Janus Teil 2: Das Projekt „Fortschrittliche Chromatographie“

Was, warum und wie aus der Sicht eines Forschungsinstituts

  • Das Institut für Energie und Umwelttechnik (IUTA) ©JRF e. V. in DuisburgDas Institut für Energie und Umwelttechnik (IUTA) ©JRF e. V. in Duisburg
  • Das Institut für Energie und Umwelttechnik (IUTA) ©JRF e. V. in Duisburg
  • Terence Hetzel (links) und Juri Leonhardt (rechts) im Labor des IUTA

Die Einführung neuer Technologien, hier speziell im Bereich der Analysentechnik und Chromatographie, ist neben der rein technischen Entwicklung immer auch mit einer Etablierung am Markt bzw. bei den Nutzern verbunden. Eine Idee oder Erfindung alleine ist noch keineswegs eine Innovation. Erst ihre erfolgreiche Umsetzung in der Praxis lässt aus einer Idee eine Innovation werden. Leider ist festzustellen, dass viele Potenziale ungenutzt bleiben, einfach weil die Akzeptanz fehlt oder wichtiges Basiswissen nicht vorhanden ist. Oftmals werden auch zum Teil eher fadenscheinige Gründe angegeben, warum neue Methoden oder Techniken nicht eingesetzt werden können. Ein beliebtes Argument ist die berühmte Re-Validierung bestehender Verfahren und Methoden. Wir haben dies auf zahlreichen Seminaren und Anwendertreffen erlebt, auf denen Gerätehersteller neue Systeme mit erweiterten Spezifikationen vorgestellt haben.

Was: Der Stand der Dinge

Wie aber sieht der Weg von der ersten Idee bis zur marktreifen Umsetzung eines neuen Produktes oder Verfahrens genau aus? Am Anfang steht die akademische Grundlagenforschung. In diesen Projekten wird die Basis oder das Fundament für eine neue Technik gelegt und die Ergebnisse in einem möglichst hoch-gerankten Peer-Review Journal veröffentlicht. Dabei wird nicht immer die ganze Wahrheit erzählt. Manchmal war es nur ein einziges Experiment, das in einem Zeitraum von mehreren Jahren erfolgreich absolviert werden konnte und den „Proof-of-Concept“ gezeigt hat. Reproduzierbarkeit und Robustheit spielen in diesem Kontext oftmals keine große Rolle. Das ist auch der Grund, warum diese Literatur von vielen „Praktikern“ nicht ernst genommen wird.

An der nächsten Stufe sind wir als anwendungsorientiertes privates Forschungsinstitut direkt beteiligt. IUTA als verfahrenstechnisches Institut kann auf eine lange Tradition der Analytik zurückblicken. Seit der Gründung des Instituts im Jahre 1989, hat die Analytik eine zentrale Rolle gespielt. Damals bei der Bestimmung von Dioxinen, heute bei der Erfassung von Mikroschadstoffen in Wasser, Boden und Luft in extrem niedrigen Konzentrationen. So hat sich in den letzten Jahren ein großes Netzwerk von Unternehmen aus dem Bereich der Analysentechnik gebildet, mit denen unsere Gruppe in ständigem Dialog ist.

Warum: Aus der Forschung zum Produkt

Wir versuchen dabei, neue wissenschaftliche Trends und Bedürfnisse der Industrie aufzugreifen und die Erkenntnisse aus vorwettbewerblicher Forschung einem breiten Kreis an Nutzern aktiv, d.

h. mit einem Bündel an zielgruppenorientierten Transfermaßnahmen, zur Verfügung zu stellen. In vielen Projekten werden, oftmals in Kooperation mit universitären und außeruniversitären Forschungseinrichtungen, sog. technische Demonstratoren entwickelt, die im Anschluss an die vorwettbewerblichen Projekte mit meistens mittelständischen Unternehmen bis zur Marktreife gebracht werden. Aber selbst dann ist unsere Arbeit nicht erledigt. Wir haben den Anspruch, neue Technologien auch im eigenen Institut bzw. im eigenen Labor im Routinebetrieb einzusetzen. Ein Team aus erfahrenen Laboranten, technischen und wissenschaftlichen Mitarbeitern setzt die neuen Erkenntnisse über mehr oder weniger lange Zeiträume in die eigene Praxis um. Das wirft neue wissenschaftliche Fragestellungen auf, die in neuen Projekten aufgegriffen und schließlich in Form von Schulungen, Workshops und Webinaren einem breiten Nutzerkreis vermittelt werden.

Im Bereich der Laboranalytik können folgende Trends ausgemacht werden. Auf der einen Seite wächst der Druck, Ergebnisse schneller vorzulegen und gleichzeitig die Qualität der Analytik zu verbessern. Die Kosten dürfen jedoch nicht aus dem Ruder laufen und müssen in vielen Fällen gesenkt werden, um marktwirtschaftlich erfolgreich zu sein. Dieser Trend macht es erforderlich, neue Wege zu beschreiten. Wir sind diesen Weg konsequent gegangen und haben uns seit mehreren Jahren intensiv mit miniaturisierten HPLC-Verfahren auf Basis der Nano- und Mikro-LC beschäftigt. Der Weg in die Routine war steinig. Er ist auch noch keineswegs abgeschlossen, aber wir haben kürzlich unsere erste Methode auf Basis der Mikro-LC-MS/MS-Kopplung akkreditiert und sind sehr zufrieden. Auch die Akzeptanz derjenigen Kolleginnen und Kollegen, die mit dem System täglich arbeiten, hat deutlich zugenommen. Überwog vor einigen Jahren noch die Skepsis, werden neue LC-MS Methoden heute fast ausschließlich auf Basis der Mikro-LC entwickelt. Warum das sinnvoll ist, dazu werden wir im weiteren Verlauf dieses Projektes ausführlich Stellung beziehen.

Der zweite Trend ist die Analytik komplexer Proben. Egal ob im Bereich der Lebensmittelanalytik, der Umweltanalytik oder ganz allgemein der Lebenswissenschaften, immer soll eine Vielzahl an Einzelinformationen aus einer einzigen Probe extrahiert werden. Eindimensionale chromatografische Trennverfahren stoßen hierbei unweigerlich an ihre Grenzen. Eine hohe Peakkapazität ist leider immer auch an lange Analysenzeiten gekoppelt. Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet die zweidimensionale HPLC, entweder als umfassende (LC x LC) oder Heart-Cut (LC – LC) Variante. Die meisten Gerätehersteller bieten mittlerweile 2D-LC-Systeme an, jedoch: die technischen Probleme können sich, ebenso wie die Peakkapazitäten, multiplizieren. Während GC x GC-Verfahren in Forschungs- und Routinelaboren etabliert sind, sieht es bei der LC x LC bzw. den miniaturisierten Trenntechniken noch etwas „mau“ aus.

Wie: Das Projekt

Genau das wollen wir mit unserem gemeinsamen Projekt mit den Kollegen der GIT ändern. Das eine Stichwort hierbei heißt: vernetzen. Es erstaunt mich immer wieder, wie viele tolle Produkte es auf dem Markt gibt, die mit einer anderen Technologie kombiniert werden können. Gerade mittelständische Unternehmen sind echte Innovationstreiber. Leider fehlt es hier aber häufig an Ressourcen, ein effektives Marketing zu betreiben und potenzielle Kunden zu erreichen. Für beide Seiten, die der Anwender und die der Anbieter, ist dies ein Dilemma, denn die im WorldWideWeb enthaltenen Informationen sind verborgen und müssen erst sichtbar gemacht werden. Ein zunehmendes Problem unserer Informationsgesellschaft, die eigentlich auf „Exformation“ (das heißt, extrahierte Information) angewiesen ist. Deshalb sind wir in der Massenspektrometrie ja auch überwiegend an extrahierten Ionenstromchromatogrammen interessiert, das Totalionenstromchromatogramm ist häufig wertlos. Über die gemeinsame Plattform der GIT können jedoch gezielt Links zu den entsprechenden Produkten oder Applikationen gesetzt werden.

Das andere Stichwort heißt: schulen. Soll beispielsweise ein Mikro-LC-System beschafft werden, kann über eine Marktrecherche und das Abfragen technischer Spezifikationen schnell ein Überblick über entsprechende Anbieter gewonnen werden. Wie aber geht es weiter, wenn das System im Labor installiert wurde und der Servicetechniker weg ist? Was muss beim Anschluss der Säule beachtet werden, welche Fittings gibt es, und sind spezielle Detektoren wie ELSD oder CAD auch für Mikro-LC geeignet? Was muss berücksichtigt werden, um die Säule nicht zu beschädigen, kann diese auch bei 1.000 bar betrieben werden etc. Um eines klar vorweg zu nehmen: wir werden nicht die Antworten auf alle Fragen haben. Aus manchen Fragen können sich neue Forschungsprojekte entwickeln, daran sind wir immer interessiert. Wir möchten aber unser über die Jahre gesammeltes Wissen nicht für uns behalten, sondern dieses gerne weitergeben, damit sich bestimmte Technologien, die wir als zukunftsweisend erachten, auch tatsächlich in der Routine durchsetzen können und damit zur echten Innovation werden.

Im Bereich der Forschung stehen aktuell zwei Projekte der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) im Fokus, die über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert werden und einen direkten Bezug zu den o. g. Themenfeldern haben. Die IGF schlägt eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und wirtschaftlicher Bedeutung. Unter dem Dach der AiF und Forschungsvereinigungen, wie z. B. IUTA, werden neue Technologien für gesamte Branchen und zunehmend branchenübergreifend aufbereitet, um die Wettbewerbsfähigkeit mittelständischer Unternehmen zu erhalten und zu stärken. Das gemeinsame Kooperationsprojekt mit den Kollegen der Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl für Angewandte Analytische Chemie, befasst sich mit dem Aufbau und der Evaluierung eines vierdimensionalen Trenn- und Detektionssystems auf Basis der zweidimensionalen Flüssigkeitschromatographie, der Ionenmobilitätsspektrometrie und der Massenspektrometrie. Innerhalb dieses Projektes soll der Frage nachgegangen werden, inwieweit der zunehmende Grad an Komplexität unterschiedlicher Trenn- und Detektionssysteme zu einem echten Mehrwert bei der Lösung aktueller analytischer Fragestellungen aus den Bereichen Umwelttechnik und pharmazeutische Analytik führt.

Ein weiteres Projekt, das sich mit der mikrofluidischen Charakterisierung miniaturisierter Systeme auf Basis der Flüssigkeitschromatographie beschäftigt, steht kurz vor der Bewilligung. Hierbei soll der Frage nachgegangen werden, welche maximale Trenneffizienz sich mit miniaturisierten Trennsäulen erzielen lässt, die einen Innendurchmesser von 300 μm aufweisen und mit ultra-kleinen Partikeln mit einem Durchmesser zwischen 1,3 μm und 1,9 μm gepackt sind, wenn alle Außer-Säulen Volumina, die zu einem signifikanten Verlust der intrinsischen Trenneffizienz beitragen, auf das zum gegenwärtigen Zeitpunkt technisch mögliche Mindestmaß reduziert werden. Zu beiden Projekten finden in regelmäßigen Abständen Informationsveranstaltungen statt. Die Teilnahme an diesen Meetings ist i. d. R. kostenfrei. Potenzielle Anwender sowie Gerätehersteller und Unternehmen aus der Branche der Analysentechnik wird die Chance gegeben, sich aus erster Hand über die aktuellen Ergebnisse zu informieren und mit den Angehörigen der Forschungsstellen über praxisrelevante Anwendungsmöglichkeiten zu diskutieren. Die entsprechenden Termine zu den einzelnen Sitzungen werden über das Online-Portal der GIT sowie der Website des IUTA bekannt gegeben.

Haben Sie Fragen zur Anwendung und Technik im Bereich Mikro-LC und 2D-LC? Fragen Sie die Experten vom IUTA: adlichrom@iuta.de

Autoren:

Thorsten Teutenberg, Terence Hetzel, Juri Leonhardt, Denise Loeker

Kontakt:

Dr. Thorsten Teutenberg

Bereichsleiter Forschungsanalytik

Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V.

adlichrom@iuta.de

Kontaktieren

Microsite Fortschrittliche Chromatographie


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