High Throughput Experimentation
High Throughput Experimentation (HTE) ist eine naturwissenschaftliche Vorgehensweise in der massiv parallelisiert Experimente durchgeführt werden. Die wörtliche Übersetzung wäre Hoch-Durchsatz-Versuchsdurchführung, diese findet aber keine sprachgebrauchliche Verwendung. Bei der Versuchsdurchführung werden gleichzeitig verschiedene Parameter oder Ausgangsmaterialien systematisch variiert und empirisch untersucht, Ziel ist es letztlich in kürzerer Zeit den einzelnen optimalen Wert eines Parameters (z. B. die Reaktionstemperatur, zur idealen Durchführung einer chemische Reaktion) oder ein einzelnes Ausgangsmaterial (z. B. eine Leitstruktur in der Pharmaforschung) schneller zu identifizieren. High Throughput Experimentation wird vor allem in der industriellen Forschung zur Beschleunigung von Neuentwicklungen eingesetzt.[1]
Geschichte
Einige Beispiele für diese Vorgehensweise lassen sich auf Thomas Alva Edison (1878) und Giacomo Luigi Ciamician (1912) zurückverfolgen.[2] Eine der frühen belegbaren Anwendungen dieser Vorgehensweise in der anorganischen Chemie wurde 1909 von Alwin Mittasch durchgeführt.[3] Trotz dieser frühen Bemühungen fand die Vorgehensweise lange Zeit keine Beachtung. Eine Renaissance erfuhr die Methodik in den 1970er und 1980er Jahren in der Pharmaforschung und den Biowissenschaften. Diese Renaissance wurde ermöglicht durch den Einsatz von Laborautomatisierung und leistungsfähigeren computergestützten Auswerteverfahren. Mitte der 1990er Jahren wurde das Prinzip in der empirischen Katalysatorforschung wiederentdeckt und dort mit dem Begriff High Throughput Experimentation definiert.
Prinzip
Das Hochdurchsatz-Prinzip findet heute in verschiedenen Forschungsbereichen der Naturwissenschaften Anwendung, z. B. in der Pharmaforschung, in der Katalyseforschung[4], besonders im Bereich heterogene Katalyse, und den Materialwissenschaften.
Der systematische Ansatz hier an einem Beispiel aus der heterogenen Katalyse umschrieben:[5]
- Design der Experimente, also die Versuchsplanung. Entscheidend bei der Versuchsplanung ist auch, welche Detailtiefe man erreichen möchte: Je höher die Detailtiefe ist desto weniger Versuche lassen sich wegen technischer Beschränkungen noch durchführen.
- Die Synthese der Ausgangsstoffe, die in den folgenden Schritten geprüft werden sollen, also meist deren chemische Synthese, z. B. durch kombinatorische Chemie oder sonstiges Herstellungsverfahren von Materialien (z. B. andere Gemischzusammensetzung).
- Das (High Throughput) Screening (wörtlich übersetzt das Aussieben), also die Analyse- und Testverfahren.
- Die statistische Auswertung, meist mit Hilfe computergestützter Verfahren.
Design, Synthese, Screening und Statistische Auswertung können auch mehrmals hintereinander mit jeweils optimierten Bedingungen ausgeführt werden.
Zur Begriffsbestimmung
Es existieren in den einzelnen naturwissenschaftlichen Disziplinen unterschiedliche niedergeschriebene Definitionen und unterschiedliche sprachgebrauchlichen Definitionen, die mitunter zu Verwirrung führen können: In der Pharmaforschung und Biowissenschaften wird der Begriff High-Throughput-Screening auch teilweise synonym zu High Throughput Experimentation benutzt, allerdings werden in der Pharmaforschung mit dem Begriff High-Throughput-Screening hauptsächlich Testverfahren zur Findung von Leitstrukturen aus Substanzbibliotheken beschrieben. In der heterogenen Katalyseforschung und der Materialforschung ist dagegen der weiterfassende Begriff der High Throughput Experimentation verbreiteter, wo nicht nur Substanzbibliotheken durchsucht werden, sondern auch andere Parameter (Druck, Temperatur, Stoffmenge) untersucht werden.[3][6]
Einzelnachweise
- ↑ Roadmap der chemischen Reaktionstechnik. 1. Auflage. DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., 2010, S. 9.
- ↑ R. Hoogenboom, M. A. R. Meier, U. S. Schubert: ?? In: Macromolecular Rapid Communications. 2003, 24, S. 15–32.
- ↑ 3,0 3,1 W.F. Maier, K. Stöwe, S. Sieg: Combinatorial and High-Throughput Materials Science. In: Angewandte Chemie. International Edition, 119, 2007, S. 6122-6179.
- ↑ N. Aschenbrenner: Katalysator im Heuhaufen. In: Spektrum der Wissenschaft. Januar 2004, ISSN 0170-2971, S. 68-69.
- ↑ F. Schüth, D. Demuth: High-Throughput Experimentation in der heterogenen Katalyse. In: Chemie Ingenieur Technik. 2006, 78. No. 7, DOI:10.1002/cite.200600047, S. 851-861.
- ↑ G. Ertl, H. Knözinger, F. Schüth, J. Weitkamp: Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2nd Edition. Vol. 4, Wiley VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-31241-2, S. 2053-2072.
Literatur
- Melvin V. Koch: Micro Instrumentation: for High Throughput Experimentation and Process Intensification. 1. Auflage. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-31425-6.