Spektrometria Ramana w kontroli procesów

Spektrometria Ramana jest techniką powszechnie znaną w przemyśle farmaceutycznym. Systemy tego typu są wykorzystywane do określania zawartości związków chemicznych, badań jednorodności produktu, identyfikacji, a w połączeniu z mikroskopem optycznym – składu chemicznego pojedynczych cząstek. Środowisko farmaceutyczne rzadko jednak zdaje sobie sprawę ze znacznie szerszego zastosowania metody, a mianowicie do kontroli procesów w trybie ciągłym.

Spektrometria Ramana

Zarówno technika pomiarowa jak i cała dziedzina wiedzy powstała na podstawie efektu Ramana. Zjawisko zostało przewidziane teoretycznie już w roku 1923, jednak potwierdzenie empiryczne znalazł indyjski fizyk Chandrasekhar Raman w 1928 roku. Od tamtej pory wiedza na temat efektu Ramana została znacznie poszerzona i usystematyzowana.

Spektroskopia ramanowska, podobnie jak spektroskopia w podczerwieni (IR), jest formą spektroskopii oscylacyjnej. Polega na rozproszeniu fotonów na cząstkach.  Widmo Ramana powstaje jednak wskutek zmiany polaryzacji cząstki, a nie momentu dipolowego jak w spektroskopii IR.

Kiedy wiązka światła uderza w próbkę, fotony są absorbowane przez materiał i rozpraszane. Zdecydowana większość tych rozproszonych fotonów ma dokładnie taką samą długość fali jak fotony padające, a na widmie są widoczne jako pasma Rayleigha. Jednak niewielka część (około 1 na 107) promieniowania rozproszonego zostaje przesunięta do innej długości fali. Zjawisko określa się jako rozproszenie Ramana. Większość rozproszonych fotonów Ramana zostaje przesunięta w kierunku wyższej wartości długości fali (pasma stokesowskie), ale niewielka część przesuwa się w kierunku niższej wartości długości fali (pasma antystokesowskie). W każdym przypadku padający foton wzbudza elektron do wyższego stanu energetycznego. Elektron następnie wraca do niższego poziomu energetycznego, emitując rozproszony foton.

W trakcie rozproszenia Rayleigha elektron wraca na ten sam poziom, z którego został wzbudzony.
W obu przypadkach rozproszenia Ramana rozpraszany elektron wraca na inny poziom energetyczny niż początkowy. Rozproszenie stokesowskie występuje, gdy końcowy poziom energetyczny jest wyższy niż początkowy, podczas gdy antystokesowskie wtedy, gdy poziom końcowy jest niższy niż początkowy. Rozproszenie stokesowskie zaznacza się znacznie silniej niż antystokesowskie, elektron znajduje się najczęściej na najniższym poziomie energetycznym.

Spektroskopia Ramana jest formą spektroskopii oscylacyjnej. Odznacza się tym, że energia przejścia powstaje na skutek wibracji molekuł. Wibracje te wiążą się z możliwymi do zidentyfikowania grupami funkcyjnymi. Kiedy energie tych przejść są opisane jako spektrum, można je wykorzystać do identyfikacji cząsteczek.

Kontrola procesu za pomocą spektrometru Ramana

Przemysł farmaceutyczny XXI wieku ewoluuje niezwykle szybko w kierunku automatyzacji procesów. Rośnie wykorzystanie maszyn w celu optymalizacji produkcji. Sensory wykorzystujące spektroskopię Ramana znajdują coraz częstsze zastosowanie tam, gdzie klasyczna kontrola jakości trwa zbyt długo lub jest nieefektywna.

Analizatory wykonując cykliczne pomiary umożliwiają obserwacje zachodzącej w procesie przemiany, a przez to precyzyjne określenie jej rozpoczęcia, zakończenia oraz szybkości. Najważniejszym elementem przygotowania systemu do działania jest opracowanie metody. Jedynymi informacjami otrzymywanymi przez oprogramowanie ze spektrometru są widmo Ramana i czas pomiaru, które całkowicie wystarczą przy poprawnie opracowanej metodzie. Software rozpoznaje uprzednio określone piki charakterystyczne, które będą się zmieniać wraz z zachodzącym procesem. Klasycznym przykładem jest tu przemiana substrat – produkt, gdzie nawet niewielka różnica w budowie strukturalnej obu związków spowoduje charakterystyczne zmiany w widmie Ramana.

Metody mogą być zaprojektowane zarówno do kontroli jakościowej, jak i ilościowej. Jeżeli pragniemy rozpoznać punkt końcowy procesów krystalizacji, polimeryzacji, czy  mieszania lub powlekania – analiza jakościowa wystarczy w zupełności. Czasem jednak, szczególnie w procesach biotechnologicznych, wymagane są dokładne stężenia poszczególnych składników. Za pomocą jednej sondy użytkownik jest w stanie kontrolować wszystkie istotne parametry, a także określić stężenie produktu, jak również wydajność  i dynamikę procesu.

Przykłady zastosowań

Spektrometry Ramana zostały z powodzeniem wdrożone do kontroli procesów w farmacji i biotechnologii. Charakterystyka ich pracy pozwala na zastosowanie sond w wielu aplikacjach. Poniżej opiszemy kilka z nich.

Doskonałym przykładem zastosowania spektroskopii Ramana jest obserwacja procesu powlekania tabletek. Do kontroli wykorzystywana jest sonda, która wykonuje cykliczne pomiary widma Ramana pochodzącego od tabletek w bębnie. Powyżej przedstawiono wykres obrazujący zmianę grubości powłoki w czasie. W trakcie procesu powlekania pewne piki w widmie (piki charakterystyczne) zmieniają swój kształt, wysokość lub/i położenie. Na podstawie otrzymanych wyników użytkownik może określić stosunek sygnału pochodzącego od rdzenia tabletki względem sygnału pochodzącego od powłoki. Proces uznaje się za zakończony w momencie osiągnięcia zadowalającego stosunku sygnałów lub zaniku piku pochodzącego od rdzenia.

Innym przykładem zastosowania sondy Ramana jest obserwacja procesu krystalizacji. Formy krystaliczne różnią się między sobą długością wiązań w poszczególnych kryształach. Widmo Ramana otrzymywane jest dzięki rozproszeniu światła na wiązaniach atomów badanego materiału. Sonda w trakcie trwania procesu krystalizacji rejestruje charakterystyczne przesunięcie pomiędzy pierwszą i drugą formą krystaliczną. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczany jest stosunek pomiędzy nimi.

Analizatory

Kaiser Optical Systems Inc. jest firmą z wieloletnim doświadczeniem w zakresie spektrometrii ramanowskej i technologii holograficznej. Firma została założona w 1979 roku. W 1990 roku weszła na rynek spektroskopii wraz z wprowadzeniem holograficznego filtra wycinającego. W 1993 roku Kaiser wypuścił swój pierwszy analizator Ramana, HoloProbe, który wyznaczył standard dla kompaktowych instrumentów ramanowskich. Obecnie, w zakresie spektrometrii Ramana, firma posiada w swojej ofercie kilka rodzajów analizatorów.

RXN1 – sprzęt do zastosowania głównie do badań naukowych lub w działach R&D. Spektrometr posiada możliwość zainstalowania jednej sondy pomiarowej. Jest jednocześnie najmniejszym gabarytowo analizatorem w ofercie.

RXN2 Multichannel – najpopularniejszy model. Posiada cztery miejsca na sondy, tak więc za jego pomocą możemy kontrolować jednocześnie nawet cztery procesy. RXN2 został zaprojektowany z myślą o przemyśle, wszędzie tam gdzie niewymagane jest spełnienie normy ATEX. Ruchome części analizatora zostały zabezpieczone. Użytkownik może wykorzystać sprzęt w wersji mobilnej – na specjalnym wózku oferowanym przez firmę Kaiser.

RXN2 Hybrid – drugi wariant modelu RXN2. Ograniczono w nim ilość sond na rzecz wykorzystania sondy PhAT oraz drugiej standardowej sondy. Dzięki wykorzystaniu sześćdziesięciopunktowego czujnika PhAT użytkownik jest w stanie bezstykowo kontrolować bardziej skomplikowane próbki oraz zbierać dane z większego, statystycznego obszaru. Właśnie ten model wykorzystuje się w aplikacjach takich, jak: mieszanie, granulacja, powlekanie, tabletkowanie, czy analiza jednorodności tabletek.

RXN3 – model stworzony, aby spełnić wszelkie wymagania dla stref zagrożonych wybuchem. Posiada wszystkie możliwości modelu RXN2 oraz wszelkie zabezpieczenia, w tym obudowę zgodną z normą ATEX.

RXN4 – sprzęt idealny do zastosowania, jeżeli użytkownik zamierza kontrolować wiele reaktorów za pomocą co najmniej kilku spektrometrów Ramana. Analizatory to poszczególne segmenty specjalnej szafy. Nie mają możliwości przemieszczenia. Do sprzętu montuje się odpowiednio długie światłowody, które wraz z sondami docierają do poszczególnych procesów.

Wszystkie modele analizatorów posiadają możliwość przyłączenia sond odpowiadających wymogom aplikacyjnym. W ofercie znajdują się sondy zarówno stykowe, np. do cieczy i gazów, jak i bezstykowe. Długość światłowodów łączących spektrometr z sondą może wynieść ponad 200 m, nie ma więc potrzeby przemieszczania sprzętów. Dla pewnych aplikacji idealnie nadaje się sonda PhAT, która wykorzystuje pomiar wielopunktowy dla zwiększenia czułości. Duży obszar pomiaru pozwala również na dokładną analizę statystyczną, np. przy określaniu średniej zawartości API w tabletkach.

Spektrometry firmy Kaiser nie wymagają wymiany materiałów eksploatacyjnych.

Podsumowanie

Kontrola procesu w czasie rzeczywistym jest jednym z największych wyzwań w branży przemysłu farmaceutycznego. Nowoczesne technologie pozwalają jednak coraz częściej pokonywać trudności, wprowadzając tym samym możliwość realnego wpływu na produkt. Wiele problemów technologicznych można rozwiązać za pomocą spektrometrów Ramana, pełniących funkcję czujników stopnia zaawansowania przemiany. Możliwość pomiaru bezstykowego sprawia, że metoda jest niezwykle uniwersalna i znajduje zastosowanie w każdej gałęzi przemysłu farmaceutycznego.


Opiekun produktu

Mateusz Parol | (+48) 608 488 104 |  mateusz.parol@apinstruments.pl