Verfahren und Anlage zur Lösung von Aufgaben der adaptiven Chemie Process and system for solving tasks in adaptive chemistry
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Analyse und Herstellung von Stoffgemischen und Verbindungen. Hierbei kommt ein iteratives Verfahren zum Einsatz, um die Analyse bzw. den Herstellungsprozeß zu optimieren.The present invention relates to a method and a plant for the analysis and production of mixtures and compounds. An iterative process is used to optimize the analysis and the manufacturing process.
Die Entwicklung neuer Produkte in der chemischen und pharmazeutischen Industrie ist mit einem erheblichen Forschungs- und Entwicklungsaufwand verbunden. Auch im Bereich der Kosmetik- und Parfümindustrie sieht man sich oft mit komplizierten Fragestellungen bei der Analyse und Neukomposition von Stoffen und Stoffgemischen konfrontiert. Ein typisches Beispiel ist die Entwicklung neuer Farbkompositionen oder Duftstoffe, die sich aus einer Vielzahl einzelner Komponenten zusammensetzen. Der betriebene Aufwand ist häufig so groß, daß hohe Kosten entstehen, deren Amortisation nicht immer sichergestellt ist. Da sich insbesondere in der pharmazeutischen Industrie die Verwertbarkeit einer Neuentwicklung in der Regel erst nach einer mehrjährigen Testphase abschätzen läßt, ist die Forschungsarbeit auf diesem Gebiet mit einem erheblichen finanziellen Risiko behaftet.The development of new products in the chemical and pharmaceutical industry is associated with a considerable research and development effort. In the cosmetics and perfume industry, too, one is often confronted with complicated questions when analyzing and recomposing substances and mixtures of substances. A typical example is the development of new color compositions or fragrances that are composed of a large number of individual components. The effort involved is often so great that high costs arise, the amortization of which is not always ensured. Since the usability of a new development can usually only be assessed after a test phase lasting several years, especially in the pharmaceutical industry, research work in this area is associated with a considerable financial risk.
Die klassische Chemie mit ihrem analytischen Ansatz, der darauf basiert, daß allgemein gültige Prinzipien aus experimentellen Beobachtungen abgeleitet und für die Herstellung neuer Moleküle herangezogen werden, scheint dabei an ihre Grenzen zu stoßen. Insbesondere ist ein typischer organischer Chemiker lediglich in der Lage, eine sehr begrenzte Anzahl neuer Verbindungen pro TagClassical chemistry with its analytical approach, which is based on the fact that generally applicable principles are derived from experimental observations and used for the production of new molecules, seems to be reaching its limits. In particular, a typical organic chemist is only able to handle a very limited number of new compounds per day
BESTATIGUNGSKOPIE
herzustellen, die im Anschluß auf ihre Verwendbarkeit überprüft werden müssen.BESTATIGUNGSKOPIE to manufacture, which must then be checked for their usability.
Um die geschilderten Probleme zu überwinden, wurden in den letzten Jahren verschiedene Ansätze zur Automatisierung im Rahmen der chemischen Syn- these gemacht. So sind heute mit Mitteln der kombinatorischen Chemie Substanzbibliotheken zugänglich, die einige zehn- oder hunderttausend Substanzen umfassen.In order to overcome the problems described, various approaches to automation in the context of chemical synthesis have been taken in recent years. Today, combinatorial chemistry means that substance libraries are accessible, which include tens or hundreds of thousands of substances.
Auch diese Methode weist jedoch erhebliche Nachteile auf. So ist die Untersuchung einer solchen Vielzahl von Stoffen mit einem immensen Aufwand ver- bunden. Darüber hinaus ist die Diversität einer derartigen kombinatorischen Substanzbibliothek von Natur aus begrenzt, da in der Regel nur entweder Sub- stituenten um ein feststehendes Grundgerüst variiert werden oder man sich auf Substanzklassen beschränken muß, bei denen die Moleküle aus einer Vielzahl einzelner Monomereinheiten aufgebaut sind, wie z. B. Peptide oder Oligonucleo- tide. Verbunden mit der eingeschränkten Diversität ist eine im Vergleich zu rein zufälligen Substanzbibliotheken verringerte Wahrscheinlichkeit, Substanzen mit der gewünschten Aktivität zu finden.However, this method also has considerable disadvantages. The investigation of such a large number of substances is associated with immense effort. In addition, the diversity of such a combinatorial substance library is inherently limited, since as a rule only substituents are varied around a fixed basic structure or one has to restrict oneself to substance classes in which the molecules are made up of a large number of individual monomer units, such as z. B. peptides or oligonucleotides. Associated with the limited diversity is a reduced likelihood of finding substances with the desired activity compared to purely random substance libraries.
Ziel der Erfindung ist es daher, ein neues Verfahren vorzustellen, das sowohl die Limitierungen der klassischen Chemie als auch die Probleme der Kombina- torik überwindet. Zugleich soll eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt werden.The aim of the invention is therefore to present a new method which overcomes both the limitations of classic chemistry and the problems of combinatorics. At the same time, an installation for carrying out the method is to be presented.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der adaptiven Chemie, das die kombinatorische Chemie mit Prinzipien der Zielorientierung und Selbstorganisation verbindet, sowie durch die entsprechende Anlage. Die Erfindung ist sowohl auf Probleme der chemischen Analyse als auch der Synthese anwendbar.The object is achieved according to the invention by a method of adaptive chemistry, which combines combinatorial chemistry with principles of goal orientation and self-organization, and by the corresponding system. The invention is applicable to both chemical analysis and synthesis problems.
Die Erfindung wird zunächst für die chemische Analyse beschrieben. Zur Analyse eines Stoffgemisches, dessen Komponenten Teil einer Gesamtheit von bekannten, möglichen Komponenten sind, die sich im unbekannten Verhältnis zu- einander befinden, wird zunächst eine Ausgangspopulation von zufälligen Stoff-
gemischen aus wenigstens zwei Komponenten der Gesamtheit in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen erstellt. Anschließend wird für jedes der hergestellten Stoffgemische mindestens eine Meßgröße ermittelt und mit der entsprechenden Meßgröße des zu analysierenden Stoffgemisches verglichen. Typischerweise handelt es sich hierbei um ein spektroskopisches Verfahren; andere Verfahren sind jedoch ebenfalls denkbar. Aus den Vergleichen der Meßgrößen mit denen des zu analysierenden Stoffgemisches wird für jedes Mitglied der Population ein Fitneßwert als Maß für die Übereinstimmung abgeleitet. In der Regel sind die Mischungen der Startgeneration in bezug auf die Probe wenig angepaßt. Da jedoch einige Mischungen geringfügig bessere Fitneßwerte aufweisen als andere, können unter Verwendung genetischer Algorithmen die Mischungen der nächsten Generation festgelegt werden. Nun wird eine neue Generation von Stoffgemischen generiert, mit denen verfahren wird wie zuvor. Dieses Procedere wird über so viele Generationen fortgesetzt, bis für mindestens ein Mitglied der Population der Fitneßwert eine ausreichend große Übereinstimmung mit dem zu analysierenden Stoffgemisch nachweist.The invention is first described for chemical analysis. To analyze a mixture of substances, the components of which are part of a total of known, possible components that are in an unknown relationship to one another, a starting population of random substances is first mixed from at least two components of the entirety in different mixing ratios. Then at least one measured variable is determined for each of the substance mixtures produced and compared with the corresponding measured variable of the substance mixture to be analyzed. Typically, this is a spectroscopic method; however, other methods are also conceivable. From the comparisons of the measured variables with those of the substance mixture to be analyzed, a fitness value is derived for each member of the population as a measure of the agreement. As a rule, the mixtures of the starter generation are little adapted to the sample. However, since some blends have slightly better fitness levels than others, next generation blends can be determined using genetic algorithms. Now a new generation of substance mixtures is generated, with which the procedure is as before. This procedure is continued over so many generations until the fitness value for at least one member of the population demonstrates a sufficiently large correspondence with the substance mixture to be analyzed.
Gegebenenfalls kann bei der Herstellung der Startgeneration der Suchraum der Mischungen durch Randbedingungen, wenn diese bekannt sind, eingegrenzt werden.If necessary, the search space of the mixtures can be limited by boundary conditions, if these are known, during the production of the start generation.
Durch die Verwendung genetischer Algorithmen können die Anzahl herzustellender Kombinationen von Mischungsspektren im Vergleich zur rein kombinatorischen Analyse erheblich reduziert werden. Führt man beispielsweise eine 5-Komponentenanalyse mit einem Spektrometer durch, das die Unterscheidung von 128 Konzentrationsstufen erlaubt, so erhält man 1285 = 34,4 Mrd. Kombina- tionen von Mischungsspektren, die gemessen werden müßten, um mit 100 %iger Sicherheit das Probenspektrum zu treffen. Im Falle der erfindungsgemäßen adaptiven Analyse wären für ein typisches Beispiel, bei dem über 15 Generationen Stoffgemischpopulationen mit jeweils 16 Mitgliedern generiert werden, lediglich 240 Messungen durchzuführen.By using genetic algorithms, the number of combinations of mixture spectra to be produced can be significantly reduced compared to purely combinatorial analysis. For example, if you carry out a 5-component analysis with a spectrometer that allows the differentiation of 128 concentration levels, you get 128 5 = 34.4 billion combinations of mixture spectra that would have to be measured in order to ensure the sample spectrum with 100% certainty hold true. In the case of the adaptive analysis according to the invention, for a typical example in which more than 15 generations of substance mixture populations with 16 members each are generated, only 240 measurements would have to be carried out.
Für die geschilderte adaptive Analyse eröffnet sich ein breites Feld von Anwendungen, insbesondere bei der Auffindung von Produktformulierungen. Beispielsweise ist die Analyse eines Parfüms durch adaptive Anpassung einer
Bibliothek von Duftstoffen unter Verwendung von Geruchssensoren o. ä. denkbar.A wide field of applications opens up for the described adaptive analysis, particularly in finding product formulations. For example, the analysis of a perfume by adaptive adjustment is one Library of fragrances possible using odor sensors or the like.
Neben der oben geschilderten Möglichkeit der adaptiven Analyse besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, daß die adaptive Chemie auch zu Syn- thesezwecken verwendet werden kann. Der wesentliche Unterschied zum oben geschilderten Analyseverfahren besteht darin, daß bei der Synthese die Anpassung an eine Größe der Probesubstanz nicht möglich ist, da eine solche nicht vorhanden ist. Die Zielorientierung muß entsprechend auf andere Weise erfolgen.In addition to the possibility of adaptive analysis described above, a further feature of the invention is that adaptive chemistry can also be used for synthesis purposes. The main difference to the analysis method described above is that the synthesis cannot be adapted to a size of the test substance, since such a quantity is not available. Accordingly, the goal orientation must be done in a different way.
Auch bei der adaptiven Synthese wird jedoch zunächst eine Startpopulation von Verbindungen oder Stoffgemischen erzeugt, bevor für jedes Mitglied der Population bestimmte Meßgrößen ermittelt werden. Für jedes Mitglied der Population wird nun durch Vergleich mit einer Zielvorgabe ein Fitneßwert als Maß der Übereinstimmung mit der Zielvorgabe ermittelt. Durch die Anwendung genetischer Algorithmen können, da in aller Regel einige Mitglieder der Population zufällig eine geringfügig bessere Fitneß aufweisen als andere, die Mischungsverhältnisse zur Herstellung der nächsten Generation von Verbindungen oder Stoffgemischen abgeleitet werden. Nach Herstellung einer neuen Generation von Stoffgemischen bzw. Verbindungen wird in der gleichen Weise verfahren wie zuvor. Dieser Ablauf wird über so viele Generationen wiederholt, bis für mindestens eine Verbindung bzw. ein Stoffgemisch eine hinreichend große Übereinstimmung mit der Zielvorgabe über den Fitneßwert ermittelt wird.In the case of adaptive synthesis, however, a starting population of compounds or mixtures of substances is first generated before certain measured variables are determined for each member of the population. For each member of the population, a fitness value is now determined by comparison with a target as a measure of the agreement with the target. By using genetic algorithms, as a rule some members of the population happen to have a slightly better fitness than others, the mixing ratios for producing the next generation of compounds or mixtures of substances can be derived. After a new generation of substance mixtures or compounds has been produced, the procedure is the same as before. This process is repeated over so many generations until a sufficiently large correspondence with the target value via the fitness value is determined for at least one compound or substance mixture.
Wie bei der adaptiven Analyse kann auch hier der Suchraum für die Verbindungen oder Stoffgemische durch gegebenenfalls bekannte Randbedingungen eingegrenzt werden.As with adaptive analysis, the search space for the compounds or mixtures of substances can also be limited here by known boundary conditions.
Ein Beispiel für die adaptive Synthese ist die Entwicklung von Farbstoffen, bei der als Zielvorgabe bestimmte Farbkoordinaten dienen. Ausgehend von einem Grundgerüst können z. B. unterschiedliche Seitenketten angekoppelt werden. Die Eigenschaften der synthetisierten Farbstoffe werden dabei von Generation zu Generation den vorgegebenen Farbkoordinaten besser angepaßt.
Im Bereich der Wirkstofforschung sind als Zielvorgabe Antikörper-Antigen- Wechselwirkungen möglich, die über Immunoassays detektiert werden können. Durch Verwendung genetischer Algorithmen ist die „Züchtung" neuer Wirkstoffe möglich.An example of adaptive synthesis is the development of dyes in which certain color coordinates serve as the target. Starting from a basic framework, e.g. B. different side chains can be coupled. The properties of the synthesized dyes are better adapted to the given color coordinates from generation to generation. In the field of drug research, antibody-antigen interactions are possible as targets, which can be detected via immunoassays. The use of genetic algorithms makes it possible to "breed" new active substances.
Sowohl bei der adaptiven Analyse als auch bei der adaptiven Synthese können beim Vergleich der ermittelten Meßgrößen mit denen des zu analysierenden Stoffgemisches bzw. der Zielvorgabe und bei der Festlegung der Zusammensetzung der Stoffgemische bzw. der Bedingungen zur Herstellung der Verbindungen oder Stoffgemische der nächsten Generation weitere, für die verwendeten Komponenten oder Edukte charakteristische Parameter berücksichtigt werden. Als solche bieten sich z. B. die Kosten, MAK-Werte, ökologische Daten, die Handhabbarkeit und/oder die Verfügbarkeit der Komponenten oder Edukte an. Die zusätzliche Berücksichtigung solcher Parameter oder Eigenschaften der Komponenten bzw. Edukte erlaubt die besonders vorteilhafte Herstellung von Verbindungen oder Stoffgemischen, die die geforderten Bedingungen erfüllen, da die Verbindungen oder Stoffgemische auf diese Weise auch hinsichtlich der zusätzlichen Parameter optimiert werden können.Both in the adaptive analysis and in the adaptive synthesis, when comparing the measured variables determined with those of the substance mixture to be analyzed or the target and when determining the composition of the substance mixtures or the conditions for producing the compounds or substance mixtures of the next generation, further, characteristic parameters are taken into account for the components or starting materials used. As such z. B. the costs, MAK values, ecological data, the manageability and / or the availability of the components or starting materials. The additional consideration of such parameters or properties of the components or starting materials allows the particularly advantageous production of compounds or mixtures of substances which meet the required conditions, since the compounds or mixtures of substances can also be optimized in this way with regard to the additional parameters.
Durch die Berücksichtigung zusätzlicher Parameter können die Eigenschaften vorgegebener Stoffgemische oder Verbindungen imitiert werden, ohne daß automatisch Identität hinsichtlich der verwendeten Edukte herrschen muß. Die im Wege der Imitation neu hergestellten Stoffgemische oder Verbindungen können daher u. U. vorteilhaft im Vergleich zu den Edukten für das Originalstoffgemisch oder die Originalverbindung sein, beispielsweise hinsichtlich der Eduktkosten oder der Umweltverträglichkeit.By taking additional parameters into account, the properties of given substance mixtures or compounds can be imitated without automatically having to be identical with regard to the starting materials used. The mixtures or compounds newly produced by means of imitation can therefore u. U. be advantageous compared to the educts for the original mixture or the original compound, for example with regard to the educt costs or environmental friendliness.
Ein Beispiel für eine solche Imitation der Zielvorgabe ist die adaptive Anpassung einer Bibliothek von Duftstoffen an ein vorgegebenes Parfüm. Durch die erfindungsgemäßen Verfahren ist es unter Berücksichtigung weiterer Parameter für die verwendeten Edukte möglich, ein Stoffgemisch zu finden, daß dem vorgegebenen Produkt hinsichtlich des Geruchs weitestgehend gleicht, dabei jedoch kostengünstigere oder hautverträglichere Komponenten enthält. In ähnlicher Weise kann auch eine Farbmischung hergestellt werden, die zwar in
bezug auf die Farbe selbst praktisch identisch mit der Zielvorgabe ist, dabei jedoch andere Edukte verwendet.An example of such an imitation of the target is the adaptive adaptation of a library of fragrances to a given perfume. By taking into account further parameters for the starting materials used, the process according to the invention makes it possible to find a mixture of substances which largely resembles the specified product in terms of smell, but which contains less expensive or more skin-compatible components. A color mixture can also be produced in a similar way, although in with regard to the color itself is practically identical to the target, but uses different starting materials.
Erfindungsgemäß werden zur Lösung der Probleme genetische Algorithmen verwendet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Algorithmen, die darauf ausge- richtet sind, ein vorgegebenes Problem exakt zu lösen, ahmen die genetischen Algorithmen die Natur nach, um eine möglichst „gute" Lösung zu finden. Sie arbeiten nach den aus der natürlichen Evolution bekannten Prinzipien der Selektion, Kreuzung und Mutation. Auf diese Weise werden mit der Zeit, d. h. von Generation zu Generation immer bessere Lösungen generiert.According to the invention, genetic algorithms are used to solve the problems. In contrast to conventional algorithms, which are designed to solve a given problem exactly, the genetic algorithms imitate nature in order to find the "best" solution. They work according to the principles of selection known from natural evolution , Crossing and mutation: In this way, better and better solutions are generated over time, ie from generation to generation.
In der Natur wird bei der Paarung zweier Tiere ihre genetische Information kombiniert und neu zusammengesetzt. Infolge dieses Kreuzungsprozesses sind die Nachkommen ihren Eltern zwar ähnlich, aber nicht identisch. Zusätzlich können spontane Änderungen (sogenannte Mutationen) auftreten, die die genetische Information ebenfalls verändern. Dies kann z. B. durch äußere Umwelteinflüsse geschehen.In nature, when two animals are mated, their genetic information is combined and reassembled. As a result of this crossbreeding process, the offspring are similar to their parents, but not identical. In addition, spontaneous changes (so-called mutations) can occur, which also change the genetic information. This can e.g. B. happen through external environmental influences.
Schließlich erfolgt als weiterer Schritt eine natürliche Selektion. Die Überlebensfähigkeit der Lebewesen mit ihren genetischen Informationen, die durch Kreuzungen und Mutationen eine zufällige Zusammensetzung haben, hängt stark von der Anpassung an die gerade herrschenden Umgebungsbedingungen ab. Stark vereinfacht läßt sich sagen, daß die überlebensfähigsten Exemplare die größte Anzahl an Nachkommen haben und somit die Entwicklung der Gattung am meisten beeinflussen werden. Im Laufe einer Vielzahl von Generationen gelangt man so durch die Kombination der Merkmale Kreuzung, Mutation und Selektion schließlich zu Lebewesen, die ihren Umweltbedingungen recht gut angepaßt sind. Durch die Verwendung genetischer Algorithmen versucht man die natürliche Evolution auf den Computer zu übertragen. Man setzt sie zur Lösung von Optimierungsproblemen ein, bei denen eine exakte Lösung mit vertretbarem Aufwand nicht ermittelbar ist und aus einer zunächst sehr großen Menge von möglichen Lösungen eine möglichst gute herausgefunden werden soll. Hierzu werden vom Computer zunächst eine Reihe möglicher Problemlösungen erstellt. Diese Menge wird Population
genannt, ihre Bestandteile bezeichnet man als Individuen. Nun werden die oben beschriebenen Evolutionsprinzipien angewandt:Finally, a natural selection takes place as a further step. The survivability of living beings with their genetic information, which due to crossings and mutations have a random composition, depends heavily on the adaptation to the prevailing environmental conditions. To put it simply, it can be said that the most viable specimens have the greatest number of offspring and will therefore have the greatest influence on the development of the genus. Over the course of a multitude of generations, the combination of the characteristics of crossing, mutation and selection finally leads to living beings that are quite well adapted to their environmental conditions. By using genetic algorithms, one tries to transfer natural evolution to the computer. They are used to solve optimization problems in which an exact solution cannot be ascertained with reasonable effort and the best possible solution is to be found out of an initially very large number of possible solutions. To do this, the computer first creates a number of possible solutions. This set becomes population called, their components are called individuals. Now the evolutionary principles described above are applied:
Selektion: die natürliche Selektion wird simuliert, indem die schlechteren Individuen aus der Population entfernt werden.Selection: natural selection is simulated by removing the worse individuals from the population.
Kreuzung: aus jeweils zwei Individuen werden neue Individuen zusammengesetzt.Intersection: new individuals are made up of two individuals each.
Mutation: Mutationen werden durch punktuelle Änderungen der Individuen hervorgerufen.Mutation: Mutations are caused by selective changes in individuals.
Die Selektion läuft dabei in zwei Schritten ab. Im ersten Schritt wird die Güte der Anpassung jedes Individuums durch einen Zahlenwert, die Fitneß, wiedergegeben. Je größer diese Zahl, desto besser ist das entsprechende Individuum an die Erfordernisse angepaßt. Im zweiten Schritt erfolgt die eigentliche Selektion. Dabei überlebt jedes Individuum mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, die um so höher ist, desto größer die Fitneß ist.The selection runs in two steps. In the first step, the quality of adaptation of each individual is represented by a numerical value, the fitness. The larger this number, the better the corresponding individual is adapted to the requirements. The actual selection takes place in the second step. Each individual survives with a certain probability, the higher the fitness, the higher.
Da im Rahmen der adaptiven Chemie eine Vielzahl von Verfahrensschritten häufig wiederholt wird, ist es zweckmäßig, die Vorgehensweise zu automatisieren.Since a large number of process steps are frequently repeated in the context of adaptive chemistry, it is advisable to automate the procedure.
Sowohl für die adaptive Analyse als auch für die adaptive Synthese ist es sinn- voll, die einzelnen Stoffgemische bzw. Verbindungen in voneinander getrennten Kompartimenten herzustellen. Auf diese Weise wird es möglich, die der Bestimmung der Fitneßwerte dienenden Messungen durchzuführen, ohne einen gesonderten Aufreinigungs- bzw. Separationsschritt vorschieben zu müssen.For both adaptive analysis and adaptive synthesis, it makes sense to produce the individual substance mixtures or compounds in separate compartments. In this way it is possible to carry out the measurements used to determine the fitness values without having to advance a separate purification or separation step.
Besonders vorteilhafterweise wird zur Herstellung der Stoffgemische bzw. Ver- bindungen ein Probenroboter verwendet. Dieser Probenroboter führt dieA sample robot is particularly advantageously used to produce the substance mixtures or compounds. This sample robot leads the
Mischungs- bzw. Syntheseschritte für die einzelnen Komponenten durch und transportiert die Produkte und Vergleichsproben weiter. Derartige Probenroboter
sind aus dem Stand der Technik bekannt und finden z. B. in der pharmazeutischen Industrie bei der kombinatorischen oder parallelen Synthese einer Vielzahl von Verbindungen Verwendung.Mixing or synthesis steps for the individual components and transports the products and comparative samples. Such sample robots are known from the prior art and find z. B. in the pharmaceutical industry in combinatorial or parallel synthesis of a variety of compounds use.
Ein solcher im Rahmen der adaptiven Chemie eingesetzter Probenroboter sollte Vorrichtungen zur Durchführung chemischer Standardoperationen aufweisen. Zu diesen typischen chemischen Standardoperationen gehören Schritte wie die Dosierung von Edukten, Reagenzien oder Katalysatoren und die effektive Durchmischung der Stoff- bzw. Reaktionsgemische. Im Falle der adaptiven Synthese sind weitere Merkmale sinnvoll. So sollte der Probenroboter auch über eine Möglichkeit zur Temperierung verfügen, um ein Reaktionsgemisch bei einer bestimmten Temperatur zu halten. Da in aller Regel nach der erfolgreichen Durchführung einer Synthese noch weitere Aufarbeitungsschritte erforderlich sind, ist auch hier eine Automatisierung wünschenswert. So können z. B. vorteilhafterweise einfache Aufarbeitungsschritte wie die Extraktion in den Probenroboter implementiert werden.Such a sample robot used in the context of adaptive chemistry should have devices for performing standard chemical operations. These typical chemical standard operations include steps such as the metering of starting materials, reagents or catalysts and the effective mixing of the substance or reaction mixtures. In the case of adaptive synthesis, further features are useful. The sample robot should also have a temperature control option to keep a reaction mixture at a certain temperature. Since, as a rule, further processing steps are required after a synthesis has been successfully carried out, automation is also desirable here. So z. B. advantageously simple processing steps such as extraction can be implemented in the sample robot.
Neben der oben beschriebenen Verwendung eines Proben roboters umfaßt die Anlage zur Durchführung des Verfahrens sinnvollerweise auch die Verwendung eines Analysatorsystems, mit dem die Meßgrößen ermittelt werden können, anhand derer die Fitneßwerte als Maß für die Übereinstimmung der Meßgrößen mit einer Zielvorgabe festgelegt werden.In addition to the use of a sample robot described above, the system for carrying out the method expediently also includes the use of an analyzer system with which the measured variables can be determined, on the basis of which the fitness values are determined as a measure for the agreement of the measured variables with a target.
Ein solches Analysatorsystem kann z. B. ein Spektrometer der unterschiedlichsten Art, einen Chromatographen oder auch einen elektro- oder biochemischen Detektor oder Sensor umfassen. Insbesondere im Bereich der Spektroskopie sind dabei unterschiedlichste Meßverfahren denkbar. So kann das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung eines UV-, NMR-, Fluoreszenz- oder Massenspektrometers umfassen. Die genaue Auswahl des Gerätes richtet sich dabei nach der exakten Aufgabenstellung und der Zusammensetzung der Stoffgemische bzw. Verbindungen. Selbstverständlich können auch mehrere Analyseverfahren gekoppelt sein. Als Beispiel hierfür sei die LC-MS-Kopplung genannt.
Vorteilhafterweise ist der verwendete Probenroboter auch in der Lage, Proben und Vergleichsproben zum Analysatorsystem zu transportieren. Während herkömmliche Analysatorsysteme oftmals für Routineanalysen speziell angepaßte Probengeber verwenden, wird durch die Einbindung eines frei beweglichen Probenroboters in ein modular aufgebautes Gesamtsystem ein Maximum an Flexibilität erzielt, um die Bearbeitung unterschiedlichster Aufgaben der adaptiven Chemie zu ermöglichen.Such an analyzer system can e.g. B. include a spectrometer of various types, a chromatograph or an electro- or biochemical detector or sensor. A wide variety of measurement methods are conceivable, particularly in the field of spectroscopy. The method according to the invention can include the use of a UV, NMR, fluorescence or mass spectrometer. The exact choice of the device depends on the exact task and the composition of the substance mixtures or compounds. Of course, several analysis methods can also be coupled. An example of this is the LC-MS coupling. Advantageously, the sample robot used is also able to transport samples and comparison samples to the analyzer system. While conventional analyzer systems often use specially adapted samplers for routine analyzes, the integration of a freely movable sample robot in a modular overall system achieves maximum flexibility to enable the most varied of adaptive chemistry tasks to be processed.
Sowohl Probenroboter als auch Analysatorsystemen aus dem Stand der Technik ist gemein, daß die Reihenfolge der durchzuführenden Schritte von vornherein durch den Anwender festgelegt werden muß. Es ist zwar prinzipiell auch mit derartigen Systemen möglich, nach Erledigung eines oder mehrerer Schritte das System anzuhalten und die Reihenfolge der nächsten Aufgaben neu festzulegen. Dadurch wird aber letztlich die vollautomatische Durchführung des Gesamtprozesses aufgegeben und die weitere Festlegung der Schritte den Kenntnissen und Erfahrungen des Anwenders überlassen. Systeme aus Probenrobotern und Analysatorsystemen, die aufgrund implementierter Strategien autonom vom Anwender die Reihenfolge der durchzuführenden Schritte festlegen, sind bislang nicht bekannt.Common to both sample robots and analyzer systems from the prior art is that the sequence of the steps to be carried out has to be determined by the user from the outset. In principle, it is also possible with such systems to stop the system after completing one or more steps and to redefine the sequence of the next tasks. Ultimately, however, the fully automatic implementation of the entire process is abandoned and the further determination of the steps is left to the knowledge and experience of the user. Systems from sample robots and analyzer systems which, based on implemented strategies, autonomously determine the sequence of the steps to be carried out by the user are not yet known.
Zur Überwindung dieses Problems aus dem Stand der Technik wird die Verwendung einer übergeordneten Ablaufsteuerung vorgeschlagen. Diese sollte sowohl die Arbeit des Probenroboters als auch die des Analysatorsystems kontrollieren und entsprechend den Fortschritt der Anpassung festlegen. Die Ablaufsteuerung soll die verschiedenen ablaufenden Prozesse synchronisieren und den Gesamtprozeß autonom steuern.In order to overcome this problem from the prior art, the use of a higher-level sequence control is proposed. This should control both the work of the sample robot and that of the analyzer system and determine the progress of the adjustment accordingly. The sequence control is intended to synchronize the various processes running and to control the entire process autonomously.
Die verwendeten Probenroboter und Analysatorsysteme werden zweckmäßigerweise als Module innerhalb eines rückgekoppelten Systems verwendet. Um die Zusammenstellung der einzelnen Geräte als Module zu ermöglichen, sollten die Geräte makrofähig sein. Durch Mechanismen der Programminteraktion werden von der übergeordneten Ablaufsteuerung direkt Makro-Befehle an die geräteseitige Steuersoftware geschickt. Über MakroSchnittstellen empfängt die Ablaufsteuerung wiederum Daten von den verwendeten Geräten.
Teil dieser übergeordneten Ablaufsteuerung ist der Softwarekern, der mit genetischen Algorithmen arbeitet und so die Zusammensetzung der Mitglieder der Population festlegt. Die Ablaufsteuerung sollte über Schnittstellen Informationen und Daten vom Probenroboter bzw. Analysatorsystem erhalten, so daß sie in die Lage versetzt wird, autonome Entscheidungen zu treffen und Steuerbefehle an die übrigen Systemkomponenten weiterzuleiten. Die dazu notwendigen Analysator- bzw. Robotersteuerprogramme sind kommerziell erhältlich.The sample robots and analyzer systems used are expediently used as modules within a feedback system. To enable the individual devices to be put together as modules, the devices should be macro-capable. Mechanisms of program interaction send macro commands directly from the higher-level process control to the device-side control software. The process control in turn receives data from the devices used via macro interfaces. Part of this higher-level process control is the software core, which works with genetic algorithms and thus determines the composition of the members of the population. The process control should receive information and data from the sample robot or analyzer system via interfaces, so that it is able to make autonomous decisions and to forward control commands to the other system components. The necessary analyzer and robot control programs are commercially available.
Die Ablaufsteuerung sollte zweckmäßigerweise so beschaffen sein, daß sie selbständig im Falle der adaptiven Analyse die als Maß für die Übereinstimmung der Meßgrößen der hergestellten Stoffgemische mit denen des zu analysierenden Stoffgemisches dienenden Fitneßwerte mit Hilfe von genetischen Algorithmen auswertet und daraufhin die Zusammensetzungen der Stoffgemische der nächsten Generation festlegt. Analog dazu sollte die Ablaufsteuerung im Falle der adaptiven Synthese die Fitneßwerte für die hergestellten Stoffgemische oder Verbindungen, die ein Maß für die Übereinstimmung mit der Zielvorgabe bilden, mit Hilfe von genetischen Algorithmen auswerten, um die Bedingungen zur Herstellung der Verbindungen der nächsten Generation festzulegen. Auf diese Weise wird mit der erfindungsgemäßen Anlage die autonome Durchführung von adaptiven Analysen oder Synthesen möglich, ohne daß der Anwender zwischenzeitlich eingreifen muß. Zusätzlich kann die Ablaufsteuerung bei der Festlegung der Zusammensetzungen der Stoffgemische bzw. der Bedingungen zur Herstellung der Verbindungen oder Stoffgemische der nächsten Generation weitere, für die verwendeten Komponenten oder Edukte charakteristische Parameter wie Kosten, MAK-Werte, ökologische Daten, Handhabbarkeit oder Verfügbarkeit berücksichtigen.The sequence control should expediently be designed in such a way that, in the case of adaptive analysis, it evaluates the fitness values serving as a measure for the correspondence of the measured quantities of the substance mixtures produced with those of the substance mixture to be analyzed with the aid of genetic algorithms and then the compositions of the substance mixtures of the next generation sets. Similarly, in the case of adaptive synthesis, the sequential control system should use genetic algorithms to evaluate the fitness values for the substance mixtures or compounds produced, which form a measure of the agreement with the target, in order to determine the conditions for the production of the compounds of the next generation. In this way, the system according to the invention enables the autonomous implementation of adaptive analyzes or syntheses without the user having to intervene in the meantime. In addition, when determining the compositions of the substance mixtures or the conditions for producing the compounds or substance mixtures of the next generation, the sequence control can take into account further parameters that are characteristic of the components or starting materials used, such as costs, MAK values, ecological data, usability or availability.
Die beigefügte Zeichnung soll die Erfindung verdeutlichen. Es zeigt:The accompanying drawing is intended to illustrate the invention. It shows:
Figur 1 eine Rückkopplungsschleife, die die allgemeine Vorgehensweise bei der adaptiven Chemie zeigt.
Das der Erfindung zugrundeliegende Verfahren der adaptiven Analyse bzw. Synthese wird in Figur 1 noch einmal verdeutlicht. Nach der Herstellung einer Startpopulation werden für jedes Mitglied dieser Population eine oder mehrere Meßgrößen bestimmt. Diese Meßgrößen werden mit einem Sollwert verglichen, der sich im Falle der Analyse aus der entsprechenden Meßgröße für das zu analysierende Gemisch ergibt und für den Fall der Synthese auf Basis des Syntheseziels vorgegeben werden muß. Durch Vergleich mit dem Sollwert werden als Maß für die Übereinstimmung mit diesem Fitneßwerte ermittelt. Auf Basis dieser Fitneßwerte schließlich werden genetische Algorithmen verwandt, um die Bedingungen für die Herstellung der Population der nächsten Generation festzulegen. Dieser Zyklus kann so lange wiederholt werden, bis nach X Generationen mindestens ein Mitglied der Population einen hinreichend guten Fitneßwert aufweist.Figure 1 is a feedback loop showing the general approach to adaptive chemistry. The method of adaptive analysis or synthesis on which the invention is based is illustrated once again in FIG. After the production of a starting population, one or more parameters are determined for each member of this population. These measured variables are compared with a target value which, in the case of analysis, results from the corresponding measured variable for the mixture to be analyzed and, in the case of synthesis, must be specified on the basis of the synthesis target. By comparison with the target value, a measure of the agreement with this fitness value is determined. Finally, on the basis of these fitness values, genetic algorithms are used to determine the conditions for the production of the next generation population. This cycle can be repeated until after X generations at least one member of the population has a sufficiently good fitness level.
Als Beispiel für die adaptive Analyse sei die spektralphotometrische Mehrkomponentenanalyse beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein übliches Verfahren zur Analyse von Gemischen, bei dem die Additivität der Extinktionen der Komponenten ohne Auftrennung in Einzelkomponenten ausgenutzt wird.The spectrophotometric multi-component analysis is described as an example of the adaptive analysis. This is a common method for the analysis of mixtures, in which the additivity of the extinctions of the components is exploited without being separated into individual components.
Im Rahmen der adaptiven Analyse werden nun die Spektren neu hergestellter Mischungen schrittweise an das Probenspektrum angepaßt. Dazu wird zunächst eine Startgeneration von Mischungen nach dem Zufallsprinzip hergestellt. Für jedes Stoffgemisch wird ein Spektrum gemessen und mit dem Spektrum der Probe unbekannter Zusammensetzung verglichen. Aus dem Vergleich werden für jede Probe Fitneßwerte abgeleitet, die eine Aussage über die Übereinstimmung mit dem Probenspektrum machen. In der Startpopulation werden in aller Regel diese Fitneßwerte keine gute Übereinstimmung mit der zu analysierenden Probe zeigen.As part of the adaptive analysis, the spectra of newly produced mixtures are now gradually adapted to the sample spectrum. For this purpose, a start generation of mixtures is randomly produced. A spectrum is measured for each mixture of substances and compared with the spectrum of the sample of unknown composition. For each sample, fitness values are derived from the comparison, which provide information about the agreement with the sample spectrum. In the starting population, these fitness values will generally not show good agreement with the sample to be analyzed.
Für einige der untersuchten Mischungen wird jedoch die gemessene Fitneß besser sein als für andere. Aufgrund dieser Unterschiede werden dann unter Verwendung genetischer Algorithmen die Mischungen der nächsten Generation festgelegt. Dieser Prozeß wird über so viele Generationen wiederholt, bis die Anpassung an das Probenspektrum mit einer gewünschten Fitneß erreicht ist.
Bei der Anwendung von genetischen Algorithmen sind verschiedene Parameter anpaßbar. Dies ist insbesondere im Rahmen der Kreuzung die sogenannte Crossover-Rate, die eine Aussage darüber trifft, mit welcher Wahrscheinlichkeit zwei willkürlich aus der Population herausgenommene Individuen „gepaart" oder unverändert wieder zurück in die Population gelegt werden.For some of the mixtures examined, however, the measured fitness will be better than for others. Because of these differences, the mixtures of the next generation are then determined using genetic algorithms. This process is repeated over so many generations until the adaptation to the sample spectrum is achieved with a desired fitness. Various parameters can be adapted when using genetic algorithms. In the context of the crossing in particular, this is the so-called crossover rate, which makes a statement about the probability with which two arbitrarily removed individuals are "paired" or put back unchanged back into the population.
In ähnlicher Weise kann für die Mutation ein weiterer Parameter eingestellt werden. Diese Mutationsrate macht eine Aussage darüber, mit welcher Wahrscheinlichkeit zufällig an einer Stelle innerhalb des Individuums eine Änderung vorgenommen wird.
In a similar way, a further parameter can be set for the mutation. This mutation rate provides information about the probability of a change occurring at any point within the individual.