Die Raman-Spektroskopie ist ein Analyseinstrument, das die Messung der Molekülstruktur und die Identifizierung von Materialien auf der Grundlage der Rotations- und Schwingungsmoden eines Moleküls ermöglicht. Die meisten kommerziellen Labor-Raman-Systeme decken den Fingerabdruck-Spektralbereich von 200-3400 cm-1 ab.
Die B&W Tek i-Raman Plus BAC102 Sonde kann auf niederfrequente Moden bis hinunter zu 65 cm-1 zugreifen und bietet damit eine kostengünstige Lösung für Messungen in einem größeren Bereich. Der Zugang zu niederfrequenten Bereichen liefert wichtige Informationen für Anwendungen in der Proteincharakterisierung [1], der Erkennung und Identifizierung von Polymorphen [2] sowie der Bestimmung von Materialphasen und -strukturen.
Der niederfrequente Bereich erhöht den Informationsgehalt des Fingerabdruckbereichs des Raman-Spektrums und erweitert die möglichen molekularen Anwendungen, wie z. B. den Nachweis von Wasserstoffbrücken. Das Ergebnis ist eine höhere Nachweisempfindlichkeit und die Unterscheidung von sehr ähnlichen Materialien.
Aminosäuren
Die Raman-Spektroskopie ist eine moderne Methode zur Untersuchung der Struktur und Konformation der Bausteine von Proteinen - der Aminosäuren. Insbesondere die in einem Raman-Spektrum enthaltenen Schwingungsinformationen können bei der Interpretation von molekularen Wechselwirkungen und biologischen Prozessen helfen [3].
Im Gegensatz zu vielen Substanzen, die keine Peaks unterhalb von ~400 cm -1 aufweisen, ist der niederfrequente Teil des Raman-Spektrums eine notwendige Informationsquelle für eine umfassende Untersuchung von Aminosäuren. Dies wird im vollständigen Raman-Spektrum von L-Asparagin deutlich, das von 65-3200 cm-1 reicht (Abbildung 1).
Abbildung 1 zeigt sowohl den Fingerprint-Bereich (blau) als auch den niederfrequenten Raman-Bereich (rot) für L-Asparagin; man beachte die drei dominanten Banden unter 200 cm-1.
Für diese Anwendung wurde i-Raman Plus 785S, das Labor-Raman-Spektrometer von B&W Tek mit dem patentierten CleanLaze®, verwendet. Dieses Instrument bietet 785 nm Laseranregung mit einer Linienbreite von weniger als 0,2 nm und einer maximalen Ausgangsleistung von 300 mW.
i-Raman Plus ist mit einem empfindlichen, TE-gekühlten, rückseitig verdünnten CCD ausgestattet. Eine BAC102 E-grade Sonde, die eine firmeneigene Technologie nutzt, unterstützt die Datenerfassung innerhalb eines vollen Spektralbereichs von 65-33500 cm-1 mit einer spektralen Auflösung von 4,5 cm-1.
Raman-Spektren wurden bei Raumtemperatur mit einer Laserleistung von 300 mW und Integrationszeiten zwischen 100 Millisekunden und 10 Sekunden erfasst (Tabelle 1).
Tabelle 1. Experimentelle Parameter.
| Ausrüstung | Erfassungseinstellungen | |
|---|---|---|
| i-Raman Plus 785S | Laserleistung | 300 mW |
| BAC102-Sonde | Integrationszeit | 1,2 s |
| BWSpec-Software | Durchschnittswerte | 1 |
Die Bestimmung der strukturellen Form von pharmazeutischen Wirkstoffen (APIs) ist ein Hauptanliegen der Pharmaindustrie. Dies gilt insbesondere für die Arzneimittelentwicklung, die Herstellung und die Qualitätskontrolle.
APIs weisen Polymorphismus auf - identische chemische Zusammensetzung, aber unterschiedliche Festkörperstrukturen. Polymorphien können die Bioverfügbarkeit und den therapeutischen Index beeinflussen. Die Wirksamkeit eines Arzneimittels kann beeinträchtigt werden, wenn die falsche Form verwendet wird [2]. Pseudo-Polymorphe umfassen Lösungsmittel, die in einer Gitterstruktur suspendiert sind.
Abbildung 2 ist ein Beispiel für das Pseudo-Polymorph D-Glucose, das die Fähigkeit der E-Grade-Sonde zeigt, Unterschiede zwischen der Monohydrat- und der wasserfreien Form bei Frequenzen unter 200 cm-1 zu erkennen.
Zur Überwachung von Phasenänderungen wie der Kristallisation in chemischen Prozessen ist eine außergewöhnliche Spezifität erforderlich. Die Niederfrequenzsonde der Klasse E kann solche Phasenänderungen überwachen, wie am Beispiel von Schwefel gezeigt (Abbildung 3).
Fester α-Schwefel wurde auf einer Aluminiumschale abgeschieden und mit einer Heizplatte erhitzt, während die Raman-Spektren mit einer E-Grade-Sonde und i-Raman Plus unter Verwendung von 100 % Laserleistung (~300 mW) und 0,1 s Integrationszeit sowohl für die feste als auch für die flüssige Phase gesammelt wurden.
Nachdem die Probe über ihren Schmelzpunkt bei 115,2 °C erhitzt wurde, verbreiterte und verschob sich der niederfrequente Peak bei 83,6 cm-1 was auf den Wechsel von der α- zur λ-Form hinweist. Es ist zu beachten, dass innerhalb der Fingerprint-Region keine Veränderungen zu beobachten sind (Abbildung 3).
Das Raman-Spektrometer i-Raman Plus 785S kann in Verbindung mit der Niederfrequenz-E-Grade-Sonde ein wertvolles Werkzeug für Anwendungen sein, die eine Niederfrequenzdetektion bis zu 65 cm erfordern-1. Die Fähigkeit, polymorphe und solvatisierte Formen zu charakterisieren, unterstützt Herstellungs- und Formulierungsprozesse in der pharmazeutischen und biologischen Industrie.
Neben der Charakterisierung von Proteinen, Polymorphen und Phasen kann die niederfrequente Raman-Spektroskopie auch zur Untersuchung von Halbleitergittern [4], Kohlenstoff-Nanoröhren [5], Solarzellen und einer Reihe von Mineralien, Pigmenten und Edelsteinen eingesetzt werden.
- Teixeira, A. M. R.; Freire, P. T. C.; Moreno, A. J. D.; et al. Hochdruck-Raman-Untersuchung von l-Alanin-Kristallen. Festkörperkommunikation 2000, 116 (7), 405–409. https://doi.org/10.1016/S0038-1098(00)00342-2.
- Larkin, P. J.; Dabros, M.; Sarsfield, B.; et al. Polymorphe Charakterisierung pharmazeutischer Wirkstoffe (APIs) mittels Niederfrequenz-Raman-Spektroskopie. Appl Spectrosc 2014, 68 (7), 758–776. https://doi.org/10.1366/13-07329.
- Golichenko, B. Ö.; Naseka, V. M.; Strelchuk, V. V.; et al. Raman-Untersuchung von auf Aluminiumfolien adsorbierten L-Asparagin- und L-Glutamin-Molekülen in einem breiten Frequenzbereich. Halbleiter. Physik. Quantenelektron. Optoelektron. 2017, 20 (3), 297–304. https://doi.org/10.15407/spqeo20.03.297.
- Smith, E.; Dent, G. Moderne Raman-Spektroskopie: Ein praktischer Ansatz, 2. Aufl.; John Wiley & Sons, 2019.
- Pelletier, M. J. Analytische Anwendungen der Raman-Spektroskopie, 1. Aufl.; Blackwell Science: Oxford, 1999.
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