Raman-Spektroskopie in der Arzneistoffprüfung
Wofür die Raman-Spektroskopie in der Arzneistoffprüfung eingesetzt wird und warum sie sich für Feststoffe, wässrige Lösungen und Messungen durch die Verpackung eignet.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Raman-Spektroskopie ist in der Arzneistoffprüfung ein schnelles Schwingungsverfahren für Identität, Gehalt und Kristallform, das kaum Probenvorbereitung braucht.
- Feststoffe lassen sich meist unverdünnt und ohne Probenvorbereitung messen, die Methode ist nicht auf Lösungen beschränkt.
- Wasser ist ein schwacher Raman-Streuer: Wässrige Arzneistofflösungen sind direkt messbar, die Feuchtebestimmung gelingt dagegen schlecht.
- Wie die NIR-Spektroskopie erlaubt Raman Identitätsprüfungen durch die Primärverpackung, etwa in ungeöffneten Hartgelatinekapseln oder Glasvials.
- Raman und DSC unterscheiden polymorphe Modifikationen, die Voltammetrie nicht.
- Amfetamin bzw. Dexamfetamin und 1-Phenylpropan-2-on lassen sich Raman-spektroskopisch unterscheiden (Aminogruppe gegen C=O-Bande).
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Worum es geht
Die Raman-Spektroskopie misst Molekülschwingungen über gestreutes Laserlicht. Ihre physikalischen Grundlagen stehen unter Streuprinzip und Aufbau des Spektrums. Hier geht es darum, was daraus für die Praxis folgt: kaum Probenvorbereitung, Messung in Wasser und durch Glas, Identität, Gehalt und Kristallform von Arzneistoffen.
Probenvorbereitung
Ein Raman-Spektrometer fokussiert einen Laser auf die Probe und sammelt das zurückgestreute Licht. Die Probe muss dafür nicht durchstrahlt werden. Deshalb lassen sich Feststoffe in der Regel unverdünnt und ohne Probenvorbereitung vermessen. Ein Pulver im Glasfläschchen oder eine Tablette genügt.
Anders als in der IR-Spektroskopie entfällt also das Verreiben mit Kaliumbromid oder Paraffin. Die Methode ist auch nicht auf gelöste Proben beschränkt. Feststoffe, Flüssigkeiten und Lösungen sind gleichermaßen messbar. Selbst feuchte Proben oder wässrige Lösungen bereiten kaum Probleme, denn Wasser stört das Raman-Spektrum wenig. Warum das so ist, zeigt der nächste Abschnitt.
Wässrige Proben
Raman-aktiv ist eine Schwingung, wenn sie die Polarisierbarkeit des Moleküls ändert. Die O–H-Bindung im Wasser ist stark polar, ihre Elektronenhülle lässt sich aber wenig verformen. Wasser ist deshalb nur ein schwacher Raman-Streuer. Im IR-Spektrum dagegen absorbiert es so stark, dass es viele Banden überdeckt.
Daraus folgt: Wässrige Arzneistofflösungen lassen sich direkt Raman-spektroskopisch untersuchen. Wasser wirkt fast wie ein unsichtbares Lösungsmittel. Auch Wasserspuren in einer Probe löschen das Signal keineswegs aus.
Wasser streut schwach: Gut für die Messung in Wasser, schlecht für die Messung von Wasser.
Die Kehrseite ist nämlich, dass sich Wasser als Feuchte schlecht bestimmen lässt. Das schwache Signal reicht für eine empfindliche Gehaltsbestimmung nicht aus. Für den Wassergehalt nutzt man andere Verfahren wie die Karl-Fischer-Titration, etwa coulometrisch.
Qualitative und quantitative Analyse
Die Raman-Spektroskopie eignet sich für qualitative und quantitative Analysen. Qualitativ dient sie vor allem der Identitätsprüfung. Das Spektrum einer Substanz ist wie ein Fingerabdruck. Man vergleicht es mit dem Spektrum einer Referenzsubstanz, und stimmen Lage und relative Intensität der Banden überein, ist die Identität belegt.
Quantitativ nutzt man, dass die Intensität einer Raman-Bande mit der Zahl der streuenden Moleküle wächst. Sie ist also der Konzentration des Analyten proportional. Weil die absolute Intensität auch von Laserleistung und Fokus abhängt, arbeitet man mit einer Kalibrierung. Oft bezieht man die Analytbande zusätzlich auf eine Bande eines inneren Standards oder des Lösungsmittels.
Messung durch die Verpackung
Glas ist wie Wasser ein schwacher Raman-Streuer und für sichtbares und nahes IR-Licht durchlässig. Der Laser lässt sich daher durch die Wand eines Behältnisses in den Inhalt fokussieren. So gelingt eine Identitätsprüfung durch das geschlossene Primärpackmittel hindurch. Die Probe wird weder geöffnet noch verunreinigt.
Die Abbildung zeigt das typische Beispiel: eine wässrige Arzneistofflösung in einem geschlossenen Glasvial. Hier wirken beide Vorteile zusammen, denn weder Glas noch Wasser überdecken das Spektrum des Wirkstoffs. Ebenso lassen sich Wirkstoffe in ungeöffneten Hartgelatinekapseln identifizieren.
Diese Stärke teilt die Raman-Spektroskopie mit der NIR-Spektroskopie. Auch dort prüft man Fertigarzneimittel durch die Primärverpackung, mehr dazu unter NIR-Anwendungen. Beide Verfahren eignen sich daher gut für die schnelle Wareneingangskontrolle.
Polymorphie
Viele Arzneistoffe kristallisieren in mehreren polymorphen Modifikationen. Die Moleküle sind gleich, aber im Kristallgitter verschieden angeordnet. Das kann Löslichkeit und Bioverfügbarkeit verändern. Die Raman-Spektroskopie unterscheidet polymorphe Modifikationen zuverlässig und eignet sich deshalb zur Untersuchung der Polymorphie.
Der Grund liegt im Festkörper. Die unterschiedliche Packung verändert die Schwingungen des ganzen Gitters. Diese erscheinen bei kleinen Raman-Verschiebungen unter etwa 200 cm⁻¹. Zusätzlich verschieben sich einzelne Molekülbanden leicht, weil die Nachbarmoleküle anders wechselwirken.
Welche Verfahren die Kristallform erfassen, hängt davon ab, ob sie den Festkörper selbst messen:
| Verfahren | Polymorphe unterscheidbar? | Grund |
|---|---|---|
| Raman-Spektroskopie | ja | Gitterschwingungen und Bandenlagen hängen vom Kristall ab |
| DSC | ja | Modifikationen haben verschiedene Schmelzpunkte und Umwandlungsenthalpien |
| Voltammetrie | nein | misst das Redoxverhalten gelöster Moleküle, im Lösungszustand ist die Kristallform verloren |
Die thermische Seite behandelt die Dynamische Differenz-Kalorimetrie.
Unterscheidung strukturverwandter Stoffe
Schon kleine Unterschiede in den funktionellen Gruppen ändern das Raman-Spektrum deutlich. Ein gutes Beispiel ist das Paar Amfetamin und 1-Phenylpropan-2-on (Phenylaceton). Phenylaceton ist eine Vorstufe der Amfetamin-Synthese. Beide teilen das Grundgerüst aus Phenylring und Propylkette.
Phenylaceton trägt eine Carbonylgruppe, deren C=O-Valenzschwingung eine kräftige Bande um 1715 cm⁻¹ liefert. Amfetamin besitzt an dieser Stelle eine primäre Aminogruppe mit N–H-Schwingungen. Die beiden Stoffe lassen sich daher Raman-spektroskopisch klar unterscheiden. Das gilt ebenso für Dexamfetamin, das (S)-Enantiomer des Amfetamins.
Dexamfetamin und racemisches Amfetamin liefern im gelösten Zustand dasselbe Raman-Spektrum. Die Raman-Spektroskopie trennt Funktionsgruppen, aber keine Spiegelbilder.
Quiz
Aussage 1
Weil Wasser nur schwach Raman-aktiv ist, lassen sich wässrige Arzneistofflösungen direkt Raman-spektroskopisch untersuchen.
Die O–H-Schwingungen ändern die Polarisierbarkeit wenig, Wasser überdeckt das Spektrum des gelösten Stoffs daher kaum.
Aussage 2
Die Raman-Spektroskopie ist das Verfahren der Wahl zur empfindlichen Bestimmung der Restfeuchte in Arzneistoffen.
Wasser streut schwach und lässt sich deshalb schlecht als Feuchte bestimmen. Dafür nutzt man etwa die Karl-Fischer-Titration.
Aussage 3
Polymorphe Modifikationen eines Arzneistoffs lassen sich voltammetrisch anhand ihrer Reduktionspotentiale unterscheiden.
Die Voltammetrie misst gelöste Moleküle, dabei geht die Kristallform verloren. Raman-Spektroskopie und DSC unterscheiden Polymorphe dagegen.
Aussage 4
Der Wirkstoff in einer ungeöffneten Hartgelatinekapsel lässt sich Raman-spektroskopisch identifizieren.
Raman erlaubt wie NIR Identitätsprüfungen durch das geschlossene Primärpackmittel hindurch.
Aussage 5
Pulverförmige Arzneistoffe müssen für ein Raman-Spektrum zunächst mit Kaliumbromid zu einem Pressling verarbeitet werden.
Feststoffe lassen sich meist unverdünnt und ohne Probenvorbereitung vermessen, weil nur das zurückgestreute Licht gesammelt wird.
Aussage 6
Die Intensität einer Raman-Bande ist der Konzentration des Analyten proportional, sodass nach Kalibrierung Gehaltsbestimmungen möglich sind.
Raman eignet sich für qualitative und quantitative Analysen, die Bandenintensität wächst mit der Zahl streuender Moleküle.
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