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Entwicklungen und Trends im Überblick Das HPLC-Labor der Zukunft – wie wird es aussehen?

Autor / Redakteur: Dr. Stefan Vosskötter* / Dr. Ilka Ottleben

Die Digitalisierung macht auch vor der HPLC nicht halt, und sie wird die etablierte Trenntechnik smarter machen. Der aktuelle Stand der Entwicklungen zeigt bereits jetzt einen Trend hin zu unterstützenden Systemen, die Fehler vermeiden und die Wirtschaftlichkeit steigern. Vollautomatisierte Prozesse sind in vielen Bereichen jedoch aus Kostensicht selbst auf längere Zeit nicht absehbar.

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Das HPLC-Labor der Zukunft wird in jedem Fall smarter werden (Symbolbild)
Das HPLC-Labor der Zukunft wird in jedem Fall smarter werden (Symbolbild)
(Bild: ©Protosom - stock.adobe.com)

Die HPLC ist seit Jahrzehnten eine etablierte Messtechnik, um unbekannte Stoffgemische zu quantifizieren und qualifizieren. Kombiniert mit Detektionsarten wie der Massenspektrometrie (MS) sind immer niedrigere Nachweisgrenzen möglich. Ebenso der Einsatz im Hochdurchsatz. Ihren Ruf als langsame Trennmethode mit teils stundenlangen Messungen hat die HPLC schon lange verbessert – v. a. durch die hardware-seitige Weiterentwicklung, auch bei den Säulenmaterialien. Entwicklungen wie die praxistaugliche SFC – einer Chromatographie mit überkritischem CO2 – werden immer noch als Ergänzung und alternative Trenntechnik angesehen. Vereinheitlicht man die HPLC zur Flüssig-Festphasen-Chromatographie, sind Trenntechniken wie die GPC, die 2D-HPLC oder die Ionenchromatographie bei einigen Anwendungen aus wirtschaftlicher und/oder technischer Sicht alternativlos.

HPLC – wohin geht die Entwicklung?

Man mag vermuten, dass der erste Gedanke zur Weiterentwicklung der HPLC in Richtung höhere Betriebsdrücke geht – wie zu Zeiten der ersten UHPLCs. In der Praxis zeigt sich aber, dass dies nicht der Fall ist. Das hat mehrere Gründe:

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  • Es werden schlichtweg sehr selten Methoden mit extrem kurzen Laufzeiten benötigt
  • Mit höheren Drücken steigen auch die Anforderungen und Belastungen an die verwendeten Materialien, was kürzere Wartungsintervalle zur Folge hat, zumindest im Hochdurchsatz.

Es sind vielmehr Begriffe wie das Labor 4.0, das smarte Labor oder Futurlab NRW, die interessante Konzepte widerspiegeln. Bei allen spielt die Digitalisierung eine entscheidende Rolle und ist Voraussetzung für die Integration, ebenso wie die erforderliche innere Bereitschaft, neue Arbeitsweisen sowie die Weiterentwicklung der Hardware.

Digitalisierung – ein Beispiel

Die Digitalisierung ist kein Trend der Neuzeit. Das zeigt das Beispiel Pharmaindustrie. Integre Prozesse aufzusetzen, erforderte hier schon vor langer Zeit geeignete Software-Lösungen. Die Datenbank-gestützten Software-Systeme machen die Verfahren und Daten ALCOA-konform und bieten gleichzeitig die Basis, Zusammenhänge herzustellen und Abläufe zu automatisieren. Dies zeigen bereits etablierte Prozesse in der F&E neuer aktiver pharmazeutischer Wirkstoffe.

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Das ALCOA-Prinzip

Das englische Akronym ALCOA wird als Rahmen für Datenintegrität und Governance genutzt. Alcoa bezieht sich auf Daten, auf Papier oder elektronisch, und setzt sich zusammen aus Attributable, Legible, Contemporaneous, Original and Accurate:

  • Attributable (zuordenbar) - wer führt eine Aktion aus und wann?
  • Legible (lesbar) - ist eine Datei bzw. sind alle handschriftlichen Einträge lesbar?
  • Contemporaneous (zeitnah) - wurde zum Zeitpunkt der Aktion auch dokumentiert?
  • Original (original) - handschriftlich ausgefüllter Ausdruck oder Beobachtung oder eine zertifizierte Kopie
  • Accurate (korrekt) - keine Fehler oder Editierung ohne dokumentierte Ergänzung

Dies sollte als Basis für alle Data Governance Aktivitäten dienen und ist wegweisend für die Kontrolle über die Datenintegrität. Quelle: www.gmp-navigator.com

Da eine Vielzahl an Substanzen gescreent wird, ist eine Automatisierung erforderlich. Die Aufreinigung der synthetisierten Substanzen geschieht teils automatisiert und nach normierten Verfahren. Dies macht zwar die notwendige Standardisierung von Arbeitsabläufen sichtbar, die meisten existierenden Lösungen sind aber individuell und nicht 1:1 auf andere Labore übertragbar. Setzt sich der Automatisierungstrend fort, muss die nötige Flexibilität für Anpassungen gegeben sein. Durch strengere Regula­rien werden in Zukunft auch Untersuchungslabore sowie andere Forschungseinrichtungen aufgefordert, die Datenintegrität einzuhalten. Dies ist eine gute Chance, bereits bestehende Formen der Automatisierung zu integrieren und existente Prozesse nachhaltiger, wirtschaftlicher und effizienter zu gestalten.

Angelehnt an den Begriff der Industrie 4.0, die vierte industrielle Revolution, steht Labor 4.0 für den vollständig vernetzten, selbststeuernden und optimierenden Prozess. Dies wird zeitnah flächendeckend nicht umsetzbar sein, da die hohen Investitionskosten manche Labore überfordern. Aber es bietet sich an, bereits bestehende Lösungen zu implementieren und die in den Standard-CDS-Systemen etablierten Möglichkeiten der Automatisierung und Unterstützung zu nutzen. Dies können Funktionen sein, um typische Fehler zu vermeiden oder neue Algorithmen für eine reproduzierbarere und erleichterte Auswertung.

Das HPLC-Labor der Zukunft – wo stehen wir?

Ein Blick in die gegenwärtigen Labore zeigt, dass keines dem anderen gleicht. In kleinen Einheiten mit geringem Probendurchsatz wird oft mit klassischen Software-Lösungen gearbeitet oder teils noch manuell ausgewertet. In Betrieben mittlerer Größe ist oft schon ein Datenbank-basiertes CDS-System vorhanden, um die Nachverfolgbarkeit zu sichern und den hohen Datenstrom zu handhaben. Einige wenige La­bore arbeiten automatisiert. Die bestehenden Lösungen sind meist Eigenentwicklungen und auf eine Anwendung spezialisiert.

Die verwendeten Analysenmethoden sind teils schon sehr alt, etwa weil die Zeit fehlt für Methodenoptimierung oder Neuentwicklung. Normen und Zulassungen, die eine dedizierte Methode vorschreiben, können ein weiterer Grund sein. Dabei stehen der HPLC so viele verschiedene Trennmaterialien wie noch nie zur Verfügung. Von Phasen mit extrem kleinen Partikeln für die UHPLC, über spezialisierte Trennphasen für eine einzige Anwendung, bis hin zu Mixed-Bett-Phasen sind viele Materialien vorhanden, mit denen sich fast jede Methode auf den heutigen Stand der Technik bringen lässt, z. B. mit Applikationsnoten der Säulen- oder Systemhersteller. Neue Methoden sind zumeist auch robuster, nachweisstärker und wirtschaftlicher, weshalb sich in den meisten Fällen die Optimierung lohnt.

Software und Hardware

Viele CDS- und HPLC-Systeme bieten bereits jetzt interessante Möglichkeiten in der Software und Hardware, um Prozesse zu automatisieren. Bei der Entwicklung durch die Hersteller steht oft der gesamte Prozess der Messung im Fokus (s.  Abb. 1), wie am Beispiel der Analytical Intelligence von Shimadzu gezeigt. Angefangen bei der Probenvorbereitung, können einfache Verdünnungsschritte im Autosampler durchgeführt werden. Vorsäulen­derivatisierungen wie bei der Analyse von Aminosäuren können reproduzierbarer und mit weniger Probenvolumen vor der Messung automatisiert erfolgen. Machen niedrige Konzentrationen der Analyten eine Anreicherung erforderlich, kann mit einer automatisierten online-SPE die Nachweisgrenze entscheidend verbessert werden.

Während der Messung helfen Assistenzsysteme, typisch auftretende Fehler zu vermeiden. Lösungsmittelstände werden aktiv überwacht und bei kritischen Füllständen die Messung gestoppt, um ein Trockenlaufen und die Schädigung der Säule zu verhindern (s. Abb. 2). Beim Hochfahren der HPLC werden Flüsse und Drücke selbstständig überwacht und anhand der Säulentemperatur langsam auf den eingestellten Maximalwert gebracht. Das vermeidet Druckspitzen, die das Säulenbett schädigen können. Werden Luftblasen detektiert, wird die Messung automatisch unterbrochen. Das System spült die Flusslinien und prüft vor Wiederaufnahme der Messungen den Status.

Trenntechnik

Die Trennsäule ist ein Kernelement einer HPLC. Daher ist es sinnvoll, den Zustand und die Anzahl der Injektionen zu beobachten. Anhand gesetzter Kriterien, wie der Anzahl an Injektionen, der Auflösung einer Standardsubstanz oder dem Gegendruck, lässt sich der Status der Trennsäule ermitteln, die ggf. ihren Austausch erfordern. Durch spezielle Schnittstellen erkennt der Säulenthermostat automatisch, welche Säule im System installiert ist und speichert die Statuswerte in einem digitalen Tagebuch.

Datenauswertung & -technik

Nach der Messung kommt die Datenauswertung. Im regulierten Umfeld gelten besondere Anforderungen, da die Integration der Peaks und die Berechnung der Gehalte bereits jetzt automatisiert erfolgen müssen; manuelle Eingriffe sind hier nicht mehr möglich. Daher existieren schon viele Lösungen für reproduzierbare und automatisierte Auswertungen, bis hin zur automatischen Erzeugung von Messreports.

Neue Algorithmen ermöglichen Integrationen, die früher nur händisch möglich waren. So lässt sich mit einem Dioden-Array-Detektor der lineare Bereich einer Kalibration entscheidend erweitern. Nicht-basisliniengetrennte Peaks können durch eine automatische Peak-Dekonvolution getrennt und quantifiziert werden (s. Abb. 3). System-Suitability-Tests, QA/QC-Checks oder Basislinienkorrekturen können automatisiert während einer Messsequenz ausgeführt werden und bei Nichteinhaltung der Kriterien die Messung stoppen.

Instandhaltung

Die Überwachung der HPLC-Systeme, die Planung der Auslastung und anstehende Wartungen sind schon heute automatisiert mit smarten Service-Netzwerken möglich. Sie halten den Zustand der Anlagen nach und prognostizieren die Lebensdauer von Verschleißteilen. Der Wartungstermin kann weit im Voraus geplant werden. Auftretende Fehler werden zentralisiert, und dem Service lässt sich bereits vorab Zugriff auf das System gewähren, um eine erste Analyse zu machen, den Fehler zu beheben oder Wartungsmaterialien zu ordern.

Fazit

Und wie sieht das HPLC-Labor der Zukunft nun aus? Die Zukunft der HPLC scheint so vielfältig wie auch spezialisiert zu bleiben, ungeachtet des industriellen Fortschritts – jedoch smarter als zuvor. Die Entwicklung der vergangenen Jahre zeigt, dass die HPLC keinesfalls eine veraltete Trenntechnik ist, auch wenn die physikalischen Grundlagen dieselben sind. Die meisten Neuerungen erfolgten hinsichtlich einer benutzerfreundlichen Bedienung, Unterstützung durch Automatisierung einfacher Workflows und neuer Assistenzsysteme. Trotz der Massenspektrometrie oder neuer Trenntechnikern wie der SFC, wird die HPLC auch in Zukunft den Analysealltag begleiten. Allein aus wirtschaftlicher Hinsicht wird sie in kleinen Laboren oder bei geringem Probenvolumen das Maß der Dinge sein. Bei kleinen bis mittelgroßen Unternehmen werden sich einfache Automatisierungen oder unterstützende Systeme durchsetzen. Dies kann z. B. in Form automatischer Probenvorbereitung geschehen oder durch unterstützende Systeme zur Vermeidung typischer Fehler.

* Dr. S. Vosskötter, Shimadzu Deutschland, 47269 Duisburg

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