ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРОСКОПИИ БЛИЖНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

ЧТО ТАКОЕ БЛИЖНИЙ ИК-ДИАПАЗОН?

Ближний инфракрасный диапазон (БИК) электромагнитного спектра простирается от 800 нм до 2500нм (от 12500 до 4000см-1 ) и находится между средней ИК - областью с большей длиной волн и видимой областью с более короткими длинами волн. Средний и ближний диапазоны могут использоваться для колебательной спектроскопии. В то время как спектры, полученные в среднем ИК регистрируют главным образом атомные колебания в индивидуальных химических связях большинства молекул, соответствующие спектры БИК показывают так называемые обертоны и комбинационные полосы.

На шкале волновых чисел (см-1 ) эти обертоны появляются как нечто меньшее, чем составные частоты основных колебаний. Например, основное колебание С-Н связи (n) молекулы трихлорметана (CHCl3) происходит на 3040 см-1 , первые три обертона (2n, 3n и 4n) – наблюдаются на 5907см-1 , 8666см-1 и 11338см-1 соответственно.

В то же время поглощающая способность уменьшается с увеличением номера обертона, например, серия этих значений для CHCl3 составляет 25000, 1620, 48,

1.7 см-1 /моль соответственно.

Благодаря резкому уменьшению интенсивности высших обертонов БИК спектры обычно подавляются перекрывающимися обертонами и комбинационными полосами структурно более легких групп (например, C-H, N-H и O-H). В пределах этих БИК спектров содержится значительная информация о молекулярной структуре исследуемого образца, и эту информацию можно извлечь современными методами обработки данных.

Преимущества спектроскопии БИК

• Быстрота (обычно 5 – 10с)
• Не требуется предварительной подготовки образца
• Простота проведения измерений
• Высокая точность и воспроизводимость анализа
• Нет загрязнений
• Процесс-контроль
• Возможность проведения измерений через стеклянную и пластиковую упаковку
• Автоматизация измерений
• Перенос метода с одного прибора на другой
• Анализ физических и химических свойств

По сравнению с жидкостными методами химического анализа, анализ методом спектроскопии БИК более быстрый, простой и точный. Измерения могут проводиться очень быстро, обычно время анализа составляет лишь 5-10 секунд. Не требуется предварительная подготовка образца и специальное обучение персонала. Данные спектры могут содержать информацию о физических свойствах материала, таких как размер частиц, термическая и механическая предварительная обработка, вязкость, плотность и т.п.

СРАВНЕНИЕ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ

ближнего и среднего диапазонов

Сокращение времени подготовки образца является одним из главных преимуществ ближнего ИК по сравнению со средним. Это происходит, прежде всего, из-за сравнительно низкого коэффициента поглощения для большинства материалов в БИК диапазоне. Измерения в среднем диапазоне порошкообразных образцов традиционно выполняются или методом диффузного отражения или прессованием образцов в таблетки и измерение спектров в режиме пропускания. В обоих случаях образцы должны быть сначала измельчены в тонкий порошок, а потом перемешаны с непоглощающим веществом, таким как KBr. Измельченные и перемешанные с KBr порошки помещаются в пресс-форму и прессуются в таблетки при высоком давлении с помощью гидравлического или ручного пресса. В случае измерений в режиме диффузного отражения измельченный и смешанный с KBr образец помещается прямо в стаканчик для образца, поверхность образца выравнивается и потом вводится в приставку диффузного отражения для измерений. Эти методы подготовки образцов широко и успешно используются, но имеют недостатки, такие как более длительное время для подготовки образца, более высокая возможность для загрязнения образца, возможно понижение воспроизводимости образец-образец и пользователь–пользователь из-за различий возникающих при приготовлении образца, и дополнительная стоимость KBr разбавителя.

Кроме того, преимущество БИК спектроскопии состоит в том, что здесь для измерений твёрдых и жидких образцов применяется довольно недорогое оптоволокно. Сравнимые с ним аксессуары для средней ИК-области или ограничены их физической досягаемостью, либо хрупкостью и сложностью работы с ними. Благодаря всему этому БИК спектроскопия намного более привлекательна для использования в производственном процессе.

СРАВНЕНИЕ БИК-спектроскопии

и диспергирующих приборов

Фурье-спектрометры ближнего ИК-диапазона, существенно отличаются от дисперсионных спектрометров ближнего ИК-диапазона методом получения спектра. В диспергирующих приборах используется узкая щель и диспергирующий элемент, например, решётку, для преобразования свет в спектр. Этот спектр проецируется на датчик или множество датчиков, где определяется интенсивность света при каждой дине волны. Спектральное разрешение диспергирующих приборов определяется фиксированной шириной щели, обычно это составляет 6-10нм (от 15см-1 до 25см-1 , при 2000нм). Нельзя выбрать разрешение с помощью программного обеспечения, а повышение разрешающей способности требует более узкой щели и ослабления результирующего сигнала. Таким образом, для всех диспергирующих приборов стоит проблема выбора между разрешающей способностью и отношением сигнал/шум.

Спектрометр Фурье преобразования напротив использует интерферометр, чтобы просмотреть комбинации длин волны света, возникающей от широкой полосы источника ближнего ИК-диапазона, и направляет эти комбинации в один детектор.

В каждом скане интерферометра данные собираются в форме интерферограммы, в которой интенсивность сигнала сопоставлена со смещением перемещающейся части интерферометра. Это смещение интерферометра непосредственно связано с длиной волны, и математическое преобразование (преобразование Фурье) применяется для построения графика интенсивности сигнала как зависимость от длины волны, по которой вычисляется мера поглощения спектра или пропускающая способность спектра.

Одновременно, HeNe лазерный луч проходит сквозь интерферометр и направляется к его собственному детектору. Смещение интерферометра приводит к максимумам и минимумам сигнала на этом лазерном детекторе, которые встречаются через точно определённые интервалы, кратные длине волны излучения лазера. Места прохождения этого сигнала через нуль используются как точки сбора для преобразования в цифровую форму сигнала детектора БИК. Таким образом, благодаря управлению преобразованием в цифровую форму у Фурье-спектрометра точность длины волны существенно выше, чем у любого другого диспергирующего прибора. Эта точность длины оказывает непосредственное влияние на условия стабильности моделей калибровки, разработанных на Фурье-системах, а также на способность передавать модель калибровки другим Фурье-приборам, которая будет описана далее.

Спектральная разрешающая способность для Фурье- спектрометров определяется степенью подвижности интерферометра, который управляется программным обеспечением, что позволяет намного увеличить разрешающую способность по сравнению с диспергирующим спектрометром, и, с помощью программного обеспечения, выбирать разрешающую способность в ходе исследований. Кроме того, широкая полоса луча ближнего ИК- диапазона в Фурье-приборе направлена сквозь большие круговые апертуры вместо узкой прямоугольной щели, которую используют в диспергирующем документе, что обеспечивает освещение большей области образца и увеличивает интенсивность света в детекторе. Это преимущество производительности приводит к большему отношению сигнал/шум для Фурье-спектрометров по сравнению с диспергирующими приборами. Лучшее отношение сигнал/шум приводит к существенному уменьшению времени обнаружения и, как следствие, к получению спектров более высокого качества на Фурье-приборе при любой спектральной разрешающей способности.

ФУРЬЕ – СПЕКТРОСКОПИЯ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА для качественного и количественного анализа

Сегодня многие производители стремятся не только поставить конечный продукт самого высокого качества, но также и улучшить производственную эффективность с помощью лабораторного анализа и использования полученного результата на производстве. Получая более жесткий контроль над технологией, возможно оптимизировать использование веществ, добавляя или устраняя их, чтобы произвести специфицированную продукцию, что сводит к минимуму затраты на распределение или переработку.

БИК – спектроскопическая методика, идеально подходящая для обработки измерений из-за ее способности быстро выполнять дистанционные измерения через высокоэффективное кварцевое оптическое волокно. Ослабление сигнала внутри таких волокон очень мало (например, 0.1 дБ/км), кроме того, БИК оптоволоконные кабели и датчики прочные, относительно недорогие и широко доступные. Обрабатывающие датчики могут располагаться на расстоянии сотен метров от спектрометра, а многочисленные датчики могут быть подсоединены к одному спектрометру.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ БИК

БИК методы отбора образцов для твердых веществ основаны или на диффузной отражательной способности или простом измерении при пропускании. Диффузные измерения отражательной способности в основном делаются с помощью оптико- волоконного датчика или интегрирующей сферы.

На рис. 2 показан Фурье - БИК спектрометр MPA (производство Bruker Optik GmbH, Германия), у которого есть 2 порта оптоволоконных датчиков и отдельный отсек для образца, что позволяет применять метод прямого пропускания.

На этом фотоснимке показан распространённый датчик коэффициента отражения, используемый для анализа порошковых образцов в пробирках.

Образцы анализируются при контакте датчика с образцом материала. О завершении анализа сигнализируют светящиеся светодиоды.

Интегрирующая сфера (рис.3) позволяет собирать данные спектров от неоднородных веществ, например, смешанных порошков, зерна, полимерных гранул, и т.п. Полученные спектры представляют пространственное усреднение всего материала, находящегося в круговом окне измерения (диаметр 25 мм).

Для лучшего усреднения может быть использован вращающийся стаканчик и автоматические пробоотборники.

БИК РЕВОЛЮЦИЯ

В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

ПРОБЛЕМЫ ПРОВЕРКИ КАЧЕСТВА

Фармацевтическая промышленность известна как одна из наиболее тяжело регулируемых отраслей промышленности в мире, и фирма Bruker производит для потребителей фармацевтической продукции приборы для проверки качества, с помощью которых потребители могут проверить соответствие препаратов необходимым требованиям. Пакет программного обеспечения OPUS контролирует все функции спектрометра. В этот пакет программ включена всесторонняя проверка набора программ и аппаратных средств. OPUS полностью проверит правильность функционирования путём нажатия на клавишу. Сюда входит тестирование внутреннего устройства проверки, встроенного в спектрометр.

Программное обеспечение можно запускать в защищенный паролем режиме «GLP», при полном контроле администратора над пользователем, его доступом к меню, установочным параметрам и настраиваемым макро программам. Блок данных обеспечивает полный и автоматический контроль всех действий, совершаемых со спектрами. Язык программирования, основанный на пиктограммах, встроен в программное обеспечение, что позволяет автоматизировать комплексные процедуры. Вследствие этого происходит увеличение повторяемости и сокращение потенциальных погрешностей.

Bruker является компанией ISO9000, и всё программное обеспечение и аппаратные средства перед доставкой заказчику подвергаются строгому контролю качества, нескольким стадиям завершающего тестирования и проверке. Инсталляция прибора на месте у заказчика выполняется нашими опытными техническими инженерами, которые обеспечивают заказчика исправным прибором при доставке и затем постоянно на продолжении всей жизни прибора.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ СЫРЬЯ

Одним из первых шагов в производстве любого фармацевтического продукта является идентификация и проверка соответствия различного входящего сырья необходимым требованиям. Спектроскопия БИК через оптоволоконные датчики быстро становится стандартным методом выполнения этой проверки соответствия, обеспечивая беспрецедентную скорость идентификации как твердых веществ, так и жидкостей.

Чтобы выполнить этот вид анализа, должна быть создана такая модель калибровки, которая затрагивает интересующие нас вещества. Во-первых, необходимо получить несколько спектров для каждого сырья, принимая во внимание все возможные изменения, которые могут возникнуть. Сюда обычно входят виды сырья, получаемые от различных продавцов, из различных мест, и т.д. Как только спектры измерены, генерируется средний спектр каждого материала, и создаётся библиотека всех таких средних спектров, куда вносятся и статистически определенные приемлемые критерии (или пороги) для всех веществ в библиотеке.

Затем библиотека подтверждает, что все материалы уникально идентифицированы. Теперь библиотека может использоваться для идентификации новых неизвестных веществ, сравнивая их спектры со спектрами библиотеки, и определяя качество попадания для каждого вещества, находящегося в библиотеке. Если это качество попадания меньше, чем порог для одного вещества и больше, чем порог для всех других веществ, неизвестное вещество идентифицировано.

Идентифицируемые жидкости могут быть измерены или измерением при пропускании в отсеке для образца (как показано на рис. 1), или с помощью оптоволоконного иммерсионного датчика. В любом случае, более низкие коэффициенты поглощения БИК (по сравнению со средним ИК) позволяют использовать гораздо большие длины пути образцов (то есть 1 - 10мм). Вследствие этой разности длины пути измерения в отсеке для образцов становятся выгоднее, так как это позволяет использовать типовые недорогие стеклянные пробирки вместо точных ячеек, уменьшая стоимость и продолжительность измерений.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ АКТИВНЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ

Другая важная часть качественного/количественного анализа в фармацевтической промышленности – количественный анализ концентрированных активных ингредиентов. Этот тип анализа часто требует обширного лабораторного тестирования пробных оттисков образцов, которые разрушаются в течение испытания. Напротив, Фурье - БИК обеспечивает экономию времени и неразрушающий способ выполнения количественного анализа концентратов в смесях порошковых или жидких веществ, а также в уже изготовленных фармацевтических таблетках и капсулах.

ЭФФЕКТИВНОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ВЫБОРКИ

Ключевым фактором успеха Фурье - БИК для количественного анализа является выбор метода выборки образцов, часто это соединение автоматизированной и ручной выборки. Предприятия Bruker производят аксессуары для осуществления выборки специально для задач фармацевтической промышленности. Например, автоматический пробоотборник (рис. 5), может быть установлен в отсеке для образцов любого Фурье - БИК спектрометра Bruker.

Особенностью этого аксессуара является настраиваемый диск для образцов, который может вмещать в себя до 30 образцов. Пользователь обрабатывает пазы для таблеток, а передвижение диска программным обеспечением OPUS или произвольно определяемой пользователем макрокомандой и/или связью с централизованной системой распределённого управления в пределах завода - изготовителя.

ПРИМЕРЫ АНАЛИЗА АКТИВНОГО ИНГРЕДИЕНТА

Примером количественного анализа концентрата активного ингредиента в законченной фармацевтике Фурье – БИК является определение концентрации ацетилсалициловой кислоты (АСК) в таблетках аспирина. Чтобы провести этот анализ, для обработки спектров, полученных с таблеток аспирина с известной концентрацией АСК, использовали метод наименьших квадратов (МНК). Концентрация АСК в образцах составляла от 85 % до 90 %. Помимо АСК таблетки содержали два типа крахмала в диапазоне 0 %-10 %.

Чтобы устанавливать модель МНК для этой многокомпонентной системы, всего при разрешающей способности 8см-1 было зарегистрировано 44 спектра. Оптимальный диапазон для АСК был определен с помощью пакета программ OPUSв- Quant/2 (взаимной проверкой правильности). Среднеквадратическая погрешность составила 0.35 %, а расхождение R2 - 93.8%. Эта погрешность находилась в рамках, заданных заказчиком. График истинных и вычисленных концентраций показан на рисунке 6.

ВЫБОРКА ЧЕРЕЗ УПАКОВКУ

Кроме того, демонстрировалось определение концентрации активного ингредиента таблеток аспирина через пластмассовые материалы прозрачной упаковки с помощью оптоволоконного датчика диффузного отражения, как показано на рисунке 7. В получающихся спектрах появились выпуклые диапазоны от полимерного материала прозрачной упаковки, но две отдельных области (6070-5900см-1 и 4730-4580см-1 ), содержащие пики от аспирина, все еще видимы и использовались для создания калибровочной модели.

График истинных и найденных концентраций показан на рисунке 8). Среднеквадратическая погрешность составила 0.46 %, а расхождение R2 - 91.30 %, эти значения опять находятся в рамках, заданных заказчиком. Спектры, полученные в этом примере, показаны на рисунке 9.

ПРЕИМУЩЕСТВА УВЕЛИЧЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

В СПЕКТРАЛЬНОМ АНАЛИЗЕ

До недавнего времени большинство изданных результатов в БИК спектроскопии было получено с помощью диспергирующих приборов низкой разрешающей способностью, у них спектральная разрешающая способность располагается между 6 и 10 нм (от 15см-1 до 25 см-1 , при 2000 нм). Появление Фурье-БИК спектрометров привело к значительным успехам в условиях высокоразрешающих возможностей (лучше, чем 2 см-1 ) спектроскопии БИК.

БИК спектры обычно характеризуются высокой спектральной поглощающей способностью, что не требует высокой разрешающей способности. В то время часто встречаются ситуации, когда желательная модель калибровки от спектров низкого разрешения не может быть создана. Кроме того, высокоразрешающая способность непосредственно влияет на точность длины волны прибора и, следовательно, на стабильность результатов и «транспортабельность» моделей калибровки.

На опыте, чтобы продемонстрировать значение увеличения разрешающей способности в спектральном анализе, были измерены спектры БИК 5 таблеток с различными невысокими концентрациями активного ингредиента. Спектры были измерены при разрешающей способности 8 см-1 и 2 см-1 , после чего с помощью OPUS была создана идентификационная модель для таблеток. При разрешающей способности 2 см-1 , модель могла различить лишь плацебо и таблетки с активными ингредиентами, в то время как при более высокой разрешающей способности 8 см-1 , все концентрации ясно различимы.

Рисунок 10a показывает спектры и график, полученный для двух первых основных компонент измерений при 8 см-1 . На рисунке 10б показаны спектры и график, полученный для первых двух основных компонент измерений при 2 см-1 . 5 областей в последнем графике указывают, что модель с более высокой разрешающей способностью позволяет ясно отличить 5 уровней концентрации активного ингредиента.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫВАЮЩЕГО СЛОЯ

Фурье - БИК спектроскопия также успешно используется для определения толщины слоя на фармацевтических таблетках. При проведении этого исследования было проведено несколько испытаний, включая опыты с нелинейными отношениями между мерой поглощения света и толщиной слоя, подобием состава ядра и покрытия материала, и отсутствие достаточного количества образцов калибровки для стандартной калибровки МНК. Пик при 7184 см-1 , который дифференцирует материал сердцевины от материала покрытия, был идентифицирован, когда были собраны спектры БИК с высоким разрешением (2 см-1, 0.4 нм при 7184 см-1 ) на Фурье – БИК спектрометре IFS-28/N фирмы Bruker (см. рисунок 11).

Исследования показывают, что толщина слоя может быть смоделирована как полиномиальная аппроксимация пиковой области этого выборочного пика (см. рис. 12), в то время как калибровка методом наименьших квадратов тех же самых данных невозможна из-за отсутствия достаточного количества калибровочных образцов. Также эта калибровка успешно применяется для целого ряда таблеток, но неприемлема для оптоволоконных измерений диффузного отражения, из-за недостаточного проникновения оптоволокна в ядро.

ПЕРЕНОС КАЛИБРОВКИ

Разработка стабильной и надёжной в эксплуатации модели калибровки - очень трудоёмкая, требующая значительного количества ресурсов работа, которая включает в себя подготовку и анализ большого количества образцов стандартным методом, а затем их анализ методом Фурье - БИК. Таким образом, важно, чтобы была разработана калибровочная модель, которую можно использовать спустя какое-то время, и для которой неважно, какой используется вид прибора, тип источников, детекторов, датчиков и т.д.

Кроме того, некоторые факторы влияют на перенос калибровки с одного прибора на другой. Сюда входят, например, длина волны и фотометрическая точность различных приборов. Поэтому для всех моделей калибровки, переносимых с одного прибора на другой, необходимо заново проводить измерения хотя бы оригинального набора калибровок (или полный набор калибровок) на новом приборе, чтобы определить корректирующие коэффициенты, которые позволят модели работать на новом приборе.

Иногда это приводит к трудностям при переносе калибровочной модели, а иногда, в случае редких или изменяющихся образцов калибровки, такой перенос вообще невозможен.

Обычно трудности при переносе калибровочной модели доставляет точность длины волны на этих двух приборах. Отсутствие устойчивой оси длины волны – фактор, сильно ограничивающий возможность переноса калибровочной модели среди диспергирующих приборов. Поэтому Брукеровская производственная линия Фурье - БИК спектрометров с высоким разрешением прибора имеет большое преимущество, используя ось длины волны как способ калибровки.

Для этого рассматривается узкая область в спектре атмосферного водяного пара с известной постоянной длиной волны, которая используется как эталон длины волны. Это позволяет спектрометрам Фурье - БИК (производства Bruker Optik GmbH, Германия) обеспечивать намного более высокую точность длины волны, чем любой диспергирующий прибор. В результате возможна прямая передача калибровки от одного Фурье – БИК прибора к другому. Нельзя недооценить преимущество этой особенности, позволяющей избежать дорогостоящей перекалибровки в условиях экономии времени, денег и усилий.

Один такой пример переноса калибровочной модели для определения количества содержания спирта в спиртных напитках показан в таблице 1. Калибровка осуществлялась на Брукеровском спектрометре IFS-28/N с иммерсионным датчиком A, и была впоследствии перемещена на Брукеровский спектрометр Vector 22/N с иммерсионным датчиком B. После передачи сравнение R2 и погрешностей среднеквадратичного отклонения показали успешность проведения прямой передачи калибровки. Дополнительные испытания показали успешность проведения прямой пересылке других калибровочных моделей с прибора на прибор, а также прямой пересылки моделей на одном приборе, после замены всех главных компонент системы, включая БИК источник, HeNe лазер, детектор, датчики и электронику.

ТЕСТ НА СООТВЕТСТВИЕ

Часто необходимо определить соответствие конечного продукта определённому стандарту. Это легко сделать на спектрометрах Bruker, использующих Тест на соответствие. Для нескольких выбранных образцов каждого вещества измеряется ряд спектров, который будет проверен на соответствие спектрам, определенным независимо стандартным методом. Для каждого вещества наряду со спектром среднеквадратичного отклонения генерируется средний спектр. Затем проводится анализ новых образцов данного вещества, сравнение их спектров с сохранённым средним спектром и оценка, находится ли новый спектр в допустимых пределах, определенных спектром среднеквадратичного отклонения и коэффициентом, регулируемым заказчиком. Типовой отчет теста на соответствие показан на рисунке 13.

АНАЛИЗ СМЕСИ

Во многих фармацевтических процессах часто необходим анализ процесса смешивания двух или более компонентов. Анализ смеси играет важную роль при смешивании порошков, где образцам свойственна неоднородность. Оптимальное соотношение в смеси дает определение конечному продукту. Процесс смешивания должен проверяться в реальном времени с помощью Фурье – БИК спектроскопии. С правильных эталонных смесей снимают спектры, а затем вычисляют средний спектр и спектр среднеквадратичного отклонения. После этого снимают спектры во время перемешивания, обрабатывают их и сравнивают со средним спектром. Процесс смешивания останавливают, если полученный спектр попадает за определяемый пользователем порог среднего спектра желательной смеси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спектроскопия Фурье - БИК является быстрым, легким в использовании и достоверным инструментом для гарантии качества и контроля качества в фармацевтической промышленности. Расширенные эксплуатационные показатели технологии преобразования Фурье дают возможность проводить более трудные исследования и позволяют передавать калибровку напрямую. Кроме того, среди потребителей в фармацевтической промышленности распространенны такие методы, как идентификация сырья и проверка качества, определение концентрации активного ингредиента, тест на соответствие конечных продуктов и анализ смеси в продуктах.