Industrie & Technik

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Optimistisch zeigte sich die Labor- und Analysentechnik-Branche auf der Analytica im April in München. Sie hat dazu allen Grund: Die Labor- und Biotechnologiemesse zog mit rund 35 800 Besuchern noch etwas mehr an als die letzte Analytica vor zwei Jahren. Ebenso wächst der Weltmarkt für Laborausstattung und Geräte: Je nach Segment sind es zwischen 5 und 12 % jährlich; überdurchschnittlich steigt die Nachfrage aus den Schwellenländern Asiens.<figure><img src="https://media.graphcms.com/aOJgIItNSuucuxVG4IBI"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Messehalle auf der Analytica 2018. 38 500 Besucher, mehr als je zuvor, interessierten sich für Laborgeräte und -ausstattung. Entsprechend gut laufen die Geschäfte der Aussteller. <named-content>Fotos: Messe München, Thomas Plettenberg</named-content></figcaption></figure>
Die etwa 330 deutschen Hersteller von Laborgeräten setzten im letzten Jahr insgesamt 8,7 Mrd. Euro um, 11 % mehr als im Vorjahr. 4,5 Mrd. Euro erwirtschafteten die Unternehmen mit Exporten, 4,2 Mrd. im Inlandsgeschäft, das um 14 % zulegte. Die starke Entwicklung im Inland war „für viele Mitgliedsunternehmen eine echte Überraschung“, sagte dazu Mathis Kucheida, Vorsitzender des Branchenverbands Spectaris. Die wichtigsten Kunden im Inland waren die öffentliche Hand sowie die Chemie- und Pharmaindustrie.Der Auslandsumsatz nahm um 8 % zu, die Exportquote sank daher von 55 auf 53 %, was, so sagte Kucheida „nicht wehtut.“Parallel zum Umsatzwachstum stellen die Unternehmen Mitarbeiter ein: Die Zahl der Beschäftigten ist von 43100 auf 44 200 gestiegen. Gemessen am Umsatz und an der Zahl der Mitarbeiter wächst die Branche nun schon seit dem Jahr 2009.Für das laufende Jahr prognostizierte Spectaris ursprünglich ein Wachstum des Inlandsumsatzes auf 4,55 Mrd. Euro und des Auslandsumsatzes auf 5,13 Mrd. Euro. Angesichts protektionistischer Tendenzen auf dem Weltmarkt hält Kucheida die Vorhersage für den Export für zu optimistisch.<h2>Stärkere Nachfrage aus Asien</h2>Der größte Einzelmarkt für Laborgeräte aus Deutschland ist in den USA, Gerätehersteller verkauften im Jahr 2017 Waren im Wert von 1,9 Mrd. Euro dort hin. Das Wachstum war mit 3 % geringer als in anderen Ländern.Besonders stark, plus 18 %, nahmen die Exporte nach China zu. Die Volksrepublik ist inzwischen das zweitwichtigste Zielland für Geräte aus Deutschland mit einem Volumen von 1,59 Mrd. Euro. China ist damit der zweitgrößte Markt für die deutsche Laborgerätebranche. In Asien erwirtschaften die Unternehmen insgesamt 25 % ihrer Exportumsätze.Nach wie vor gehen die meisten Geräte aus Deutschland nach Europa, fast die Hälfte des Exportumsatzes entsteht hier, in der Europäischen Union sind es 41 %. Nummer eins ist Frankreich mit 820 Mio. Euro Umsatz, gefolgt von den Niederlanden mit 790 Mio. Euro, beide mit einem Plus von 11 %. Ein weiteres wichtiges Zielland deutscher Exporte ist Italien mit 700 Mio. Euro Umsatz und einem Wachstum von 9 %.Die Exporte nach Südamerika blieben unverändert. Die Exporte nach Afrika, in den Nahen Osten und in die restliche Welt stiegen, und zwar zwischen 6 und 11 %, nach Afrika und in den Nahen Osten erwirtschaftete die Branche allerdings nur 3 beziehungsweise 4 % ihres Exportumsatzes, in der restlichen Welt ist es 1 %.Chemieunternehmen, Untersuchungslaboratorien und Forschungsinstitute kaufen Geräte wenn nicht aus Deutschland vor allem aus den USA, (letztes Jahr im Wert von 2 Mrd. Euro), aus Japan (1,3 Mrd. Euro) und der Schweiz, die vergangenes Jahr Geräte im Wert von 800 Mio. Euro nach Deutschland lieferte. Zu den wichtigsten Herkunftsländern für Geräte zählt mit einem Importvolumen von 340 Mio. Euro China, der Wert stagniert.<h2>Drei unter den Weltmarktführern</h2>Carl Zeiss, Eppendorf und Sartorius sind die deutschen Unternehmen, die zu den 20 umsatzstärksten Geräteherstellern weltweit zählen.Carl Zeiss setzte mit Mikroskopie- und Spektrometersystemen im letzten Jahr 1,54 Mrd. Euro um und ist damit die Nummer 6 auf dem Weltmarkt. Der Geschäftsbereich Research &amp; Quality Technology, der zu 29 % zum Gesamtumsatz des Unternehmens beiträgt, wuchs um 5 %.Eppendorf erwirtschaftet seinen gesamten Umsatz mit Laborgeräten und -materialien, im letzten Jahr lag er bei 690 Mio. Euro, das entspricht einem Plus von 6 %. Damit stieg der Hamburger Konzern auf Platz 10 des Weltmarkts. Das Unternehmen steigerte die Forschungsausgaben, und zwar um 4 % auf etwa 36 Mio. Euro, das enstpricht 5 % vom Umsatz. Den größten Umsatzanteil für Forschung investiert mit fast 20 % das US-Unternehmen Illumina.Der Göttinger Biotechnologiezulieferer Sartorius, Nummer 18 auf dem Weltmarkt, erzielt 28 % seines Umsatzes mit Laborgeräten. Der Geschäftsbereich Lab Products &amp; Services legte um 21 % zu und setzte im letzten Jahr 394 Mio. Euro um. 14 Prozentpunkte beim Umsatzwachstum führt der Konzern auf Akquisitionen zurück, die größte war der Kauf des US-Unternehmens Essen Bioscience für umgerechnet 280 Mio. Euro. Das Unternehmen trug etwa 54 Mio. Euro zum Umsatz bei.<h2>Thermo, Danaher und Shimadzu bleiben an der Spitze</h2>Das Unternehmen mit dem weltweit meisten Umsatz mit Laborgeräten bleibt mit Abstand Thermo Fisher Scientific. Der Konzern erwirtschaftete im vergangenen Jahr mit seiner Laborsparte 5,65 Mrd. US-Dollar, umgerechnet 5,04 Mrd. Euro. Zukäufe im Jahr 2016 brachten im letzten Jahr ein Umsatzplus von 29 % und erhöhten den Laborgeräteanteil am Umsatz von 24 auf 29 %. Vor zwei Jahren hatte Thermo den Elektronenmikroskopehersteller FEI übernommen und Affymetrix, einen Hersteller von DNA-Chips. Im letzten Jahr kam Phenom-World dazu, ein holländischer Hersteller von Rasterelektronenmikroskopen.Die Nummer zwei auf dem Weltmarkt ist wie in den letzten Jahren der Mischkonzern Danaher, zu dem Beckmann Coulter Life Sciences, Leica Microsystems und die Massenspektrometer-Tochter Sciex (ehemals ABSciex) gehören. Nach Abspaltung der Industriesparte konzentriert sich der Konzern auf Lebenswissenschaften, Diagnostik, Umweltanalytik und Zahnmedizin. Analysengeräte trugen im letzten Jahr mit 2,3 Mrd. Euro etwa 12 % zum Konzernumsatz bei.Shimadzu, der drittgrößte Analysengerätehersteller, setzte im vergangenen Jahr 2 Mrd. Euro um, 5 % mehr als im Vorjahr. Für das japanische Unternehmen erwies sich der Markt in China als besonders wachstumsstark. In die Volksrepublik verkaufte Shimadzu vor allem Massenspektrometer, Chromatographen und Geräte für die Umweltanalytik.<figure><img src="https://media.graphcms.com/AVmee6LoTKOAttiCOh5N"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Autosampler auf dem Analytica-Messestand von Shimadzu, Nummer drei auf dem Weltmarkt. Laborautomation ist einer der Wachstumstreiber der Branche.</figcaption></figure>
<h2>Die Ausnahmen</h2>Nicht bei allen Herstellern stiegen die Umsätze: Ausnahmen waren Perkin-Elmer und Nikon. Bei Perkin-Elmer, der Nummer 12 auf dem Weltmarkt, sank der Umsatz mit Geräten um 5,5 %, bei Nikon um 25 %. Nikon hat sich umstrukturiert, die Geschäftsbereiche neu zugewiesen und mehr als 1000 Stellen gestrichen. Das japanische Unternehmen sank vom 13. auf den 17. Platz der Weltrangliste der umsatzstärksten Gerätehersteller.Frauke Zbikowski ist Redakteurin der Nachrichten aus der Chemie.

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Labors investieren in Gerätetechnik

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Auf der Suche nach einem für Analyten schonenden Ionisationsverfahren kamen die Wissenschaftler um Joachim Franzke am Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften in Dortmund (Isas) zur dielektrisch behinderten Entladung (dielectric barrier discharge, DBD) und erzeugen damit nichtthermische Plasmen (Abbildung 1). In nichtthermischen Plasmen sind nur die leichten Elektronen heiß. Ionen und Neutralgas können nahezu auf Raumtemperatur bleiben.<figure><img src="https://media.graphcms.com/rNcpeEpTdJSCxStjA0AI"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Ein kaltes Plasma kann man mit dem Finger berühren, ohne sich zu verbrennen.</figcaption></figure>
Grundsätzlich funktioniert die dielektrisch behinderte Entladung mit zwei Glasplatten, die im Abstand von einem Millimeter das Dielektrikum bilden, im Innenraum ist ein Gas und auf den äußeren Seiten je eine Elektrode. Bei Anlegen von Wechselspannung entsteht zwischen den Glasplatten ein Plasma – ohne Kontakt zwischen den Elektroden und dem anzuregenden Gas.Dieses kalte Plasma testeten die Wissenschaftler am Kühlmittel Freon und wiesen mit Atomabsorptionsspektroskopie Chlor und Fluor nach. Das Freon wurde mit dem Plasmagas Helium durch die Glasplatten geführt und im Plasma in seine Elementbestandteile zerlegt. Obwohl das Plasma bei geringem Druck betrieben wurde, reichte es aus, die Moleküle zu spalten.<h2>Das Plasma kontrollieren, die Ergebnisse reproduzieren</h2>Im nächsten Schritt sollten Moleküle massenspektrometrisch bestimmt werden, und dabei vor allem solche, bei denen Ionisierungsverfahren wie ESI (electron spray ionization) und APCI (atmospheric pressure chemical ionization, Koronaentladung) nicht oder nur schlecht funktionieren.Statt des Aufbaus mit den Glasplatten nutzten die Dortmunder Wissenschaftler eine dünne gasdurchströmte Glaskapillare (zum Beispiel eine medizinische Kanüle aus Quarzglas) und zwei ringförmige Elektroden mit einem Abstand von 1 cm. Anders als die häufig verwendete Sinusspannung wählten die Isas-Forscher eine Rechteckspannung. Die Sinusspannung sei zwar leichter zu erzeugen, erläutert Franzke, „kann aber zu vielen Plasmazündungen führen“, und die lassen sich schwer kontrollieren, zumal die in das Gas eingekoppelte elektrische Leistung nicht proportional zur angelegten Spannung ist. Die Ergebnisse sind vielfach nicht reproduzierbar. Bei einer Rechteckspannung gibt es pro Rechteck genau eine Zündung, und die Stärke ist über den Spannungsregler einstellbar.Neben dem Plasma in der Kapillare war ein weiteres an ihrem Ausgang messbar. Zunächst nahmen die Forscher an, dass Plasma nach außen getragen würde. „Tatsächlich fanden wir aber“, so sagt Franzke, „dass unter bestimmten geometrischen Bedingungen das äußere vor dem inneren Plasma entsteht.“ Es handelt sich um zwei voneinander entkoppelte Plasmen. Sowohl außerhalb als auch innerhalb der Kapillare entstehen jeweils mehrere Plasmen (plasma jet, early plasma, coincident plasma, afterglow), weiche wie härtere.Die Proben werden ins weiche äußere Plasma (plasma jet) eingebracht, das den Analyten ionisiert, anschließend wird er im Massenspektrometer detektiert. Das für die weiche Ionisierung unerwünschte härtere, dissozierende, Plasma wird abgeschnitten. Dazu wird beim positiven Halbzyklus der Rechteckspannung die Spannung zu Gunsten der negativen verringert, sodass kein dissoziatives Plasma zündet.Als Gas dient üblicherweise Helium, weil damit die Spannungen niedriger sein können als die mit Argon. Allerdings sind im Heliumplasma nicht die Heliumionen die aktiven Spezies, sondern die sekundär gebildeten N2+-Ionen aus zirka 3 ppm Stickstoffverunreinigungen. Analog zum Helium-Stickstoff-System hat das Isas ein Argon-Propan-System entwickelt, das bei 2,5 bis 3 kV zündet statt bei 7 kV.<h2>Pestizide und Drogen</h2>Die Charakterisierung der unterschiedlichen Plasmen ergab: Heliumplasma ist homogen und eignet sich für weiche Ionisierung kleiner Moleküle; Argonplasma (nicht das Argon-Propan-System) ist dagegen filamentär und zeigt viele Mikroentladungen.Wissenschaftler an der ETH Zürich zünden ein kreisförmiges Plasma im filamentären Modus in Luft und schicken den Analyten nicht durchs Plasma hindurch, sondern daran vorbei, „wie einen Löwen, der durch einen brennenden Reifen springt“, berichtet Franzke.Ein anderes filamentäres Plasma, auch basierend auf einer dielektrisch behinderten Entladung, der Low Temperature Probe (LTP), eignet sich besonders dazu, Pflanzenoberflächen auf Pestizide oder Dollarnoten auf Kokain zu analysieren: Ein und dasselbe Plasma desorbiert den Analyten zunächst von der Oberfläche und ionisiert ihn anschließend. Alternativ dazu kann – wie am Isas – ein Laser die Desorption übernehmen, und der Analyt wird im Heliumplasma-Jet ionisiert. Wenn beide Schritte, Desorption und Ionisierung, entkoppelt sind, lassen sie sich unabhängig voneinander optimal einstellen.Außer für ein Massenspektrometer kann das DBD-Plasma auch als Ionisierungsquelle für die Ionenmobilitätsspektrometrie dienen, hier als Alternative zur Ionisierung mit radioaktiver Strahlung.Isas und TU Dortmund haben einen Cannabis-Analysator für die Polizei entworfen, der das weiche Plasma für die Ionisierung nutzt, aber ohne Helium, sondern mit Stickstoff aus der Luft funktioniert. Den Prototypen hat nun Ion-Gas gebaut, eine Ausgründung aus TU und Forschungsinstitut. Der Analysator ist so groß wie ein Reisekoffer; im Testeinsatz prüft die Polizei damit die Atemluft von Autofahrern – ähnlich wie bei einem Alkoholtest. Eine Erweiterung des Verfahrens auf andere Rauschmittel ist denkbar.Ist bei der DBD-Plasmaquelle eine der Elektroden als Nadel im Inneren der Kapillare statt als Ring ausgeführt, so lässt sich das Plasma wahlweise räumlich begrenzen oder auf die gesamte Kapillare ausdehnen und auch durch bewegliche Schläuche leiten (flexible tube µ-Plasma, Abbildung 2). So ist dieses Vario-Plasma direkt vor dem Einlass von MS- und IMS-Geräten einsetzbar.<figure><img src="https://media.graphcms.com/LLd6SHcvSYuuOqur4zeu"><figcaption><label>Abb. 2: </label>µ-Plasma in einem Schlauch vor dem Einlass eines Massenspektrometers. Das Plasma lässt sich räumlich begrenzen oder auf die gesamte Kapillare ausdehnen.</figcaption></figure>
<h2>Perfluoriert oder toxisch</h2>Joachim Franzke hält die DBE-Plasmaquelle, wie sie das Isas entwickelt hat, als Ionisierungstechnik für mindestens genauso gut wie die APCI. Während ESI große und kleine polare Moleküle und APCI kleinere unpolare Moleküle erfasst, schafft das DBD-Plasma alle kleinen Moleküle auf einmal.Ein Beispiel sind perfluorierte Substanzen in Walfett. Hier ließen sich bisher nur perfluorierte Säuren nachweisen. Franzke nennt als weiteres Anwendungsgebiet Outdoor-Kleidung, deren Oberfläche aufgrund der Imprägnierung mit perfluorierten Substanzen sowohl wasser- als auch fettabweisend ist. Die perfluorierten Substanzen werden nach gaschromatographischer Trennung mit einem weichen DBD-Plasma ionisiert. Dabei entstehen vor allem negativ geladene sauerstoffhaltige Ionen, die das Massenspektrometer detektiert.Wenn es darum geht, Elemente mit Optischer Emissionsspektroskopie (OES) nachzuweisen, lässt sich ebenfalls DBD-Plasma einsetzten, etwa für drei- und fünfwertiges Arsen in Reis und Fisch.3-D-gedruckte Ionenquellen sowie einem höherer Automatisierungsgrad sollen in Zukunft Reproduzierbarkeit und Robustheit des des DBD-Plasmas verbessern.Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.
<ul><h2>Literatur zum Weiterlesen steht unter:</h2><li>
1 <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.nachrichtenausderchemie.de/" target="_blank">www.nachrichtenausderchemie.de/</a> downloads</ext-link></li></ul>

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