Niederfrequente Raman-Spektroskopie

Die Raman-Spektroskopie ist ein Analyseinstrument, das die Messung der Molekülstruktur und die Identifizierung von Materialien auf der Grundlage der Rotations- und Schwingungsmoden eines Moleküls ermöglicht. Die meisten kommerziellen Labor-Raman-Systeme decken den Fingerabdruck-Spektralbereich von 200-3400 cm^-1 ab.

Die B&W Tek i-Raman Plus BAC102 Sonde kann auf niederfrequente Moden bis hinunter zu 65 cm^-1 zugreifen und bietet damit eine kostengünstige Lösung für Messungen in einem größeren Bereich. Der Zugang zu niederfrequenten Bereichen liefert wichtige Informationen für Anwendungen in der Proteincharakterisierung [1], der Erkennung und Identifizierung von Polymorphen [2] sowie der Bestimmung von Materialphasen und -strukturen.

Für diese Anwendung wurde i-Raman Plus 785S, das Labor-Raman-Spektrometer von B&W Tek mit dem patentierten CleanLaze®, verwendet. Dieses Instrument bietet 785 nm Laseranregung mit einer Linienbreite von weniger als 0,2 nm und einer maximalen Ausgangsleistung von 300 mW.

i-Raman Plus ist mit einem empfindlichen, TE-gekühlten, rückseitig verdünnten CCD ausgestattet. Eine BAC102 E-grade Sonde, die eine firmeneigene Technologie nutzt, unterstützt die Datenerfassung innerhalb eines vollen Spektralbereichs von 65-33500 cm^-1 mit einer spektralen Auflösung von 4,5 cm^-1.

Raman-Spektren wurden bei Raumtemperatur mit einer Laserleistung von 300 mW und Integrationszeiten zwischen 100 Millisekunden und 10 Sekunden erfasst (Tabelle 1).

Die Bestimmung der strukturellen Form von pharmazeutischen Wirkstoffen (APIs) ist ein Hauptanliegen der Pharmaindustrie. Dies gilt insbesondere für die Arzneimittelentwicklung, die Herstellung und die Qualitätskontrolle.

APIs weisen Polymorphismus auf - identische chemische Zusammensetzung, aber unterschiedliche Festkörperstrukturen. Polymorphien können die Bioverfügbarkeit und den therapeutischen Index beeinflussen. Die Wirksamkeit eines Arzneimittels kann beeinträchtigt werden, wenn die falsche Form verwendet wird [2]. Pseudo-Polymorphe umfassen Lösungsmittel, die in einer Gitterstruktur suspendiert sind.

Abbildung 2 ist ein Beispiel für das Pseudo-Polymorph D-Glucose, das die Fähigkeit der E-Grade-Sonde zeigt, Unterschiede zwischen der Monohydrat- und der wasserfreien Form bei Frequenzen unter 200 cm^-1 zu erkennen.

Zur Überwachung von Phasenänderungen wie der Kristallisation in chemischen Prozessen ist eine außergewöhnliche Spezifität erforderlich. Die Niederfrequenzsonde der Klasse E kann solche Phasenänderungen überwachen, wie am Beispiel von Schwefel gezeigt (Abbildung 3).

Fester α-Schwefel wurde auf einer Aluminiumschale abgeschieden und mit einer Heizplatte erhitzt, während die Raman-Spektren mit einer E-Grade-Sonde und i-Raman Plus unter Verwendung von 100 % Laserleistung (~300 mW) und 0,1 s Integrationszeit sowohl für die feste als auch für die flüssige Phase gesammelt wurden.

Nachdem die Probe über ihren Schmelzpunkt bei 115,2 °C erhitzt wurde, verbreiterte und verschob sich der niederfrequente Peak bei 83,6 cm^-1 was auf den Wechsel von der α- zur λ-Form hinweist. Es ist zu beachten, dass innerhalb der Fingerprint-Region keine Veränderungen zu beobachten sind (Abbildung 3).

Das Raman-Spektrometer i-Raman Plus 785S kann in Verbindung mit der Niederfrequenz-E-Grade-Sonde ein wertvolles Werkzeug für Anwendungen sein, die eine Niederfrequenzdetektion bis zu 65 cm erfordern^-1. Die Fähigkeit, polymorphe und solvatisierte Formen zu charakterisieren, unterstützt Herstellungs- und Formulierungsprozesse in der pharmazeutischen und biologischen Industrie.

Neben der Charakterisierung von Proteinen, Polymorphen und Phasen kann die niederfrequente Raman-Spektroskopie auch zur Untersuchung von Halbleitergittern [4], Kohlenstoff-Nanoröhren [5], Solarzellen und einer Reihe von Mineralien, Pigmenten und Edelsteinen eingesetzt werden.