«Dynamischer und anspruchsvoller – darum macht das Labor der

Muttenz, 07.11.2014
Schwerpunktthema der labotec 2015 in Lausanne
«Dynamischer und anspruchsvoller
– darum macht das Labor der
Zukunft so viel Freude»
Stärkere
biologische
Einflüsse
und
eine
viel
schnellere
Mikroelektronik
bestimmen wesentlich das Labor der Zukunft. Das stellt für jeden Einzelnen eine
persönliche Herausforderung dar und erhöht gleichzeitig die Chance, selbst an
einer
entscheidenden
Wirkstoffentwicklung
oder
einer
bahnbrechenden
analytischen Lösung beteiligt zu sein. Und gerade das macht den Laboralltag
nochmals spannender, als er ohnehin schon immer gewesen ist.
Eine Zukunftsvision sieht so aus: „Ich komme in einen schicken Raum mit fahrbaren
Workbenches, flansche mich mit meinem Smartphone an ein Analysengerät an und
ziehe mir die Daten herüber. Unter Verwendung einer intelligenten InterpretationsSoftware schreibe ich dann meinen Bericht: „neuer Pharmawirkstoff gefunden“ (an den
Forschungsleiter), „Pflanzenschutzmittel in der Spezifikation“ (an unseren AgrochemieKunden) oder „Methode validiert“ (an die zuständige Behörde).
Das klingt bestechend – doch inwiefern ist es realistisch? Das Labormobiliar könnte
tatsächlich flexibler werden, denn die typischen starren Workbenches nehmen über
Jahre viel Raum ein, den man möglicherweise für andere Anwendungen dringend
benötigte. Digitaler dürfte die Laborwelt auch werden, doch wird alles so viel einfacher?
Die aktuellen Aufgabenstellungen tendieren in die Gegenrichtung: viel komplexer. Dazu
ein Beispiel: Der Energierohstoff und Chemiegrundstoff Öl geht zur Neige. Er wird
schon heute teilweise durch natürliche Rohstoffe ersetzt – Stärke, Zucker, Algen,
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Baumrinde, Mais, Reis, Raps. Über zwei Millionen Tonnen nachwachsende BioRohstoffe verarbeitet demnach die Chemieindustrie jedes Jahr allein in Deutschland.
Die naturgemäß schwankenden Qualitäten machen die Rohstoffeingangskontrolle
komplexer, aber auch die Endüberprüfung des fertigen Produkts. Denn bisher hatte
man es mit definierten Edukten und gut vorhersagbaren Synthese-Nebenprodukten zu
tun. Nun lautet die Aufgabe für das analytische Labor in der Zukunft immer häufiger:
„Wir haben ein Produkt mit mehreren, teils synthetisch, teils direkt aus Naturstoffen
gewonnenen Inhaltsstoffen. Wir müssen aber genau wissen, was sonst noch darin ist?“
Mikroverunreinigungen durch Matrices aus Wald und Flur vielleicht oder aus
Schutzfolien und Verpackungen herrührende auswaschbare oder auch extrahierbare
Spuren („leachables & extractables“)?
Unbekannte macht man in höheren Dimensionen dingfest
Um die zunehmende Komplexität zu bewältigen, naht von verschiedenen Seiten
Verstärkung. Speziell im analytischen Labor hat man es dabei mit einer stetigen
Evolution zu tun – allerdings mit gelegentlichen Glanzlichtern. Hat nicht die Ultra-HighPerformance-Chromatography (UHPLC) seit zehn Jahren die Effektivität in der
Flüssigkeitschromatographie enorm gesteigert!? Auch dachte damals so mancher, dass
eine Kopplung von HPLC und Massenspektrometrie nicht realisierbar sei – und heute
funktioniert sie ganz selbstverständlich! Die zweidimensionale Chromatographie hat
sich inzwischen ebenfalls sowohl in der Gaschromatographie (GC) als auch in der
HPLC etablieren können. Da sich hier komplementäre Säulen kombinieren lassen, kann
man sogar ohne Vorwissen unbekannte Substanzen mindestens screenen und
(halb)quantitativ erfassen. Für den Laboralltag bleibt allerdings die Identifikation nach
wie vor ein schwieriges Unterfahren, da nicht jede Komponente von einem
Massenspektrometer ionisiert werden kann. Inwiefern hier zusätzlich spektroskopische
Offline-Methoden herangezogen werden müssen und welche (z.B. NMR, IR), lässt sich
etwa beim Rundgang über eine einschlägige Fachmesse erkunden.
Mehrdimensionale Verfahren vermögen das Labor beim Erfassen der Komplexität von
(Bio-)Analytik
wirkungsvoll
zu
unterstützen.
Auch
bei
den
verfügbaren
Säulenmaterialien für eine gute Trennung ist mit weiteren Verfeinerungen zu rechnen.
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Ein Highlight stellen dabei Superficial-porous-Varianten dar. Mit ihrem „harten Kern in
weicher Schale“ bilden sie eine Alternative zu klassischen vollporösen Partikeln. Die
sind heute in der Regel in Größen zwischen 1,3 und bis 5 Mikrometern Durchmesser
verfügbar, wobei die Tendenz zur Ausweitung dieses Fensters geht. Darüber hinaus
machen
gegenüber
aggressiven
Lösungsmitteln
resistente
Varianten
den
Einsatzbereich dieser Partikel immer größer. Das ist für jeden interessant, der die
Effizienz bestehender (UHPLC-)Methoden weiter steigern möchte.
Kollege Roboter – Unterstützung bei der Probenvorbereitung
Mindestens ebenso interessant ist alles, was vor und nach der eigentlichen Analyse
kommt. Bei der Probenvorbereitung greift dem Laboranten immer häufiger der Roboter
unter die Arme – und diese nicht nur bei High-throughput-Anwendungen und nicht nur
bei den Branchenriesen. Eine typische Situation in einem mittelgroßen Labor: Der
Laborant validiert eine neue Methode und schüttelt dazu zwei Tage lang Proben aus.
Was nützt einem da eine Verkürzung eines HPLC-Laufs von dreißig Minuten auf zehn,
wenn die Probenvorbereitung zehnmal so lange dauert? Ein Roboter dagegen könnte
dafür Tag und Nacht durcharbeiten. Und er schafft auch zwei unterschiedliche
Validierungen, die auf demselben Analysengerät laufen sollen!
Nun gibt es schon des längeren Probenvorbereitungsroboter für den Standard-Einsatz,
aber das Ende der Fahnenstange ist keineswegs in Sicht! In der Forschung sind etwa
Roboter in der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie bekannt. Sie ziehen direkt an
der Workbench Proben aus Mikrotiterplatten mit möglichen Wirkstoffkandidaten,
bereiten die NMR-Probenröhrchen vor. Analog können heute vielerlei Arten von Vials
von A nach B gehoben, Pipetten automatisch betrieben oder am Ende alles in die
Laborspülmaschine verfrachtet werden. Da teilweise „nur“ vorhandene Funktionen
zusammengeschaltet werden müssen, ist so manches denkbar – und steht schon auf
dem Sprung zur Marktreife.
„Highliy sophisticated“ – bisher eine menschliche Domäne
Von der Probenvorbereitung zur Auswertung – hier sieht der Laboralltag vielfach so
aus: Eine chemische Struktur liegt auf dem Tisch, daneben hängt der Laborant ein
Massenspektrum, und nun geht es erst richtig los: Wie fragmentiert das Molekül und
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inwiefern könnte es dann zum Spektrum passen? Es gibt zwar erste Software-Tools zur
Automatisierung dieses Schritts, sie können aber noch nicht das Prädikat „highly
sophisticated“ für sich beanspruchen. So legt das betreffende Labor üblicherweise
eigene Datenbanken an, mit denen sich Spektren auf Ähnlichkeiten untersuchen
lassen. Dabei stellt die heutige Software eine wesentliche Unterstützung dar, denn
schließlich werden auf diese Weise schon Fingerabdrücke und selbst Gesichter
zugeordnet.
Eine Herausforderung höherer Dimension stellt im wortwörtlichen Sinne die
Interpretation von Spektren aus den erwähnten Chromatographie-Verfahren mit
mehreren Säulen dar. Denn hier liegt nicht ein Blatt auf dem Tisch, und ein anderes
hängt
an
der Wand,
sondern
auszuwerten
ist
die
Kombination
von
zwei
chromatographischen Dimensionen und zwei oder gar n-facher Fragmentierung im
Massenspektrometer (MS/MS bzw. MSn). Wie soll man das lesen?
Die Lösung liegt in der Projektion auf die für das spezielle Problem wichtig(st)en
Dimensionen – ein Fall für interdisziplinären Forschergruppen aus ChromatographieExperten und Software-Ingenieuren und für eine immer schnellere Mikroelektronik. Sie
wird in einer biologischeren Laborwelt an so mancher Stelle zu einer neuen treibenden
Kraft.
Das gilt erst recht für den großen Bereich von Genetics, Proteomics und Metabolomics.
Da hat man das menschliche Genom entschlüsselt und ist überrascht: Der Punkt, an
dem man die Welt aus den Angeln heben kann, ist damit nicht gefunden. Auch hier geht
es um die Reduzierung von Komplexität in einem biologischen Umfeld
möglicherweise
mit weitreichenden
wirtschaftlichen
und
–
gesellschaftspolitischen
Implikationen.
Roboter und Software auch im Forschungslabor
Ganz analoge Entwicklungen sieht man im typischen Forschungslabor. Seit geraumer
Zeit wächst es enger mit dem Technikum zusammen – da ist die Robotik zum Greifen
nahe. Und allein die heutigen High-througput-Verfahren zur Generierung von
Wirkstoffkandidaten macht Software-Support unerlässlich.
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Wie lässt sich nun das eigene Labor fit für die Zukunft machen? Diese Frage lässt
sich am besten mit einem Rundgang über eine aktuelle Fachmesse beantworten.
Systeme für Forschung, Dienstleistungsanalytik, Effektivitätssteigerung,
Qualitätssicherung und vieles mehr zeigt die labotec in Lausanne am 6./7. Mai 2015.
- Ende easyFairs® Veranstaltungen in der Schweiz 2015 im Überblick:
maintenance Schweiz 2015, 11. & 12. Februar 2015, Messe Zürich (Halle 3)
Empack 2015, 25. & 26. März 2015, Messe Zürich (Hallen 3 und 4)
Packaging Innovations 2015, 25. & 26. März 2015, Messe Zürich (Hallen 5 und 6)
Label&Print, 25. & 26. März 2015, Messe Zürich (Halle 3)
SCHÜTTGUT Basel 2015, 06. & 07. Mai 2015, Messe Basel (Halle 2)
RECYCLING-TECHNIK 2015, 06. & 07. Mai 2015, Messe Basel (Halle 2)
automation & electronics Lausanne 2015, 17. & 18. Mai 2015, Beaulieu Lausanne
automation & electronics Lausanne 2015, 24. & 25. Mai 2015, Messe Zürich (Hallen 3 und 4)
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