creative kreative lösungen gefragt solutions in demand...reduce the number of handling er-rors to...

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It takes a relatively large amount of effort before any type of samplereveals information about the composition and constituents of a sub-stance. The amount of effort needed is particularly large when a sam-ple matrix is involved, and this is often the case in biotechnology, genetechnology and the life sciences. Experts believe that this field has the

largest potential for innovation.When users look for simplification and au-tomation, they tend to focus on sample preparation (often in connectionwith sample injection), which traditionally involves a large number of man-

Immer noch bedarf es eines vergleichsweise großen Aufwands, bevor einewie auch immer geartete Probe Auskunft gibt über Zusammensetzung

und Inhaltsstoffe. Der Aufwand erweist sich vor allem dann als besondersgroß, wenn es sich um komplexe Probenmatrices handelt, mit denen sichetwa die Life Sciences sowie die Bio- und Gentechnologie beschäftigen.Diesen Bereichen bescheinigen Experten das größte Innovationspotenzial.Bei der Vereinfachung und Automatisierung haben Anwender vor allemdie Probenvorbereitung (oft im Zusammenhang mit der Probenaufgabe)im Blick, die klassischerweise geprägt ist von einer Vielzahl manuellerArbeitsschritte, die mit vielen Fehlerquellen behaftet sind und zudem beider chemischen Analyse das größte Einsparpotenzial bieten. Der Wunsch zur Automatisierung analytischer Prozesse wird immer auchdann geäußert, wenn zwischen der Probenahme und dem Vorliegen einesaussagekräftigen Messergebnisses in der Regel viel Zeit verstreicht, dasErgebnis aber entscheidend ist für das weitere Prozedere, etwa inindustriellen Prozessen oder bei der Überwachung von Schadstoffeinträgenin die Umwelt. Dem versucht man durch den Einsatz einer effizientenOnline- oder Atline-Analytik zu begegnen, die kontinuierlich Daten aus demProzess liefern bzw. es ermöglichen, zeitnahe Ergebnisse zu produzieren.Der Trend zu leistungsstarken, multifunktionalen Laborrobotern, die mitgeringsten Probemengen auskommen, ist ungebrochen. Bis verwertbareMessergebnisse vorliegen, fließt bislang mancher Tropfen Schweiß,

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Creativesolutions in demand

Kreative Lösungen gefragt

The need to save money and improve performanceat the same time is providing added impetus tothe development of laboratory and analysis solu-tions. The drive towards simplification, accelera-tion and automation of analytical work, from ex-traction and preparation of the sample to resultanalysis, is a top priority.

Die Forderung, Geld zu sparen und gleichzeitig dieLeistung zu steigern, stimuliert die Entwicklungder Labor- und Analysentechnik. An erster Stellesteht der Trend zur Vereinfachung, Beschleuni-gung und Automatisierung von Messprozessen,angefangen bei der Probennahme über die Pro-benvorbereitung bis zur Auswertung der Mess-ergebnisse.

Trend Report: Laboratory and Analytical TechniquesTrendbericht: Labor- und Analysentechnik2006

Trends at a glance■ Automation drives down cost and enhances safety and reliability■ Demand for higher sample throughput is driving innovation forward■ Proteomics – a relatively new branch of the life sciences■ Lab-on-a-chip technology: the move to the mini laboratory

Trends auf einen Blick■ Automatisierung reduziert Kosten und schafft mehr Sicherheit■ Höherer Probendurchsatz als Innovationsmotor■ Proteomics – ein vergleichsweise junger Zweig der Biowissenschaften■ Lab-on-a Chip: Trend zum Minilabor

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ual operations. These steps are error prone, and they also offer the great-est potential for reducing the cost of chemical analysis.Users express the desire to automate analytical processes whenever a longtime normally elapses between extraction of the sample and availabilityof useable results and when the results are crucial for the downstreamprocess, for example in industrial process applications or monitoring of en-vironmental contaminants. In cases like this, the solution is to deploy on-line or at-line analysis techniques, send a continuous stream of data fromthe process or provide fast analysis results.The trend towards high-performance, multi-functional laboratory robotswith minimal sampling volumes continues unabated. To achieve useableresults, users have to invest a lot ofsweat and consume large amountsof solvents. These solvents are of-ten toxic, and disposal can be bothtime consuming and costly. Themarket is looking for systems whichare cost-effect and have minimalenvironmental impact.What a lab-oratory robot can contribute de-pends on its mechanical capabili-ties, for example the sample han-dling options it offers, what itsfunctional arms can do and howmany directions it can operate in.However, system IQ is also crucial,in other words the degree to whichthe control software can be em-bedded into the analytical context(the overall analysis system). Easeof use is also a key issue in order toreduce the number of handling er-rors to an absolute minimum.

Moving towards lowdetection thresholdsDemand for higher samplethroughput is driving innovationforward, especially in the field ofchromatography, which is the old-est analysis technique. Despite thefact that this technology is largelymature, chromatography-basedseparation methods and in partic-ular capillary gas chromatography(GC) and high-performance liquidchromatography (HPLC) are usedin nearly every chemical analysislaboratory,particularly in combina-tion with mass selection.Put simply, terms such as Fast GCor Fast LC, which have recentlybeen cropping up in the laborato-ry world, describe the attempt toreduce analysis time to a minimumwithout affecting the quality of theresults. In GC applications, this isconceivable and feasible if thelength and inner diameter of thecapillary columns is reduced. Thedevelopment of new column pack-ing materials based on nanotubes

mancher Liter Lösemittel, teils toxischer Natur, der obendrein nochaufwändig und für teures Geld entsorgt werden muss. Für den Markt sinddaher Systeme interessant, mit denen sich ökonomische und ökologischeAspekte effektiv zur Deckung bringen lassen. Was der Laborrobotertatsächlich kann, hängt allerdings nicht allein von seinen mechanischenFähigkeiten ab, etwa welche Optionen er dem Anwender bei derBearbeitung seiner Proben einräumt, was seine Funktionsarme zu leistenin der Lage sind oder in wie viele Raumrichtungen sie agieren können.Entscheidend ist auch der IQ des Systems, mit anderen Worten dieSteuersoftware, die sich möglichst in den analytischen Kontext, also daskomplette Analysensystem, integrieren lässt und dank einer möglichst

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or nano particles could possibly enhance the per-formance of chromatography systems, but thetechnology is still in its infancy.One development in the field of HPLC sounds ex-otic, but it is actually commonly used in GC. Anumber of manufacturers are now offering sys-tems,either as new LC systems or upgrades to ex-isting LC systems, which make it possible to per-form separation at different temperatures or dif-ferent temperature gradients (temperature pro-grammed liquid chromatography or TPLC). Thiscan increase separation performance and resolu-tion, and it can also significantly reduce the con-sumption of expensive or toxic organic solvents.

Enhanced chemical expertiseincreases detection capabilitiesA number of methods are available for structur-al analysis and quality control. IR and Ramanspectroscopy are widely used, and laser spec-troscopy is becoming a more popular alternativewhen other methods reach their limits. Massspectrometry is one of the more important andwidely used analytical techniques. New genera-tions of chip-based detectors can simultaneous-ly identify different masses including the massof large molecules. Inductively coupled plasmamass spectrometry (ICP-MS) is rapidly becom-ing the solution of choice for isotope ratio de-termination thanks to the development of high-performance and increasingly user-friendly mul-ti-collector instruments.Accurate, efficient calibration continues to be amajor issue,which is why mass spectrometry iso-

leichten Handhabung die Zahl potentieller Feh-lerquellen auf ein Minimum reduziert.

Niedrige Nachweisgrenzen undhoher Probendurchsatz stimulierenDie Forderung nach einem höheren Proben-durchsatz erweist sich als starker Innovations-motor – auch und vor allem in einer der ältestenAnalysentechniken, der Chromatographie. Ob-wohl weitgehend ausgereift, haben die chroma-tographischen Trenntechniken, allen voran dieKapillar-Gaschromatographie (GC) und dieHochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC),ihren festen Platz in nahezu jedem chemisch-analytischen Laboratorium – insbesondere inVerbindung mit der massenselektiven Detektion. Hinter Begriffen wie Fast-GC oder Fast-LC, die seiteiniger Zeit in der Laborwelt kursieren, verbirgtsich, vereinfacht gesagt, das Ziel, die Analysen-dauer ohne Qualitätseinbußen auf ein Minimumzu beschränken, was in der GC-Praxis durchkürzere Kapillarsäulen mit geringerem Innen-durchmesser denkbar und möglich ist. Die Ent-wicklung neuartiger Säulenträgermaterialien,etwa auf Basis von Nanoröhrchen oder Nano-partikeln, birgt viel Potenzial für eine leistungs-fähigere Chromatographie, steckt allerdingsnoch weitestgehend in den Kinderschuhen. In der HPLC zeigt sich eine Entwicklung, dieexotisch klingt, bei der GC jedoch seit jehergängige Praxis ist: Verschiedene Herstellerofferieren ihren Kunden Systeme, entweder imRahmen neuer LC-Gesamtsysteme, oder zur Er-weiterung bestehender LC-Systeme, die es mög-

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Screening robot for high-throughput screening

Screening-Roboter für das High-througput-Screenning



tope dilution analysis is used in nearly all fieldsof analysis. The molecular mass of the standarddoes not interfere with the signals from the an-alyte.This enables users to reduce the number ofchromatographic passes and save time, becausethe standard is added to the sample rather thanacting as an external standard, which would re-quire additional run time on the equipment.MS isotope dilution analysis highlights a re-markable trend. In the past, the development ofsophisticated technology took place in largeleaps,and it was based on innovative equipmentand analytical techniques. Today, attention isoften focused on the molecular level, in otherwords the chemistry of the target components.It is often possible to use derivatization reactionsto make substances suitable for chromato-graphic analysis in order to identify minutequantities with high specificity.

Problems create new opportunitiesThe terrorist attacks during the past five yearshave stimulated the development and use of se-curity equipment which is used to detect chem-ical weapons and toxins and to detect explosivesin high-security zones such as airport passengercheck-in areas.The increased interest in ion mo-bility spectrometers (IMS) is a reflection of ef-forts to detect explosives. IMS technology isbased on the mobility of molecules in a coun-tercurrent of a gas in an electrical field. Mole-cules can be ionized using an Ni-63 based ra-dioactive source. The time of flight is measured,and the user knows very quickly whether thesubstance in question is present. Sensitivity isextremely high and with some substances it iseven better than GC-MS.The sensitivity range isusually 0.01–1000 ppm. IMS is to some extentcomparable with time-of-flight (TOF) mass spec-trometry, but IMS work at atmospheric pressure.A number of new developments are directly re-lated to the effort to decode the human genomeand eliminate sources of disease. Gene technol-ogy and biotechnology are primarily concernedwith the discovery and duplication of genetic da-ta. A relatively new branch of the life sciences,proteomics, looks at all of the proteins in a cell.If you look at a cell at any given point in time,you will discover that the cell has not expressedanything like the complete complement of pro-teins that actually could be expressed. Most ofthe genes in a cell are never read. Conversely, anumber of different proteins can have theirsource in a single gene. These genes consist ofmodules which can be combined in various waysto form messenger molecules. The ribosomereading mechanisms then produce the differentproteins. This enables the cells in the immunesystem to quickly produce antibodies against avariety of pathogens. This has led a number ofscientists to conclude that the complete com-

lich machen, eine Trennung bei unterschied-lichen Temperaturen beziehungsweise mit ei-nem Temperaturgradienten (Temperaturpro-grammierte Flüssigkeitschromatographie, TPLC)zu fahren. Das führt von Fall zu Fall nicht nur zueiner Steigerung von Trennleistung und Auf-lösung, sondern hilft auch, erhebliche Mengenteils teurer oder toxischer organischer Lösemitteleinzusparen.

Problemfälle generieren neueAnwendungsfelderDie Zahl der Terrorangriffe in den zurück-liegenden fünf Jahren hat die Entwicklung undden Einsatz von Sicherheitstechnik stimuliert,einerseits zum Nachweis chemischer Kampf- undGiftstoffe, andererseits auch zum Nachweis vonSprengstoffen insbesondere an sensiblen Punk-ten, etwa der Passagierabfertigung am Flug-hafen. Im Zusammenhang mit dem letzt-genannten Punkt ist das gesteigerte Interesse anIonenmobilitätsspektrometern (IMS) zu sehen.Das Messprinzip des IMS basiert auf der Mobilitätvon Molekülen im Gegenwind eines Gases imelektrischen Feld; die Ionisierung der Moleküleerfolgt unter anderem mithilfe einer Ni-63-basierten radioaktiven Quelle. In kürzester Zeitwird anhand der Flugzeit der Moleküle ge-messen, ob die gesuchten Stoffe vorhanden sind.Die Nachweisempfindlichkeit ist extrem großund bei einigen Stoffen sogar besser als die einesGC-MS. Der Nachweisbereich liegt üblicherweisebei 0,01 bis 1000 ppm. Stoffgemische werden inbeschränktem Umfang durch unterschiedlicheFlugzeiten getrennt. Die IMS lässt sich in gewisserHinsicht mit der Time-of-Flight (TOF)-Massen-spektrometrie vergleichen, allerdings arbeitetdie IMS unter Atmosphärendruck.In unmittelbarem Zusammenhang mit demWunsch, das Genom des Menschen zu ent-schlüsseln und Krankheiten an ihren Wurzeln zuheilen, bevor sie entstehen, steht eine Vielzahlneuer Entwicklungen. Während sich die Gen-und Biotechnologie vor allem mit der eigent-lichen Aufklärung der genetischen Daten sowiederen Vervielfältigung beschäftigt, versucht einvergleichsweise junger Zweig der Biowissen-schaften, die Proteomics, den Blick auf dengesamten Proteinbestand einer Zelle zu werfen. Untersucht man eine Zelle zu einem bestimmtenZeitpunkt, zeigt sich, dass sie bei weitem nichtden gesamten Satz an Proteinen herstellt, densie erzeugen könnte. Die allermeisten Gene einerZelle werden niemals abgelesen. Umgekehrt ent-stehen aus bestimmten Genen mehrere ver-schiedene Proteine. Diese Gene sind ausModulen aufgebaut, die unterschiedlich zu Bo-tenmolekülen zusammengesetzt werdenkönnen. Entsprechend fertigt die Ablesemaschi-nerie der Ribosomen unterschiedliche Proteine.Auf diese Weise können etwa die Zellen derKörperabwehr in kurzer Zeit Antikörper gegen

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plement of proteins which can beexpressed and modified in a cell,the proteome, is biologically moresignificant than the genome.Fluorescent arrays provide a stan-dard way of analyzing biomoleculesin proteome research, for exampleto detect proteins and enzymes incomplex matrices. However, MS isalso an important analytical tool ina proteomics lab, because it pro-vides more information about thecomposition and structure of a sub-stance from a smaller sample vol-ume than any other analytical tech-nique. Matrix Assisted Laser Des-

orption/Ionization Mass Spectrom-etry (MALDI-MS) as well as LC/MScan handle high sample throughputat high resolution. High-resolutionFourier Transform Ion CyclotronResonance also plays a major role,particularly in the final stages ofprotein analysis, because mass res-olution and accuracy is one hun-dred times better than with otherMS techniques.

Success is a question oftime, not sizeThe move to the mini laboratorycontinues, and it is a characteristicfeature of gene and proteome

die unterschiedlichsten Erregerherstellen. Viele Wissenschaftlerhalten daher die Proteinausstat-tung einer Zelle, also das Proteom,für biologisch aussagekräftiger alsdas Genom.Zur Analyse von Biomolekülen so-wie in der Proteom-Forschung, etwazum Nachweis von Proteinen undEnzymen in komplexen Matrices,haben Fluoreszenzarrays ihrenfesten Platz. Als wichtige Analysen-methode im Proteomics-Labor aller-dings bietet die MS mehr Infor-mation über Zusammensetzung undStruktur einer Substanz aus einer

kleineren Probenmenge als irgend-eine andere analytische Technik.Insbesondere die Matrix AssistedLaser Desorption/Ionization Mas-senspektrometrie (MALDI-MS) undnicht zuletzt die LC/MS ermöglicheneinen hohen Probendurchsatz beigleichzeitig hoher Auflösung. Auchder Hochauflösungs-Fourier-Trans-form-Ion-Cyclotron-ResonanzMassenspektrometrie (FT-ICR-MS)kommt eine wichtige Rolle zu, ins-besondere in der Endphase derProteinaufklärung, da sie eine 100-fach höhere Massenauflösung undGenauigkeit besitzt als andere MS-Methoden.

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Lab-on-chip technology is already being deployed, for example in ap-plications where complex assays run using microfluid chip detection.

Die Lab-on-the-Chip-Technik wird bereits erfolgreich eingesetzt, beispiels-weise dort, wo komplexe Assays auf einem mikrofluidischen Chip ablaufenund detektiert werden.



analysis. Using lab-on-a-chip technology, scientists have been trying forseveral years to place an entire lab on a microchip.The goal of saving timeand money and minimizing the usage of sample material, which is ex-pensive or only available in limited quantities, is the driving force behindthis innovative branch of technology. Expectations are very high.Time willtell whether a pocket-size universal lab is feasible, and if so when we willsee one. The initial steps have been encouraging. There are a number ofmicro arrays on the market which are used for gene expression analysis.Lab-on-chip technology is already being deployed, for example in applica-tions where complex assays run using microfluid chip detection. The deter-mination of blood sugar levels in patients who suffer form diabetes is a goodexample. However, it is not possible to analyze intracellular processes usingsensors. Instead, the cell itself is used as a sensor. Fluorescent proteins areinjected into the cell to provide a visual indication of what is going on.Scientists are still waiting for the big breakthrough of lab-on-chip tech-nology.The underlying vision is to determine the complete genome of everyindividual in order to detect different point mutations on an individual ba-sis. Individual genome analysis will only become a reality, however, if thecosts come down drastically to about $1000, which is the figure that is of-ten heard in the industry. The current cost for this type of analysis runs in-to several million dollars.At ACHEMA around 700 exhibitors will present their latest analytical sys-tems and solutions in Halls 5 and 6.This will make them the second largestgroup of exhibitors.A number of exhibitors will also put innovative processanalysis solutions on display in Hall 10. ■

Erfolg ist keine Frage der Größe, sondern eine Frage der ZeitKlassisch und für die Gen- und Proteomanalyse bezeichnend ist der Trendzum Minilabor. Mittels der Lab-on-a-Chip-Technologie versuchen Wissen-schaftler seit einigen Jahren, im wahrsten Sinne des Wortes ein komplettesLabor auf Mikrochips zu bannen. Der Wunsch, Zeit und Geld und kostbaresoder nur begrenzt vorhandenes Probenmaterial einzusparen und zugleichReaktionszeiten zu verkürzen, prägt diesen überaus innovativen Tech-nologiezweig. Entsprechend hoch sind die Erwartungen. Ob und wann esdas universelle Labor für die Westentasche geben wird, bleibt abzuwarten.Derzeit gibt es gute technische Ansätze und viele Einsatzmöglichkeiten: z.B.offeriert der Markt zahlreiche Microarrays für die Genexpressionsanalyse.Auf den großen Durchbruch in der Lab-on-Chip-Technologie wartet dieWissenschaft allerdings noch. Die Vision dahinter: das vollständige Genomjedes einzelnen Individuums wird bestimmt, um individuell unterschiedlichePunktmutationen feststellen zu können. Die individuelle Genomanalyse istallerdings nur dann möglich, wenn sich die Kosten für die Genomanalysedrastisch senken lassen, etwa auf einen in Fachkreisen kursierenden Betragvon 1000 US-Dollar. Bislang belaufen sich die Kosten einer solchen Analysenoch auf mehrere Millionen US-Dollar.Auf der ACHEMA 2006 werden rund 700 Aussteller in den Hallen 5 und 6neue Entwicklungen und Problemlösungen für die Analysentechnikpräsentieren. Sie stellen damit die zweitgrößte Ausstellungsgruppe.Außerdem zeigen zahlreiche Aussteller Innovationen der Prozessanalytikin Halle 10. ■

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