated with switching times in a range from about 1 ms to about 1 s, preferably in a range from about 1 ms to about 10 ms.
  • the nozzles of the at least two chambers are separated and controlled independently.
  • the nozzles of the at least two chambers are controlled synchronized, preferably driven with different sequences.
  • a further embodiment of the invention provides for changes in the composition of the vaporized substance mixture excluding Gas flow of a gas and / or a gas mixture for the KaIt- and / or hot gas stream before, particularly preferably realized by using an inert gas and / or inert gas mixture.
  • the pressure of the respective gas flow is controlled.
  • a device for generating pulsed substance mixtures, in particular complex chemical and / or biochemical substance mixtures, a device is further proposed, which is characterized by at least two mutually separate, each having an input and an output having chambers for guiding a continuous substance mixture flow through the respective chamber the chambers are arranged one after the other in the direction of flow of the substance mixture flow through the chambers and wherein the chambers each have at least one cold gas jet nozzle and at least one hot gas jet nozzle, the nozzle openings of which allow a cold or warm gas flow which permits the flow of substance mixture through the respective chamber to be substantially perpendicular.
  • the nozzle openings of the at least one cold gas jet nozzle and the at least one hot gas jet nozzle of the respective chambers are designed to allow a substantially mutually perpendicular flow.
  • the cold and / or Warmgasjetdüsen the respective chambers with gas flows of up to 40 l / min are operable.
  • the first chamber formed in the flow direction of the substance mixture flow is designed to enable focusing of the substance mixture flow and the second chamber in the flow direction of the substance mixture flow is to enable a modulation of the focused substance mixture flow with pulses of a unique binary sequence.
  • At least the nozzles of the modulation of the focused substance mixture flow enabling chamber with switching times in a range of about 1 ms to about 1 s, preferably in a range of about 1 ms to about 10 ms, controllable.
  • the further method according to the invention and the further apparatus according to the invention for generating pulsed substance mixtures, in particular complex chemical and / or biochemical substance mixtures are used with an analysis method according to the invention wherein the substance mixture to be analyzed is supplied via the output of the second chamber of the separation device or can be fed.
  • FIG. 2 in a schematic diagram of another
  • Fig. 3 is a schematic representation of the structure of a
  • Fig. 4a to 4c is a schematic side, front and sectional view of the device of Fig. 3;
  • Fig. 5 is a schematic representation of the structure of another
  • Embodiment of an inventive device for generating pulsed mixtures of substances 6a to 6c show a schematic side, front and sectional view of the device according to Fig. 5;
  • FIG. 7 in a schematic representation of the structure of another
  • FIG. 8 is a graph showing measured injection stability of a unique binary sequence of a pulsed substance like 127 pulses
  • FIG. 9 is an enlarged detail of the diagram of FIG. 8th
  • FIG. 10 is a graph showing measured injection stability of a unique binary sequence of a 2048 pulse pulsed composition
  • FIG. 11 shows a schematic representation of injection sections of substance mixtures to be analyzed within a unique binary sequence
  • FIG. 1 and FIG. 2 each show, in a schematic basic representation, an exemplary embodiment of the basic structure of an arrangement for carrying out an analysis according to the invention of substance mixtures, in particular complex chemical and / or biochemical substance mixtures.
  • This is a coming from a chemical reactor to be analyzed Mixture fed as a continuous stream of a device (injector) for generating pulsed mixtures.
  • a device injector
  • Exemplary embodiments of corresponding devices for generating pulsed substance mixtures are shown in FIGS. 3 to 7 and are explained in more detail below in connection with these.
  • the continuous mixture mixture stream of the substance mixture to be analyzed is supplied in the embodiment according to FIG. 1 from a chemical reactor.
  • the mixed substance pulses generated by the pulsed substance generating device are then applied to the fused-silica (fs-column) column of a separator gas chromatograph (GC).
  • GC separator gas chromatograph
  • the substances of the substance mixture to be analyzed are separated from each other.
  • the separated substances are then detected by an evaluation device.
  • the evaluation device is formed in the embodiment shown in FIG. 1 by a detector of the gas chromatograph. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2, the evaluation device is a spectrometer coupled to the gas chromatograph (GC).
  • a control device of the gas chromatograph (GC)
  • a data acquisition device and one used by the device (injector) for generating mixed substance pulses as a modulator, connected to an amplifier means (modulation sequence) to produce a unique binary sequence of the substance mixture pulses
  • a computing device connected to the components (computer).
  • a precise control of the injection of the substance mixture (analytes) into the chromatographic separation system is required.
  • this control comprises a precise and defined time control of the time interval between successive injections of the pulsed substance mixture into the separation device (gas chromatographs) and the duration of injection within such a time interval.
  • a precise and defined control of the quantity of the substance mixture (sample quantity) is required.
  • the valve circuits used hitherto in the state of the art for generating pulsed substance mixtures, for example in the field of gas and liquid chromatography or capillary electrophoresis are slow and the control of the sample volume is inflexible, in particular by sample grinding.
  • pressure pulses occur due to a valve circuit coupled directly to the chromatographic system, which leads to so-called system peaks in the chromatogram, since no continuous flow occurs in the chromatographic system.
  • the device (injector cf-SSL-MP injector) used in FIGS. 1 and 2 for generating pulsed substance mixtures is preferably for gas chromatography (GC) (see FIGS. 1 and 2) by simple assembly an existing split / splitless injector of the gas chromatograph can be connected.
  • GC gas chromatography
  • SFC supercritical liquid chromatography
  • FIG. 3 and FIG. 4 a to 4 c and FIG. 5 and FIG. 6 a to 6 c each show an exemplary embodiment of a device according to the invention (injector, cf-SSL-MP injector) for generating pulsed substance mixtures.
  • injector cf-SSL-MP injector
  • FIGS. 3 and 4 a to 4 c a substance mixture to be analyzed can be injected into a separating device.
  • the embodiment according to FIG. 5 and FIGS. 6 a to 6 c permits a switched injection of up to seven substance mixtures.
  • the devices each consist of a heatable metal block (sample block), with holes for the respective injection channels - in the embodiment of FIG. 3 and Fig. 4a to 4c an injection channel and in the embodiment according to FIG. 5 and FIGS. 6a to 6c seven injection channels (sample channels) -. is provided.
  • the injection channels take capillary lines of the respective substance mixture to be analyzed, ie the respective sample source, preferably from a parallelized reactor, multi-well plates or similar source.
  • the sample block has heating devices and thermocouples for exact temperature control.
  • Each injection channel (sample channel) has a gas supply line that can be controlled with a fast pressure valve with switching times in the millisecond range.
  • this gas supply line can also be used as flushing line of the respective sample channel.
  • the flushing can also be controlled with the controllable or switchable pressure valve.
  • the analyte mixture is injected into a needle which is introduced into the existing split / splittless injector of the separating device, in FIGS. 1 and 2 of the gas chromatograph, and is heated there by the injector.
  • the respective configuration of the devices for generating pulsed substance mixtures according to FIG. 3 and FIG. 4 a to 4 c or FIG. 5 and FIGS. 6 a to 6 c ie with an injection channel (sample channel) in the embodiment of FIG. 3 and FIG 4c or with seven injection channels (sample channels) in the embodiment according to FIG. 5 and FIGS. 6a to 6c, moreover permits the possibility of flushing of the injection needle by a carrier gas flow, present in the range of ml / min, of the separating device (gas chromatograph). This achieves a permanent flushing and avoids contamination of the different substance mixtures (analyte mixtures) to be analyzed by means of multiplexing.
  • such additional grit flow is adjustable at the respective injection valves (backwashing) and / or at a split output integrated in the heating block.
  • the total chippings flow results from the sum of the respective flows at the valves.
  • the volume between the injection needle and the evaporation space of the respective capillaries is advantageously minimized in such an arrangement, in particular in order to avoid dead volumes.
  • the pressure surge outside the Injector of the separator takes place and is intercepted by the pressure control of the separator (gas chromatograph) or the split system, occur advantageously no pressure fluctuations in the separation by the device (cf-SSL-MP injector).
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a device for producing pulsed substance mixtures.
  • the continuous stream of a substance mixture to be analyzed directly on the separation column of a separation device present, as shown in Fig. 1 and Fig. 2 of the gas chromatograph, by a double-focusing
  • Low-temperature modulator modulated The illustrated in Fig. 7 in the basic structure allows in particular an inventive for two-dimensional separation techniques usable coding of the substance mixture to be analyzed.
  • the column temperature modulator has two separate modulation chambers. The first chamber reaches the focusing of the substance mixture (analyte) to be analyzed, in the second chamber the modulation of the substance mixture (analyte) to be analyzed takes place in accordance with a binary pseudorandom sequence, which is calculated by the computing device (computer) shown in FIG. 1 and FIG / or a separate device for generating a corresponding modulation sequence is generated.
  • the substance mixture (analyte) to be analyzed on the column is first frozen out by means of cold air, then released again by rapid heating by means of hot air.
  • the jet nozzles of the device (Säulentieftemperaturmodulator) are separated and controlled independently. Although the two chambers are synchronized, but are controlled with different sequences. The control is advantageously carried out so that no "divergence" of the analyte can be done on the column.
  • Figures 8 and 10 each show a plot of measured injection stability of a unique binary sequence of a pulsed mixture over time.
  • FIG. 9 shows an enlarged detail of the diagram according to FIG. 8. The stability of the peak areas of three different substance mixtures (analytes) can be clearly recognized on the basis of FIG. Fig.
  • the pulse duration can be selected short compared to the injection interval, a multiple injection within an injection interval is advantageously possible (oversampling), as a result of which the throughput of substance mixtures to be analyzed (sample throughput) can be increased further.
  • mixtures of substances (analyte samples) to be analyzed are coded with a unique binary sequence.
  • the respective injection sections for the respective analyte samples may be of different lengths in order to ensure an equivalent information content.
  • 11 shows a schematic representation of corresponding injection sections for samples A1 to A13 within a binary pseudorandom sequence.
  • the injection sequence consists of the same number of elements 0 and 1 or the number can differ by 1 (2 n -1).
  • the injection sections of the samples A1 to A13 shown by way of example in FIG. 11 can also be subdivided into calibration and measuring ranges in order to enable continuous quantification with internal standardization.
  • An element 1 in the binary pseudorandom sequence represents an injection in the form of an injection shock. For an element 0, no injection takes place.
  • the respective elements can additionally be subdivided into submodulation sequences, which are constructed identically for all elements, advantageously in order to enable or guarantee multiple injections (oversampling).
  • Each substance mixture (sample) to be analyzed is advantageously injected several times in succession during the analysis in order to allow a quantification of the respective components.
  • the minimum number of injections required for unambiguous identification and quantification of the individual analytes in a mixture can be determined with the following characteristic variables:
  • N 2 ⁇ -1
  • a high-resolution analysis can be realized in particular in connection with the arrangement for the analysis of substance mixtures shown in FIG. 2.
  • a substance mixture to be analyzed (analyte sample) is coded with a unique binary sequence.
  • the coding of the analyte sample is performed by the injection device of FIG. 3 and FIGS. 4a-4c) or cryogenic modulation (device of FIG.
  • the injection sequence consists of the same number of elements 0 and 1 or the number can differ by 1 (2 n -1).
  • element 1 a sample is injected or released through the hot air jet.
  • element 0 there is no injection or freezing by the cold air jet.
  • the injection intervals are calculated according to the required time for a so-called full scan or one Multiples of the duration of a so-called full scan of the spectrometer selected.
  • the scan (acquisition) of the spectrometer and the injection interval are synchronized with each other.
  • the injection pulse duration or modulation duration in the case of the low-temperature modulator can be chosen to be equal to or shorter than the injection interval or the modulation interval.
  • each injection interval or modulation interval advantageously also several different spectroscopic or spectrometric experiments can be performed.
  • a bulk full scan and MS / MS or MS ⁇ experiments are performed for unambiguous identification and quantification.
  • FIG. 12 shows a diagram of the temporal gradual change in concentration of a substance mixture (analyte) to be analyzed as an overall chromatogram recorded by the evaluation device.
  • the corresponding data of the overall chromatogram are provided by the evaluation device and / or by a data acquisition device connected thereto (see FIGS.
  • the raw data are used for further evaluation by means of a computing device (computer) of the evaluation device in particular in the context of a deconvolution for further evaluation.
  • the course of an analysis according to the invention of a substance mixture is shown symbolically in FIG.
  • the evaluation of the analysis is carried out using a deconvolution method.
  • the deconvolution method has the following three steps:
  • the number k max of the different analytes in the respective samples i and the respective peak shapes results from the overall chromatogram.
  • a very good resolution of the peaks is achieved with the embodiments of the analysis method according to the invention, so that the method can also be applied to problems with small separation factors, such as occur, for example, in enantiomer separations for determining the enantiomeric excess ee.
  • this overall chromatogram (see Fig. 12) is characterized by deviations in the baseline, which, however, again represents a convolution of the respective analyte concentrations. Therefore, first, a peak shape analysis is performed to obtain the distribution function ⁇ (A k ) of the respective analytes as a function of time. The maximum of each individual analyte peak is normalized to 1.
  • Each line represents the sum of the relative concentrations of the respective analytes in the samples.
  • This procedure can be applied to the crude chromatogram in the circular and non-circular representation.
  • the respective concentration of the analytes results as a concentration vector which, multiplied by the concentration distribution matrix, yields the signal intensities in each time interval of the crude chromatogram.
  • the solution is the concentration of the respective analytes in the samples i.
  • the crude chromatogram is converted by means of iterative adaptation with the concentration vector (by forming the difference or by division) and subsequent Hadamard transformation into an overall chromatogram whose deviations in the baseline through further fine-tuning steps be minimized in the solution of the linear equation system.
  • Fig. 13 shows on the right side the concentration of the analytes of the respective samples in a circular representation.
  • concentrations of the analytes in the individual samples are obtained.
  • concentration data can be further processed with further in absolute concentrations or relative concentrations, preferably by using an internal standardization.
  • the use of a two-dimensional detection and evaluation can be recognized on the basis of the example of an analysis according to the invention of a mixture of substances shown in the diagram according to FIG. 14.
  • the deconvolution method is used to identify the spectra of the substance mixture.
  • the deconvolution method has the following steps:

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wobei ein zu analysierendes Stoffgemisch einer Trenneinrichtung zugeführt wird, durch chemisch und/oder physikalisch bewirkten Transport die Stoffe des zu analysierenden Stoffgemisches seitens der Trenneinrichtung voneinander getrennt werden und die voneinander getrennten Stoffe seitens einer Auswerteeinrichtung erfasst werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, vorzugsweise zur Nutzung mit einer erfindungsgemäßen Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen. Um die Analyse von Stoffgemischen insbesondere hinsichtlich Analysendauer, Durchsatz und Auflösung zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das zu analysierende Stoffgemisch der Trenneinrichtung in Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz zugeführt wird.

Description

Analyse von Stoffgemischen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wobei ein zu analysierendes Stoffgemisch einer Trenneinrichtung zugeführt wird, durch chemisch und/oder physikalisch bewirkten Transport die Stoffe des zu analysierenden Stoffgemisches seitens der Trenneinrichtung voneinander getrennt werden und die voneinander getrennten Stoffe seitens einer Auswerteeinrichtung erfasst werden.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, vorzugsweise zur Nutzung mit einer erfindungsgemäßen Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur qualitativen und/oder quantitativen Analyse, also zur Bestimmung
1 RFSTΔTIfϊl IMΩSKnPIF von Art und/oder Menge der Bestandteile eines Stoffgemisches bekannt, die chemische, physikalische und/oder biochemische Methoden und verschiedene Trenntechniken nutzen.
Zur Identifikation und/oder Quantifizierung von chemischen Verbindungen in komplexen chemischen und/oder biochemischen zu analysierenden Stoffgemischen, insbesondere bei der Analyse komplexer chemischer Stoffgemische aus Hochdurchsatzverfahren, insbesondere aus parallelisierten chemischen Reaktoren oder der Untersuchung kombinatorischer Substanzbibliotheken, und/oder bei der Analyse von natürlichen Stoffen, Proteinen, Peptiden und/oder dergleichen biochemisch relevanten, beispielsweise bei einer sogenannten Genom-, Proteom-, Metabolom-, und/oder Transskriptomanalyse zu analysierenden Verbindungen, kommen insbesondere chromatographische oder elektrophoretische Trennverfahren und/oder -einrichtungen zum Einsatz, wobei die zu analysierenden Stoffgemische sequentiell und/oder parallel analysiert werden.
Die Trenneinrichtungen sind zur Analyse ferner in der Regel mit einer Auswerteeinrichtung zur Erfassung beziehungsweise Detektion der voneinander getrennten Stoffe des Stoffgemischs gekoppelt beziehungsweise verbunden. Seitens der Auswerteeinrichtungen beziehungsweise Detektoren kommen dabei insbesondere spektroskopische und/oder spektrometrische Detektionstechniken zum Einsatz, im Zusammenhang mit Genom-, Proteom-, Metabolom-, und/oder Transskriptomanalysen insbesondere spektroskopische Detektoren, beispielsweise bei der Kernresonanzspektroskopie (NMR) oder der Infrarotspektroskopie (IR), und massenspektrometrische (MS) Detektoren zum Einsatz.
Die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, weisen verschiedene Nachteile auf. So sind die bisher bekannten, insbesondere hochauflösende spektroskopische und/oder spektrometrische Techniken nutzenden Verfahren und Vorrichtungen bedingt durch große Analysendauern sowie geringen Detektionsempfindlichkeiten beziehungsweise schlechten Signal-zu-Rausch-Verhältnissen (SNRs) der zum Einsatz kommenden Auswerteeinrichtungen limitiert. In der Regel ist dabei eine Analyse von sehr geringen Stoffmengen bei der Erfassung des gesamten spektroskopischen oder spektrometrischen Bereichs eines zu analysierenden Stoffgemischs nicht möglich. Darüber hinaus ist der Durchsatz an zu analysierenden Stoffgemischen insbesondere aufgrund der bisher erforderlichen großen Analysedauern stark eingeschränkt. So erfordert beispielsweise die qualitative und quantitative Analyse der Edukte und Produkte eines 7-mal-7-Parallelreaktors etwa 24,5 h bei einer Analysendauer von jeweils etwa 30 min.
Der vorliegenden Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, die Analyse von Stoffgemischen unter Meidung der beschriebenen Nachteile zu verbessern, insbesondere hinsichtlich Analysendauer, Durchsatz und Auflösung.
Zur technischen Lösung wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wobei ein zu analysierendes Stoffgemisch einer Trenneinrichtung zugeführt wird, durch chemisch und/oder physikalisch bewirkten Transport die Stoffe des zu analysierenden Stoffgemisches seitens der Trenneinrichtung voneinander getrennt werden und die voneinander getrennten Stoffe seitens einer Auswerteeinrichtung erfasst werden, vorgeschlagen, bei dem das zu analysierende Stoffgemisch der Trenneinrichtung in Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Nutzung eines zu analysierenden Stoffgemischs mit Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz, also aus einer beliebigen Folge von Nullen („0") und Einsen („1") bestehenden Sequenz, ein mit einer Kennung, insbesondere nach Art eines Strichcodes, versehenes zu analysierende Stoffgemisch gegeben ist, so dass gleichzeitig unterschiedliche Stoffgemische - quasi nach Art eines Multiplexing-Verfahrens, ähnlich der US 2004/0144918 A1 für Anwendungen in der Spektroskopie (FT- NMR, FT-IR) und der Massenspektrometrie (FT-ICR-MS und HT-TOF-MS) - der Analyse zugeführt werden können, wodurch sich insbesondere die Analysendauer, der zu analysierende Stoffgemischdurchsatz und die Auflösung der analysierten Stoffe verbessern lassen. Erfindungsgemäß sind so vorteilhafterweise mehrere Stoffgemischanalysen durchführbar, wodurch insbesondere das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) weiter verbessert wird.
Vorteilhafterweise werden die Pulse des zu analysierenden Stoffgemischs zeitlich und räumlich voneinander getrennt der Trenneinrichtung zugeführt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die eindeutige binäre Sequenz mit einem binären Zufallsgenerator erzeugt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die eindeutige binäre Sequenz aus einer mit einer wiederholenden Sequenz unterteilten, mit einem binären Zufallsgenerator erzeugten Sequenz gebildet. Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird so eine sogenannte Pseudozufallssequenz erzeugt und vorteilhafterweise sichergestellt, dass sich Sequenz der Pulse des zu analysierenden Stoffgemischs nicht wiederholt. Insgesamt wird so die Eindeutigkeit der binären Pulssequenz verbessert.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung besteht die eindeutige binäre Sequenz aus 2n Elementen, mit 0 < n < ∞ (zumindest theoretisch), vorzugsweise mit 5 < n < 128, besonders bevorzugt mit 7 < n < 14. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu nutze, dass n Analysen in derselben Zeit wie eine konventionelle Analyse durchgeführt werden können. Dies hat zur Folge, dass das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessert werden kann in einem Bereich von J- > SNR ≥ — . Die maximal erreichbare Verbesserung des
Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNRs) beträgt dementsprechend ^% . Je länger die verwendeten Pulssequenzen sind, desto größer wird der Vorteil beim Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), der sogenannte Felgett-Vorteil, und dementsprechend verbessert die Auflösung und die Eindeutigkeit der Zuordnung der Signale der von der Auswerteeinheit erfassten Stoffe.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Modulationsintervall mit einer Sequenz- beziehungsweise Pulsintervalldauer (Δt) in einem Bereich von etwa 0,25 s bis etwa 120 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 s bis etwa 20 s. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Pulsdauer (ΔtPuis) in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, vor. Erfindungsgemäß sind so hochpräzise gepulste Sequenzen des zu analysierenden Stoffgemischs erzeugbar, die insbesondere zu einer weiteren Verbesserung des Durchsatzes und der Auflösung führen.
Vorteilhafterweise erfolgt die Stoff erfassung der Auswerteeinrichtung synchronisiert mit der Stoffgemischzuführung. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Auswerteeinrichtung mit einer Erfassungsdauer betrieben, die der Pulsintervalldauer (Δt) oder einem ganzzahligen Bruchteil der Pulsintervalldauer (Δt) entspricht. Dadurch ist vorteilhafterweise ein sogenanntes Oversampling der Pulssequenz realisierbar. Erfindungsgemäß können so vorteilhafterweise seitens der Auswerteeinrichtung zur Erfassung der Stoffe des zu analysierenden Stoffgemisches Detektoren eingesetzt werden, die im Vergleich zu der Pulsintervalldauer (Δt) mit geringeren Erfassungszeiten, das heißt insbesondere langsamer, betrieben werden. Erfindungsgemäß ist so vorteilhafterweise eine Erfassung von Stoffen des zu analysierenden Stoffgemisches im gesamten Detektionsbereich des Detektors der Auswerteeinrichtung ermöglicht.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die seitens der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe mit der eindeutigen binären Sequenz der Pulse des zu analysierenden Stoffgemischs mathematisch dekonvoliert werden, vorzugsweise durch eine zweidimensionale mathematische Dekonvolution. Vorteilhafterweise werden im Rahmen der Dekonvolution die von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe einer Hadamard-Transformation mit der eindeutigen binären Sequenz unterzogen werden, aus dem Ergebnis der Hadamard-Transformation die Konzentrationsverteilungen der von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe bestimmt werden und die Konzentrationen der einzelnen von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe bestimmt werden, vorzugsweise durch Lösung eines von den Konzentrationsverteilungen, den Konzentrationen der einzelnen von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe und der von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe gebildeten linearen Gleichungssystems nach den Konzentrationen der einzelnen von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe. Durch eine zweidimensionale mathematische Dekonvolution mit der bekannten Pulssequenz des zu analysierenden Stoffgemischs sind so vorteilhafterweise die jeweiligen Spektren der Stoffe des Stoffgemischs in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Retentionszeit zur Identifikation und Quantifizierung bestimmbar, wobei vorteilhafterweise gegenüber bisher bekannten, insbesondere kontinuierlich betriebenen Analyseverfahren ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) und eine verbessere Nachweisgrenze erzielt wird.
Die erfindungsgemäße Hadamard-Transformation (HT) ermöglicht vorteilhafterweise ein Multiplexing des zu analysierenden Stoffgemisches mit der vorteilhafterweise bis zu drei diskrete Zustände („-1", „0", „+1") kodiert werden können. Das zu analysierende Stoffgemisch wird dabei als Wellen- oder Teilchenpaket mit der binären Pseudozufallssequenzen (Modulationssequenz) kodiert. Anstelle der Hadamard-Matrix kann vorteilhafterweise eine daraus abgeleitete Simplex-Matrix verwendet werden, die lediglich zwei diskrete Zustände („0", „1") kodiert und durch einfache Umformung aus der Hadamard- Matrix wie folgt erhalten werden kann:
Figure imgf000007_0001
Die mathematische Dekonvolution erfolgt vorteilhafterweise durch Multiplikation des erhaltenen Signals mit der inversen Hadamard-Matrix beziehungsweise Simplex-Matrix:
/ Rolldaten X S'1 = ! Daten Vorteilhafterweise nutzt die Trenneinrichtung chromatographische und/oder elektrophoretische Trennverfahren und ist vorzugsweise ein Gaschromatograph oder ein überkritischer Flüssigchromatograph.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Auswerteeinrichtung wenigsten einen Detektor und/oder wenigstens einen spektroskopischen und/oder spektrometrischen Detektor.
Zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wird verfahrensgemäß vorgeschlagen, dass wenigstens ein Stoffgemisch über wenigstens eine Kapillarleitung wenigstens einem Kanal kontinuierlich zugeführt wird, das Stoffgemisch in wenigstens einem in dem wenigstens einen Kanal angeordneten desaktivierten Glasrohr verdampft wird, der wenigstens eine Kanal über ein schaltbares Druckventil mit einer Gasströmung beaufschlagt wird und mit der Gasströmung beaufschlagtes verdampftes Stoffgemisch aus dem wenigstens einen Kanal in eine Nadel injiziert wird.
Vorteilhafterweise wird das schaltbare Druckventil mit Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz geschaltet. Erfindungsgemäß sind dabei Schaltzeiten des schaltbaren Druckventils in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, vorgesehen..
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Beaufschlagung des verdampften Stoffgemisches mit einer Veränderungen der Zusammensetzung des verdampften Stoffgemisches ausschließenden Gasströmung eines Gases und/oder eines Gasgemisches vor, besonders bevorzugt mit einem inerten Gas und/oder inerten Gasgemisch.
Vorteilhafterweise wird der wenigstens eine Kanal und/oder die Nadel durch Beaufschlagung mit der Gasströmung gespült, vorzugsweise gesteuert über das schaltbare Druckventil des Kanals. Eine Ausgestaltung der Erfindung mit wenigstens zwei in die Nadel injizierenden Kanälen sieht vor, dass die jeweiligen schaltbaren Druckventile der Kanäle synchron und/oder separat voneinander gesteuert werden.
Vorteilhafterweise wird die Verdampfung des Stoffgemisches gesteuert, vorzugsweise durch Steuerung der Temperatur einer Heizeinrichtung zur Verdampfung des Stoffgemisches. Vorteilhafterweise wird der Druck der Gasströmung gesteuert. Durch diese Maßnahmen, einzeln und/oder in Kombination miteinander, ist insbesondere eine weitere Verbesserung der Präzision der Pulssequenzen und deren definierten Schaltzeiten erzielbar.
Zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist, durch wenigstens einen Kanal mit wenigstens einer Kapillarleitung zur Zuführung wenigstens eines Stoffgemisches in den Kanal, mit wenigstens einem im Kanal angeordneten desaktivierten Glasrohr zur Verdampfung des wenigstens einen dem Kanal zugeführten Stoffgemisches im Kanal mit einer Heizeinrichtung und mit einem schaltbaren Druckventil zum Anschluss des Kanals an eine Gaszuleitung zur Beaufschlagung des wenigstens einen verdampften Stoffgemisches mit einer Gasströmung, und einem sich an den wenigstens einen Kanal strömungstechnisch anschließenden Ausgang zum Anschluss einer Gasableitung, vorzugsweise einer Injektionsnadel.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Einstromrichtung der Gasströmung zur Beaufschlagung des wenigstens einen verdampften Stoffgemisches über das schaltbare Druckventil zur Längserstreckungsrichtung des Kanals einen Winkel in einem Bereich von etwa 0° bis etwa 180° ein. Vorteilhafterweise verläuft die Einstromrichtung der Gasströmung zur Beaufschlagung des wenigstens einen verdampften Stoffgemisches im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Kanals. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gaszuleitung über das schaltbare Druckventil etwa mittig der Längserstreckungsrichtung des Kanals an den Kanal anschließbar ist. Durch die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, einzeln und/oder in Kombination miteinander, ist sicherstellbar, dass Störungen der zu erzeugenden Pulssequenz durch die Beaufschlagung erzeugt werden oder generiert werden. Dadurch ist insbesondere die Präzision der zu erzeugenden Pulssequenz und der einzelnen Pulse verbesserbar.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Heizeinrichtung zumindest im Bereich des im Kanal angeordneten desaktivierten Glasrohrs angeordnet ist, wobei die Heizeinrichtung vorzugsweise in Form einer austauschbar anordbaren Heizkartusche ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt so insbesondere ein einfaches und schnelles Austauschen der Heizeinrichtung. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Nutzung wenigstens eines Sensorikelementes zur Erfassung der Temperatur der Heizeinrichtung und/oder der Verdampfung vor, wobei die erfasste Temperatur vorzugsweise zur Steuerung der Heizeinrichtung nutzbar ist. Dadurch ist insbesondere die Präzision der zu erzeugenden Pulssequenz und der einzelnen Pulse weiter steuerbar und verbesserbar.
Vorteilhafterweise ist das Druckventil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Schaltzeiten in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, schaltbar.
Die wenigstens eine Kapillarleitung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorteilhafterweise aus Metall, Glas und/oder Fused-Silica-Glas. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhafterweise aus Metall und/oder einer metallischen Legierung gefertigt, vorzugsweise einstückig.
Vorteilhafterweise werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, mit einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren genutzt, wobei das zu analysierende Stoffgemisch über die Nadel der Trenneinrichtung zugeführt wird beziehungsweise zuführbar ist.
Zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wird verfahrensgemäß ferner vorgeschlagen, dass ein kontinuierlicher Stoffgemischstrom nacheinander durch wenigstens zwei voneinander getrennte Kammern geführt wird, wobei in der ersten Kammer eine Fokussierung des Stoffgemischstroms und in der zweiten Kammer eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms mit Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz erfolgt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Fokussierung des Stoffgemischstroms und/oder die Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms mittels eines Kalt- und Warmgasstroms, wobei der Stoffgemischstrom zunächst ausgefroren und anschließend durch schnelles Aufheizen wieder freigesetzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kammern jeweils wenigstens eine Kaltgasjetdüse und wenigstens eine Warmgasjetdüse auf, deren Düsenöffnungen eine im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms durch die jeweilige Kammer ermöglichenden KaIt- beziehungsweise Warmgasströmung ermöglichen. Vorteilhafterweise ermöglichen die Düsenöffnungen der wenigstens einen Kaltgasjetdüse und der wenigstens einen Warmgasjetdüse der jeweiligen Kammern eine im wesentlichen senkrecht zueinander stehende Strömung. Die Kalt- und/oder Warmgasjetdüsen der jeweiligen Kammern werden vorteilhafterweise mit Gasströmen von bis zu 40 l/min betrieben.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest die Düsen der eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms ermöglichenden Kammer mit Schaltzeiten in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, angesteuert werden.
Vorteilhafterweise werden die Düsen der wenigstens zwei Kammern getrennt und unabhängig voneinander angesteuert. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Düsen der wenigstens zwei Kammern synchronisiert angesteuert, vorzugsweise mit unterschiedlichen Sequenzen angesteuert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Veränderungen der Zusammensetzung des verdampften Stoffgemisches ausschließende Gasströmung eines Gases und/oder eines Gasgemisches für den KaIt- und/oder Warmgasstroms vor, besonders bevorzugt realisiert durch Nutzung eines inerten Gases und/oder inerten Gasgemisches. Vorteilhafterweise wird der Druck der jeweiligen Gasströmung gesteuert.
Zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wird ferner eine Vorrichtung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist, durch wenigstens zwei voneinander getrennte, jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisende Kammern zur Führung eines kontinuierlichen Stoffgemischstroms durch die jeweilige Kammer, wobei die Kammern in Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms durch die Kammern nacheinander angeordnet sind und wobei die Kammern jeweils wenigstens eine Kaltgasjetdüse und wenigstens eine Warmgasjetdüse aufweisen, deren Düsenöffnungen eine im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms durch die jeweilige Kammer ermöglichende Kalt- beziehungsweise Warmgasströmung ermöglichen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Düsenöffnungen der wenigstens einen Kaltgasjetdüse und der wenigstens einen Warmgasjetdüse der jeweiligen Kammern ausgebildet, eine im wesentlichen senkrecht zueinander stehende Strömung zu ermöglichen.
Vorteilhafterweise sind die Kalt- und/oder Warmgasjetdüsen der jeweiligen Kammern mit Gasströmen von bis zu 40 l/min betreibbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die in Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms erste Kammer ausgebildet eine Fokussierung des Stoffgemischstroms zu ermöglichen und ist die in Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms zweite Kammer ausgebildet eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms mit Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz zu ermöglichen.
Vorteilhafterweise sind zumindest die Düsen der eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms ermöglichenden Kammer mit Schaltzeiten in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, ansteuerbar.
Vorteilhafterweise werden das weitere erfindungsgemäße Verfahren und die weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, mit einem erfindungsgemäßen Analyseverfahren genutzt wobei das zu analysierende Stoffgemisch über den Ausgang der zweiten Kammer der Trenneinrichtung zugeführt wird beziehungsweise zuführbar ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig.1 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein
Ausführungsbeispiel für den prinzipiellen Aufbau einer
Anordnung zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Analyse von Stoffgemischen;
Fig. 2 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres
Ausführungsbeispiel für den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Analyse von Stoffgemischen;
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen;
Fig. 4a bis 4c eine schematische Seiten-, Front- und Schnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 3;
Fig. 5 in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen; Fig. 6a bis 6c eine schematische Seiten-, Front- und Schnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 5;
Fig. 7 in einer schematischen Darstellung den Aufbau eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen;
Fig. 8 in einem Diagramm eine gemessene Injektionsstabilität einer eindeutigen binären Sequenz eines gepulsten Stoff gern isches mit 127 Pulsen;
Fig. 9 einen vergrößerten Ausschnitt des Diagramms nach Fig. 8
Fig. 10 in einem Diagramm eine gemessene Injektionsstabilität einer eindeutigen binären Sequenz eines gepulsten Stoffgemisches mit 2048 Pulsen;
Fig. 11 in einer schematischen Darstellung Injektionsabschnitte zu analysierender Stoffgemische innerhalb einer eindeutigen binären Sequenz;
Fig.12 in einem Diagramm die erfasste Konzentrationsänderung eines zu analysierenden Stoffgemischs;
Fig. 13 in einer schematischen Darstellung den Ablauf einer erfindungsgemäßen Analyse und
Fig. 14 in einer weiteren schematischen Darstellung den Ablauf einer erfindungsgemäßen Analyse.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für den prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoff gemischen. Dabei wird ein von einem chemischen Reaktor kommendes, zu analysierendes Stoffgemisch als kontinuierlicher Strom einer Vorrichtung (Injektor) zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen zugeführt. Ausführungsbeispiele entsprechender Vorrichtungen zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen sind in Fig. 3 bis Fig. 7 dargestellt und werden nachfolgend im Zusammenhang mit diesen näher erläutert. Der kontinuierliche Stoffgemischstrom des zu analysierenden Stoffgemischs wir bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 von einem chemischen Reaktor geliefert. Die von der Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen erzeugten Stoffgemischpulse werden dann auf die Trennsäule (fused-silica-Säule (fs-Säule)) eines als Trenneinrichtung dienenden Gaschromatographen (GC) gegeben. Seitens des Gaschromatographen (GC) werden die die Stoffe des zu analysierenden Stoffgemisches voneinander getrennt. Die voneinander getrennten Stoffe werden dann seitens einer Auswerteeinrichtung erfasst. Die Auswerteeinrichtung ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Detektor des Gaschromatographen ausgebildet. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung ein mit dem Gaschromatographen (GC) gekoppeltes Spektrometer. Die Komponenten der Anordnung, das heißt eine Steuereinrichtung (GC-Steuerung) des Gaschromatographen (GC), eine Datenerfassungseinrichtung und eine von der Vorrichtung (Injektor) zur Erzeugung von Stoffgemischpulsen als Modulator genutzte, mit einem Verstärker verbundene Einrichtung (Modulationssequenz) zur Erzeugung einer eindeutigen binären Sequenz der Stoffgemischpulse, werden vorliegend von einer mit den Komponenten verbundenen Recheneinrichtung (Computer) gesteuert.
Zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Analyse von Stoffgemischen mittels Multiplexing ist eine präzise Kontrolle der Injektion des Stoffgemisches (Analyten) in das chromatographische Trennsystem erforderlich. Diese Kontrolle umfasst insbesondere eine präzise und definierte zeitliche Kontrolle des Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Injektionen des gepulsten Stoffgemisches in die Trenneinrichtung (Gaschromatographen) sowie der Injektionsdauer innerhalb eines solchen Zeitintervalls. Ferner ist eine präzise und definierte Kontrolle der Quantität des Stoffgemisches (Probenquantität) erforderlich. Die bisher im Stand der Technik zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen beispielsweise im Bereich der Gas- und Flüssigchromatographie oder der Kapillarelektrophorese zum Einsatz kommenden Ventilschaltungen sind langsam und die Steuerung des Probenvolumens ist insbesondere durch Probenschleifen unflexibel. Ferner treten durch eine direkt mit dem chromatographischen System gekoppelt Ventilschaltung Druckstöße auf, die zu sogenannten Systempeaks im Chromatogramm führen, da kein kontinuierlicher Fluss im chromatographischen System auftritt.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 genutzte Vorrichtung (Injektor cf-SSL-MP-Injektor) zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen ist, vorzugsweise für die Gaschromatographie (GC) (vgl. Fig. 1 und Fig. 2) durch einfache Montage auf einen vorhanden split/splitless Injektor des Gaschromatographen anschließbar. Eine entsprechende Anwendung durch einfachen Anschluss ist vorteilhafterweise auch für eine hier nicht explizit dargestellte überkritische Flüssigchromatographie (SFC) gegeben.
Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c sowie Fig. 5 und Fig. 6a bis 6c zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung (Injektor, cf-SSL- MP-Injektor) zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen. Mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c ist ein zu analysierendes Stoffgemisch in eine Trenneinrichtung injizierbar. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und Fig. 6a bis 6c erlaubt ein geschaltetes injizieren von bis zu sieben Stoffgemischen.
Die Vorrichtungen (kontinuierliche split/splittless-Multiplexinginjektoren (cf-SSL- MP-Injektor)) bestehen jeweils aus einem beheizbaren Metallblock (Probenblock), der mit Bohrungen für die jeweiligen Injektionskanäle - bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c ein Injektionskanal und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und Fig. 6a bis 6c sieben Injektionskanäle (Probenkanäle) -. versehen ist. Die Injektionskanäle nehmen Kapillarleitungen des jeweils zu analysierenden Stoffgemischs, also der jeweiligen Probenquelle, vorzugsweise von einem parallelisierten Reaktor, Multititerplatten oder dergleichen Quelle, auf. Die zu analysierenden Stoffgemische (Analyten) werden durch die vorliegend aus Metall, Glas und/oder Fused-Silica-Glas bestehenden Kapillarleitungen kontinuierlich zugeführt und im Probenblock in einem desaktivierten Glasrohr verdampft. Der Probenblock verfügt dazu über Heizvorrichtungen und Thermoelemente zur exakten Temperaturkontrolle. Überschüssige verdampfte zu analysierende Stoffgemische (Analyte) werden über Spülleitungen abgeführt (Rückspülung). Jeder Injektionskanal (Probenkanal) verfügt über eine Gaszuleitung, die mit einem schnellen Druckventil mit Schaltzeiten im Millisekunden-Bereich steuerbar ist. Vorteilhafterweise ist diese Gaszuleitung auch als Spülleitung des jeweiligen Probenkanals nutzbar. Die Spülung kann dabei auch mit dem steuerbaren beziehungsweise schaltbaren Druckventil kontrolliert werden. Als Gase können sämtliche inerte Gase und Gasgemische verwendet werden, die zu keiner Veränderung der Analytzusammensetzung führen. Die jeweiligen Gaszuleitungen können einzeln und oder synchron gesteuert werden. Durch einen gezielten kurzen Druckstoß erfolgt die Injektion des Analytgemisches in eine Nadel, die in den vorhandenen split/splittless Injektor der Trenneinrichtung, bei Fig. 1 und Fig. 2 des Gaschromatographen, eingeführt wird beziehungsweise ist und dort durch den Injektor beheizt wird.
Die jeweilige Ausgestaltung der Vorrichtungen zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen gemäß Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c beziehungsweise Fig. 5 und Fig. 6a bis 6c, also mit einem Injektionskanal (Probenkanal) bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c beziehungsweise mit sieben Injektionskanäle (Probenkanäle) bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 und Fig. 6a bis 6c, erlaubt zudem über die Möglichkeit der Spülung der Injektionsnadel durch einen Trägergasfluss, vorliegend im Bereich von ml/min, der Trenneinrichtung (Gaschromatographen). Dadurch wird eine permanente Spülung erreicht und eine Kontamination der unterschiedlichen mittels Multiplexing zu analysierenden Stoffgemische (Analytgemische) vermieden. Ein solcher zusätzlicher Splittfluss ist vorliegend an den jeweiligen Injektionsventilen (Rückspülung) und/oder an einem im Heizblock integrierten Splitausgang einstellbar. Der gesamte Splittfluss ergibt sich aus der Summe der jeweiligen Flüsse an den Ventilen. Das Volumen zwischen Injektionsnadel und Verdampfungsraum der jeweiligen Kapillaren ist in einer solchen Anordnung vorteilhafterweise minimiert, insbesondere um Totvolumen zu vermeiden. Da ferner durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung der Druckstoß außerhalb des Injektors des Trenneinrichtung (Gaschromatographen) stattfindet und durch die Druckregelung der Trenneinrichtung (Gaschromatographen) bzw. des Splitsystems abgefangen wird, treten vorteilhafterweise keine Druckschwankungen bei der Trennung durch die Vorrichtung (cf-SSL-MP- Injektor) auf.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen. Dabei wird der kontinuierliche Strom eines zu analysierenden Stoffgemisches direkt auf der Trennsäule einer Trenneinrichtung, vorliegend, wie in Fig. 1und Fig. 2 dargestellt des Gaschromatographen, durch einen doppelfokussierenden
Tieftemperaturmodulator moduliert. Der in Fig. 7 im prinzipiellen Aufbau dargestellte erlaubt dabei insbesondere eine erfindungsgemäße für zweidimensionale Trenntechniken einsetzbare Kodierung des zu analysierenden Stoffgemisches. Wie anhand von Fig. 7 erkennbar, verfügt der Säulentieftemperaturmodulator über zwei getrennte Modulationskammern. Die erste Kammer erreicht die Fokussierung des zu analysierenden Stoffgemischs (Analyten), in der zweiten Kammer erfolgt die Modulation des zu analysierenden Stoffgemischs (Analyten) gemäß einer binären Pseudozufallssequenz, welche von der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Recheneinrichtung (Computer) und/oder einer separaten Einrichtung zur Erzeugung einer entsprechenden Modulationssequenz erzeugt wird. Mittels Kaltluft- und Warmluftjetdüsen mit einem Volumenstrom von bis zu 40 l/min wird das zu analysierende Stoffgemisch (Analyten) auf der Säule zunächst mittels Kaltluft ausgefroren, dann durch schnelles Aufheizen mittels Warmluft wieder freigesetzt. Die Jetdüsen der Vorrichtung (Säulentieftemperaturmodulator) werden dabei getrennt und unabhängig voneinander angesteuert. Dabei sind die beiden Kammern zwar synchronisiert, werden aber mit unterschiedlichen Sequenzen angesteuert. Die Steuerung erfolgt vorteilhafterweise so, dass kein „Auseinanderlaufen" der Analyten auf der Säule erfolgen kann.
Fig. 8 und Fig. 10 zeigen jeweils ein Diagramm einer gemessenen Injektionsstabilität einer eindeutigen binären Sequenz eines gepulsten Stoffgemisches über der Zeit. Fig. 8 zeigt dabei die Injektionsstabilität über eine Zeitdauer von 50 min einer 7-bit Sequenz (entsprechend 27=127 Elementen) mit einem Injektionsintervall von At = 20 s, einer Pulsdauer von ΔtPuιs = 10 ms, bei einer 10 Hz Datenakquisition. Fig. 9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Diagramms nach Fig. 8. Anhand von Fig. 9 ist deutlich die Stabilität der Peakflächen von drei unterschiedlichen Stoffgemischen (Analyten) erkennbar. Fig. 10 zeigt die Injektionsstabilität bei kurzen Injektionsintervallen mit 1023 Injektionen in 34 min einer 11-bit Sequenz (entsprechend 211=2048 Elementen) mit einem Injektionsintervall von At = 1 s, einer Pulsdauer von Atpuιs = 2 ms, bei einer 10 Hz Datenakquisition.
Wie anhand der Figuren 8 bis 10 erkennbar erreichen ist mit den in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Anordnungen eine außerordentlich gute Injektionsstabilität auch bei kurzen Injektionsintervallen, insbesondere Injektionsintervallen kleiner 400 ms, erzielbar. Dabei kann die Pulsdauer bei gleichbleibender Stabilität auch über das gesamte Injektionsintervall beibehalten werden (At = Atpuιs)-
Da die Pulsdauer gegenüber dem Injektionsintervall kurz gewählt werden kann, ist vorteilhafterweise eine Mehrfachinjektion innerhalb eines Injektionsintervalls möglich (Oversampling), wodurch der Durchsatz zu analysierender Stoffgemische (Probendurchsatz) weiter steigerbar ist.
Mit der in Fig. 5 und Fig. 6a bis 6c dargestellten Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen ist insbesondere im Zusammenhang mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zur Analyse von Stoffgemischen eine Hochdurchsatzanalyse realisierbar. Dabei werden zu analysierende Stoffgemische (Analytproben) mit einer eindeutigen binären Sequenz kodiert. Die Kodierung der Analytproben erfolgt durch Injektion der Analyte gemäß einer binären Pseudozufallssequenz oder einer Zufallssequenz, die aus einer mit einer wiederholenden Sequenz unterteilten Pseudozufallssequenz besteht, die 2π-x Elemente aufweist (im Falle von Simplex- und Hadamardmatrizen ist x = 1 ). Dabei können die jeweiligen Injektionsabschnitte für die jeweiligen Analytproben unterschiedlich lang sein, um eine äquivalenten Informationsinhalt zu gewährleisten. Fig. 11 zeigt in einer schematischen Darstellung entsprechende Injektionsabschnitte für Proben A1 bis A13 innerhalb einer binären Pseudozufallssequenz. Die Injektionssequenz besteht aus der gleichen Anzahl der Elemente 0 und 1 bzw. die Anzahl kann um 1 differieren (2n-1). Die in Fig. 11 exemplarisch dargestellten Injektionsabschnitte der Proben A1 bis A13 können zudem in Kalibrier- und Messbereiche aufgeteilt werden, um eine kontinuierliche Quantifizierung mit innerer Standardisierung zu ermöglichen. Ein Element 1 in der binären Pseudozufallssequenz stellt dabei eine Injektion in Form eines einen Injektionsstoßes dar. Bei ein Elementen 0 findet keine Injektion statt. Die jeweiligen Elemente können zudem noch aufgeteilt werden in Untermodulationssequenzen, die für alle Elemente gleich aufgebaut sind, vorteilhafterweise um Mehrfachinjektionen (Oversampling) zu ermöglichen beziehungsweise zu gewährleisten.
Jedes zu analysierende Stoffgemisch (Probe) wird während der Analyse vorteilhafterweise mehrfach hintereinander injiziert, um eine Quantifizierung der jeweiligen Komponenten zu ermöglichen. Die minimale Anzahl benötigter Injektionen zur eindeutigen Identifizierung und Quantifizierung der einzelnen Analyte in einer Mischung ist dabei mit den folgenden charakteristische Größen bestimmbar:
Anzahl der Proben: imax
Anzahl der Analyte in einer Probe: kmax
Anzahl der Zeitintervalle At [s] aus der Modulationssequenz der Länge n: N = 2π-1
Datenakquisitionsfrequenz und oder Injektionsfrequenz (Oversampling) pro Zeitintervall: fovR
Maximale Retentionszeit: t™x [min]
Maximale Anzahl analysierbarer Proben:
Figure imgf000020_0001
Anzahl notwendiger Wiederholungsinjektionen pro Probe:
Injektionen
Figure imgf000021_0001
Gesamtanalysendauer:
N-At
+ tmi t _ 60
Analysenda tier
Probendurchsatz:
Figure imgf000021_0002
Mit den in Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c sowie in Fig. 7 dargestellten Vorrichtungen zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen (Tieftemperaturmodulation) ist insbesondere im Zusammenhang mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung zur Analyse von Stoffgemischen eine hochauflösende Analyse realisierbar. Dabei wird ein zu analysierendes Stoffgemisch (Analytprobe) mit einer eindeutigen binären Sequenz kodiert. Die Kodierung der Analytprobe erfolgt durch Injektion Vorrichtung gemäß Fig. 3 und Fig. 4a bis 4c) oder Tieftemperaturmodulation (Vorrichtung gemäß Fig. 7) der Analytprobe gemäß einer binären Pseudozufallssequenz oder einer Zufallssequenz, die aus einer mit einer wiederholenden Sequenz unterteilten Pseudozufallssequenz besteht, die 2n-x Elemente aufweist (im Falle von Simplex- und Hadamardmatrizen ist x = 1 ). Die Injektionssequenz besteht aus der gleichen Anzahl der Elemente 0 und 1 beziehungsweise die Anzahl kann um 1 differieren (2n-1). Im Falle eines Elements 1 wird eine Probe injiziert beziehungsweise durch den Heißluftjet freigesetzt. Im Falle eines Elements 0 erfolgt keine Injektion beziehungsweise ein Einfrieren durch den Kaltluftjet. Die Injektionsintervalle werden entsprechend der benötigten Zeit für einen sogenannten Vollscan oder eines Vielfachen der Dauer eines sogenannten Vollscans des Spektrometers gewählt. Der Scan (Erfassung) des Spektrometers und das Injektionsintervall werden dabei miteinander synchronisiert. Die Injektionspulsdauer beziehungsweise Modulationsdauer beim Tieftemperaturmodulator kann gleich oder kürzer als das Injektionsintervall beziehungsweise das Modulationsintervall gewählt werden. In jedem Injektionsintervall beziehungsweise Modulationsintervall können vorteilhafterweise auch mehrere unterschiedliche spektroskopische oder spektrometrische Experimente durchgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt ein Massenvollscan und MS/MS bzw. MSπ-Experimente zur eindeutigen Identifizierung und Quantifizierung.
Fig. 12 zeigt in einem Diagramm die zeitliche graduelle Konzentrationsänderung eines zu analysierenden Stoffgemischs (Analyten) als von der Auswerteeinrichtung erfasstes Gesamtchromatogramm. Die entsprechenden Daten des Gesamtchromatogramms liegen seitens der Auswerteeinrichtung und/oder seitens einer mit dieser verbundenen Datenerfassungseinrichtung (vgl. Fig. 1 und Fig. 2) vor. Die Rohdaten werden für die weitere Auswertung mittels seitens einer Recheneinrichtung (Computer) der Auswerteeinrichtung insbesondere im Rahmen einer Dekonvolution zur weiteren Auswertung genutzt.
Der Ablauf einer erfindungsgemäßen Analyse eines Stoffgemischs ist in Fig.13 symbolisch dargestellt. Die Auswertung der Analyse erfolgt unter Nutzung eines Dekonvolutionsverfahrens. Das Dekonvolutionsverfahren weist die folgenden drei Schritte auf:
1. Dekonvolution der Rohdaten mit der inversen Kodiermatrix, um das Gesamtchromatogramm zu erhalten;
2. Berechnung der relativen Konzentrationsverteilung der einzelnen Analyten aus Schritt 1 und Füllen der Konzentrationsverteilungsmatrix sowie des Konzentrationsvektors der einzelnen Analyten und 3. Lösung des linearen Gleichungssystem zur Ermittlung der Konzentrationen der einzelnen Analyte.
Durch die Modulation von n Analytinjektionen wird ein Gesamtchromatogramm (vgl. Fig. 12 und Fig. 13) erhalten, das eine Überlagerung von n Einzelchromatogrammen darstellt. Die direkte Multiplikation der Rohdaten in der zirkulären Darstellung (nach 2n-1 Zeitintervallen wird die Signalintensität zu den Vektorelementen am Anfang wieder hinzuaddiert) mit der inversen Hadamard-, Simplex- oder inversen Matrix der bekannten binären Pseudozufallssequenz ergibt das Gesamtchromatogramm (vgl. Fig. 13) der jeweiligen Analyten.
Aus dem Gesamtchromatogramm ergibt sich zum einen die Zahl kmax der unterschiedlichen Analyten in den jeweiligen Proben i und die jeweiligen Peakformen. Dabei wird mit den erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des Analyseverfahrens eine sehr gute Auflösung der Peaks erzielt, so dass sich das Verfahren auch auf Fragestellungen mit kleinen Trennfaktoren, wie die beispielsweise bei Enantiomerentrennungen zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses ee auftreten, anwenden lässt.
Da die Hadamardtransformation keine Analytschwankungen berücksichtigen kann, ist dieses Gesamtchromatogramm (vgl. Fig. 12) durch Abweichungen in der Basislinie charakterisiert, die allerdings wiederum eine Konvolution der jeweiligen Analytkonzentrationen darstellt. Daher wird zunächst wird eine Peakformanalyse durchgeführt, um die Verteilungsfunktion Ψ(Ak) der jeweiligen Analyte in Abhängigkeit der Zeit zu erhalten. Dabei wird das Maximum jedes einzelnen Analytpeaks auf 1 normiert. Damit wird anschließend die Konzentrationsverteilungsmatrix gefüllt und zwar in der Art und Weise, dass in jeder Spalte die Relativkonzentration Ψ(AiJik) des Analyten Ak der i-ten Probe und j-ten Wiederholungsinjektion in Abhängigkeit der Injektionssequenz und des Zeitintervalls Δt wie folgt steht: Chromcttogr smra = ij T Ψ[Λk ) i^l ψ(Λ(i)) Ψ(Λ(i)) Ψ(Λ(i)) ψ(4.(i)) ψ(Λ(2)) Ψ(Λ (2)) Ψ(4 (2)) ψ(Λ(3)) Ψ(4 (3)) Ψ(Λ(3))
ΨU..M)) Ψ(Λ-!(f-2)) Ψ(Λ &-2))
Figure imgf000024_0001
ψ(4W) ψμΛ.3(0) Ψ(ΛmW) *(4(0) .
Figure imgf000024_0002
Jede Zeile stellt dabei die Summe der Relativkonzentrationen der jeweiligen Analyte in den Proben dar. Diese Vorgehensweise kann auf das Rohchromatogramm in der zirkulären und nicht-zirkulären Darstellung angewandt werden. Die jeweilige Konzentration der Analyte ergibt sich als Konzentrationsvektor, der mit der Konzentrationsverteilungmatrix multipliziert die Signalintensitäten in jedem Zeitintervall des Rohchromatogramms ergibt. Damit erhält man ein lineares Gleichungssystem in Matrixdarstellung, das durch iteratives Eliminieren von Variablen oder durch Anwendung der Gauß-Jordan Methode gelöst werden kann.
Die Lösung ist die Konzentration der jeweiligen Analyte in den Proben i. Zur Optimierung, Überprüfung und Beurteilung der Qualität der so erhalten Lösung des Gleichungssystem wird das Rohchromatogramm mittels iterativer Anpassung mit dem Konzentrationsvektor (durch Bildung der Differenz oder durch Division) und anschließender Hadamard-Transformation in ein Gesamtchromatogramm überführt, dessen Abweichungen in der Basislinie durch weitere Feinabstimmungsschritte bei der Lösung des linearen Gleichungssystems minimiert werden.
Fig. 13 zeigt auf der rechten Seite die Konzentration der Analyte der jeweiligen Proben in einer zirkulären Darstellung. Durch zirkuläre Verschiebung gemäß der binären Pseudozufallssequenz und dem jeweiligen Zeitintervall werden die Konzentrationen der Analyte in den einzelnen Proben erhalten. Diese Konzentrationsdaten können mit weitere in Absolutkonzentrationen oder Relativkonzentration, vorzugsweise durch Einsatz einer internen Standardisierung, weiter verarbeitet werden. Anhand des in dem Diagramm gemäß Fig. 14 exemplarisch dargestellten Ablaufs einer erfindungsgemäßen Analyse eines Stoffgemischs ist die Nutzung einer zweidimensionalen Erfassung und Auswertung erkennbar. Bei dem dabei zum Einsatz kommenden Dekonvolutionsverfahren werden die Spektren des Stoffgemischs identifiziert. Das Dekonvolutionsverfahren weist die folgenden Schritte auf:
1. Extraktion der jeweiligen Wellenzahl oder Masse/Ladungs- Verhältnisses aus allen von der Auswerteeinrichtung detektierten Spektren und
2. Hadamard-Transformation mit der bekannten Pseudozufallssequenz.
Daraus ergeben sich zu den jeweiligen Peaks im konventionellen Chromatogramm die Spektren, mit verbessertem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) und verkürzten Analysedauern.
Die in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Analyse von Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, wobei ein zu analysierendes Stoffgemisch einer Trenneinrichtung zugeführt wird, durch chemisch und/oder physikalisch bewirkten Transport die Stoffe des zu analysierenden Stoffgemisches seitens der Trenneinrichtung voneinander getrennt werden und die voneinander getrennten Stoffe seitens einer Auswerteeinrichtung erfasst werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das zu analysierende Stoffgemisch der Trenneinrichtung in Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pulse des zu analysierenden Stoffgemischs zeitlich und räumlich voneinander getrennt der Trenneinrichtung zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eindeutige binäre Sequenz mit einem binären Zufallsgenerator erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eindeutige binäre Sequenz aus einer mit einer wiederholenden Sequenz unterteilten, mit einem binären Zufallsgenerator erzeugten Sequenz gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eindeutige binäre Sequenz aus 2n Elementen besteht, mit 0 < n < oo, vorzugsweise mit 5 < n < 128, besonders bevorzugt mit 7 < n < ∞ 14.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Modulationsintervall (Δt) in einem Bereich von etwa 0,25 s bis etwa 120 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 s bis etwa 20 s.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Pulsdauer (ΔtPuis) in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine synchronisiert mit der Stoffgemischzuführung erfolgende Stofferfassung der Auswerteeinrichtung.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung mit einer Erfassungsdauer betrieben wird, die dem Modulationsintervall (Pulsintervalldauer Δt) oder einem ganzzahligen Bruchteil des Modulationsintervalls (Pulsintervalldauer Δt) entspricht.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die seitens der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe mit der eindeutigen binären Sequenz der Pulse des zu analysierenden Stoffgemischs mathematisch dekonvoliert werden, vorzugsweise durch eine zweidimensionale mathematische Dekonvolution.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Dekonvolution die von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe einer Hadamard-Transformation mit der eindeutigen binären Sequenz unterzogen werden, aus dem Ergebnis der Hadamard-Transformation die Konzentrationsverteilungen der von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe bestimmt werden und die Konzentrationen der einzelnen von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe bestimmt werden, vorzugsweise durch Lösung eines von den Konzentrationsverteilungen, den Konzentrationen der einzelnen von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe und der von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe gebildeten linearen Gleichungssystems nach den Konzentrationen der einzelnen von der Auswerteeinrichtung erfassten Stoffe.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung chromatographische und/oder elektrophoretische Trennverfahren nutzt, vorzugsweise ein Gaschromatograph oder ein überkritischer Flüssigchromatograph ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung wenigstens einen Detektor, vorzugsweise wenigstens einen spektroskopischen und/oder spektrometrischen Detektor umfasst.
14. Verfahren zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens ein Stoffgemisch über wenigstens eine Kapillarleitung wenigstens einem Kanal kontinuierlich zugeführt wird, das Stoffgemisch in wenigstens einem in dem wenigstens einen Kanal angeordneten desaktivierten Glasrohr verdampft wird, der wenigstens eine Kanal über ein schaltbares Druckventil mit einer Gasströmung beaufschlagt wird und mit der Gasströmung beaufschlagtes verdampftes Stoffgemisch aus dem wenigstens einen Kanal in eine Nadel injiziert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das schaltbare Druckventil mit Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz geschaltet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, gekennzeichnet durch Schaltzeiten des schaltbaren Druckventils in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch eine Beaufschlagung des verdampften Stoffgemisches mit einer Veränderungen der Zusammensetzung des verdampften Stoffgemisches ausschließenden Gasströmung eines Gases und/oder eines Gasgemisches.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kanal und/oder die Nadel durch Beaufschlagung mit der Gasströmung gespült wird, vorzugsweise gesteuert über das schaltbare Druckventil des Kanals.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, mit wenigstens zwei in die Nadel injizierenden Kanälen, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen schaltbaren Druckventile der Kanäle synchron und/oder separat voneinander gesteuert werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung des Stoffgemisches gesteuert wird, vorzugsweise durch Steuerung der Temperatur einer Heizeinrichtung zur Verdampfung des Stoffgemisches.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Gasströmung gesteuert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 genutzt wird, wobei das zu analysierende Stoffgemisch über die Nadel der Trenneinrichtung zugeführt wird.
23. Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h , wenigstens einen Kanal mit wenigstens einer Kapillarleitung zur Zuführung wenigstens eines Stoffgemisches in den Kanal, mit wenigstens einem im Kanal angeordneten desaktivierten Glasrohr zur Verdampfung des wenigstens einen dem Kanal zugeführten Stoffgemisches im Kanal mit einer Heizeinrichtung und mit einem schaltbaren Druckventil zum Anschluss des Kanals an eine Gaszuleitung zur Beaufschlagung des wenigstens einen verdampften Stoffgemisches mit einer Gasströmung, und einem sich an den wenigstens einen Kanal strömungstechnisch anschießenden Ausgang zum Anschluss einer Gasableitung, vorzugsweise einer Injektionsnadel.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstromrichtung der Gasströmung zur Beaufschlagung des wenigstens einen verdampften Stoffgemisches über das schaltbare Druckventil zur Längserstreckungsrichtung des Kanals einen Winkel in einem Bereich von etwa 0° bis etwa 180° einnimmt, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Längserstreckungsrichtung verläuft.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuleitung über das schaltbare Druckventil etwa mittig der Längserstreckungsrichtung des Kanals an den Kanal anschließbar ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung zumindest im Bereich des im Kanal angeordneten desaktivierten Glasrohrs angeordnet ist, wobei die Heizeinrichtung vorzugsweise in Form einer austauschbar anordbaren Heizkartusche ausgebildet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass durch wenigstens ein Sensorikelement zur Erfassung der Temperatur der Heizeinrichtung und/oder der Verdampfung, wobei die erfasste Temperatur vorzugsweise zur Steuerung der Heizeinrichtung nutzbar ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass Druckventil mit Schaltzeiten in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, schaltbar ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kapillarleitung aus Metall, Glas und/oder Fused-Silica-Glas ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Metall und/oder einer metallischen Legierung gefertigt ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Nutzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 14 bis 22 ausgebildet ist.
32. Verfahren zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein kontinuierlicher Stoffgemischstrom nacheinander durch wenigstens zwei voneinander getrennte Kammern geführt wird, wobei in der ersten Kammer eine Fokussierung des Stoffgemischstroms und in der zweiten Kammer eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms mit Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz erfolgt.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung des Stoffgemischstroms und/oder die Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms mittels eines Kalt- und Warmgasstroms erfolgt, wobei der Stoffgemischstrom zunächst ausgefroren und anschließend durch schnelles Aufheizen wieder freigesetzt wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern jeweils wenigstens eine Kaltgasjetdüse und wenigstens eine Warmgasjetdüse aufweisen, deren Düsenöffnungen eine im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms durch die jeweilige Kammer ermöglichenden Kalt- beziehungsweise Warmgasströmung ermöglichen.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen der wenigstens einen Kaltgasjetdüse und der wenigstens einen Warmgasjetdüse der jeweiligen Kammern eine im wesentlichen senkrecht zueinander stehende Strömung ermöglichen.
36. Verfahren nach Anspruch 33 oder Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalt- und/oder Warmgasjetdüsen der jeweiligen Kammern mit Gasströmen von bis zu 40 l/min betrieben werden.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Düsen der eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms ermöglichenden Kammer mit Schaltzeiten in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, angesteuert werden.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen der wenigstens zwei Kammern getrennt und unabhängig voneinander angesteuert werden.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen der wenigstens zwei Kammern synchronisiert angesteuert werden.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen der wenigstens zwei Kammern mit unterschiedlichen Sequenzen angesteuert werden.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 40, gekennzeichnet durch eine Veränderungen der Zusammensetzung des verdampften Stoffgemisches ausschließenden Gasströmung eines Gases und/oder eines Gasgemisches für den Kalt- und/oder Warmgasstroms.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der jeweiligen Gasströmung gesteuert wird.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 genutzt wird, wobei das zu analysierende Stoffgemisch über den Ausgang der zweiten Kammer der Trenneinrichtung zugeführt wird.
44. Vorrichtung zur Erzeugung von gepulsten Stoffgemischen, insbesondere komplexen chemischen und/oder biochemischen Stoffgemischen, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h , wenigstens zwei voneinander getrennte, jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisende Kammern zur Führung eines kontinuierlichen Stoffgemischstroms durch die jeweilige Kammer, wobei die Kammern in Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms durch die Kammern nacheinander angeordnet sind und wobei die Kammern jeweils wenigstens eine Kaltgasjetdüse und wenigstens eine Warmgasjetdüse aufweisen, deren Düsenöffnungen eine im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms durch die jeweilige Kammer ermöglichende Kalt- beziehungsweise Warmgasströmung ermöglichen.
45. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen der wenigstens einen Kaltgasjetdüse und der wenigstens einen Warmgasjetdüse der jeweiligen Kammern ausgebildet sind, eine im wesentlichen senkrecht zueinander stehende Strömung zu ermöglichen.
46. Vorrichtung nach Anspruch 44 oder Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalt- und/oder Warmgasjetdüsen der jeweiligen Kammern mit Gasströmen von bis zu 40 l/min betreibbar sind.
47. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 44 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms erste Kammer ausgebildet ist eine Fokussierung des Stoffgemischstroms zu ermöglichen und die in Strömungsrichtung des Stoffgemischstroms zweite Kammer ausgebildet ist eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms mit Pulsen einer eindeutigen binären Sequenz zu ermöglichen.
48. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 44 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Düsen der eine Modulation des fokussierten Stoffgemischstroms ermöglichenden Kammer mit Schaltzeiten in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 1 s, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 ms bis etwa 10 ms, ansteuerbar sind.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 44 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Nutzung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 32 bis 43 ausgebildet ist.
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