Suchen

SPECIAL PROBENVORBEREITUNG

à la carte

| Redakteur: Marc Platthaus

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Analytische Bestimmungen sind in unterschiedlichen Bereichen der chemischen, pharmazeutischen oder biotechnologischen Forschung, der Verfolgung von Reaktions- und Produktionsprozessen oder der Qualitätskontrolle für Lebensmittel von enormer Bedeutung. Gerade bei sequenziellen Abläufen ist eine 24/7-Auslastung der eingesetzten Analysensysteme notwendig und wichtig. Aus diesem Grund wird heute kaum noch ein entsprechendes Gerät ohne Automatisierungstechnik ausgeliefert. Zumeist besteht die Automatisierung darin, eine automatische Probenaufgabe zu realisieren und/oder einen Probenwechsel zu gewährleisten. In Vorbereitung der mess-technischen Bestimmung sind häufig Probenvorbereitungsschritte erforderlich, um die zu messende Probe von Begleitstoffen zu trennen oder in eine messbare Form zu überführen. Geräte oder Gerätesysteme, welche auch die zumeist notwendige Probenvorbereitung mit übernehmen können, sind nur selten verfügbar. Zwingend notwendig ist dies z.B., wenn die Probenvorbereitung direkt vor der Analyse online durchgeführt werden muss, um eine Zersetzung der Probenbestandteile zu vermeiden.?Anforderungen ?Da der Aufwand bei der Probenvorbereitung je nach Analysensystem und Fragestellung verschieden ist, unterscheiden sich auch die Anforderungen an die dafür notwendigen automatischen Probenvorbereitungssysteme. So kann die Vorbereitung der Proben beispielsweise darin bestehen, lediglich eine Substanz zuzudosieren oder eine Lösung zu verdünnen. Diese Arbeiten kann bereits ein einfacher Liquidhandler realisieren. Werden jedoch Aufkonzentrierungs-, Filtrations-, Zentrifugations- und/oder Derivatisierungsschritte notwendig, so erhöht sich der dafür notwendige Automatisierungsaufwand zum Teil erheblich. Je nach Applikationsfall sind auch spezielle Bedingungen wie die Handhabung unter Inert- (chemische Applikationen) oder Sterilbedingungen (biologische, vor allem zellbasierte Systeme) zu berücksichtigen.?Wesentlich bei der Konzeption automatisierter Systeme sind vor allem zwei Fragestellungen:?a) Sequenzielle versus parallele Probenbearbeitung?Die Entscheidung über eine sequenzielle oder parallele Probenbearbeitung hängt von den spezifischen Anforderungen, welche an die Reaktion gestellt werden, ab. So sind die Fragen nach dem benötigten Durchsatz, den Zeitanforderungen und der Zahl der zu bearbeitenden Proben zu klären. Anwendungen im klinischen, zellulären oder Genom/Proteom-Bereich sind häufig relativ einfach zu automatisieren; die Proben fallen meist in großer Zahl an. Aus diesem Grund ist hier der Parallelisierungsgrad am weitesten fortgeschritten. Automatisierungstechnisch anspruchsvollere Aufgaben gibt es im chemischen Bereich, da hier beispielsweise noch die Kontrolle der Atmosphäre, eventuell sogar unter variablen Drücken, oder das Arbeiten mit verschiedenen, zum Teil leicht flüchtigen Substanzen anfallen kann. Da hier oftmals geringere Probenmengen vorliegen und die Automatisierung sehr kostenintensiv ist, wird häufig noch sequenziell gearbeitet.?b) Totalautomation versus Teilautomation?Prinzipiell ist es möglich, alle anfallenden Arbeitsschritte zu automatisieren und somit komplexe Abläufe zu gewährleisten. Dabei muss beachtet werden, dass komplexe Abläufe auch aufwändigere Programmierungen erfordern und die Reaktionsmöglichkeiten auf Ergebnisse der Anlage mittels Datenrückkopplung immer begrenzt bleiben. Durch die sukzessive Einführung von Geräten zur Automation einfacher Laborhandgriffe sowie von Automaten zur Durchführung komplexerer Aufgaben können dezentrale Automationssysteme entstehen. Sie haben gegenüber den meisten integrierten Systemen den Vorteil einer größeren Flexibilität. Fehler in einem der beteiligten Geräte führen nicht zum Ausfall des Gesamtsystems, sind leichter lokalisierbar und oft auch leichter zu beheben. Ein weiterer Punkt ist die Kosten/Nutzen-Abschätzung. Eine Totalautomatisierung erfordert zum Teil erhebliche Entwicklungsarbeiten zur Integration von bereits vorhandenen Modulen bzw. zur Entwicklung dieser Module selbst. Sofern es sich nicht um reine Forschungsanlagen handelt, darf der Aufwand, welcher zur Automatisierung von Arbeitsschritten betrieben wird, den zu erwartenden Ertrag nicht überschreiten.??

Lösungen für chemische Applikationen?Die analytische Probenvorbereitung chemischer Proben umfasst in der Regel ein Liquidhandling. In der Laborautomation nehmen Liquid-Handling-Systeme daher einen zentralen Platz ein. Einfache Systeme beschränken sich dabei auf die ein- oder mehrkanalige Dosierung von Flüssigkeiten über Pipetten oder Nadeln. Um komplettere Abläufe automatisieren zu können, ist die Integration weiterer Funktionsumfänge wie Schütteln, Heizen, Filtrieren etc. von Bedeutung. ?Ein entsprechendes System konnte z.B. auf Basis eines PAL-Pipettierroboters realisiert werden. Ein xyz-Roboter wird dabei mit unterschiedlichen Teilstationen verbunden, so dass die Bearbeitung von Probenvorbereitungsschritten bis hin zu Derivatisierungen zur Überführung der Proben in eine messfähige Form möglich ist. Ankopplungen an analytische Messsysteme wurden u.a. für GC 6890, GC/MS 5973, HPLC 1100, HPLC-MS VL (Agilent Technologies), HPLC LaChrom 7000 (Merck-Hitachi), Quattro II (Micromass) oder FTICRMS Apex III (Bruker) realisiert. Die Anzahl möglicher Derivatisierungsverfahren ist aufgrund der flexiblen Grundstruktur des Systems nicht limitiert; bislang erfolgt der Einsatz z.B. für Acylierungen, Methylierungen, Silylierungen oder spezielle Verfahren für chirale Analysen sowie einfache Probenvorbereitungen (Verdünnen, Standardaddition). Dabei ist auch ein Arbeiten unter Inertbedingungen für empfindliche Proben möglich. Das realisierte System verarbeitet unterschiedliche Probenformate, die jedoch alle im Mikrotiterplattengrundraster eingefügt werden (Abb. 1).?Sollen neben reinen Liquid-Handling-Prozessen komplexere Probenvorbereitungen durchgeführt werden, die z.B. auch ein Handling fester Stoffe bzw. den Transport und die Bearbeitung unterschiedlicher Gefäße beinhalten, kommen komplexe vollautomatische Systeme zum Einsatz. Derartige Systeme sind in der Regel nicht am Markt verfügbar, sondern stellen kundenspezifische Lösungen dar, die im Einzelfall konzipiert und realisiert werden. Ein Zentralroboter wird dabei mit zahlreichen Einzelstationen verbunden (Liquid-Handler, Feststoffdosierer, Schüttler, Heizer, Rührer, Vial-Racks etc.) und übernimmt dabei die Funktion des Systemintegrators, der alle Teilstationen miteinander verbindet. Die Schwierigkeit derart komplexer Systeme besteht darin, Geräte unterschiedlicher Hersteller mit unterschiedlichen Hard- und Softwareschnittstellen miteinander zu verbinden und den Dauerbetrieb der Anlagen zu realisieren. Zur Steuerung des Komplettsystems sind übergeordnete Softwarelösungen erforderlich, die über nutzerfreundliche Oberflächen eine einfache Handhabung für den Operator ohne umfangreiche Programmierkenntnisse ermöglichen. Ein entsprechendes System wurde z.B. auf Basis eines Zymate-Systems am Institut für Automatisierungstechnik realisiert. Neben einem einfachen Liquid-Handling über Dosierpumpen kann dabei auch auf den Funktionsumfang des o.b. PAL-Systems zurückgegriffen werden, das an den Zymate-Roboter angeschlossen wurde. Darüber hinaus verfügt das System über Möglichkeiten zur Feststoffdosierung, zum Heizen, Schütteln und Rühren sowie zur Handhabung (Öffnen, Schließen, Crimpen) der eingesetzten Vials (z.B. Standard-GC-Vials 1,8 ml, 2 ml Shorty Vials, 4 ml Vials, 20 ml Headspace Vials bis hin zu klassischen Zentrifugenvials mit Volumina von ca. 40 ml). Eine direkte Einbindung unterschiedlicher Analysensysteme (GC, GC/MS, HPLC) ermöglicht die vollautomatische Durchführung von Analysen. Das System wurde ursprünglich für die kombinierte Probenvorbereitung und Analyse kampfstoffkontaminierter Boden- und Wasserproben entwickelt, um die Handhabung toxischer Proben durch das Personal zu minimieren. Aufgrund der flexiblen Struktur des Systems wurden mittlerweile aber auch die Bestimmung zinnorganischer Verbindungen, PAK´s und Chlorphenole sowie Applikationen aus dem Bereich des Katalysatorscreenings oder der Reaktionsoptimierung automatisiert (Abb. 2).?Bio-Probenvorbereitung ?Biologische Applikationen bauen in der Regel auf einfachen analytischen Verfahren wie Absorption, Fluoreszenz oder Lumineszenz auf. Vor der eigentlichen Messung sind dabei aber häufig umfangreiche Teilschritte durchzuführen. Die Probenvorbereitung im Bereich biologischer Applikationen stellt eigene Anforderungen, die insbesondere auch die Automatisierungslösungen betreffen. Zum einen werden hier im Unterschied zu den chemischen Applikationen häufig multiparallele Bestimmungen mit hohen Probenanzahlen durchgeführt. Damit entfällt das Handling von Einzelproben / -gefäßen; das Standardformat ist hier die Mikrotiterplatte mit bis zu 1536 wells. Das Handling biologischer Proben verlangt darüber hinaus teilweise sterile Bedingungen. Eine weitere Schwierigkeit stellt das Handling von Zellen oder Zellsystemen dar.?Neben einfachen Automatisierungslösungen, die lediglich ein multiparalleles Liquid-Handling ermöglichen, sind im Bereich der biologischen Probenvorbereitung vor allem komplexe roboterbasierte Systeme im Einsatz. Auch hier wird ein Zentralroboter mit verschiedenen Stationen verbunden (Sealer, Piercer, Inkubatoren, Reader, Washer etc.) und übernimmt den Probentransport. Eine hochflexible Grundstruktur der Systeme ist auch hier Voraus-setzung, um eine schnelle Adaptation an unterschiedliche enzym- oder zellbasierte Assays zu ermöglichen. Aufgrund der hohen Anzahl gleichzeitig zu verarbeitender Proben sowie der zeitlichen Prioritäten der Teilschritte werden hierbei insbesondere hohe Anforderungen an die eingesetzten Scheduling-Verfahren gestellt, die eine optimale Nutzung des Gesamtsystems ermöglichen sollen.?Das Erfordernis steriler Bedingungen beim Umgang mit Zellsystemen erschwert die Möglichkeiten der Automation. Neben der Kostenfrage, die durch die Einhausung der Roboteranlagen zur Erreichung von Sterilität besteht, ist insbesondere zu beachten, dass alle eingesetzten Teilsysteme den Sterilitätsanforderungen (Zahl der emittierten Teilchen) entsprechen. Dies führt dazu, dass häufig Systeme, die sich für verschiedenste Applikationen bewährt haben, nicht ohne weiteres auch im Sterilbereich einsetzbar sind.?Zukünftige Entwicklungen werden sich im Bereich der biologischen Probenvorbereitungen vor allem auch mit der Thematik des automatisierten Zellhandlings beschäftigen. Dabei spielen Fragen der automatisierten Zellkultivierung (eines der ersten dazu verfügbaren Systeme wurde kürzlich von Hamilton vorgestellt) ebenso eine Rolle wie Lösungen zur automatisierten Zellisolierung (z.B. Systeme der Aviso GmbH). Die Entwicklung von integrierbaren Insellösungen wird die Vollautomatisierung entsprechender Prozesse entscheidend beeinflussen (Abb. 3).?Softwarelösungen?Automatisierte Lösungen erfordern auch umfangreiche Softwareentwicklungen. Dies umfasst sowohl den Bereich der Programmierung der Anlagen und der Experimente als auch die Auswertung der anfallenden Daten sowie deren Archivierung. Essentiell ist in jedem Fall eine direkte Kopplung zwischen Probenvorbereitung und Analysensystem. Dabei ist es für den Nutzer von Bedeutung, alle die Untersuchungen betreffenden Daten nur einmal einzugeben, so dass über intelligente Softwarelösungen eine Datenübergabe erfolgen muss. Die Realisierung einer einheitlichen Softwareoberfläche ist eine wesentliche Voraussetzung für die Nutzerakzeptanz (Abb. 4).?Für komplexe Lösungen und Anlagen bzw. Systeme, in denen mehrere Anlagen implementiert werden sollen, bieten sich Labor-Informations & Management Systeme (LIMS) an. Diese übernehmen heute nicht mehr nur die Planung der Experimente, sondern verfügen zunehmend über direkte Gerätekopplungen, die einen Datenaustausch in beide Richtungen ermöglichen. In steigender Tendenz erfolgt dabei der Einsatz webbasierter Systeme. Aufgrund der hier standardisierten Schnittstellen ist die Einbindung beliebiger Softwarepakete realisierbar. Darüber hinaus können Software-Upgrades einfach durchgeführt werden, da eine Anpassung lediglich im Bereich der Server erfolgt, aber keine zusätzlichen und regelmäßigen Installationen auf allen Nutzerrechnern erforderlich sind. Insbesondere in Systemen mit einer großen Anzahl von Nutzern ist dies von entscheidendem Vorteil. ?Ausblick?Zukünftige Entwicklungen in der automatisierten Probenvorbereitung werden je nach Applikationsfall (chemisch, biologisch, HTS, Einzelprobenhandling oder parallele Probenbearbeitung) sowohl den Bereich der Einzelsysteme mit beschränkten Funktionsumfängen als auch komplexe Stationen / Systeme betreffen. Inwiefern komplexe Systeme in der Zukunft in großem Umfang realisierbar sein werden, hängt vor allem von der Anzahl zu bearbeitender Proben ab. Darüber hinaus wird in zunehmendem Maße die flexible Konfiguration der Anlage, die ohne umfangreiche Programmierkenntnisse durch den Kunden realisiert werden kann, ausschlaggebend für die Akzeptanz oder Ablehnung vollautomatisierter komplexer Systeme sein. ?Wünschenswert wäre die Einführung einheitlicher Schnittstellenformate, wie sie im Bereich der Computertechnik seit langem realisiert sind. Damit würden umfangreiche Engineeringleistungen für die Integration und Verbindung unterschiedlicher Geräte und Systeme minimiert und Lösungen kostengünstiger am Markt angeboten werden. Die Entwicklung nutzerfreundlicher Softwarepakete sowie von LIM-Systemen zur Planung, Durchführung und Archivierung von Analysen sind weitere Bereiche, die derzeit eine hohe Priorität haben.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 121081)