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, den einzelnen optimalen Wert eines Parameters (z. B. die Reaktionstemperatur zur idealen Durchführung einer chemischen 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.

Geschichte

Einige Beispiele für diese Vorgehensweise lassen sich auf Thomas Alva Edison (1878) und Giacomo Luigi Ciamician (1912) zurückverfolgen. Eine der frühen belegbaren Anwendungen von HTE in der anorganischen Chemie stammt von Alwin Mittasch aus dem Jahr 1909. Trotz dieser frühen Bemühungen fand die Vorgehensweise lange Zeit keine Beachtung. Eine Renaissance erfuhr sie in den 1970er und 1980er Jahren in der Pharmaforschung und den Biowissenschaften. Dieses Wiederaufleben wurde ermöglicht durch den Einsatz von Laborautomatisierung und leistungsfähigeren computergestützten Auswerteverfahren. Mitte der 1990er Jahre wurde das Prinzip in der empirischen Katalysatorforschung wiederentdeckt und dort als High Throughput Experimentation bezeichnet.

Prinzip

Das Hochdurchsatz-Prinzip findet heute in verschiedenen Forschungsbereichen der Naturwissenschaften Anwendung, z. B. in der Pharmaforschung, in der Katalyseforschung, besonders im Bereich heterogene Katalyse, sowie in den Materialwissenschaften.

Der systematische Ansatz ist im Folgenden an einem Beispiel aus der heterogenen Katalyse umschrieben:

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 und sprachgebrauchliche Definitionen, die mitunter zu Verwirrungen 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 Ermittlung von Leitstrukturen aus Substanzbibliotheken beschrieben. In der heterogenen Katalyseforschung und der Materialforschung ist dagegen der weiter gefasste Begriff der High Throughput Experimentation verbreiteter, wo nicht nur Substanzbibliotheken durchsucht werden, sondern auch andere Parameter (Druck, Temperatur, Stoffmenge) untersucht werden.

In der anorganischen Chemie (z. B. bei der Synthese von metallorganischen Gerüstverbindungen) wird allgemein von Hochdurchsatz-Methoden (engl. High-throughput synthesis and characterization) gesprochen. Der Begriff wird dann sowohl für die Synthese- als auch für die Charakterisierungsmethoden genutzt.

Einzelnachweise

1. Roadmap der chemischen Reaktionstechnik. (PDF; 3,1 MB) 1. Auflage. DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., 2010, S. 9.
2. R. Hoogenboom, M. A. R. Meier, U. S. Schubert: Automated Synthesis and High-throughput Screening in Polymer Research: Past and Present. In: Macromolecular Rapid Communications. 2003, 24, S. 15–32, doi:10.1002/marc.200390013.
3. W.F. Maier, K. Stöwe, S. Sieg: Combinatorial and High-Throughput Materials Science. In: Angewandte Chemie International Edition. 46, 2007, S. 6016–6067, doi:10.1002/anie.200603675.
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. 78, 2006, S. 851–861, doi:10.1002/cite.200600047.
6. Gerhard Ertl, Helmut Knözinger, Ferdi Schüth, Jens Weitkamp: Handbook of Heterogeneous Catalysis. 2nd Edition. Vol. 4, Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-31241-2, S. 2053–2072.
7. Sebastian Bauer, Norbert Stock: Hochdurchsatz-Methoden in der Festkörperchemie. Schneller zum Ziel. In: Chemie in unserer Zeit. Band 41, Nr. 5, Oktober 2007, S. 390–398, doi:10.1002/ciuz.200700404 (wiley.com [abgerufen am 18. September 2019]). 

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.