Raaka-aineiden tunnistus Raman-spektroskopialla

Abstract

Opinnäytetyön aiheena on Raman-spektroskopian käyttö raaka-aineiden tunnistuksessa. Raman-spektroskopia perustuu Raman-sirontaan, jonka Raman havaitsi 1928. Raman-sirontaa tapahtuu, kun molekyylin kemialliset sidokset kohtaavat valon fotonit ja fotonien energia muuttuu. Raman-sironta on hyvin heikkoa ja mittausta häiritsee huomattavasti voimakkaammat Rayleigh-sironta ja fluoresenssi. Vasta 1980-luvulla tekniikka oli riittävän kehittynyttä, että Raman-spektroskopiaa pystyttiin hyödyntämään käytännön analytiikassa.

Opinnäytetyö tehtiin Orion Pharma Oyj:lle, jossa Raman-spektroskopiaa käytetään raaka-aineiden tunnistukseen. Raaka-aineet toimitetaan varastoon erilaisissa astioissa ja yksi erä voi sisältää monta astiaa. Nykyisessä systeemissä kootaan astiakohtaiset näytteet ja sekanäytteet, mitkä toimitetaan kemialliseen laadunvalvontaan analysoitaviksi. Raman-spektroskopian tarkoituksena on korvata astiakohtaiset analyysit. Raman-spektroskopian etuja on, ettei se vaadi näytteenkäsittelyä ja näytteet voidaan mitata suoraan läpinäkyvien pakkausmateriaalien läpi. Huono puoli on, ettei tekniikka sovellu kaikille raaka-aineille.

Ennen Raman-spektroskopian varsinaista käyttöönottoa, laitteelle on luotava menetelmäkirjasto, joka käsittää jokaiselle raaka-aineelle oman menetelmän ja referenssispektrin, jota vasten tunnistus tehdään. Lisäksi jokainen menetelmä on validoitava. Validointi käsittää selektiivisyystestin ja toistettevuustestin. Selektiivisyystestin vaatimuksena on, ettei raaka-aine saa tunnistua ristiin ja toistettavuuden vaatimus ettei RSD saa ylittää 20 % rajaa.

Lisäksi opinnäytetyö sisältää menetelmäkehitystä, sillä joillakin raaka-aineilla RSD ei pysynyt rajoissa. Ongelmia aiheuttivat muovipipetit, jotka ovat laadultaan hyvin epätasaisia. Opinnäytetyö sisältää myös tutkimusta voidaanko Raman-spektroskopiaa hyödyntää valmisteiden tunnistukseen, sillä niiden nykyiset analyysimenetelmät ovat hyvin monimutkaisia.

The objective of the thesis was the identification of raw material using Raman spectroscopy and it was carried out for Orion, a Finnish pharmaceutical company located in Turku, Espoo and Kuopio. In the pharmaceutical industry, all raw materials must be analyzed before starting the production. The raw materials are delivered to the warehouse in large containers and a single batch might consist of many containers. In the warehouse, a sample is collected from each container and a composite sample is collected from each batch. They are analyzed in chemical quality control and when the analyses are completed, the batch is released for production.

Raman spectroscopy is based on Raman scattering discovered by Raman in 1928. When the photons of light interact with the chemical bonds of a molecule, some energies of the photons change. Raman scattering is very weak and can easily be covered by Rayleigh scattering and fluorescence. Recovering the weak signal has been the major problem with Raman spectroscopy and it was in the 1980s that the technology was sufficiently developed to overcome these problems.

Raman spectroscopy offers an opportunity to analyze the contents of the containers as the composite sample is collected. The Raman spectrometer can be used for noninvasive analysis as long as the packing material is transparent. The actual measurement is very easy and fast. The procedure offers major saving in time and a more specific method for the identification.

The assignment includes developing methods and validating them. In order to develop a method, a reference spectrum must be created. The identification is based on the reference spectrum and it is critical to link the correct reference spectrum to correct method. The validation process included testing the selectivity and repeatability of the method. The requirement for the selectivity is that there are no positive matches for other substances. The requirement for the repeatability is an RSD no greater than 20 %. There was also method development when the RSD exceeded the requirement and investigations concerning the reasons for the poor repeatability.