Raman-Spektroskopie in der pharmazeutischen Analytik

Die Raman-Spektroskopie ist eine schnelle, nicht invasive analytische Methode mit breiten Anwendungsmöglichkeiten. Die Methode ist im Europäischen Arzneibuch und in der USP beschrieben. Sie eignet sich zur chemischen und physikalischen Analyse von Flüssigkeiten, Feststoffen und gasförmigen Proben. Sie wird u.a. in der Wareneingangskontrolle von Wirk- und Hilfsstoffen eingesetzt.

Grundlagen der Methode

Die Raman-Spektroskopie ist eine zur IR-Spektroskopie komplementäre Methode. Beide Methoden haben gemeinsam, dass die zu untersuchende Probe durch Lichteinstrahlung zu Molekülschwingungen angeregt wird. Während die IR-Spektroskopie jedoch auf der Messung der Lichtabsorption beruht, wird in der Raman-Spektroskopie eine Lichtemission, nämlich die Intensität von Licht, welches von der Prüfsubstanz abgestrahlt wird, gemessen.

Bei der Raman-Spektroskopie wird die Probe mit intensivem monochromatischem Licht, normalerweise Laserlicht, bestrahlt. Hierbei sind verschiedene Vorgänge zu unterscheiden:

  • Durchstrahlung der Substanz: Dies macht den größten Anteil, in der Regel sogar mehr als 99% aus.
  • Rayleigh-Streuung (elastische Lichtstreuung): Das Licht wird in alle Raumrichtungen ohne Änderung der Energie (Wellenzahl, Wellenlänge) gestreut.
  • Stokes-Streuung: Gestreutes Licht mit niedrigerer Energie (also kleinere Wellenzahlen / größere Wellenlängen).
  • Anti-Stokes-Streuung: Gestreutes Licht mit höherer Energie (also größere Wellenzahlen / kleiner Wellenlängen).

Wie in einem IR-Spektrum treten auch in einem Raman-Spektrum nicht alle möglichen Molekülschwingungen auf. Nur solche Schwingungen sind Raman-aktiv, bei denen sich mit der Schwingung die Polarisierbarkeit eines Moleküls durch Deformation seiner Elektronenhülle ändert.

Raman-Spektroskopie im Europäischen Arzneibuch

Im Europäischen Arzneibuch wird die Methode im Kapitel 2.2.48 Raman-Spektroskopie beschrieben.

Das Arzneibuch beschreibt die Raman-Spektroskopie als schnelle, nicht invasive analytische Methode mit breiten Anwendungsmöglichkeiten. Genannt werden:

  • chemische Analysen (Identifizierung und Quantifizierung von Wirkstoffen und Hilfsstoffen)
  • physikalische Analysen (Identifizierung und Quantifizierung von Feststoffformen und Kristallinität)
  • Prozessanalysen (z.B. Überwachung von biologischen und chemischen Reaktionen, Trocknungsprozessen, Lyophilisation und Beschichtungen)

Nach den allgemeinen Ausführungen zu den Grundlagen der Methoden enthält die Monographie Vorgaben zu folgenden Aspekten:

  • Apparatur
  • Probenvorbereitung
  • Prüfung der Leistungsfähigkeit des Geräts
  • Qualitative Methoden
  • Quantitative Methoden

Raman-Spektren können von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen aufgenommen werden. Die Probenvorbereitung ist dabei in der Raman-Spektroskopie meist einfacher als in der IR-Spektroskopie. Es sind beispielsweise Messungen durch die Glaswand von Reaktionsgefäßen oder durch Kunststoffverpackungen möglich. Als großer Vorteil gegenüber der IR-Spektroskopie ist zu nennen, dass auch wässrige Lösungen oder feuchte Proben ohne Aufbereitung direkt vermessen werden können. Das liegt daran, dass Wasser kaum sichtbare Raman-Linien ergibt.

Das Arzneibuch weist explizit auf die Störung durch Fluoreszenz hin. Unter Umständen wird die zu untersuchende Substanz bzw. eine in der Probe enthaltene Verunreinigung durch die Lichtquelle zur Fluoreszenz angeregt. Dies macht die Messung des Raman-Spektrums entsprechend schwierig bzw. unmöglich, weil dann eine Überlagerung der Fluoreszenzstrahlung mit den Raman-Linien registriert wird.

Raman-Spektroskopie in der USP

In der United States Pharmacopeia (USP) wird die Raman-Spektroskopie in den Kapiteln General Chapter <858> Raman Spectroscopy und General Information Chapter <1858> Raman Spectroscopy – Theory and Practice beschrieben. Diese beiden Kapitel sind aus dem mittlerweile nicht mehr gültigen General Chapter <1120> Raman spectroscopy hervorgegangen.

Kapitel, die unter 1000 nummeriert sind, gelten in den USA als verbindlich anwendbar, wenn sie in einer Monographie, einem anderen anwendbaren allgemeinen Kapitel oder in allgemeinen Hinweisen referenziert sind. Allgemeine Kapitel der USP mit Nummern größer 1000 sind hingegen nicht verpflichtend. Sie gelten als erläuternde Texte und enthalten Informationen, Definitionen und Beschreibungen.

Das General Chapter <858> Raman Spectroscopy gliedert sich in folgende Bereiche:

  • Einleitung
  • Qualifizierung von Raman-Spektrometern
  • Methode
  • Validierung und Verifizierung

Das General Information Chapter <1858> Raman Spectroscopy – Theory and Practice enthält Erläuterungen zum theoretischen Hintergrund, zu den Anwendungen, der Probenahme, den Geräten und Messtechniken sowie zur Kalibrierung und zur Methodenvalidierung.

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