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Grüne Analytik Mikro-LC: Wie „grün“ geht HPLC?

Von Dr. Ilka Ottleben Lesedauer: 9 min

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Kaum eine Methode wird in analytischen Laboren so häufig eingesetzt wie die HPLC, um z.B. gesundheits- und umweltgefährdende Substanzen in geringsten Konzentrationen nachzuweisen. Paradox, dass die Methode selbst in nicht zu vernachlässigendem Ausmaß schädliche Lösemittel verbraucht. Umdenken ist gefragt. Welche Stärken kann die Mikro-LC hier im Vergleich zur klassischen HPLC ausspielen?

Abb. 1: Grüne Analytik: Welche Stärken hat die Mikro-LC im Vergleich zur klassischen HPLC?
Abb. 1: Grüne Analytik: Welche Stärken hat die Mikro-LC im Vergleich zur klassischen HPLC?
(Bild: ©Mopic - stock.adobe.com)

Analytische Methoden auf Basis der Flüssigkeitschromatographie (HPLC) kommen in allen pharmazeutischen, chemischen und biochemischen Laboren zum Einsatz – in der Routine wie in der Forschung, in der Qualitätskontrolle wie der Umwelt- und Spurenanalytik. HPLC-Verfahren werden u.a. eingesetzt, um gesundheits- und umweltgefährdende Substanzen in geringsten Konzentrationen nachzuweisen. Allerdings sind diese Verfahren in den meisten Fällen selbst ressourcenintensiv und es werden oftmals Reagenzien genutzt, die nach EHS-Kriterien (Environmental, Health, Safety = Umweltschutz, Gesundheits- und Arbeitsschutz) als bedenklich einzustufen sind. Die Prinzipien der „Green Analytics“ zeigen auf, wie diese Prozesse nachhaltiger, d.h.sicherer, ökologischer und ökonomischer, ausgerichtet werden können.

„Grüne Chemie“: Blaupause für eine nachhaltige Analytik

Welchen Beitrag die Chemie leisten kann und wie eine moderne, nachhaltige Chemie aussehen sollte, formulierten Paul Anastas und John C. Warner im Jahr 1998 in den zwölf Prinzipien der „Grünen Chemie“ [1]. Danach sollen Reaktionen effizient, unter milden Bedingungen, in möglichst wenigen Synthesestufen ablaufen, wenig bis keine Abfälle entstehen und Produkte hervorbringen, die umweltverträglich, nicht-persistent und gut abbaubar sind. Sie vereint damit ökologische, ökonomische und sicherheitsrelevante Aspekte. Um diesem ganzheitlichen Ansatz gerecht zu werden und nicht nur den ökologischen Aspekt in den Vordergrund zu stellen, hat sich in den letzten Jahren der Begriff der „Nachhaltigen Chemie“ mehr und mehr durchgesetzt.

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Dies sind die zwölf Prinzipien der „Nachhaltigen Chemie“
  • 1) Vermeidung von Abfällen anstelle deren Entsorgung
  • 2) Atomökonomie und Atomeffizienz
  • 3) Verwendung harmloserer und weniger giftiger Chemikalien
  • 4) Entwicklung von ungefährlichen Produkten
  • 5) Verwendung von ungefährlichen Lösungsmitteln und Hilfsstoffen
  • 6) Bessere Energieeffizienz
  • 7) Bevorzugte Verwendung von erneuerbaren Rohstoffen
  • 8) Kürzere Synthesewege
  • 9) Katalysatoren statt stöchiometrischer Reagenzien
  • 10) Produkte sollen in der Umwelt abbaubar sein
  • 11) Echt-Zeit-Überwachung chemischer Reaktionen um die Entstehung von gefährlichen Substanzen zu verhindern
  • 12) Von Grund auf sichere Prozesse

Nicht nur in der Chemie, auch in der Analytik sind viele Verfahren energie- und ressourcenintensiv. Es werden Lösungsmittel eingesetzt, die unter den Gesichtspunkten des Umwelt-, Gesundheits- und Arbeitsschutzes als problematisch einzustufen sind und für deren Entsorgung nicht unerhebliche Kosten anfallen. Gleichzeitig werden für die Analytik oftmals toxische Substanzen verwendet – ein Widerspruch, den auch einige Analytiker gesehen und auf der Grundlage der grünen Chemie die Prinzipien der „Green Analytics“ formulierten.

Das sind die zwölf Prinzipien der „Green Analytics“ [2]

1) Direkte Methoden sind indirekten vorzuziehen

2) Minimierung von Probenzahl und Probengröße

3) In-situ-Messungen werden bevorzugt

4) Die Integration von analytischen Prozessen und Operationen in (bestehende) Arbeitsabläufe spart Energie und reduziert den Einsatz von Reagenzien

5) Auswahl von Methoden, die automatisierbar und minimierbar sind

6) Derivatisierungen sind zu vermeiden

7) Vermeidung von Abfällen und sichere Entsorgung von Analytikabfällen

8) Methoden, bei denen mehrere Analyten und/oder mehrere Parameter gleichzeitig messbar und erfassbar sind, sind Methoden vorzuziehen, die nur einen Analyten und/ oder nur einen Parameter erfassen

9) Der Energieeinsatz sollte so gering wie nötig sein

10) Nutzung nachwachsender Rohstoffe

11) Toxische Reagenzien werden nicht eingesetzt/durch nicht-toxische Alternativen ersetzt

12) Die Sicherheit des Anwenders hat Priorität und sollte so hoch wie möglich sein

Miniaturisierte, automatisierbare und ressourceneffiziente Prozesse unter Einsatz nicht-toxischer Reagenzien auf der Basis erneuerbarer Quellen machen diese Analytik zu einer nachhaltigen, denn dadurch wird sie sicherer, ökologischer und – wenn der gesamte Lebenszyklus betrachtet wird – auch kostengünstiger.

Die Flüssigkeitschromatographie ist eines der wichtigsten Teilgebiete der Analytik und in ihren verschiedenen Varianten sicherlich die am häufigsten eingesetzte Methode in der chemischen, biochemischen sowie pharmazeutischen Forschung und Routineanalytik. Daher verwundert es nicht, dass sich auch hier das Schlagwort der „grünen Chromatographie“ findet, hinter dem Methoden und Prozesse stehen, die die vorgenannten Prinzipien erfüllen. Zwei der effektivsten Maßnahmen sind der Ersatz von toxischen Lösungsmitteln und die Miniaturisierung – sowohl in der Probenvorbereitung wie der chromatographischen Auftrennung [3, 4].

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Nachhaltige Analytik braucht Bewertungsmethoden

Die Prinzipien der „Grünen Analytik“ geben eine Richtschnur vor, aber um einen analytischen Prozess umfassend beurteilen zu können, reicht diese nicht aus. Es braucht eine qualitative wie quantitative Bewertung, um anhand festgelegter Kriterien die beste Verfahrensvariante auszuwählen. Für Lösungsmittel stehen „Solvent Guides“ zur Verfügung, die diese nach Umweltaspekten, wie Persistenz und Bioabbaubarkeit, nach Sicherheitskriterien, wie Entflammbarkeit, sowie nach deren Toxizität und dem Einfluss auf die Gesundheit einordnen [5]. Für die Bewertung der Methode kommen weitere Kriterien dazu, wie die Menge des eingesetzten Lösungsmittels, der entstandene Abfall oder die eingesetzte Energiemenge in kWh pro Probe.

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