English China

Labor 4.0 Analytical Intelligence im LC-MS-System

Autor / Redakteur: Julian Elm* / Dr. Ilka Ottleben

Das Probenaufkommen in Laboren nimmt stetig zu und damit auch der Wunsch nach Produktivitätssteigerung. Leistung und Bedienbarkeit von Geräten und Software sowie die Erfahrung der Nutzer beeinflussen maßgeblich die Zuverlässigkeit der Ergebnisse und den Zustand der Systeme. So spielen neben der Automatisierung vieler Prozesse unterstützende Funktionalitäten eine große Rolle.

Anbieter zum Thema

Abb. 1: Ablauf eines Auto-Startup mit der LC-40
Abb. 1: Ablauf eines Auto-Startup mit der LC-40
(Bild: Shimadzu Deutschland)

Kopplungstechniken liegen im Trend. So wie heute moderne Probengeber die Abarbeitung einer möglichst großen Probenzahl automatisieren, so finden sich auch in der High-End-Analytik, etwa der LC-MS, neue Kopplungstechniken. Die LC-MS-Analytik hat sich im Lebensmittel-, Umwelt- oder im klinischen Bereich vielfach zu einem Goldstandard entwickelt. Das Verfahren ist präzise, schnell und eignet sich zur vielseitigen Spurenanalytik.

Direkt gekoppelte Automaten zur Probenvorbereitung sind auf dem Markt noch rar gesät. Gerade aber diese Techniken ermöglichen auch eher unerfahrenem Laborpersonal, komplizierte Systeme zu steuern. Ein Beispiel hierfür ist das Clam-2030-System von Shimadzu. Es arbeitet automatisiert Blut- oder Urinproben auf. Direkt mit der anschließenden LC-MS-Analyse zu einem einzigen System verbunden, erleichtert dieses System die Analyse und steigert die Effizienz. Zudem senkt die Automatisierung das Risiko von Schwankungen oder Fehlern, wie sie bei manuellen Operationen vorkommen und steigert die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Daten.

Bildergalerie

Trotz der bisherigen Möglichkeiten der Automatisierung sind nach wie vor Fachwissen und Erfahrungen gefragt sowie ein gutes Verständnis für die Prinzipien der analytischen Techniken und Systeme. So können erfahrene Analytiker beispielsweise potenzielle Risiken im Voraus erkennen oder im Laufe der Datenanalyse versteckte Probleme in den Messdaten ausmachen und entsprechend gegensteuern. Allerdings erfordert das Aneignen von Wissen und Fähigkeiten sehr viel Zeit und Erfahrung. Aus diesem Grund bedient selten eher unerfahrenes bzw. noch lernendes Laborpersonal komplexe Analysegeräte, wie HPLC- oder MS-Systeme. Hochmoderne, neue Funktionen bieten hier jedoch zunehmend Unterstützung. Sie lassen sich unter dem Begriff Analytical Intelligence zusammenfassen. Darunter versteht man das direkte Zusammenspiel von Instrument und Software, die einen erfahrenen Bediener simulieren, der die Qualität der Bedingungen und Ergebnisse automatisch feststellt, den Anwendern Feedback gibt und häufige Probleme löst.

Analytical Intelligence zur Lösung einer Problematik

So liegt der Optimierungsbedarf bei komplexerer Analytik nicht allein in der Analysenzeit und einem höheren Probendurchsatz. Das wichtigere Ziel ist die Generierung von richtigen und zuverlässigen Ergebnissen – jederzeit und unabhängig von den Kenntnissen und Fähigkeiten des Anwenders. Genau da ist die Analytical Intelligence eine große Hilfe.

Das neuartige Konzept steht für das Zusammenspiel von System- sowie Software-Lösungen, und bietet unterschiedliche Optionen und Möglichkeiten. So werden mithilfe der Software erfahrene Analytiker simuliert, die vielfältige Hilfestellungen geben, wie die Beurteilung von Resultaten und Parameterkon­trollen. Sie assistieren dem Laborpersonal, wodurch sich mögliche Probleme schneller erkennen und lösen lassen. Dadurch werden Unterschiede in Gerätekenntnissen oder Erfahrungen kompensiert und die Zuverlässigkeit der Daten erheblich erhöht. Ein typischer Arbeitsablauf in der HPLC/MS birgt mehrere Risiken, die kontinuierliche Analysen unterbrechen oder die Zuverlässigkeit der Daten beeinträchtigen können. Welche Unsicherheiten sind das und wie werden sie durch die Analytical Intelligence minimiert?

Startup und Methoden smart optimieren

Ein abrupter Start des Lösemittelflusses an einem LC-System kann durch Druckschwankungen die HPLC-Säule beschädigen. Das lässt sich mit einer Auto-Startup-Funktion vermeiden, etwa wie sie die neue Nexera-HPLC-Serie von Shimadzu bietet. Diese Funktion ermöglicht einen kontrollierten Systemstart – zu Wunschdatum und -uhrzeit. Dann beginnt die Flowpilot-Funktion mit der Equilibrierung der Säule und erhöht die Flussrate der mobilen Phase bei steigender Säulentemperatur. Das heißt, das System ersetzt automatisch die manuellen Eingriffe von erfahrenen Analytikern, um Säulenschäden zu vermeiden, und übernimmt selbstständig die Vorbereitung des Systems.

Neben der Equilibrierung ist die Methodenoptimierung bedeutend, da die Entwicklung und Optimierung einer individuell angepassten LC-MS-Methode sehr zeitaufwändig ist. Sowohl die Optimierung der Spannungseinstellungen innerhalb des Massenspektrometers als auch die Anpassung von Quellenparametern sind hierfür essenziell. Viele der hier nötigen Anpassungsschritte können neuartige intelligente Funktionen automatisiert durchführen.

Säulen verwalten und Bedingungen visualisieren

Voraussetzungen für eine zuverlässige HPLC-Analytik, insbesondere einer Quantifizierung, ist eine geeignete und leistungsstarke Trennung der Chromatographie-Säule, wobei deren Trennleistung nutzungsbedingt mit der Zeit abnimmt. Eine intelligente Software zur Säulenverwaltung stellt sicher, dass immer eine geeignete Säule mit ausreichender Leistung verwendet wird. Das macht sich besonders bezahlt, wenn verschiedene Anwender das gleiche System nutzen, da die mögliche Fehleranzahl sinkt und die Zuverlässigkeit der Analytik steigt.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Moderne Säulenmanagementfunktionen der Software verknüpfen verschiedene Informationen miteinander, z. B. den Injektionsdruck, die Anzahl der Injektionen oder die verwendeten Lösemittel. Diese Werte werden in einer Datenbank hinterlegt. Später können dann alle relevanten Hinweise der registrierten Säulen, etwa ihre Nutzungshistorie oder das letzte aufgezeichnete Chromatogramm, auf einen Blick abgerufen und der Säulenzustand somit ohne zusätzlichen Aufwand überprüft werden.

Parameter überwachen und Fehler automatisiert beheben

Ein Leerlaufen bzw. Trockenlaufen einer HPLC-Anlage kann zu vielerlei Problemen führen, etwa Probenverlust oder Beschädigung der Säule. Zudem muss nach dem Trockenlaufen die HPLC-Anlage aufwändig und zeitintensiv gespült werden. Für einen erfahrenen Anwender ist die Füllstandskontrolle der Laufmittel vor Messbeginn selbstverständlich – jedoch übersieht ein weniger erfahrener Anwender gegebenenfalls diesen Aspekt.

Intelligente LC-Systeme sind um diese Funktionen zur automatischen Kontrolle der Lösemittelstände erweiterbar. So übernimmt z. B. der Mobile-Phase-Monitor von Shimadzu automatisch die Kontrolle der Lösemittelverfügbarkeit für die Nexera LC-Serie. Ein Gewichtssensor meldet vor dem Analysestart, ob das aktuelle Volumen der Laufmittel für die komplette Messserie ausreicht. Andernfalls wird es aufgefüllt, und das Laborpersonal startet beruhigt die Messung.

Trotz einer Überwachung der Lösemittel können sich im Laufe einer Messreihe im LC-System Luftblasen bilden – ein Effekt, der auch einem erfahrenen Anwender unterkommen kann. Dann muss die Analyse gestoppt und die Luft ausgespült werden. Solche Probleme treten meist bei unbeaufsichtigtem Betrieb auf. Luftblasen im HPLC-System können zu Schwankungen in der Retentionszeit und der Signalform führen, sodass die Messung im Nachhinein wahrscheinlich wiederholt werden muss. Mit so genannten Lösemittelentgasern treten solche Probleme seltener auf. Und wenn doch, erkennen Auto-Diagnose- und Auto-Recovery-Funktionen abnormale Druckschwankungen und starten automatisch das nötige Spülen der Pumpe. Auf diese Weise unterstützt die Analytical Intelligence als zusätzliches Mitglied im Laborteam die Überwachung des Systems und verhindert so Analyseausfälle.

Signal-Erkennung und automatisierte Integration

Angesichts immer schnellerer Mess- und Datenerfassungszeiten werden die Auswertung und die Datenverarbeitung zunehmend zu einem limitierenden Faktor für die Effizienz einer Analyse, besonders wenn manuelle Eingriffe zur Auswertung beispielsweise für die Integration von Signalen erforderlich sind. Daher ist die Automatisierung solcher Datenverarbeitungsprozesse in der LC/MS-Analytik unerlässlich.

Die manuelle Erkennung und die dazugehörige Integration von Signalen führen häufig zu Komplikationen. So finden sich z. B. während des Auswerteprozesses Unterschiede zwischen einzelnen Bedienern aufgrund von verschieden gesetzten Parameter-Einstellungen oder dem individuellen Empfinden zur Güte der beobachteten Signale. Hierdurch wird eine einheitliche Quantifizierung nahezu unmöglich gemacht.

Intelligente Softwarefunktionen spielen also insbesondere auch bei der Auswertung der Daten eine sehr wichtige Rolle – wie zur Unterstützung bei der korrekten Signalinte­gration, bei der Markierung auffälliger Messergebnisse oder positiver Befunde in einer Multikomponentenanalytik. So ermöglicht die Software Labsolutions Insight, den Überblick zu behalten und durch eine individuell angepasste Markierung wichtige Ergebnisse darzustellen – auch bei gleichzeitiger Erfassung hunderter verschiedener Komponenten innerhalb einer einzigen MS-Analyse. n

* J. Elm, Shimadzu Deutschland, 47269 Duisburg

(ID:47363259)