Mod bæredygtig metodeudvikling og identifikation af stoffer i HPLC: Opbygning af en database og machine learningsmodel til brug i miljøanalyser.

Væskekromatografi er en analytisk metode til separation af kemiske stoffer i forskellige typer af prøver og er en af de mest udbredte kemiske analysemetoder. Det bruges til identifikation og kvantitativ bestemmelse af en lang række kemiske stoffer, f.eks. inden for medicinalindustrien, i miljøkemiske undersøgelser og i fødevarekontrol.

I FoU projektet ” Mod bæredygtig metodeudvikling og identifikation af stoffer i HPLC: Opbygning af en database og machine learningsmodel til brug i miljøanalyser” vil vi, i samarbejde med Århus Universitet,
lave en machine learningsmodel bygget på kromatografiske data. Denne model vil kunne forudsige kromatografiske data og dermed reducere mængden af forsøg, der er nødvendige til metodeudvikling af kromatografiske metoder og identifikation af ukendte stoffer. Den vil desuden kunne forudsige, om det kan lade sig gøre at bruge opløsningsmidler, der er mindre sundhedsskadelige og miljøbelastende, end de opløsningsmidler der normalt bruges.

Der er tidligere lavet lignende modeller, som dog kun gælder for
specifikke stoffer og udstyr og som derfor ikke kan anvendes på andre områder, end dem de er lavet til, og der er derfor en stor efterspørgsel på en mere generel model. Vores model vil kunne bruges verden over af alle, der arbejder med metodeudvikling og identifikation af stoffer ved hjælp af væskekromatografi til at gøre disse processer både mindre tids- og ressourcekrævende, mere bæredygtige og vil, i modsætning til tidligere værktøjer, kunne tilpasses en bred vifte af eksperimentelle design.

På Laboratorie og miljø skal vi generere den database over kromatografiske resultater, som modellen skal bygge på. Denne database er et vigtigt resultat i sig selv, da den også vil kunne bruges af andre, der arbejder inden for feltet til at udarbejde mere specifikke modeller, til det de arbejder med. Den vil desuden kunne genereres i samarbejde med studerende, der i forvejen modtager undervisning i væskekromatografi, og som vil få mulighed for at få et mere dybdegående kendskab til metoden.

Baggrunden for dette projekt er, at der, både i den videnskabelige litteratur og blandt brugere af HPLC metoder, er identificeret et videngap. Dette består dels i manglende viden om mulighed for at substituere giftige mobile faser med mere bæredygtige opløsningsmidler, og dels i at kunne forudsige retentionstider for kemiske stoffer ved række forskellige forsøgsbetingelser som f.eks. forskelle stationære og mobile faser.

HPLC er en af de mest udbredte analysemetoder i de kemiske laboratorier og metoderne bruges indenfor næsten alle kemiske sektorer, men især inden for medicinalindustrien, i miljøkemiske undersøgelser og i fødevarekontrol. Det estimeres, at der på verdensplan genereres ca. 34 mio. liter kemisk affald fra brugen af HPLC-udstyr (Tobiszewski, 2016) og der er derfor et stort potentiale i at arbejde med at gøre HPLC-analyserne mere bæredygtige, både i udviklingsfasen og i brugsfaserne.
Ifølge Ferguson, 2022 kan HPLC gøres mere bæredygtig ved bl.a. at:

1. Reducere forbruget af organiske opløsningsmidler ved at nedskalere udstyr og flow.
2. Udskifte giftige og miljøfarlige stoffer med mindre problematiske alternativer.
3. Fjerne brugen af giftige og miljøskadelige stoffer helt.
4. Genbruge de organiske opløsningsmidler der har været anvendt i analysen.
5. Minimere antallet af eksperimenter under metodeudviklingen ved brug af computersimulering.

Da formålet med FoU projektet er at opbygge en database over kromatografiske resultater, er dataindsamling og bredde i data altafgørende for projektet. På Laboratorie og miljø har vi allerede de
nødvendige apparater til at udføre forsøgene, men opbygningen af en database kræver, at vi indkøber de kemiske stoffer, kromatografiske kolonner og opløsningsmidler, som skal indgå. I projektet vil det nyindkøbte massespektrometer spille en vital rolle, da det simplificerer forsøgsopstillingen, ved at gøre det muligt med stor sikkerhed at identificere mange stoffer i hver enkelt prøve.

Indsamlingen af data foregår ved at definere en række forsøgsbetingelser, som hver af de kemiske stoffer, der indgår i projektet, skal analyseres ved. Dette sæt af forsøgsbetingelser defineres i en forsøgsplan inden det eksperimentelle arbejde påbegyndes, og der laves en plan for hvornår de forskellige analyser skal udføres. Forsøgsplanen udarbejdes af projektgruppen ud fra de ønsker til stoffer, som vi har fået fra vores samarbejdspartner. Ligeledes skal den indledende og løbende kvalificering også udføres af projektgruppen,
for at sikre pålidelige resultater gennem hele projektet.

Bæredygtighed i metodeudvikling og identifikation
Anvendelsen af ressourcer er en del af bæredygtighedsparadokset i den kromatografiske videnskab (Ferguson, 2023), hvor det arbejde der udføres i laboratoriet anses som værende “positivt bidragende til
samfundet”. Der har derfor været et ”carte blanche” til ikke at kigge på processerne i laboratoriet i forhold til den grønne omstilling (Nikoline Borgermans præsentation ved Laborantunderviser seminar, 26. april 2023, Odense).

Ved brug af HPLC er der et stort forbrug af opløsningsmidler som bestanddele i den mobile fase. De mest anvendte opløsningsmidler er methanol og acetontril, som begge er skadelige med både akutte og kroniske effekter på menneskers helbred og dermed strider brugen af disse mod principperne indenfor grøn kemi om øget sikkerhed for personel (Anastas og Warner, 1998). Livscyklusanalysen for acetonitril er heller ikke positiv (Henderson et al., 2011) og en udskiftning til mere bæredygtige opløsningsmidler vil være hensigtsmæssigt. Ferguson (2023) pointerer, at ud over at reducere i brugen af kemikalier vil en minimeringen af antallet af forsøg bidrage til, at den kromatografiske metodeudvikling vil blive mere bæredygtig, da der herved også anvendes færre ressourcer. Ved at inkorporere mere bæredygtige forsøgsbetingelser, såsom bæredygtige opløsningsmidler, i databasen vil kommende brugere blive præsenteret for løsninger der er bæredygtige.