10.Spektrální metody pro identifikaci a kvantifikaci NIR spektrometrie

Transkript

1 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 10.Spektrální metody pro identifikaci a kvantifikaci NIR spektrometrie Vadym Prokopec Vadym.Prokopec@vscht.cz

2 10.Spektrální metody pro identifikaci a kvantifikaci NIR spektrometrie 11.Metody molekulové spektrometrie pro kvantitativní analýzu léčiv 12.NMR spektrometrie při analýze roztoků 13.Kvantitativní NMR spektrometrie 14.Hmotnostní spektrometrie pro identifikaci farmaceutických látek

3 NIR - úvod Praktická metoda molekulové spektroskopie, nahrazující pracnější, časově náročnější a dražší postupy analytické chemie Je alternativní metodou pro HPLC, GC apod. v procesních kontrolách QC/AC Rychlá kontrola vstupních surovin, meziproduktů a produktů

4 Historie a současný trend vývoje techniky NIR základy reflektančních měření v blízké infračervené oblasti byly položeny v 60. letech při kvantitavních stanoveních vlhkosti v semenech olejnin po roce 1970 vývoj analyzátorů pro analýzy krmiv a potravin ( fy Dickey-John, Neotec, Technicon ) koncem 80. let a začátkem 90. let vývoj přístrojů FT-NIR umožňujících širší využití reflexních metod měření rozvoj počítačové techniky a zlepšení kvality měřeného spektra akceleroval vývoj statistického softwaru vzrůstá počet publikovaných aplikací

5 Regiony infračervené spektroskopie NIR cm -1 (vlnočet) nm (vlnová délka) IR cm -1 (vlnočet) nm (vlnová délka)

6 Porovnání fyzikálního principu vzniku spekter v oblasti MIR a NIR stejný základní fyzikální princip v obou oblastech absorpce infračerveného záření při průchodu vzorkem (změny rotačně vibračních energetických stavů molekuly v závislosti na IR změnách dipólového momentu) fundamentální absorpční mody 0 1 overtony ( 0 2, 0 3) a kombinační absorpční mody funkčních skupin, jejichž základní vibrace je < 2000 cm-1 NIR overtony ( 0 2, 0 3) a kombinační absorpční mody funkčních skupin, jejichž základní vibrace je > 2000 cm-1 ( -CH, -OH, -NH )

7 Základní principy NIR spektroskopie menší pravděpodobnost kombinačních přechodů a svrchních tónů slabší absorpce záření v NIR oblasti při stejné tloušťce vzorku - použití kyvet s delší optickou dráhou obtížné přiřazení absorpčních pásů jednotlivým vibračním přechodům běžně se neprovádí rozbor spekter směřující k identifikaci funkčních skupin kvalitativní informace a identifikace ze srovnání měřených spekter čistých látek s knihovnami spekter využití NIR spekter pro kvantitativní analýzu, a to i složitých vzorků - petrochemie, farmaceutický, papírenský či potravinářský průmysl možnost stanovení více složek vedle sebe bez nutnosti dělení složité směsi, a to přímo ve výrobním procesu procesní analytická metoda - důraz na rychlost samotné analýzy včetně možnosti kontinuální on-line analýzy ve výrobním procesu

8 Absorbance Absorpční pásy v NIR spektroskopii 1 NIR spektra jsou složena z pásů vyšších harmonických vibrací a kombinačních pásů Vyšší harmonické vibrace se projevují na násobku frekvence fundamentálních vibrací ní svrchní tón fundamentální přechod 2 hý svrchní tón 3 tí svrchní tón

9 NIR spektrum Combination st Overtone nd Overtone Lo g(1/r) rd Overtone Wavenumbers (cm-1)

10 Rozdíly v přístrojové konstrukci FTIR a FT-NIR spektrometru Zdroje záření IR odporový NiCr drát navinutý na keramickou bázi NIR halogenwolframová žárovka Materiál příslušenství IR KBr, NaCl, CsI NIR Sklo, křemen Děliče paprsků IR KBr, XT-KBr, CsI NIR křemen, CaF 2, XT-KBr Detektory IR DTGS/KBr, MCT (HgCdTe), fotoakustický NIR InGaAs, PbSe, PbS, Si

11 Výhody analýz v MIR a NIR oblasti IR ostré pásy interpretovatelná spektra větší citlivost a selektivita NIR eliminace přípravy vzorku před analýzou možnost měření silnější optické vrstvy (1-50 mm) v křemenných kyvetách možnost měření přes obal nedestruktivní měření cenově dostupná vláknová optika

12 Nevýhody analýz v MIR a NIR oblasti IR nutnost vzorkování analyzovaného materiálu ( měření nelze provádět přes obal ) obvykle nutnost přípravy vzorku před analýzou omezené použití rozpouštědel s ohledem na materiály propustné pro tuto oblast použití velmi tenkých vrstev měřených materiálů z důvodů velké intenzity měřených pásů NIR široké absorpční pásy omezená možnost interpretace konkrétních pásů menší citlivost na změny koncentrace stanovovaného analytu velká citlivost na fyzikální změny analyzovaného materiálu ( homogenita, distribuce velikosti částic, teplota, vlhkost apod. ) roztroušenost spektrální informace o měřeném vzorku (nutnost použití statistických metod k vyhodnocení rozdílů mezi vzorky)

13 Výhody FT-NIR oproti disperzním přístrojům FT-NIR spektrometr má jednodušší konstrukci minimum mechanických prvků (pohyblivé zrcadlo v interferometru) možnost měření s lepším rozlišením v disperzním přístroji je rozlišení omezeno parametry mřížky Větší přesnost měření díky kalibraci na vnitřní laser interferometru minimalizace posunu pásů a artefaktů měření u disperzních přístrojů nutnost externí kalibrace na určitý standard

14 Příklady spekter organických kyselin v MIR oblasti Nicodom MidIR benzoová kys. benzoová Absorbance ftalová kys. ftalová adipová kys. adipová stearová kys. stearová kys. šťavelová štavelová Wavenumbers (cm-1)

15 Příklady spekter organických kyselin v NIR oblasti 0.8 Nicodom NIR kys. benzoová 0.3 Absorbance kys. ftalová -0.1 kys. adipová kys. stearová kys. štavelová Wavenumbers (cm-1)

16 Kvalitativní vyhodnocení spekter IR využití komerčních nebo vlastních knihoven použití různých vyhledávacích algoritmů interpretace spekter za použití tabulek pásů NIR využití komerčních nebo vlastních knihoven použití různých vyhledávacích algoritmů Quality Match použití projekční DA (Discriminant Analysis)

17 IR Kvantitativní vyhodnocení spekter klasická jednokomponentní kalibrace s vyhodnocením výšky nebo plochy vhodného pásu pomocí Lambert- Beerova zákona možnost použití chemometrických algoritmů NIR komplikovanější použití Lambertova - Beerova zákona nutnost použití chemometrických algoritmů

18 Kvantitativní vyhodnocení NIR spekter platnost Lambertova-Beerova zákona, pro každou jednotlivou složku i směsného vzorku celková absorbance A λ při dané vlnové délce λ je pak součtem příspěvků od všech m nezávislých složek zkoumaného systému pro kalibraci je třeba vyvíjet kalibrační modely s využitím pokročilých chemometrických algoritmů rozsáhlá sada standardů (běžně více než 30 kalibračních vzorků)

19 Konstrukce NIR spektrometru

20 Možnosti použití FT-NIR Kontrola kvality produktů a meziproduktů On-line sledování výroby Testování hotových výrobků Verifikace vstupních surovin Kontrola uniformity produktů

21 Vzorkovací techniky používané v NIR Transmise - klasické kyvety

22 Vzorkovací techniky používané v NIR Transmise - klasické kyvety Stanovení etylalkoholu ve víně

23 Autosampler MultiPro a RS Autosampler RS Příslušenství pro integrační sféru Difuzní reflexe Práškové vzorky pozicí vzorku Vyměnitelný karusel Automatická detekce chyb Autosampler MultiPro Analyzátor tablet

24 Sample Cup Spinner Měření spekter heterogenních vzorků - Vzorky s měnící se distribucí částic - Hrubozrnné materiály - Granulované vzorky Eliminuje potřebu měření několika spekter ze stejného vzorku

25 Sample Cup Spinner Vzorek umístěný do vzorkovací nádobky pomalu rotuje nad NIR paprskem Kontinuální měření během rotace vzorku Doplňkové zařízení k modulu s integrační sférou Difúzně reflexní měření

26 Vzorkovací techniky používané v NIR Transflektance Zrcadlo Petriho miska Drážka pro odstranění vzduchu Definovaná optická dráha Vzorek

27 Vzorkovací techniky používané v NIR Stanovení tuku v másle Transflektance

28 Vzorkovací techniky používané v NIR oblasti Difúzní reflexe Ruční pistolová sonda s vláknovou optikou

29 Vzorkovací techniky používané v NIR oblasti Difúzní reflexe Ruční pistolová sonda s vláknovou optikou

30 Vzorkovací techniky používané v NIR oblasti Imersní sondy SMA konektory Optická vlákna Záření dopadající na detektor Imersní sonda Měřená optická vrstva Detektor Zdroj záření

31 Vzorkovací techniky používané v NIR oblasti Imersní sondy Typy pro měření malého množství vzorku

32 FT-NIR spektroskopie Aplikace pro chemický a farmaceutický průmysl

33 FT-NIR spektroskopie Aplikace pro potravinářský průmysl

34 FT-NIR spektroskopie Aplikace pro potravinářský průmysl

35 APLIKACE BLÍZKÉ INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE VE FARMACEUTICKÉ ANALÝZE snaha kontrolních orgánů jako např. FDA (Food and Drug Administration) nebo v ČR SÚKL (Státní Ústav pro kontrolu léčiv) o zvýšení kvality vyráběných produktů sledování kritických výrobních parametrů přímo v průběhu výroby metodami procesní analytické technologie Výhody NIR jako PAT měření na dálku s využitím vláknové optiky bez úpravy vzorku získání výsledků analýz v reálném čase jedna z hlavních metod při zavádění procesní analýzy výsledky jsou k dispozici okamžitě možnost nejen monitorování ale také řízení výrobního procesu

36 APLIKACE BLÍZKÉ INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE VE FARMACEUTICKÉ ANALÝZE Kvalitativní analýza metoda klasifikace neznámých materiálů hodnocení vzorků na základě jejich spektrálních odlišností výsledkem je potvrzení nebo zpochybnění identity vzorku nebo zařazení analyzovaného vzorku do různých tříd klasifikace využití metod matematické statistiky (tzv. chemometrie) shluková analýza (cluster analysis) - třídění vzorků do skupin (shluků) na základě podobností cílem shlukové analýzy je nalezení v datech podmnožiny podobných objektů analýza hlavních komponent (PCA, principal component analysis) diskriminační analýza (discriminant analysis) určení třídy (nebo tříd), které jsou nejpodobnější neznámému materiálu sestrojení kalibračního modelu klasifikační pravidla (matematický algoritmus) interpretují NIR spektrum jako bod v dimenzionálně redukovaném faktorovém prostoru.

37 APLIKACE BLÍZKÉ INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE VE FARMACEUTICKÉ ANALÝZE Kvalitativní analýza metoda klasifikace neznámých materiálů Zobrazení NIR spekter derivátů celulosy pomocí diskriminační analýzy Spektra jsou zobrazena jako Mahalanobisovy vzdálenosti (DM) od těžiště tříd MCC a EC. (CMC) karboxymethylcelulosa, (EC) ethylcelulosa, (HEC) hydroxyethylcelulosa, (HPC) hydroxypropylcelulosa, (HPMC) hydroxypropylmethylcelulosa, (MCC) mikrokrystalická celulosa

38 APLIKACE BLÍZKÉ INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE VE FARMACEUTICKÉ ANALÝZE Kvalitativní analýza polymorfní formy sledování změn v krystalické struktuře - vznik amorfní formy nebo různých polymorfních forem, a to jak u čistých látek, tak u směsí amorfní forma a různé polymorfní formy téže látky mají různé fyzikálně-chemické vlastnosti (rozpustnost, velikost a tvar krystalů, reaktivita, hygroskopicita, termická stabilita, atd.) - rozdílná biologická dostupnost odlišné fyzikálně-chemické vlastnosti lze využít k přípravě lékové formy s obsahem krystalické formy s výhodnějšími vlastnostmi

39 APLIKACE BLÍZKÉ INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE VE FARMACEUTICKÉ ANALÝZE Kvalitativní analýza polymorfní formy (a) NIR spektra dvou krystalických forem léčivé látky forma I ( ) a forma II (---) (b) NIR spektra tablet s obsahem různých krystalických forem léčivé látky forma I ( ) a forma II (---)

40 APLIKACE BLÍZKÉ INFRAČERVENÉ SPEKTROSKOPIE VE FARMACEUTICKÉ ANALÝZE Kvantitativní analýza multikomponentní analýza vytvoření kalibračního modelu stanovení obsahu léčivé látky výstupní kontrola tablet, tobolek, gelů, sirupů (Paralen 500, Ibalgin 400 Zentiva) stanovení vlhkosti ovlivnění kvality výrobku primární metoda stanovení optimálního času sušení ve výrobních procesech kontrola množství navrstveného léčiva na inaktivní jádra ve fluidních zařízeních sledování množství polymerního obalu na tabletách ovlivnění řízeného uvolňování léčivé látky stanovení pevnosti tablet