Nahinfrarot-Spektroskopie

Expertengruppe 06
Mailien Bulla
Revsan Cig
Keenya Rodrigues Kröger
Smilla Streithoff




Anwendungsbeispiel der NIR-Spektroskopie aus dem Europäischen Arzneibuch (10.0/2296)

Prüfung zum Nachweis des Sesquihydrats in Pantoprazol-Natrium-Sesquihydrat mittels NIR-Spektroskopie

Inhaltsverzeichnis

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Stoffcharakterisierung

Pantoprazol-Natrium-Sesquihydrat ¹

Pantoprazol gehört zu den Protonenpumpenhemmern und hemmt die Bildung von Magensäure. Der Arzneistoff Pantoprazol kommt als Racemat vor. Im Chiralitätszentrum befindet sich das Schwefelatom. ²
Die Substanz liegt als weißes bis fast weißes Pulver vor und ist in Wasser und Ethanol 96% leicht löslich und praktisch unlöslich in Hexan. ³
In den Parietalzellen der Magenschleimhaut kommt es zu einer irreversiblen Hemmung von ⚠ $H^{+}/K^{+}$-ATPase, dadurch wird die Säureproduktion gehemmt und es kommt zu einem höheren pH-Wert im Magen. Durch den höheren pH-Wert im Magen können Verletzungen an der Magenwand und -schleimhaut besser heilen. ⁴
Klinische Anwendungsgebiete sind Magen- und Zwölffingerdarmgeschwüre, Refluxösophagitis, Eradikation von Helicobacter pylori (zusammen mit Antibiotika) und das Zollinger-Ellison-Syndrom. ⁵
Bei Langzeiteinnahme von NSAR (nicht steroidalen Antirheumatika) kann Pantoprazol auch als Magenschutz eingenommen werden. ⁶

Pantoprazol gilt als gut verträglich, da es wenige Nebenwirkungen aufweist. Auftretende Nebenwirkungen sind Durchfälle, Schwindel, Müdigkeit und Kopfschmerzen. Gelegentlich kann es zu Übelkeit, Erbrechen oder allergischen Hautreaktionen kommen. ⁷
In der Langzeittherapie kann es zu einem B₁₂-Mangel führen, sowie zu einem Magnesium-, Calcium- und Kaliummangel. ⁸

Versuchsdurchführung

Die NIR-Spektroskopie (NIR = Nahinfrarot) ist ein physikalisch-analytisches Verfahren, das, wie die MIR-Spektroskopie (MIR = Mittelinfrarot), mit elektromagnetischer Strahlung im Infrarot-Bereich arbeitet.
Dabei liegt die Wellenlänge im Bereich zwischen ⚠ $800$ ⚠ $nm$ und ⚠ $2500$ ⚠ $nm$, also oberhalb von sichtbarem rotem Licht bis zur Grenze der MIR-Spektroskopie. Dieses Verfahren wird in der Pharmazie zur Analyse von Arznei- und Hilfsstoffen verwendet, um sie zu identifizieren und zu quantifizieren. Dabei ist der Vorteil, dass häufig keine Probenvorbereitung notwendig ist.
In der NIR-Spektroskopie wird kurzwelligeres Infrarotlicht zur Anregung verwendet, welches eine höhere Energie besitzt. Die höhere Energie der Strahlung führt zum einen zu einer größeren Eindringtiefe in die Probe, wodurch diese besser abgebildet werden kann und zum anderen zur Anregung von Oberschwingungen, die im Wellenzahlenbereich von ⚠ $12500–4000$ ⚠ $cm^{-1}$ liegen.
Die Moleküle der Stoffe absorbieren die Strahlungen des Infrarotbereiches und werden dadurch in Schwingung versetzt, wodurch hauptsächlich Oberschwingungen von CH-, NH-, OH- und SH-Bindungen, sowie Kombinationsschwingungen auftreten. Kombinationsschwingungen sind jedoch im Vergleich recht unwahrscheinlich. Bei der NIR-Spektroskopie entstehen keine charakteristischen Banden, wodurch funktionelle Gruppen nicht sichtbar zugeordnet werden können, da die Spektren durch physikalische und chemische Parameter (z.B. Teilchengröße, Polymorphie, Kristallwasser, Restlösungsmittel und Homogenität) beeinflusst werden. ⁹
Laut Arzneibuch wird während der Herstellung von Pantoprazol-Natrium-Sesquihydrat die Richtigkeit der Hydratform geprüft. Zur Prüfung wird hierbei zum Beispiel die NIR-Spektroskopie als Nachweismethode gewählt. ¹⁰
Während des Herstellungsprozesses von Pantoprazol-Natrium-Sesquihydrat werden Inprozesskontrollen durchgeführt. Diese sind Kontrollen während der Produktion, aber auch Kontrollen der Umgebung und der Ausrüstung. Mittels der Inprozesskontrolle wird der Prozess überwacht und dann ggf. Anpassungen im Prozess vorgenommen. Für die Inprozesskontrolle gibt es kein vorgeschriebenes Zeitfenster, es kann ganz am Ende oder mehrmals zwischendurch erfolgen. ¹¹ Da die Richtigkeit der Hydratform von Pantoprazol-Natrium-Sesquihydrat überprüft werden soll, wird die In-Line-Implementierung verwendet. Hierbei läuft eine direkte Messung im Produktionsstrom ab, wodurch Prozessmodifikationen und Probenvorbereitungen wegfallen und kontinuierliche Messungen möglich sind. ¹² Vorteilhaft ist, dass sehr genau gemessen werden kann, was im Prozess stattfindet, und zwar exakt zu dem Zeitpunkt, an dem es passiert. ¹³ Dadurch wird der Produktionsprozess nicht beeinflusst, der zeitliche Aufwand wird gering gehalten und es besteht die Möglichkeit einer schnellen Anpassung der Prozessparameter bzw. wie in diesem Beispiel eine schnelle Überprüfung der Hydratform. ¹⁴
Während der NIR-Messungen entstehen je nach Substanzbeschaffenheit Transmissions- und Reflexionsspektren. Die Strahlung des Nahinfrarotbereiches kann Glas, flüssige, halbfeste und feste Substanzen mit einer dünnen Schichtdicke durchdringen, weshalb die Transmission gemessen werden kann. Um die Richtigkeit der Hydratform des Pantoprazol-Natrium-Sesquihydrats zu überprüfen, wird jedoch die Reflexion gemessen, da diese bei Pulverbulks (und Tabletten) mit größerer Schichtdicke zu besseren Ergebnissen führt. ¹⁵ Um die Reflexion der NIR-Strahlung in unserer Probe während des Herstellungsprozesses mittels In-Line-Implementierung messen zu können, bieten sich Fiberoptiksonden an, welche direkt in die Probe eingeführt werden können. ¹⁶

Aufbau eines NIR-Spektrometers zur direkten Messung im Probengefäß ¹⁷

Auswertung/ Interpretation/ Bedeutung und Eignung

Für die Spektrenauswertung wird die Multivariante Datenanalyse verwendet, da eine optische Auswertung des Spektrums nicht möglich ist. Daher werden Spektrendatenbanken verwendet, die sich allerdings noch im Aufbau befinden. Für die Auswertung wird das Gesamtspektrum in mehrere Cluster unterteilt. Dabei steht die Wellenzahl für die x-Variable und die Identität/ Gehalt/ Größe für die y-Variable. ¹⁸ Bei der Clusteranalyse werden einzelne Strukturen nach ihrer Ähnlichkeit in Gruppen eingeteilt, dafür werden große Datenbanken benötigt. Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften werden dann als Cluster bezeichnet. ¹⁹
Um zu verhindern, dass Störeffekte das Ergebnis verfälschen, werden mathematische Korrekturen vorgenommen. ²⁰ Die häufigsten Störeffekte sind Probenbeschaffenheit und Gerätefunktion, welche durch Signalrauschen oder Basislinienverschiebung erkennbar werden. ²¹
Die NIR-Spektroskopie ermöglicht es, die Analysen schnell auszuwerten, dabei wenig invasiv vorzugehen und dennoch eine große Eindringtiefe zu erlangen. Außerdem ist die Vorbereitungszeit der Proben und deren Verbrauch minimal bzw. nicht existent. Auf dieser Grundlage wurde die Identifizierung von Arznei- und Hilfsstoffen in Apotheken und im Rahmen der industriellen Arzneimittelherstellung revolutioniert. Hierbei spielt die Prüfung auf Identität, Reinheit und Gehalt eine Rolle, welche durch Eingangs- und Inprozesskontrollen umgesetzt werden. ²²

Übungsaufgaben

Multiple Choice (MC) Frage: Vorteile von NIR-Spektroskopie

Welche Aussagen sind richtig?

1. Bei der NIR-Spektroskopie kann eine visuelle Auswertung zur qualitativen Bestimmung durchgeführt werden.
2. Bei der NIR-Spektroskopie lassen sich wasserhaltige Substanzen quantitativ sehr gut bestimmen.
3. Bei der NIR-Spektroskopie ist aufgrund von erhöhter Energie eine größere Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung in der Probe möglich.
4. Bei der NIR-Spektroskopie ist die Identifizierung des Arzneistoffs durch den Blister möglich.
5. Bei der NIR-Spektroskopie bedarf es einer kleinen oder teilweise sogar keiner Probenvorbereitung.

1. nur 1 und 2
2. nur 1, 3 und 4
3. nur 5
4. nur 3, 4 und 5
5. 1 bis 5 (alle)

Textaufgabe: Oberschwingungen

1. Was ist der Unterschied zwischen NIR- und MIR-Spektroskopie?

2. Was tritt häufig in Verbindung mit Oberschwingungen auf und was sind die Folgen?

3. Lückentext

4. Die Wellenzahl von Salzsäure beträgt ⚠ $ 2,9988 \cdot 10^{5}$ ⚠ $m^{-1}$ und die Kraftkonstante ⚠ $478$ ⚠ $Nm^{-1}$.
   Berechnen Sie die Nullpunktenergie ⚠ $ E_{0} $.
   Molare Masse: H = 1⚠ $\frac{g}{mol}$ und Cl = 35 ⚠ $\frac{g}{mol}$
⚠ $v = \frac{1}{2\pi}\sqrt{ \frac{ k }{ M } }$

⚠ $ E_{ 0 }=h \cdot \frac{1}{2\pi}\sqrt{ \frac{ k }{ M } }(n+\frac{ 1 }{ 2 }) $
⚠ $ E_{0}=6,626 \cdot 10^{ -34 } Js \cdot \frac{1}{2 \pi}\sqrt{\frac{478 Nm^{-1}}{\frac{1\frac{g}{mol} \cdot 35\frac{g}{mol}}{1\frac{g}{mol}+35\frac{g}{mol}}}}(0+\frac{1}{2}) $
⚠ $ E_{0}=1,169 \cdot 10^{-33}J$ ²⁸

Selbst im Grundzustand besitzt ein Molekül noch eine Energie, welche Nullpunktsenergie genannt wird. In einem System von harmonischen Oszillatoren ist die Nullpunktsenergie mit einer bestimmten Frequenz also niemals gleich 0. Die Nullpunktsenergie ergibt sich aus der Differenz zwischen dem energieärmsten Zustand eines Systems und der ersten Oberschwingung. ²⁹

Nullpunktenergie ³⁰

Einzelnachweise

This page was last edited on 11.01.2023, um 14:52 Uhr

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