See-Through-Raman-Technologie: Erweiterte Möglichkeiten zur Identifizierung durch Verpackungen mit Raman-Anregung bei 785 nm und 1064 nm

Die Raman-Spektroskopie ist eine Form der Molekularspektroskopie, die spezifische molekulare Informationen über Materialien liefert. Raman wird in großem Umfang für schnelle, zerstörungsfreie, nicht-invasive Identifizierungstests in der chemischen, Material-, pharmazeutischen und biomedizinischen Forschung, in der medizinischen Diagnostik und zunehmend auch bei der Strafverfolgung eingesetzt. Eine Einschränkung der Raman-Spektroskopie besteht darin, dass Proben nur direkt oder durch transparente Behälter gemessen werden können. Obwohl dies in einer Laborumgebung keine wirkliche Einschränkung darstellt, ist es bei tragbaren Instrumenten, die vor Ort eingesetzt werden, wünschenswert, die Proben so zu identifizieren, wie sie sind, mit einem Minimum an Probenhandhabung und Öffnung der Verpackungen. Die Raman-Identifizierung durch undurchsichtige Verpackungen würde den Einsatz der Technologie bei eingehenden Rohstoffen in Lagern und für Ersthelfer, Zollbeamte und andere Personen, die Materialien schnell und ohne Berührung identifizieren müssen, erleichtern.

Wir haben die Fähigkeiten des 785-nm-Strams für die Identifizierung von Verpackungen [1,2], wie z. B. weißen Polyethylenflaschen, einer gängigen Verpackung für feste Chemikalien, und anderen undurchsichtigen Verpackungen, wie z. B. weißen und Manila-Umschlägen, nachgewiesen. Aufgrund der höheren Abtasttiefe der Technologie wird ein Spektrum des Materials unter undurchsichtigen Schichten erfasst. In Verbindung mit fortschrittlichen Identifizierungsalgorithmen wird der Beitrag des Ramansignals der Verpackung entfernt und die Probe korrekt identifiziert. Die Identifizierung durch farbigen Kunststoff, mehrere undurchsichtige Schichten und dickes Glas hindurch kann mit der STRaman^TM-Technologie mit 785 nm Anregung erfolgen. Ein Beispiel für die Identifizierung von Natriumbenzoat in einer weißen PE-Flasche ist in Abbildung 1 dargestellt. Überzogene Tabletten können ebenfalls identifiziert werden, da die See-through-Technologie die Überzugsschicht durchdringt und das Raman-Spektrum der darunter liegenden Tablette misst. Und da die Leistungsdichte des Systems geringer ist als das stark fokussierte Signal, das bei konventionellem Raman verwendet wird, können sogar farbige Tablettenüberzüge und dunkle Proben gemessen werden, ohne dass der Laser die Oberfläche verbrennt. Abbildung 2 zeigt das Raman-Spektrum eines Schwarzpulvers, das mit dem STRam bei voller Laserleistung aufgenommen wurde, ohne dass es zu einer Verbrennung kam.

Viele Rohstoffe werden in ein- oder mehrlagigen Kraftpapiersäcken geliefert, die manchmal auch mit einer Kunststoffschicht ausgekleidet sind. Braunes Kraftpapier sowie viele andere dunkel gefärbte Materialien weisen bei der Messung mit 785 nm Raman eine starke Fluoreszenz auf. Die Anwendung der STRaman-Technologie auf unsere 1064-nm-Raman-Systeme ermöglicht die Materialidentifizierung auch bei solch schwierigen Verpackungsmaterialien. Zur Veranschaulichung haben wir eine Reihe verschiedener mehrschichtiger Papiersäcke erhalten, die in Pharmaunternehmen als Rohstoffbehälter verwendet werden, und mehrere häufig verwendete Hilfsstoffe mit unterschiedlichen Raman-Streustärken ausgewählt und die Fähigkeit von STRaman^TM bei 1064 nm getestet, sie durch die Papiersäcke hindurch zu identifizieren. Wie Tabelle 1 zeigt, wird selbst das schwächste Raman-aktive Material Trinatriumphosphat, das etwa 40-mal schwächer ist als Kalziumkarbonat, positiv identifiziert (eine positive ID bedeutet, dass die korrekte Chemikalie als Top-Treffer aufgelistet wird, mit einem Trefferqualitätsindex über einem festgelegten Schwellenwert und mit einer festgelegten Marge höher als der zweite Treffer. Der HQI-Schwellenwert wurde auf 85 und die Spanne auf 2 festgelegt). Bei einer Anregung von 785 nm kann Trinatriumphosphat jedoch nur durch die weiße Kraftpapiertüte erfolgreich identifiziert werden.

Abbildung 3 zeigt das Spektrum von Trinatriumphosphat, gemessen durch einen zweilagigen Beutel aus weißem und braunem Kraftpapier, mit positivem Suchergebnis in der Bibliothek. Obwohl das Spektrum von Fluoreszenz- und Raman-Merkmalen der Papiertüte dominiert wird, ist der in STRaman verwendete Algorithmus in der Lage, daraus die Signatur von Trinatriumphosphat zu extrahieren und es zuverlässig zu identifizieren.

Die Möglichkeit, Proben im Inneren von Verpackungen zu messen, wodurch die Notwendigkeit einer Probenvorbereitung entfällt, ist einer der größten Vorteile von Raman. Die mit der STRaman-Technologie erzielten Fortschritte gehen noch einen Schritt weiter und ermöglichen die Messung durch undurchsichtige Verpackungen hindurch - von weißen Plastikflaschen über Fasersäcke bis hin zu Kraftpapiersäcken, Umschlägen und sogar Haut -, so dass dieses spektroskopische Werkzeug in vielen Arbeitsumgebungen, im Labor oder im Feld, problemlos eingesetzt werden kann. Die Entwicklung der Technologie für die Laseranregung bei 785 nm und 1064 nm eignet sich auch für dunkle und stark gefärbte Verpackungen, die durch Fluoreszenz beeinflusst werden. Dadurch wird Raman für viele neue potenzielle Nutzer zugänglich, für die es bisher kein brauchbares Werkzeug war.