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]

  1. 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.
  2. 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).
  3. Das (High Throughput) Screening (wörtlich übersetzt das Aussieben), also die Analyse- und Testverfahren.
  4. 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

  1. Roadmap der chemischen Reaktionstechnik. 1. Auflage. DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., 2010, S. 9.
  2. R. Hoogenboom, M. A. R. Meier, U. S. Schubert: ?? In: Macromolecular Rapid Communications. 2003, 24, S. 15–32.
  3. 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.
  4. N. Aschenbrenner: Katalysator im Heuhaufen. In: Spektrum der Wissenschaft. Januar 2004, ISSN 0170-2971, S. 68-69.
  5. 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.
  6. 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.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News aus den Naturwissenschaften

28.04.2021
Galaxien - Sterne
Die Entdeckung von acht neuen Millisekunden-Pulsaren
Eine Gruppe von Astronomen hat mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop acht Millisekunden-Pulsare entdeckt, die sich in Kugelsternhaufen mit hoher Sterndichte befinden.
07.04.2021
Teilchenphysik
Handfeste Hinweise auf neue Physik
Das Fermilab (USA) hat heute erste Daten aus dem Myon g-2 Experiment veröffentlicht, welche die Messwerte des gleichnamigen, 2001 durchgeführten Experiments am Brookhaven National Laboratory bestätigen.
19.04.2021
Exoplaneten
Neuer Exoplanet um jungen sonnenähnlichen Stern entdeckt
Astronomen aus den Niederlanden, Belgien, Chile, den USA und Deutschland bilden neu entdeckten Exoplaneten „YSES 2b“ direkt neben seinem Mutterstern ab.
01.04.2021
Teilchenphysik
Myon g-2: Kleines Teilchen mit großer Wirkung
Das Myon g-2-Experiment des Fermilab in den USA steht vor einem Sensationsmoment, der die Geschichte der Teilchenphysik neu schreiben könnte.
01.04.2021
Planeten - Elektrodynamik - Strömungsmechanik
Zwei merkwürdige Planeten
Uranus und Neptun habe beide ein völlig schiefes Magnetfeld.
30.03.2021
Kometen_und_Asteroiden
Der erste interstellare Komet könnte der ursprünglichste sein, der je gefunden wurde
Neue Beobachtungen mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) deuten darauf hin, dass der abtrünnige Komet 2I/Borisov einer der ursprünglichsten ist, die je beobachtet wurden.
25.04.2021
Raumfahrt - Astrophysik - Teilchenphysik
Erstmals Atominterferometer im Weltraum demonstriert
Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen.
25.03.2021
Quantenoptik
Sendungsverfolgung für eine Quantenpost
Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber bislang nicht besonders effizient.
24.03.2021
Schwarze_Löcher - Elektrodynamik
Astronomen bilden Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M 87 ab
Ein neuer Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung.
24.03.2021
Astrophysik
Die frühesten Strukturen des Universums
Das extrem junge Universum kann nicht direkt beobachtet werden, lässt sich aber mithilfe mathematischer Theorien rekonstruieren.