Einfache Qualitätskontrolle von Reinigungsmitteln und Händedesinfektionsmitteln mit NIRS
17.04.2023
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Hygiene und Sauberkeit sind in unserer heutigen Gesellschaft von großer Bedeutung. Vor allem in Zeiten von Pandemien und Viruserkrankungen ist die sorgfältige Reinigung und Desinfektion von Räumlichkeiten und Gegenständen von höchster Wichtigkeit. Dabei spielen Reinigungs- und Desinfektionsmittel eine entscheidende Rolle, denn sie tragen maßgeblich zur Erhaltung der Hygiene bei.
Doch wie stellt man sicher, dass die eingesetzten Produkte auch tatsächlich wirksam sind und keine gesundheitlichen Risiken darstellen? Dieser Blog-Artikel erläutert die Verwendung von Reinigungsmitteln und Händedesinfektionsmitteln sowie die Qualitätskontrolle dieser Produkte mit Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS).
Was sind Waschmittel?
Oft die Worte Waschmittel Und Seife werden austauschbar verwendet, obwohl es sich um zwei unterschiedliche Produkte handelt. Detergenzien sind definiert als «eine von zahlreichen synthetischen wasserlöslichen oder flüssigen organischen Zubereitungen, die sich chemisch von Seifen unterscheiden, aber in der Lage sind, Öle zu emulgieren, Schmutz in Schwebe zu halten und als Netzmittel zu wirken» [1]. Seifen unterscheiden sich darin, dass sie unter Verwendung einer Alkali- und einer Fettkomponente hergestellt werden, um ein Natrium- (oder Kalium-) Salz der Fettsäure zu bilden.
Detergenzien sind per Definition Reinigungsmittel, die Öle und Schmutz emulgieren. Auf dem Markt sind verschiedene Arten von Produkten für verschiedene Zwecke erhältlich: Flüssigwaschmittel, Pulver und sogar konzentrierte Einwegkapseln. Diese Detergenzien sind im Allgemeinen nicht Allzweckmittel, sondern können z.B. zum Geschirrspülen, Waschen und sogar als hochwirksame Zubereitungen gegen hartnäckige Flecken und Gerüche eingesetzt werden.
Woraus bestehen Waschmittel?
Waschmittelformulierungen können ziemlich komplex sein. Sie bestehen hauptsächlich aus verschiedenen Tensiden (ionischen, nichtionischen und amphoteren), Enzymen, Konservierungsmitteln, Chelatbildnern, Bleichmitteln sowie Farb- und Duftstoffen. Nicht alle diese Inhaltsstoffe sind in jedem Waschmittel enthalten, aber ein Tensid ist eine Schlüsselvoraussetzung für die Emulgierung von Ölen, Schmutz und anderen flecken- und geruchsverursachenden Verbindungen. Enzyme sind auch notwendig, um schwierige Verbindungen aufzuspalten. Die Kombination dieser verschiedenen Verbindungen führt zu sauberen Oberflächen.
Hypoallergene Reinigungsmittel sind ein Spezialprodukt für Menschen mit empfindlicher Haut. Dabei handelt es sich in der Regel um unparfümierte (duftstofffreie) Formulierungen, die auch keine Farbstoffe enthalten. Die Wirkstoffe bleiben ähnlich, aber Parfüms und andere Verbindungen werden eliminiert, um das Risiko von Nesselsucht oder Hautausschlägen zu begrenzen. Hypoallergene Reinigungsmittel müssen gründlich getestet werden, bevor sie als solche vermarktet werden. Personen mit empfindlicher Haut sollten ein spezielles Waschmittel verwenden, da Kleidung viele Stunden lang in engem Kontakt mit der Haut steht. Saubere Wäsche muss nicht mit der Gefahr von Hautirritationen einhergehen.
Was sind Händedesinfektionsmittel?
Händedesinfektionsmittel sind seit Beginn der COVID-19-Pandemie Anfang 2020 in fast jedem Haushalt zu einem festen Bestandteil geworden. Handedesinfektionsmittel ist eine Flüssigkeit (normalerweise ein Gel, Schaum oder Spray), die nach dem Auftragen schnell trocknet, wodurch Seife, Wasser und Handtücher überflüssig werden. Diese Produkte werden auf die Hände aufgetragen und verrieben, um die Ausbreitung schädlicher Keime zu verhindern, indem krankheitserregende Mikroorganismen wie Viren und Bakterien inaktiviert werden. Durch die Verwendung von Händedesinfektionsmitteln werden keine schädlichen Chemikalien entfernt oder bestimmte resistente Keime abgetötet, daher sollte es nicht als vollständiger Ersatz für das Händewaschen verwendet werden.
Welche Inhaltsstoffe sind in Handdesinfektionsmittel enthalten?
Abhängig vom verwendeten Wirkstoff können Handdesinfektionsmittel in zwei Arten eingeteilt werden: solche auf Alkoholbasis oder alkoholfrei. Händedesinfektionsmittel auf Alkoholbasis enthalten typischerweise zwischen 60 und 95 % Alkohol als Wirkstoff, normalerweise in Form von Ethanol (Ethylalkohol), Isopropanol (Isopropylalkohol) oder N-Propanol [2]. Bei solchen Konzentrationen denaturiert Alkohol sofort Proteine, die bestimmte Arten von Mikroorganismen wirksam neutralisieren. Glycerin und Wasser gehören zu den inaktiven Inhaltsstoffen in Feuchtigkeitscremes. Die Weltgesundheitsorganisation empfiehlt eine ähnliche Zusammensetzung der Inhaltsstoffe [3]. Händedesinfektionsmittel auf Alkoholbasis haben sich zu einem wichtigen Instrument im Kampf gegen COVID-19 entwickelt. Die Bequemlichkeit und Tragbarkeit von Händedesinfektionsmitteln trug dazu bei, dass sie seit 2020 weit verbreitet sind.
Alkoholfreie Händedesinfektionsmittel enthalten den Wirkstoff Benzalkoniumchlorid, meist in einer Konzentration von etwa 0,1 %. Benzalkoniumchlorid ist ein antimikrobielles Mittel, das nachweislich vor Bakterien, Viren und Pilzen schützt [4]. Sowohl alkoholbasierte als auch alkoholfreie Händedesinfektionsmittel können auch Wasserstoffperoxid (Konzentration bis zu 3 %), Farbstoffe und Duftstoffe enthalten.
Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) – die ideale Methode zur Beurteilung der Qualität von Wasch- und Händedesinfektionsmitteln
Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist seit mehr als 30 Jahren eine etablierte Methode zur schnellen und zuverlässigen Qualitätskontrolle von Körperpflege- und Kosmetikprodukten. Viele Unternehmen berücksichtigen jedoch immer noch nicht konsequent die Implementierung von NIRS in ihren QA/QC-Laboren. Die Gründe könnten entweder begrenzte Erfahrungen mit Anwendungsmöglichkeiten oder eine allgemeine Zurückhaltung bei der Implementierung neuer Methoden sein.
Es gibt mehrere Vorteile bei der Verwendung von NIRS gegenüber anderen herkömmlichen Analysetechnologien. Zum einen ist NIRS in der Lage, mehrere Parameter in nur 30 Sekunden ohne Probenvorbereitung zu messen! Die von NIRS verwendete nicht-invasive Licht-Materie-Wechselwirkung, die sowohl von physikalischen als auch von chemischen Probeneigenschaften beeinflusst wird, macht es zu einer hervorragenden Methode zur Bestimmung beider Eigenschaftstypen.
Im weiteren Verlauf dieses Beitrags werden verfügbare Lösungen für die Qualitätskontrolle von Waschmitteln und Händedesinfektionsmitteln gezeigt, die gemäß den NIRS-Implementierungsrichtlinien entwickelt wurden ASTM E1655: Standardpraktiken für die multivariate quantitative Infrarotanalyse. Diese Praktiken umfassen einen Leitfaden für die multivariate Kalibrierung von Infrarotspektrometern, die zur Bestimmung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften von Materialien verwendet werden. Diese Praktiken gelten für Analysen, die im Spektralbereich des nahen Infrarots (NIR) (ungefähr 780 bis 2500 nm) bis zum Spektralbereich des mittleren Infrarots (MIR) (ungefähr 4000 bis 400 cm) durchgeführt werden-1).
Für detailliertere Informationen über NIRS als Sekundärtechnik lesen Sie bitte unsere vorherigen Blogbeiträge.
Vorteile der NIR-Spektroskopie: Teil 1
Vorteile der NIR-Spektroskopie: Teil 2
Welche Parameter und Anwendungen sind generell für die NIRS-Analyse möglich?
Typischerweise werden Schlüsselparameter für die Qualitätskontrolle von Wasch- und Händedesinfektionsmitteln wie Alkoholgehalt, Tenside, TAED (Tetraacetylethylendiamin, ein Bleichaktivator) und Enzyme durch chemische und physikalische Methoden im Labor bestimmt. Diese Methoden verursachen nicht nur hohe laufende Kosten, sondern sind auch zeitaufwändig. Im Gegensatz dazu erfordert die Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) weder Chemikalien noch eine Probenvorbereitung, was entsprechende Kosten für Verbrauchsmaterial und Arbeit einspart. NIRS ist auch für Nicht-Chemiker einfach genug und liefert Ergebnisse in weniger als einer Minute. Darüber hinaus können mehrere chemische und physikalische Parameter gleichzeitig bestimmt werden. Die kombinierten Vorteile dieser Technologie machen NIRS zur idealen Lösung für viele tägliche QA/QC-Messungen oder Ad-hoc-Atline-Analysen.
In den folgenden Abschnitten werden wichtige Parameter für die Qualitätskontrolle von Flüssigwaschmitteln und alkoholhaltigen Händedesinfektionsmitteln mit dem Metrohm NIRS DS2500 Liquid Analyzer bestimmt (Abbildung 1). Die erhaltenen Vis-NIR-Spektren wurden verwendet, um Vorhersagemodelle für den Tensid- bzw. Ethanolgehalt zu erstellen. Die Qualität der Vorhersagemodelle wurde anhand eines Korrelationsdiagramms bewertet, das die Korrelation zwischen Vis-NIR-Vorhersage und primären Methodenwerten darstellt. Die jeweiligen Gütezahlen (FOM) zeigen die erwartete Genauigkeit einer Vorhersage bei Routineanalysen.
Bestimmung des Tensidgehalts in Flüssigwaschmitteln mit NIRS
Waschmittel enthalten Weichspüler, Bleichmittel, Tenside sowie Enzyme. Von diesen ist das Tensid der wichtigste Faktor für die Reinigungswirkung, da es die Grenzfläche zwischen polaren und unpolaren Verbindungen auflöst. Dadurch kann das Reinigungsmittel wirksam gegen Öle und andere Fette sowie Schmutz- oder Getränkeflecken wirken.
Quantifizierung des Tensidgehalts in Flüssigwaschmitteln wird am häufigsten durch potentiometrische Zweiphasen-Titration durchgeführt. Nachteile dieser Methode sind manuelle Probenvorbereitungsschritte (z. B. Verdünnung und pH-Einstellung) und die Bestimmung selbst ist zeitaufwändig. Im Gegensatz dazu liefert die Vis-NIR-Spektroskopie qualitativ hochwertige Ergebnisse in weniger als einer Minute und erfordert keine Probenvorbereitung oder Chemikalien. Die Spektren einer Reihe von Waschmittelproben sind in Abbildung 2 dargestellt, das Korrelationsdiagramm und die entsprechenden Leistungszahlen für die Vorhersage des Tensidgehalts sind in Abbildung 3 wiedergegeben.
| Statistische Kennzahlen | Wert |
|---|---|
| R2 | 0.97 |
| Standardfehler der Kalibrierung | 2,20 mmol/100 g |
| Standardfehler der Kreuzvalidierung | 2,38 mmol/100 g |
NIRS-Bestimmung des Ethanolgehalts in alkoholbasierten Händedesinfektionsmitteln
Im Jahr 2020 ist die Nachfrage nach Händedesinfektionsmitteln aufgrund der Verbreitung von COVID-19 sprunghaft angestiegen. Viele Unternehmen haben umgeschaltet und ihre Abläufe rationalisiert, um Händedesinfektionsmittel in großen Mengen herzustellen. Wie bei jedem Produktherstellungsprozess ermöglicht eine genaue Formulierung eine gute Qualität und reduziert Abfall. Zu den in diesen Lösungen verwendeten Reagenzien gehören Wasser, Alkohol (üblicherweise Ethanol oder Isopropanol), geringe Mengen Weichmacher (Hautweichmacher, z. B. Glycerin) und ein Oxidationsmittel (z. B. Wasserstoffperoxid), um eine mikrobielle Kontamination zu minimieren. Der Alkoholgehalt in Händedesinfektionsmitteln muss mehr als 60 % (v/v) betragen, um ein wirksames Antiseptikum zu sein, und muss daher zu Zwecken der Qualitätskontrolle gemessen werden.
Die NIRS-Analyse von Desinfektionsmitteln ist ein einfacher Prozess – fügen Sie einfach ein kleines Aliquot der Probe in ein Einwegfläschchen (Abbildung 4), beginnen Sie mit der Analyse, und die Spektren werden in Sekunden erfasst (Abbildung 5).
Das Korrelationsdiagramm und die jeweiligen Gütezahlen für die Vorhersage des Ethanolgehalts mittels NIR-Spektroskopie sind in Abbildung 6 dargestellt.
| Statistische Kennzahlen | Wert |
|---|---|
| R2 | 0.9977 |
| Standardfehler der Kalibrierung | 0,41 v/v % |
| Standardfehler der Kreuzvalidierung | 0,56 v/v % |
Zusammenfassung
Reinigungsmittel werden tagtäglich verwendet, z.B. um unser Kochgeschirr zu reinigen, hartnäckige Flecken von Kleidung zu entfernen und/oder Gerüche zu beseitigen. Die Qualitätskontrolle dieser Produkte ist notwendig, um ihre Sicherheit und Wirksamkeit für die Verbraucher zu gewährleisten.
Handdesinfektionsspray, -gel oder -schaum sind eine gute Möglichkeit, Hygiene aufrechtzuerhalten. Allerdings ist die Desinfektionskraft abhängig von der Wirkstoffkonzentration (egal ob alkoholhaltige oder alkoholfreie Formulierungen mit Benzalkoniumchlorid).
Die in diesem Artikel vorgestellten Anwendungsbeispiele zeigen, dass sich die Nahinfrarot-Spektroskopie hervorragend für die Analyse mehrerer Inhaltsstoffe in Wasch- und Händedesinfektionsmitteln eignet. Die Ergebnisse werden in weniger als einer Minute bereitgestellt, ohne dass eine Probenvorbereitung erforderlich ist. Für die NIRS-Analyse sind keine chemischen Reagenzien erforderlich, was bedeutet, dass kaum Abfall entsteht und dies letztendlich zu niedrigeren Kosten pro Analyse führt.
Referenzen
[1] Definition von DETERGENT. https://www.merriam-webster.com/dictionary/detergent (abgerufen am 14.03.2023).
[2] Saha, T.; Khadka, P.; Das, S. C. Händedesinfektionsmittel auf Alkoholbasis – Zusammensetzung, richtige Verwendung und Vorsichtsmaßnahmen. Keime 2021, 11 (3), 408–417. DOI:10.18683/germs.2021.1278
[3] Weltgesundheitsorganisation. Leitfaden für die lokale Produktion: Von der WHO empfohlene Handreinigungsformulierungen, 2010. https://www.who.int/publications/i/item/WHO-IER-PSP-2010.5
[4] Kovač, B.; Piletic, K.; Kovačević Ganić, N.; et al. Die Wirksamkeit von Benzalkoniumchlorid als Wirkstoff auf ausgewählte lebensmittelbedingte Krankheitserreger Biofilm. Hygiene 2022, 2 (4), 226–235. DOI:10.3390/hygiene2040020
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Effizienzsteigerung im Labor für die Qualitätskontrolle: Kosteneinsparungen von bis zu 90 % mithilfe von NIRS
Die Unterschätzung von QC-Prozessen ist einer der Hauptfaktoren, die zu internen und externen Produktfehlern führen, die Berichten zufolge zu Umsatzeinbußen zwischen 10 und 30 % führen. Infolgedessen werden viele verschiedene Normen eingeführt, um die Hersteller dabei zu unterstützen. Die Zeit bis zum Ergebnis und die damit verbundenen Kosten für Chemikalien können jedoch ziemlich übermäßig sein, was viele Unternehmen dazu veranlasst, die Nahinfrarot-Spektroskopie in ihren QC-Prozess zu integrieren. Das folgende Whitepaper veranschaulicht das Potenzial von NIRS und zeigt Kosteneinsparpotenziale von bis zu 90 % auf.
