KURZBESCHREIBUNG DER LÖSUNG
Kristallisation und
Reaktionsüberwachung
Herausforderung
Die Messung und Kontrolle von Reaktionen, Kristallisationsraten und/oder amorphen Zuständen wird in der chemischen, pharmazeutischen und elektronischen Industrie immer wichtiger. Eine klare, eindeutige Bestimmung der Materialstruktur (z. B. Polymorphe), des Kristallinitätsgrads und der Phase ist für die Entwicklung chemischer Prozesse, die Formulierung, die Stabilitätsprüfung und die Materialcharakterisierung unerlässlich. Die meisten Messverfahren erfordern eine spezielle Probenvorbereitung für die zerstörende Off-Line-Analyse und können kein Echtzeit-Feedback liefern.
Traditionelle Lösungen
Die Beobachtung von Struktur- oder Phasenveränderungen in einem Material kann auf verschiedene Weise erfolgen. Mit der Ramanspektroskopie lassen sich kleine Bandenverschiebungen im Bereich des „chemischen Fingerprints“ (200 bis 1.800 cm-1) beobachten. Diese spiegeln jedoch subtile Verschiebungen funktioneller Gruppen wider, so dass es oft schwierig ist, Phasen- oder polymorphe Formänderungen zu erkennen. Die Röntgenbeugung (XRD) war bisher der Industriestandard, erfordert jedoch teure Geräte und zerstörerische Off-Line-Tests. Die Terahertz-Spektroskopie (THz) kann strukturelle Veränderungen differenzieren, ist aber teuer, feuchtigkeitsempfindlich und erfordert eine spezielle Probenvorbereitung.
Lösungen von Coherent
Die THz-Raman®-Systeme von Coherent erweitern den Bereich der herkömmlichen Ramanspektroskopie auf den „strukturellen Fingerprint“ (auch als Niederfrequenz bezeichnet, siehe Abb. 1), der sehr nahe an der Laserlinie (5 bis 200 cm-1) liegt und den Terahertz-Schwingungsenergien entspricht, während gleichzeitig „chemische Fingerprint“-Signale erfasst werden. Wie das gewöhnliche Raman-Verfahren ist es nicht zerstörend und kann für die Echtzeit-Überwachung von Prozessen in situ verwendet werden. Wenn sich Materialien von ungeordnet zu hochgeordnet verändern (z. B. von amorph zu kristallin), verschieben sich die niedrigen Frequenzbänder und werden schärfer. Wenn sich die polymorphe Form ändert, ko-kristalline Bindungen entstehen oder gebrochen werden oder sich der Hydratationsgrad ändert, ändern sich auch die Banden mit niedriger Wellenzahl. Mit bis zu 10-mal stärkeren Signalen als bei der standardmäßigen Raman-Methode bieten THz-Raman-Systeme schnelle, eindeutige Echtzeitmessungen von Kristallisations- und Phasenmerkmalen.
Anwendungsfeld
Kristallisation, Polymorphismus, Phasenüberwachung, Kristallinitätsgrad, polymorphe Umwandlung, zerstörungsfreie Echtzeit-Strukturanalyse, niederfrequente THz-Ramanspektroskopie.
Abbildung 1: Phasenwechsel bei Schwefel: Die orthorhombische kristalline Phase weist scharfe Peaks auf, die auf einen hohen Grad an Ordnung in der Struktur hinweisen, während die monokline Form und die flüssigen Phasen zunehmend ungeordneter werden, was zu einer Verbreiterung und schließlich zum Verschwinden der charakteristischen Peaks führt.
Abbildung 2: Um dynamische Prozessmessungen zu simulieren, wurde eine handelsübliche Advil-Tablette erhitzt und dann bei Raumtemperatur abgekühlt, während die THz-Raman-Spektren überwacht wurden. Der Wirkstoff befand sich zunächst in einem amorphen Zustand und ging dann nach etwa 15 Minuten in die stabile kristalline Form über.
Abbildung 3: Einzelne Spektren, die in 5-Minuten-Schritten für den dynamischen Prozess in Abbildung 2 aufgezeichnet wurden, zeigen den spektralen Übergang beim Abkühlen der Tablette.