Raman-Spektroskopie

Titelblatt

Expertengruppe 13
Melisa Büyükkörükcü
Samira Fofana
Faten Berro
Beyza Balikci




Anwendungsbeispiel der Raman-Spektroskopie

Quantitative Analyse von Risperidon

Inhaltsverzeichnis

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Stoffcharakterisierung

Bei Risperidon (3-{2-[4-(6-Fluor-1,2-benzisoxazol-3-yl)piperidino]ethyl}-2methyl-6,7,8,9-tetrahydro-4H-pyrido[1,2-a]pyrimidin-4-on, Summenformel: C23H27FN4O2) handelt es sich um ein weißes Pulver, welches zu Filmtabletten verarbeitet wird. Es ist ein Antipsychotikum und wirkt antagonistisch an Rezeptorsystemen mit monoaminen Neurotransmittern. Der Wirkstoff hat eine hohe Affinität zu 5-HT2- (binden Serotonin), D2- (hemmen die Freisetzung von Prolaktin) und Alpha1-Rezeptoren. Risperidon wird bei chronisch schizophrenen Psychosen, einschließlich Exazerbationen (die deutliche Verschlimmerung bereits bestehender Symptome ² ), Erhaltungstherapie zur Rezidivprophylaxe (Gesamtheit medizinischer Maßnahmen um eine erneute Erkrankung zu vermeiden ³)von stabil eingestellten Patienten, bei bipolaren Störungen, chronischer Aggressivität und psychotischen Symptomen, so wie bei Demenz und zur Kurzbehandlung von Aggressionen bei verhaltensgestörten Kindern und Jugendlichen ab 5 Jahren verschrieben. Risperidon kann das Reaktionsvermögen reduzieren. Es wird peroral verabreicht (unabhängig von der Nahrungsaufnahme) und vollständig resorbiert. Es wird über die Leber metabolisiert. ⁴

Versuchsdurchführung

Die Raman-Spektroskopie basiert im Allgemeinen auf der Bestimmung von Molekülschwingungen.⁶ Dabei wird eine Probe unter Einsatz eines Monochromators mit Laserlicht bestrahlt,⁷ um so die Lichtintensität der Probe durch Ausstrahlung von Emissionen zu ermitteln. Die emittierte Strahlung hat eine veränderte Schwingungsfrequenz als die Anregungsfrequenz (Raman-Streuung). Man unterscheidet zwischen der Anti-Stokes-Streuung (erhöhte Frequenz) und der hauptsächlich vorliegende Stokes-Streuung (erniedrigte Frequenz). Voraussetzung für die Raman-Streuung ist somit die Änderung der Polarisierbarkeit ohne Änderung des Dipolmoments. Man wertet bei der Raman-Spektroskopie die Wellenzahldifferenz des Anregungslichts und der Stokes-Streuung aus. Diese ist charakteristisch für die untersuchten Moleküle.

Vorgestellt wird eine quantitative Analyse von Risperidon durch eine zerstörungsfreie Methode der FT-Raman-Spektroskopie. Mit Tabletten, die genauso hergestellt wurden wie die Handelsüblichen, wurde ein Regressionsmodell erstellt. Es wurden handelsübliche Filmtabletten mit 0,27; 0,54; 1,08; 1,62; 2,16; 3,24 und 4,32 % [m/m] als Regressionsmodell vermessen. Die Raman-Schwingung des Wirkstoffes bei 1533 cm^-1 wurde durch ein selbstgebautes Rotationssystem gemessen und gegen die Konzentration aufgetragen. Die Ergebnisse wurden mit denen einer HPLC-Analyse (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie) verglichen. Die Raman-Spektroskopie hatte zwei Vorteile gegenüber der anderen Methoden zur Identifizierung von Risperidon-Polymorphen: eine niedrigere Nachweisgrenze und außerdem ist die Methode für die Probe in Form von Tabletten nicht destruktiv. Da bei der Raman-Spektroskopie die Verpackung der Probe, die Messtemperatur, die Tablettenform, der Abstand zwischen Laser und Probe, etc. die Analyse beeinflussen, wird hier eine Methode erstellt, die zerstörungsfrei und einfach eine quantitative Bestimmung von Risperidon in intakten, filmbeschichteten und unbeschichteten Tabletten gewährleisten kann. Die Probe wurde in einem rotierenden System vermessen, um die Überhitzung der Probe durch den Laser zu verhindern, da eine Überhitzung zur Änderung der Struktur und damit zu falschen Ergebnissen führen könnte. Das Spektrum der Probe wurde vom Umfang eines Kreises erhalten, sodass es zu einem besseren gemittelten Raman-Signal kommt, da das Abtastvolumen in dieser Methode erhöht wurde. Das Spektrum wurde von einem FRA-106/S FT-Raman (Bruker) aufgenommen, welcher eine Laser-Anregungslinie bei 1064 nm verwendet (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser). Ein Sekundärfilter entfernte die Rayleigh-Streuung. Bei 180° wurde das gestreute Licht gesammelt. Das System war ausgestattet mit einem flüssigen N2-gekühlten Germanium-Detektor. Die Leistung des Laserstrahls wurde auf die maximale Ausgangsleistung eingestellt. Der Abstand zwischen Probe und Linse lag bei zwei cm. Weitere Einstellungen des Systems sind der aufgeführten Literatur zu entnehmen. Die Tabletten wurden direkt in den Strahlengang des Lasers platziert. Die absolute durchschnittliche Intensität der starken Schwingung lag bei 1533 cm^-1. Die Kalibrierung basierte deshalb auf der Intensität des Peakmaximums. ⁸

Auswertung/ Interpretation/ Bedeutung und Eignung

Die Raman-Spektroskopie eignet sich zur quantitativen Prüfung von Risperidon, da die Probe eingesetzt werden kann, ohne dass vor dem Versuch eine spezifische Probenvorbereitung durchgeführt werden muss.⁹ Dadurch kann die Probe in ihrer ursprünglichen Form untersucht werden, was unter anderem Verunreinigungen bei der Versuchsdurchführung in dieser Hinsicht minimiert. Bei der Probenvorbereitung ist jedoch darauf zu achten, dass die Analysensubstanz und die Referenzsubstanz auf dieselbe Art vorbereitet werden.¹⁰

Des Weiteren ist die Raman-Spektroskopie eine geeignete Methode, da sie geringe Nachweisgrenzen aufweist. Messungen können bis in den Picogramm-Bereich vorgenommen werden.¹¹ Zudem ist die Intensität der Raman-Banden direkt proportional zur Konzentration der zu untersuchenden Substanz.¹² Dadurch lässt sich die Konzentration bei einer starken Bandenintensität gut im Spektrum bestimmen. Durch Einsatz einer zerstörungsfreien Methode, wie sie in der Durchführung beschrieben wird, ist es möglich, dass die eingesetzte Analysensubstanz nicht durch den Laserstrahl beeinträchtigt wird.¹³ Andernfalls könnte die Laserstrahlung die physikalische Beschaffenheit der Analysensubstanz ändern, wodurch diese dann nicht mehr wiederverwendet werden könnte.¹⁴ Zudem kann es durch die Laserstrahlungen zur Erhitzung kommen, was ebenfalls einen Nachteil darstellen würde.¹⁵ Dem kann wiederum durch Einsatz eines Rotationssystems entgegengewirkt werden.

Bei der Auswertung ist zu beachten, dass die Analysensubstanz durch die Lichtquelle zur Fluoreszenz angeregt werden kann.¹⁶ Dies würde sich durch Störungen im Spektrum bemerkbar machen und eine Auswertung erschweren.

Unterschiedliche Raman-Spektroskopie-Techniken

Da die Raman-Streuung üblicherweise nur von geringer Intensität und insofern geringer Nutzbarkeit ist, werden die diversen natürlichen Eigenschaften zur massiven Verstärkung genutzt . Nur dadurch lässt sich die Raman-Spektroskopie bewerkstelligen. Man steigert die Intensität der Streustrahlung um 10^2 bis 10^6 mit Licht, dessen Wellenlänge sich in nächster Nähe der elektronischen Absorptionsbande von den Chromophoren der Moleküle befindet. Dadurch wird ein Elektron im Wechselspiel mit einem Photon angeregt. Die Konsequenz daraus ist die Relaxation inklusive der Abgabe von Strahlung. Der Vergleich dieser Form der Spektroskopie zur Fluoreszenz-Emmissionsstrahlung ergibt, dass die Relaxation in den Grundzustand nicht aus dem geringsten Schwingungsniveaus des elektrisch angeregten Zustandes erfolgt.

Zudem tritt Raman-Streuung in wesentlich geringerem Maße als Fluoreszenz-Emission auf. Die Beobachtungen bei der Raman-Resonanz beschränken sich auf Moleküle, deren UV-Vis-Absorptionsmaxima bei der Wellenlänge des jeweils verwendeten Laser angesiedelt sind. Stattdessen kann jedoch auch ein Laser eingesetzt werden, dessen Wellenlänge variiert werden kann. Die Fluoreszenz von Verbindungen bedingt die limitierte Einsatzfähigkeit. Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie weist eine um 10^4 bis 10^6 verstärkte Intensität der Strahlung für Moleküle auf, die alternativ an den Metalloberflächen adsorbiert werden oder nahe der Metalloberfläche angesiedelt sind. Diese Methode nennt man im Fachjargon auch „Surface-enhanced-Raman-spectroscopy“ oder kurz: „SERS“ ). Das Zusammenwirken verschiedener Mechanismen erklärt dieses Phänomen.

1. Chemische Verstärkung: Erhöhte Bindungspolarisierbarkeit durch Charge-Transfer-Effekt zwischen den adsorbierten Molekülen und der Metalloberfläche. Im Charge-Transfer-Effekt werden elektronische Ladungen innerhalb des Komplexes übertragen. Dank Licht ist das wieder möglich. Das Licht wird wieder absorbiert und die Energie zur Elektronenladungsübertragung genutzt. Hier findet lichtinduzierte Elektronenbewegung nicht in d-Orbitalen statt, sondern in Atomen oder Molekülen (Metalle, Liganden).

2. Elektronische Verstärkung: Gemeinsames Schwingen der Elektronen eines Metalls per Anregung des Oberflächenplasmons durch Laserstrahlung. Dabei werden adsorbierte Moleküle massiven elektromagnetischen Feldern ausgesetzt. Somit verstärken sich die Schwingungszustände außerordentlich. Oberflächenplasmonen sind Oberflächenwellen, bei denen longitudinale Elektronenschwingungen parallel zur Metalloberfläche angeregt werden. Die resultierende Feldstärke wird im Raum über der Metalloberfläche verstärkt

Höchste SERS-Aktivität entwickeln hierbei funktionelle Gruppen mit freien Elektronenpaaren, respektive Doppelbindungen. Das Verfahren und dessen Effizienz wird durch die jeweilige Oberflächenbeschaffenheit und die verwendete Metallart beeinflusst.. Eingesetzte Metalle müssen die Resonanzbedingungen der gemeinhin eingesetzten Laser bzgl. ihrer Frequenzen im NIR- oder dem sichtbaren Bereich erfüllen. Dieses leisten vorzugsweise Gold und Silber sowie mit gewisser Einschränkung auch Kupfer, weshalb elektrochemisch aufgeraute Silberelektroden respektive kolloidale Gold- und Silber-Nanopartikel aber auch weitere Mikrostrukturen gerne Verwendung finden. Eine Steigerung der Streuungsintensität auf bis zu 10^14 wird durch die Kombination von SERS mit SEERS erlangt , der oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Spektroskopie . Auch die kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung , CARS , bietet eine weitere Möglichkeit der Intensitätssteigerung. Bei dieser nicht-linearen Raman-Streuung überlagern sich Laserstrahlen mit vielen verschiedenen Frequenzen. Hierbei werden die Anti-Stokes-Linien aufgezeichnet und es kommt zu einer Signalverstärkung von ≤ 800%. Den entscheidenden Vorteil dieses Verfahrens bietet der verhältnismäßig größere Abstand zu den Frequenzen ggf. möglicher Fluoreszenzstrahlung. Gerade bei der Bearbeitung biologischer Proben überdeckt diese nicht selten die Stokes-Linien. ¹⁷

Übungsaufgaben

Multiple Choice (MC) Frage: Quantitative Bestimmung Risperidon

Warum wird die hier beschriebene Analyse in einem rotierenden System gemacht?

1. Die Probe muss gut durchmischt werden, während der Analyse.
2. Der Laser muss die Probe an unterschiedlichen Stellen durchstrahlen, da die Probe an unterschiedlichen Stellen auch unterschiedliche Spektren aufweist.
3. Die Überhitzung der Probe durch den Laser muss verhindert werden.
4. Die Methode muss gar nicht in einem rotierenden System stattfinden.
5. Der Laser funktioniert nur, wenn die Probe rotiert.

Textaufgaben

a) Welche verstärkenden Mechanismen treten bei der Surface-enhanced-Raman-Spectroscopy auf?

b) Nennen Sie zwei Nachteile der Raman-Spektroskopie.

c) Welches der beiden Raman-Spektren ist geeignet zur Auswertung? Begründen Sie.

d) Bringen Sie die Bestandteile des Aufbaus an die richtige Position, indem Sie sie jeweils einem Kasten zuordnen!

Probenhalterung, Optisches System, Lichtquelle, Empfänger/Schreiber, Optisches System, Monochromator

Einzelnachweise

Folgende Quellen wurden verwendet.

This page was last edited on 11.01.2023, um 14:53 Uhr

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