NIR-Spektroskopie & Chemmetrie

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Artur Klein
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1 NIR-Spektroskopie & Chemmetrie 28-Feb-16, Folie 1

2 NIR-Spektroskopie Eignung der Methode NIR-Spektroskopie Methode für verschiedene pharmazeutische Analysen, insbesondere auch für die Identifikation von Stoffen und Gemischen [PhEur 8.0 Monographie ] Resolutionen der APD von 2013 und 2014 bestätigt die grundsätzliche Eignung von NIR für die Identifikation von Ausgansstoffen in der Apotheke [APD = Arbeitsgemeinschaft der Pharmazieräte Deutschlands] Beide Quellen verweisen auf die Bedeutung der Validierung der Datenbank Seite Feb-16, Folie 2

3 Wie entsteht ein IR-Spektrum? Fällt Licht auf ein Molekül, werden (viele) Wellenlängen absorbiert Die Atome absorbieren mit ihren Elektronenschalen gerade Photonen aus dem UV/VIS-Bereich Kristallgitter beugen Röntgenstrahlen Die Moleküle absorbieren in ihren Bindungen gerade Photonen aus dem IR-Bereich Nahes & mittleres IR (NIR&MIR) Eine einzelne Bindung absorbiert mehrere charakteristische Wellenlängen Jedes Molekül hat mehrere Bindungen (Und Drogen enthalten auch noch viele verschiedene Moleküle) Daraus ergibt sich ein charakteristisches Gesamtbild Spektrum 28-Feb-16, Folie 3

4 MIR- Spektren versus NIR- Spektren ein Vergleich Beispiel: Acetylsalicylsäure nm nm cm ,16 cm nm cm 1 1. Oberschwingung 2. Oberschwingung Grundschwingung Quelle: Prof. Dr. rer. nat. habil. Andreas Link Institut für Pharmazie cm28-feb-16, -1 Folie 4

5 NIR-Spektren Chemische Reinsubstanzen Einige charakteristische Banden Immer gleiche Zusammensetzung Markante Spektren Wenig Streuung Drogen Viele, viele Banden überlagern sich Natürliche Variationen (Jahrgang, Standort, Evolution, ) verwaschene Spektren Teils starke Streuung 28-Feb-16, Folie 5

6 Was ist Hauptkomponentenanalyse? 2,5 2,0 Dexamethason Prednisolon 1,5 Rhizoma_Atractylodis Scutellariae_Barbatae_Herba 1,0 0,5 0,0-0, ,0-1,5 Die Hauptunterschiede der Spektren werden zu den Merkmalen der Substanz in der Referenzdatenbank Feb-16, Folie 6

7 Spektren bewerten Ph. Eur.-Methode (M)IR-Spektroskopie Spektrum von Probe Spektrum von Referenz-Substanz (CRS) Visueller Vergleich (Lage und relative Höhe der Banden) Ph. Eur.-Methode NIR-Spektroskopie Computer-gestützte Auswertung entwickeln (Modell) Modell validieren Routinemäßig Spektrum von Probe aufnehmen und bewerten lassen 28-Feb-16, Folie 7

8 Chemometrie Chemometrie Die Chemometrie versucht, mit statistischen Mitteln die relevante chemische Information aus Spektren zu extrahieren. Die mathematische Bezeichnung dafür ist: Multivariate Datenanalyse Seite Feb-16, Folie 8

9 Chemometrie Vorgehensweise der Chemometrie (Vorbereitung durch HiperScan) 1. Sammlung von Spektren für die Kalibrierprobe 2. Der erste mathematische Schritt heißt Kalibrierung. a) Algorithmus sucht die stärksten Unterschiede in den Referenz-Spektren b) Algorithmus findet eine Umrechnungsvorschrift Spektrum Punkt c) Computer ermittelt für jede Substanz, so sich diese Punkte sammeln 3. Sammlung von Spektren für die Validierprobe 4. Der zweite daten-technische Schritt heißt Validierung. Nutzung des Models Spektrum wird auf Punkt umgerechnet Lage des Punktes zu allen Substanzen wird bewertet Seite Feb-16, Folie 9

10 Hauptkomponente 2 Identifizierung mit Apo-Ident, Datenauswertung Hauptkomponente 4 Beispiel 2: Veranschaulichung zur Unterscheidung von Substanzen (Lanette Salbe, Hydrophile Creme, Basiscreme DAC, Psorisol Basiscreme Audor) Hauptkomponente 1 Hauptkomponente Feb-16, Folie 10

11 Aussagekraft des Ergebnisses Entspricht Arzneibuch-Substanzen Das Spektrum der Probe stimmt mit HiperScan s Referenzenproben dieser Substanz überein Es unterscheidet sich von den Referenzenproben aller anderen Substanzen der Datenbank (HiperScan hat die Identität seiner Referenzenproben selbst überprüft.) TCM Das Spektrum der Probe stimmt mit HiperScan s Referenzenprobe von einer Charge dieser Droge am besten überein Bisher: Es unterscheidet sich von den Referenzenproben aller anderen Drogen dieses Lieferanten (Lässt sich das nicht sicherstellen, fällt die Droge von vornherein aus der Datenbank.) Neu: Der Unterschied zu allen anderen Drogen ist größer. Er muss aber nicht mehr in allen Fällen markant ein. ( Ranking-List) (Der Lieferant hat die Identität seiner Referenzenproben überprüft.) 28-Feb-16, Folie 11

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13 NIR-Spektroskopie IR NIR Wellenlängenbereich >2.500nm (<4.000 cm -1 ) nm Eindringtiefe / Volumen µm mm sich einprägende Information Grundschwingungen mehrfach durch Ober- und Kombinationsschwingungen Spektren scharfe Banden, lesbar, fast nur chemische Info breitere Banden, Chemometrie erforderlich, chem. + physikal. Info Probenvorbereitung Vereinheitlichung der optischen Eigenschaften meist vermeidbar in der Pharmazie gut verankert in Studium und PhEur erst seit 1997 im PhEur Anwendung Seite 13 eher wissenschaftlicher Charakter nach aufwändiger Anlern-Phase schnelle Routineprüfung 28-Feb-16, Folie 13

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