Algorithmen zur Peakintegration

Durch zunehmend komplexer werdende Multikomponentenanalysen und den damit verbundenen gestiegenen Datenmengen hat die schnelle und effektive Datenanalyse in den letzten Jahren dramatisch an Bedeutung gewonnen. Auch die gestiegenen behördlichen Anforderungen im Bereich der Datenintegrität verlangen automatisierte und vereinfachte Methoden zur Integration gerade im Bereich problematischer Peaks. Der neue Algorithmus zur Peakintegration der LabSolutions i-PeakFinder bietet eine Möglichkeit diese Anforderung zu erfüllen.

Der i-PeakFinder ist eine komplett automatisierte Integrationsfunktion, die Peaks mit einer hohen Genauigkeit bereits ohne eine aufwändige Einstellung spezieller Parameter ermöglicht. Zusätzlich sind allerdings weitere Parameter vorhanden, die eine Anpassung an vielfältige komplexe Elutionsmuster und Chromatogramme ermöglicht. Durch diese Anpassung können selbst große Datenmengen oder komplette Probentabellen sehr exakt automatisch integriert werden.
 

Besondere Eigenschaften des i-PeakFinder Algorithmus

Mit herkömmlichen Methoden zur Peakintegration ist es für eine korrekte Integration gerade bei komplexen Proben oft nötig zusätzlich zu den eigentlichen Integrationsparametern Zeitprogramme zuzufügen. Der i-PeakFinder kann die schwierige Peakintegration dieser Chromatogramme mit einigen einfachen Anpassungen der Parameter. Der i-PeakFinder umfasst dabei die folgenden Funktionen:
 

  • Hochgenaue Detektion von Schulterpeaks
  • Einfache Anpassung der Basislinienerkennung
  • Verbesserte Peak-Basislinie Positionierung für eine verbesserte Reproduzierbarkeit
  • Korrekte Peakintegrationen auch bei Abweichungen durch Basisliniendrifts


Um eine volle Kompatibilität zu erhalten, steht in der LabSolutions zusätzlich weiterhin die klassische Integration (Chromatopac Modus) zur Verfügung. Zwischen beiden Modi kann einfach während einer Analyse gewechselt werden, um es dem Anwender zu ermöglichen, die für seine Anwendung geeignetste Integrationsart auszuwählen. So kann auch durch die Wahl der klassischen Integrationsart die Kompatibilität mit bereits aufgenommen Daten erhalten werden. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel einer komplett automatisierten Integration typischer Messergebnisse.
 

Abbildung 1: Komplett automatische Integrationsfunktionen des i-PeakFinders 

Hochgenaue Detektion von Schulterpeaks

Der i-PeakFinder kann Schulterpeaks sehr genau detektieren. Während bei herkömmlichen Integrationsmethoden oft ein manuelles Eingreifen nötig ist, um Schulter- und Hauptpeaks korrekt zu erkennen, ist der i-PeakFinder in der Lage Schulterpeaks automatisch zu erkennen und dabei eine gleichbleibend konsistente Empfindlichkeit der Peakdetektion entlang des gesamten Chromatogramms zu erhalten. Besonders kleine Schulterpeaks sind oft nur schwer zu integrieren. Abbildung 2 zeigt, dass der i-PeakFinder auch solche Peaks automatisch basierend auf dem Detektionsgrenzwert (Detetion Threshold) detektieren kann.


Abbildung 2: Beispiele der Detektion von Schulterpeaks

Einfache Anpassung der Basislinienerkennung

Die korrekte Detektion von Verunreinigungen ist in der Qualitätskontrolle der pharmazeutischen Industrie und anderen Bereichen essentiell. Gerade die Peaks von Verunreinigungen eluieren oft an der Basis des Hauptpeaks, sodass quantitative Bestimmungen auf Basis der Flächennormalisierung stark von der Methode der Basislinienerkennung abhängen können. Auch bei verschiedenen Proben und der analytischen Fragestellung. Mit herkömmlichen Integrationsmethoden ist häufig die Programmierung eines Zeitprogramms oder eine manuelle Integration notwendig, um eine bestimmt Art der Basislinienerkennung zu spezifizieren. Der i-PeakFinder bietet in den Grundeinstellungen die Möglichkeit die Basislinienerkennung direkt festzulegen, um für jede Situation den am besten geeigneten Verlauf auszuwählen.

Abbildung 3 zeigt die entsprechenden Optionen in den Einstellungen des i-PeakFinders während in Abbildung 4 die Effekte der unterschiedlichen Arten der Basislinienerkennung anhand eines Beispiels. Hier eluiert eine Verunreinigung an der Basis der Hauptkomponente. In Tabelle 1 werden zusätzlich die quantitativen Ergebnisse der Integration bei den verschiedenen Einstellungen visualisiert. Mit dem i-PeakFinder ist es mit wenigen Klicks möglich die Basislinienerkennung an die entsprechende Situation anzupassen und die am besten geeignete Variante zu wählen.


Abbildung 3: Optionen zur Basislinienerkennung im i-PeakFinder


Abbildung 4: Effekte der unterschiedlichen Basislinienerkennungen 
 

Tabelle 1: Quantitative Ergebnisse der Flächennormalisierung bei verschiedenen Einstellungen zur Basislinienerkennung

  Nicht konfiguriert Vertical Division Base to Base
Hauptpeak 99.681 99.448 99.680
Verunreinigung 0.160 0.338 0.160

Grundeinstellungen zur Peakerkennung

Die Grundeinstellungen zur Peakerkennung umfassen die Art der Basislinienerkennung wie oben beschrieben, den Schwellwert zur Peakdetektion und den Integrationsbereich. Über den Schwellwert der Detektion werden Peaks die unter einem definierten Grenzwert liegen auf Basis von proprietären Algorithmen anhand des Levels des Rauschens nicht detektiert. Wird der Schwellwert (Detektion Threshold) geringer gewählt, werden auch kleinere Peaks mitintegriert. Abbildung 6 zeigt im oberen Bereich den Effekt der Veränderung des Schwellwertes vom Standardwert 5 auf den Wert 2.000. Die intuitive Bedienung ermöglicht es mit nur wenigen Klicks zu definieren ob kleinere Peaks detektiert werden sollen oder nicht. Im unteren Bereich der Abbildung ist ein Beispiel zum Integrationsbereich dargestellt. Bei Verwendung der Standardeinstellungen wird der komplette Bereich des Chromatogramms integriert und der Verlauf der Basislinie wird durch negative Peaks beeinflusst. Wird der zu integrierende Bereich so definiert, dass die negativen Peaks nicht eingeschlossen sind, wird dadurch auch der Verlauf der Basislinie korrekt wiedergegeben.
 


Abbildung 6: Effekt der Schwellwerte der Peakerkennung und des Integrationsbereiches

Detaillierte Einstellungen zur Peakdetektion

Für komplexe Chromatogramme können die Grundeinstellung zu Detektinsschwellwert, Integrationsbereich und Basislinienerkennung in manchen Fällen nicht ausreichend sein, um die gewünschte Peakintegration zu erreichen. Der i-PeakFinder ist jedoch mit einer großen Bandbreite von Chromatogrammen kompatibel und bietet zusätzliche weitere Einstellungsmöglichkeiten zur Peakerkennung. Einige dieser Optionen umfassen:

(1) Detektion von Peaks unabhängig vom Rauschen [Minimum Half Width]

Bei Chromatogrammen aus LCMS-Messungen werden manchmal Glättungen durchgeführt. Wenn die Frequenz des Rauschens nah an der des Peaks liegt, ist eine automatische Unterscheidung zwischen Peaks oft schwierig und ein einzelner Peak wird fehlerhaft als mehrfache Peaks erkannt. Um dies zu vermeiden bietet der i-PeakFinder die Möglichkeit eine minimale Halbwertsbreite zu definieren, um Rauschen das schmaler als dieser Wert ist zu ignorieren. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass Peaks die den Grenzwert überschreiten korrekt integriert werden. Abbildung 7 zeigt den Effekt unterschiedlicher Werte für die Halbwertsbreite. Diese Funktion ist besonders nürtzlich, wenn Rauschen in einem Peak beobachtet wird.


Abbildung 7: Effekt von unterschiedlichen minimalen Halbwertsbreiten

(2) Hohe Genauigkeit und Linearität der Peakflächen [Peak Baseline Height]
 

Enthält ein Chromatogramm Peaks mit Tailing oder eine stark rauschende Basislinie können die Start- und Endpunkte der Integration zwischen verschiedenen Datensätzen und Messungen variieren und somit die Genauigkeit der Peakflächen vermindern. Wird durch den i-PeakFinder die Höhe der Peakbasislinie definiert, werden der Start- und Endpunkt eines Peaks durch einen proprietären Algorithmus anhand der definierten Höhe der Peakbasislinie und der Intensität des Rauschens berechnet. Je höher der Wert der Peakbasislinie definiert wird, umso höher platziert die Software den Verlauf der Basisline. Durch diese Einstellung kann eine gute Reproduzierbarkeit der Basislinie sowie den Start- und Endpunkten der Integration der Peaks erzielt werden.


Abbildung 8: Effekt der Höhe der Peakbasislinie bei Peaks mit Tailing

(3) Vermeidung der Falscherkennung von langanhaltenden Basislinienstörungen [Maximum Half Width]
 

Mit der Definition einer maximalen Halbwertsbreite, dem Gegenstück zur minimalen Halbwertsbreite, kann verhindert werden, dass lange Anstiege in der Basislinie als Peaks erkannt werden. Auch sehr große breite Peaks können so ignoriert werden. In Abbildung 9 ist ein Bespiel dargestellt, in dem durch den großen Hügel in der Basislinie die aufgesetzten Peaks nicht als Peaks erkannt werden konnten. Wird nun ein Wert für die maximale Halbwertsbreite definiert, ignoriert der i-PeakFinder die große Störung und nur die aufgesetzten Peaks werden integriert.


Abbildung 9:  Effekt von unterschiedlichen minimalen Halbwertsbreiten


(4) Zusammenführen mehrerer koeluierender Peaks in einen Einzelpeak [Unify Peaks by Separation Width]
 

Während mit der minimalen Halbwertsbreite das Rauschen auf einem Peak ignoriert werden konnte, kann die Funktion zur Zusammenführung mehrerer Peaks dazu genutzt werden mehrere Peaks in einen gemeinsamen zu vereinen. Abbildung 10 zeigt drei Peaks, die nicht basisliniengetrennt sind. Über die Funktion im i-PeakFinder können diese zu einem gemeinsamen Peak zusammengeführt werden. Dabei greift die Einstellung nur bei Peaks, die nicht basisliniengetrennt sind, andere schmalere Peaks werden davon nicht betroffen.


Abbildung 10: Vereinigung koeluierender Peaks in einen gemeinsamen Peak

(5) Entscheidung, unter welchen Bedingungen Schulterpeaks erkannt werden [Unify Peaks by Shoulder Ratio]
 

Eluieren Verunreinigungen als Schulterpeaks am unteren Bereich des Peaks der Hauptkomponenten, ist bei herkömmlichen Integrationsalgorithmen die Erstellung eines Zeitprogramms oder eine manuelle Integration für die Erkennung des Schulterpeaks notwendig. Mit dem i-PeakFinder ist eine einfach Detektion dieser Schulterpeaks möglich. Zusätzlich kann über die Eingabe eines Grenzwertes festgelegt werden, ob Verunreinigungen als Peaks erkannt werden sollen oder nicht. Dazu wird das Verhältnis der Höhe des Hauptpeaks zur tangentialen Höhe des Schulterpeaks herangezogen. Abbildung 11 zeigt ein Beispiel für die Integration eines Schulterpeaks ohne Zeitprogramme oder manuelle Integration im Vergleich zur programmierten Vereinigung des Schulterpeaks mit dem Hauptpeak anhand eines Grenzwertes. Diese Funktion kann ebenfalls dazu genutzt werden zu entscheiden, ob Verunreinigungen vorliegen.


Abbildung 11: Beispiel für einen Grenzwert zur Erkennung von Schulterpeaks

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