Využití molekulové spektroskopie ve farmacii - Přehled instrumentace, aplikací a moderních trendů

Kontrola kvality vstupních surovin a produktů

FTIR i Ramanova spektrometrie se používá pro rychlé porovnání chemismu látek (vstupních surovin, meziproduktů, či výsledných produktů) proti referenčním standardům či elektronickým knihovnám. Pro porovnávání spekter je využíváno různých pokročilých matematických postupů, jako je např. multivariantní nebo korelační analýza. Na těchto principech pracují např. přenosný FTIR spektrometr ALPHA nebo ruční Ramanův spektrometr BRAVO (obr.1).

Obr. 1 – QC pomocí ručního Ramanova spektrometru BRAVO ve farmacii

Ruční Ramanův spektrometr BRAVO využívá konvenčně známých výhod Ramanovy spektrometrie, jako je možnost měření vzorku přes obalový materiál a intenzivnější signál u mnoha anorganických materiálů. Zároveň dokáže eliminovat největší nevýhodu této techniky – fluorescenci. Fluorescence je často velmi intenzivní, a proto zakrývá spektrální informaci z Ramanova rozptylu. BRAVO nepatrně mění excitační energii na obou svých vestavěných laserech, což má za následek posun energií Ramanova signálu. Fluorescence naopak zůstává na stejných energetických hladinách. BRAVO pomocí patentované technologie SSE^TM dokáže odlišit proměnlivý Ramanovský signál od statické fluorescence. Díky SSE^TM je BRAVEM možné měřit i vzorky, které jsou Ramanovou spektroskopií obtížně měřitelené. Důsledkem je i výborná spektrální kvalita (viz obr. 2). Tato unikátní funkcionalita v kombinaci se spektrálním rozsahem 300 – 3200 cm^-1 a dvěma integrovanými lasery v oblastech VIS – NIR dedikuje BRAVO mimo jiné k verifikaci látek ve farmacii.

Obr. 2 – Porovnání Ramanových spekter mastku v PE obalu. Červené spektrum měřeno pomocí stolního disperzního spektrometru, modré ručním Ramanovým spektrometrem BRAVO s potlačováním fluorescence SSE^TM.

NIR spektrometrie nabízí alternativu k výše zmíněným technikám. Vzhledem k lepší penetraci NIR záření do vzorku je brána spektrální informace z většího objemu. Doplňující příslušenství, jako rotátory pro nehomogenní vzorky či auto-samplery, proces analýzy velmi usnadní. Pro laboratorní analýzy se využívá Multi-Purpose-Analyzer (MPA), který obsahuje současně měřící sondy i měřící jednotky pro pevné látky a kapaliny ve vialkách. Pro rutinní kontrolu kvality vzorku konkrétního skupenství se používá zjednodušená verze MPA – TANGO. Vyhodnocení dat v NIR spektroskopii probíhá prostřednictvím multivariantní analýzy.

Výzkum a vývoj farmaceutických produktů

Neméně důležitou roli zastupuje molekulární spektroskopie v oblasti výzkumu a vývoje. Tam, kde je třeba identifikovat nové látky, je porovnávání spekter s komerčně dostupnými spektrálními knihovnami silným nástrojem. Výzkumný FTIR spektrometr VERTEX s FT-Ramanovým modulem RAM II (obr. 3) umožňuje kombinaci obou komplementárních technik na jednom zařízení. Pomocí softwaru Know-it-all od výrobce BioRad lze vyhledávat tzv. multidisciplinárně. Tzn. vyhledávací algoritmus je uplatněn zároveň na FTIR i Ramanovo spektrum neznámé látky a výsledky z obou technik jsou mezi sebou korelovány.

Obr. 3 –  FTIR spektrometr VERTEX 70 vybavený FT-Ramanovým modulem RAM II pro komplementární FTIR/Ramanovu analýzu látek.

Pro rozbor spekter je možné využít software OPUS, který je vybaven obzvláště širokým portfoliem funkcí pro úpravu a vyhodnocování. Pro jednoduchý rozbor individuálních pásů ve spektrech lze využít i funkcionalitu AnalyzeIt v softwaru Know-it-all (na obr. 4). Ta umožňuje spektrum rozložit na charakteristické vibrace funkčních skupin a efektivně tak pomoci s rozkrytím struktury neznámé látky.

Obr. 4 – Identifikace charakteristických pásů funkčních skupin ve spektru fenolu pomocí softwaru Know-it-all.

Velmi důležitou oblastí ve farmaceutické analýze je diferenciace polymorfů – látek se stejným chemickým vzorcem, které však v důsledku rozdílné struktury vykazují rozdílné vlastnosti. FT- Ramanovy spektrometry RAM II a MultiRAM nabízejí širokou škálu možností pro citlivé odlišení krystalických struktur – například tzv. HTS (High Throughput Screening) rozšíření pro automatizovaná měření většího množství vzorků na standardizovaných vzorkovacích plátech.

Kombinací FTIR a Ramanovy spektrometrie s optickou mikroskopií je možné získat spektrální informaci z podstatně menší plochy (řádově 1 μm) a provést tak mikroanalýzu vzorku. To je ve farmacii využíváno při analýze defektů, kontaminantů, či sledování distribuce složek ve směsi. Software OPUS/3D (obr. 5) umožní jednoduché pořízení optického snímku oblasti zájmu a jednoduchým kliknutím myši je následně zvoleno místo pro získání spektrální informace. Automatizovaný stolek nastaví požadované místo do ohniska excitačního záření a automaticky vykoná měření. Software i procedura je shodná pro všechny mikroskopy Bruker –  automatizovaný IČ mikroskop LUMOS, R&D mikroskop HYPERION 3000 nebo Ramanův disperzní mikroskop SENTERRA II.

Obr. 5 – Chemické mapování vícevrstvé tablety pomocí mikroskopu HYPERION 3000 vybaveného ATR objektivem v kombinaci se softwarem OPUS/3D. Vlevo optický snímek, vpravo chemická mapa, dole FTIR spektra z vybraných bodů.

Výzkumný mikroskop HYPERION jde v mikroanalýze vzorků ještě dále. Využívá tzv. FPA (Focal Plane Array) detektor. Ten se skládá z pole čítajícího 128 × 128 dílčích MCT detektorů. Svazek IČ záření dopadající ze vzorku na detektor je rozdělen tak, že každý detektor zaznamená informaci z jiné oblasti. Tím je současně naměřeno 16.384 spekter a prostorového rozlišení takového měření je až 0,5 μm.

Kontrola výrobních procesů

Ve výrobních procesech se pro online kontrolu produktů a reaktantů využívají tzv. procesní spektrometry. Ty se od laboratorních liší tím, že jsou přizpůsobeny k instalaci do průmyslových provozů. Jejich design je uzpůsoben aplikaci. Jedná se o robustní přístroje často pracující v nepříznivých podmínkách. Měření probíhá pomocí vlákno-optických sond implementovaných do výrobního reaktoru, potrubí či dopravníku. Spektrometr je napojen do řídícího systému, a proto je možné na řídícím panelu monitorovat koncentraci či kvalitu produktu v reálném čase. Důležitá je volba vhodné sondy v závislosti na charakteru vzorku a fyzikálních podmínkách při měření (zvýšený tlak, teplota atd.). FT-NIR spektrometr MATRIX-F a FTIR spektrometr Matrix-MF patří mezi zástupce procesních spektrometrů od německého výrobce BRUKER. Každý přístroj má 6 portů, což umožňuje napojení 6ti různých sond na jedno zřízení. Toto je výhodné např. v etážovém reaktoru pro monitoring jednotlivých etáží. MATRIX je možné umístit i do výbušného prostředí vyžadující naplnění směrnice ATEX.

Obr. 6 – Procesní FTIR spektrometr Matrix-MF určený pro monitoring procesů, vybavený dvěma sondami

Shrnutí využitelnosti molekulární spektroskopie ve farmacii

V článku bylo nastíněno, nakolik důležitou technikou je molekulární spektroskopie. Nachází uplatnění ve všech fázích farmaceutické produkce –  při kontrole vstupních surovin, monitoringu výrobního procesu i při kontrole meziproduktů a výsledných produktů. Důležitou roli hraje také v oblasti vývoje a výzkumu. Z těchto důvodů zaujímá molekulární spektroskopie ve farmacii zásadní postavení.

Ing. David MATOUŠEK, OPTIK INTRUMENTS s.r.o., david.matousek@brukeroptics.cz
Ing. Jan NEUMAN, Ph.D., OPTIK INTRUMENTS s.r.o.