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Zentrum für Technomathematik

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Verbesserte Signalverarbeitung bei der Auswertung von Massenspektroskopiedaten

Arbeitsgruppe:AG Technomathematik
Leitung: Prof. Dr. Dr. h.c. Peter Maaß ((0421) 218-63801, E-Mail: pmaass@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Prof. Dr. Ronny Ramlau
Projektförderung: Thermo Electron
Projektpartner: Thermo Electron GmbH (Bremen)
Laufzeit: 01.10.2000 - 31.12.2004
Bild des Projekts Verbesserte Signalverarbeitung bei der Auswertung von Massenspektroskopiedaten

Die Firma Thermo Electron Bremen GmbH produziert Massenspektrometer zur Analyse von organischen Substanzen. In einer Trennsäule wird das zu untersuchende Stoffgemisch zunächst in seine einzelnen Bestandteile zerlegt und anschließend verbrannt und ionisiert. In einem Magnetfeld lassen sich dann die unterschiedlich schweren Isotope voneinander trennen. Im Ergebnis der Messung erhält man mehrere Zeitreihen, die an denselben Stellen Peaks aufweisen. Integriert man den Peak, so gibt die Fläche Auskunft über die Anzahl der Isotope; die letztendlich interessierende Zahl ist das Mengenverhältnis der einzelnen Isotope, das über die Quotienten der Peak-Integrale bestimmt wird.

  
Für eine möglichst genaue Auswertung der gemessenen Daten müssen die Peaks möglichst genau integriert werden. Die bisher verwendete Software ISODAT ist oft nicht in der Lage, die Signalanalyse mit der gewünschten Genauigkeit vorzunehmen. Schwierigkeiten treten insbesondere in den folgenden Situationen auf:

  • Verrauschte Daten.
  • Existenz einer ansteigenden (abfallenden) Basislinie.
  • Auswertung von nahe beieinander liegenden Peaks.

Ziel der Kooperation zwischen dem Zentrum für Technomathematik und Thermo Electron ist die Entwicklung von mathematischen Methoden zur verbesserten Signalverarbeitung der Massenspektroskopiedaten und deren Umsetzung in ein Software-Paket. Dazu wurde zunächst ein mathematisches Modell zur Approximation von Peaks in den Messdaten aufgestellt. Es wurde nachgewiesen, dass das Modell die Peaks sehr gut approximiert. Durch das Fitten der Mess-Peaks wird gleichzeitig das Rauschen in den Daten wirkungsvoll entfernt, und die Basislinie kann gut abgeschätzt werden. Im Anschluss kann das Integral über den Peak hochgenau berechnet werden. Die bisher verwendete Software hatte große Probleme bei der Auswertung von sich überlagernden Peaks. Auch hier konnten mit den neuen Methoden wesentlich bessere Auswertungsergebnisse erreicht werden. Da in einer Messreihe immer mehrere Peaks auftauchen, sollten möglichst alle Peaks auch detektiert und ausgewertet werden. Bisher werden nur die größten Peaks ausgewertet, aber derzeit wird an einer Verbesserung der Erkennungsraten gearbeitet. Dazu werden vor allem Fourier- und Wavelet-Techniken eingesetzt.

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links: Eine typische Zeitreihe verrauschter Messergebnisse
rechts: Zoom in die Zeitreihe

Thermo Electron und ZeTeM haben seit 2000 gemeinsam daran gearbeitet, dass für eine geplante neue Generation von Geräten die Genauigkeit der Ergebnisse durch moderne Methoden bei der Signalverarbeitung deutlich verbessert wird. Dazu wurden parameterabhängige Modelle der Messwerte entwickelt. Zur Auswertung werden dann die freien Parameter an die Daten angepasst. Während der Projektlaufzeit ist ein umfangreiches Software-Paket, das in das Auswertungsprogramm von Thermo Electron integriert wurde, entstanden. Daran hat insbesondere Florian Knicker mitgearbeitet, der sich mit Teilproblemen sowohl im Rahmen des Modellierungsseminars als auch in seiner Diplomarbeit beschäftigt hat.