Procesne analitièke tehnike temeljene na vibracijskoj ... · otopina u staklenim reaktorima, bez potrebe za korekcijom pozadinskog signala. S druge strane, vrpce u NIR-spektrima

Procesne analitièke tehnike temeljenena vibracijskoj spektroskopiji in-linei primjena u industriji

T. Jednaèak* i P. NovakZavod za analitièku kemiju, Kemijski odsjek, Prirodoslovno-matematièki fakultet,Sveuèilište u Zagrebu, Horvatovac 102a, 10 000 Zagreb, Hrvatska

Procesne analitièke tehnike (PAT) primjenjuju se u mnogim fazama industrijskih procesa sciljem njihova boljeg razumijevanja, osiguranja kvalitete putem optimalnog dizajna i pravovre-menog utvrðivanja procesnih odstupanja. PAT ukljuèuju praæenje i kontrolu fizièkih i kemijskihprocesa te identifikaciju parametara koji na njih utjeèu. Znaèajno mjesto meðu procesnimanalitièkim tehnikama zauzimaju tehnike vibracijske spektroskopije in-line. One omoguæujupraæenje proizvodnih procesa in situ, u realnom vremenu, uz manje izlaganje opasnim materi-jalima te manju moguænost kontaminacije, uništavanja uzorka ili narušavanja ravnoteÞe ureakcijskom sustavu. Zbog svih navedenih prednosti tehnike vibracijske spektroskopije in-linese uspješno primjenjuju u razlièitim industrijskim granama. Na temelju karakteristiènih vibracij-skih vrpci u infracrvenim i Ramanovim spektrima in-line moguæe je pratiti kristalizaciju, otapa-nje, polimorfne prijelaze i kemijske reakcije. Dobiveni spektri vrlo èesto se zbog sloÞenostidalje obraðuju primjenom multivarijantnih metoda analize podataka. U posljednje vrijemerazvijen je velik broj tehnika vibracijske spektroskopije in-line i multivarijantnih metoda analizepodataka, no u ovome radu opisane su samo najznaèajnije tehnike i one koje se danas najvišeprimjenjuju.

Kljuène rijeèi: Procesne analitièke tehnike, vibracijska spektroskopija in-line, praæenjeindustrijskih procesa, multivarijantne metode analize podataka

UvodProcesne analitièke tehnike (PAT) ukljuèuju praæenje ikontrolu industrijskih procesa radi dobivanja proizvodaodgovarajuæe kvalitete i svojstava. Podruèje PAT je inter-disciplinarno te obuhvaæa metode analitièke kemije, pro-cesne kemije, procesnog inÞenjerstva i multivarijantne ana-lize podataka.

PAT omoguæuju identifikaciju parametara koji utjeèu napojedini proces, praæenje procesa u realnom vremenu,dobivanje podataka koji se mogu obraditi multivarijantnimmetodama analize te razvoj procesne kontrolne strate-gije.1,2

Prema mjestu odreðivanja PAT se mogu podijeliti na:1. off-line – analiza se provodi u dislociranom laboratoriju,2. at-line – analiza se provodi u laboratoriju u mjestu proiz-

vodnje,3. on-line – analiza ukljuèuje uzorkovanje, analizu i vra-

æanje uzoraka u proces proizvodnje,4. in-line – analiza se odvija u realnom vremenu, omo-

guæava mjerenje in situ, bez uzorkovanja.

Nedostatci mjerenja off-line i at-line su nemoguænost dobi-vanja podataka u realnom vremenu te prisutnost stati-

stièkih i fizikalnih pogrešaka prilikom uzorkovanja. Stati-stièke pogreške pojavljuju se ako analizirani uzorak nijereprezentativan, dok fizikalne pogreške nastaju zbog pro-mjena u materijalu uslijed procesa uzorkovanja.

Za razliku od gore navedenih tehnika, analiza in-line omo-guæava praæenje fizikalnih i kemijskih procesa in situ. Takavpristup ima mnogo prednosti, od kojih treba spomenutimanje izlaganje opasnim materijalima, snimanje u realnomvremenu te manju moguænost kontaminacije ili uništavanjauzorka.3 Tijekom analize in-line nema potrebe za uzima-njem alikvota i narušavanjem ravnoteÞe u reakcijskom su-stavu.

Zbog svih navedenih prednosti, PAT in-line uspješno seprimjenjuju u razlièitim industrijskim granama, kao što suindustrija polimera, nafte, poluvodièa, stakla, katalizatorate prehrambena i farmaceutska industrija.2,4 Nadalje, regu-latorne agencije sve više nameæu primjenu analitièkih teh-nika in-line za praæenje procesa u farmaceutskoj industrijikao tehnike izbora.1

Stoga je u posljednje vrijeme razvijen velik broj tehnikain-line koje se temelje na:

– infracrvenoj spektroskopiji u bliskom infracrvenom pod-ruèju (engl. Near Infrared spectroscopy, NIR) poputtransmisijske spektroskopije NIR, infracrvene spektroskopi-je uz Fourierovu transformaciju i difuznu refleksiju (engl.Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform spectroscopy,

T. JEDNAÈAK i P. NOVAK: Procesne analitièke tehnike temeljene na vibracijskoj spektroskopiji in-line, Kem. Ind. 62 (3-4) 71–80 (2013) 71

KUI – 7/2013Prispjelo 10. travnja, 2012.

Prihvaæeno 18. srpnja, 2012.

* Autor za dopisivanje: Tomislav Jednaèak, dipl. inÞ., asistente-pošta: [email protected]

CORE Metadata, citation and similar papers at core.ac.uk

https://core.ac.uk/display/14462436?utm_source=pdf&utm_medium=banner&utm_campaign=pdf-decoration-v1

DRIFT) te infracrvene spektroskopije uz prigušenu totalnurefleksiju (engl. Attenuated Total Reflectance infrared spec-troscopy, ATR),

– infracrvenoj spektroskopiji u srednjem infracrvenompodruèju (engl. Middle Infrared spectroscopy, MIR), kao štosu transmisijska spektroskopija MIR, DRIFT i ATR),

– Ramanovoj spektroskopiji te njezinim modifikacijamapoput koherentne anti-Stokesove Ramanove spektroskopi-je (engl. Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy, CARS),spektroskopije rezonantnog Ramanova raspršenja (engl.Resonant Raman Spectroscopy, RRS), spektroskopijepovršinski pojaèanog Ramanova raspršenja (engl. Surface--Enhanced Raman Spectroscopy, SERS), odnosno spektro-skopije površinski pojaèanog rezonantnog Ramanova ras-pršenja (engl. Surface-Enhanced Resonant Raman Spectro-scopy, SERRS).

Rezultati dobiveni navedenim eksperimentalnim tehnika-ma vrlo èesto se zbog sloÞenosti spektara dalje obraðujuprimjenom statistièkih metoda kao što je analiza glavnihkomponenti (engl. principal component analysis, PCA) iparcijalni najmanji kvadrati (engl. partial least squares,PLS).5,6 Na taj naèin dobiva se statistièki opis pojedinih pro-cesnih parametara koje je potrebno optimirati da bi se

unaprijedio proces proizvodnje i osigurala kvalitetakonaènog proizvoda.

U ovome radu bit æe opisane samo najvaÞnije tehnikevibracijske spektroskopije in-line i one koje se danasnajviše primjenjuju. Njihova usporedba prikazana je utablici 1.

Vibracijska spektroskopija

Vibracijska spektroskopija primjenjuje se za identifikacijumolekula na temelju vibracija njihovih atoma, odnosnoperiodièkih promjena kuteva i meðuatomskih udaljeno-sti.7,8 Vibracijske spektroskopske tehnike mogu se temeljitina apsorpciji ili raspršenju elektromagnetskog zraèenja, pastoga razlikujemo infracrvenu odnosno Ramanovu spek-troskopiju.

Infracrvena spektroskopija (engl. infared spectroscopy, IR)prouèava interakcije tvari i elektromagnetnog zraèenja urasponu valnih brojeva od 12 500 cm–1 do 10 cm–1,odnosno valnih duljina od 0,8 �m do 1000 �m. IR-spektarpokazuje ovisnost apsorbancije ili transmitancije o valnojduljini ili valnom broju. Podruèje IR-spektra moÞe se po-

72 T. JEDNAÈAK i P. NOVAK: Procesne analitièke tehnike temeljene na vibracijskoj spektroskopiji in-line, Kem. Ind. 62 (3-4) 71–80 (2013)

T a b l i c a 1 – Usporedba najvaÞnijih tehnika vibracijske spektroskopije in-line4

T a b l e 1 – The comparison of the most important in-line vibrational spectroscopic techniques4

SvojstvoProperty

NIR-spektroskopijaNIR spectroscopy

ATR-MIR-spektroskopijaATR-MIR spectroscopy

Ramanova spektroskopijaRaman spectroscopy

podaci dobiveni asignacijomspektradata obtained byspectral assignment

kombinacijske vibracije i višitonovicombination bands andovertones

osnovne vibracije;kombinacijske vibracije i višitonovi; vibracijsko-rotacijskastrukturafundamental vibrations;combination bands andovertones; vibrational-rotationalstructure

osnovne vibracije;kombinacijske vibracije i višitonovi; vibracijsko-rotacijskastrukturafundamental vibrations;combination bands andovertones; vibrational-rotationalstructure

vrsta spektrometraspectrometer type

disperzivan; FTIRdispersive; FTIR

FTIR disperzivan; FT-Ramandispersive; FT Raman

razluèivanjeresolution

< 8 cm–1 > 4 cm–1 > 4 cm–1

metode interpretacijeinterpretation methods

multivarijantne metodemultivariate methods

omjer intenziteta signala;multivarijantne metodepeak intensity ratio;multivariate methods

omjer intenziteta signala;multivarijantne metodepeak intensity ratio;multivariate methods

vrsta sondeprobe type

transmisijska NIR-sonda;ATR-NIR-sondatransmission NIR probe;ATR-NIR probe

ATR-MIR-sondaATR-MIR probe

Ramanova sondaRaman probe

naèin spajanja sondei spektrometraprobe-spectrometer interface

optièka vlaknaoptical fibres



udaljenost sonde odspektrometraspectrometer-probe distance

100 m 2 m 100 m

dijeliti na blisko (12 500 cm–1 do 4000 cm–1), srednje (4000cm–1 do 400 cm–1) i daleko (400 cm–1 do 10 cm–1). Zaorganske spojeve najzanimljivije je srednje podruèje infra-crvenog spektra, gdje se nalaze vrpce karakteristiène zapojedine spojeve. Navedeno podruèje moÞe se podijelitina podruèje funkcijskih skupina (4000 cm–1 do 1400 cm–1)i podruèje otiska prsta (4000 cm–1 do 1400 cm–1), koje jespecifièno za svaki uzorak. U infracrvenom spektru bit æeopaÞene samo one vibracije kod kojih dolazi do vremenskiperiodièke promjene elektriènog dipolnog momenta p (sli-ka 1). Ovisno o energiji apsorbiranog kvanta zraèenja, umolekuli æe se pobuditi toèno odreðene vibracije pojedi-nih funkcijskih skupina. Zbog opæenito slabe sprege s osta-lim vibracijama, one se mogu promatrati odvojeno, štoomoguæava primjenu infracrvene spektroskopije kao anali-tièke tehnike.

S l i k a 1 – Titrajuæi dipol uzrokuje vremenski periodièku promje-nu elektriènog polja u svojoj blizini

F i g. 1 – Oscillating dipole induces time-periodic variation ofthe electric field surrounding it

Ramanova spektroskopija temelji se na neelastiènom (Ra-manovu) raspršenju elektromagnetskog zraèenja zbogmeðudjelovanja s uzorkom. Razlika u energiji sustava prijei nakon Ramanova raspršenja uglavnom odgovara sred-njem infracrvenom podruèju elektromagnetnog zraèenja.Stoga se Ramanova spektroskopija moÞe primijeniti kao

tehnika komplementarna infracrvenoj spektroskopiji zaanalizu molekula na temelju njihovih vibracija.

Da bi vibracija molekule bila aktivna u Ramanovu spektru,tijekom vibracije mora doæi do promjene polarizabilnosti,�. Lasersko zraèenje koje dolazi do molekule moÞe seraspršiti pod razlièitim kutovima (slika 2).

Infracrvena spektroskopija in-lineu bliskom infracrvenom podruèju

Infracrvena spektroskopija in-line u bliskom infracrvenompodruèju (engl. in-line Near Infrared spectroscopy, in-lineNIR) primjenjuje se za praæenje i kontrolu fizièkih i kemij-skih procesa te brzu kvalitativnu i kvantitativnu analizuspojeva koji sudjeluju u procesu.2,9 Obuhvaæa podruèje od12 500 cm–1 do 4000 cm–1, gdje se pojavljuju vrpce višihtonova (harmonika) i kombinacijske vrpce. Postoji u neko-liko izvedbi, od kojih se najviše primjenjuje transmisijskain-line-NIR. Navedena tehnika omoguæava praæenje pro-cesa in situ pomoæu NIR-sonde koja je optièkim vlaknimapovezana sa spektrometrom.

Presjek transmisijske NIR-sonde prikazan je na slici 3.Upadno zraèenje prenosi se optièkim vlaknom do sustavaleæa pomoæu kojega se usmjerava prema uzorku, gdjedolazi do njegove djelomiène apsorpcije. Propušteno zra-èenje zatim se odgovarajuæim optièkim vlaknom prenosido detektora. Obloga od inertnog metala i safirni prozorištite sondu od vanjskih utjecaja prilikom mjerenja in situ.

NIR-spektri odlikuju se velikim omjerom signala i šuma, apoloÞaj i intenzitet vrpci moÞe se vrlo toèno odrediti, što jeosobito vaÞno za kvantitativnu analizu. Zbog slabe ap-sorpcije vode i stakla moguæe je snimanje spektara vodenihotopina u staklenim reaktorima, bez potrebe za korekcijompozadinskog signala. S druge strane, vrpce u NIR-spektrimamanje su informativne, a u mnogim sluèajevima dolazi i do

njihova preklapanja. Stoga je dobivenepodatke potrebno obraditi multivarijantnimmetodama analize.

NIR-spektroskopija in-line uspješno je pri-mijenjena u polimernom inÞenjerstvu za pra-æenje procesa ekstruzije polimera i dobivanjeuvida u procesne parametre, poput sastavapolimera, udjela vlage i viskoznosti smjese.9

Ovom tehnikom mogu se pratiti i biokemij-ski procesi, primjerice kultivacija monoklo-nih antitijela.10 Nadalje, NIR-spektroskopijain-line pronalazi primjenu u mesnoj industri-ji za kontrolu kvalitete mesnih preraðevinatijekom procesa obrade11 te farmaceutskojindustriji za praæenje pojedinih koraka pri-likom razvoja lijeka.12,13

Zbog velike toènosti, NIR-spektroskopijain-line uspješno se primjenjuje za kvantita-tivnu analizu. U kombinaciji s multivarijant-nim metodama analize podataka, ova teh-nika se moÞe primijeniti za odreðivanjesastava farmaceutskih pastila tijekom pro-cesa proizvodnje te klasifikaciju uzorakaprema kolièini djelatne tvari.14


S l i k a 2 – Raspršenje zraèenja pod kutovima od 90° i pribliÞno 180°. Elektriènopolje inducira elektrièni dipolni moment u molekuli.

F i g. 2 – Scattering of radiation at the angles measuring 90° and approximately180°. Electric field induces electric dipole moment in the molecule.

Infracrvena spektroskopija in-lineuz prigušenu totalnu refleksiju

U tehnici infracrvene spektroskopije in-line uz prigušenutotalnu refleksiju (engl. in line Attenated Total Reflectioninfrared spectroscopy, ATR in-line) uzorak se stavlja uoptièki kontakt s obzirom na ATR-kristal napravljen odmaterijala visokog indeksa loma, primjerice ZnSe.15 ATR--kristal zakrivljena je oblika te se nalazi na glavi sonde(slika 4). Upadno infracrveno zraèenje se fokusira na rub

ATR-elementa pomoæu zrcala, reflektira kroz kristal te nakraju usmjerava na detektor. Usprkos gotovo potpunojunutarnjoj refleksiji na granici uzorka i kristala, zraèenjeipak malo prodire unutar uzorka. Navedena pojava nazivase evanescentni val. Tijekom interakcije uzorka s evane-scentnim valom dolazi do apsorpcije zraèenja.

Dubina prodiranja evanescetnog vala, dp, definirana je kaoudaljenost potrebna da amplituda elektriènog polja padnena 1/e od svoje poèetne vrijednosti. Ona ovisi o valnojduljini (), indeksima loma ATR-kristala (n1) i uzorka (n2), tekutu upada (�):

(1)

Prednosti ove metode su neosjetljivost na utjecaj èestica imjehuriæa zraka u otopini te jednostavno snimanje refe-rentnog spektra za koji moÞe posluÞiti i spektar zraka.2 Pritome nije potrebna ponovna kalibracija sonde. Jedan odglavnih nedostataka ove metode jest slaba moguænostkvantitativnih mjerenja, jer snaga apsorpcijske vrpce ovisi oindeksu loma uzorka. Indeks loma moÞe se promijenitizbog promjena koncentracije uzorka ili temperature.Usprkos nekim nedostacima, tehnika ATR in-line zboglakoæe primjene te neosjetljivosti na nehomogenosti u oto-pini predstavlja dobar izbor za praæenje fizièkih i kemijskihprocesa u realnom vremenu.

Jedan od takvih procesa je kristalizacija djelatne tvari kojamoÞe postojati u obliku nekoliko polimorfnih formi.16

Infracrvena spektroskopija uz prigušenu totalnu refleksijuin-line primijenjena je za kvantitativno praæenje navede-nog procesa. Preduvjet za kvantitativnu analizu bila je kon-strukcija baÞdarne krivulje prema navedenim koracima:

a) definiranje raspona koncentracije i temperature; kon-strukcija krivulje topljivosti i koncentracijskog profila;b) odabir toèaka za mjerenje apsorbancije u odreðenomrasponu koncentracije i temperature; mjerenje apsorbanci-je odabranih otopina u eksperimentalnim uvjetima; otopese poznate kolièine prouèavane tvari te se snime spektri prirazlièitim temperaturama; izraèunavanje vrijednosti koefi-cijenata ai (i = 0, 1, 2, 3) u jednadÞbi (2):

c(A,T) = a0 + a1A + a2A2 + a3AT (2)

c – koncentracija otopljene tvariA – apsorbancija pri valnoj duljini maksimumaT – temperatura

Pomoæu navedenog modela izraèunata je koncentracijadjelatne tvari otopljene u etanolu pri razlièitim temperatu-rama te je dobivena procjena koncentracijskog profila.Ovaj primjer pokazuje kako je ATR in-line korisna tehnikaza praæenje polimorfnih prijelaza in situ i odreðivanje kri-vulja topljivosti djelatnih tvari.

Nadalje, tehnika ATR in-line primijenjena je za praæenje insitu reakcije izmeðu epoksida i ugljikova monoksida uz pri-sutnost soli Lewisove kiseline (L.K.) i kobaltova tetra-karbonila.17 Nastali reakcijski produkti (shema 1) detek-tirani su na temelju karakteristiènih vrpci u ATR-spektrimain-line. Na taj naèin dobiven je uvid u kinetièke parame-tre i raspodjelu produkata u reakcijskoj smjesi pri razlièitimtemperaturama i tlakovima.


S l i k a 3 – Presjek transmisijske NIR-sondeF i g. 3 – Cross-section of the transmission NIR probe

S l i k a 4 – Prikaz procesa u ATR-sondiF i g. 4 – Illustration of the process in ATR probe

ðp 2 2

1 1 22 sin ( )d

n n n

�

��

�

Kombinacijom in-line ATR s drugim tehnikama moÞe sedobiti potpuniji uvid u procesne parametre. Tako je pri-mjerice ATR in-line u kombinaciji s diferencijalnom elek-trokemijskom spektrometrijom masa (DEMS) primijenjenaza istovremenu detekciju stabilnih adsorbiranih vrsti i re-akcijskih meðuprodukata te praæenje kinetike oksidacijeugljikovog monoksida na platinskoj elektrodi.18 Za do-bivanje procjene koncentracije in situ pojedinih vrsti usmjesi te ostalih procesnih parametara, ATR-spektri moguse obraditi multivarijantnim metodama analize podataka.19

Ramanova spektroskopija in-line

Vibracijska karakterizacija farmaceutskih proizvoda moÞese na robustan, jednostavan i siguran naèin izvoditi teh-nikom Ramanove spektroskopije in-line, pomoæu Rama-nove sonde (slika 5).4,20,21 Pobudno zraèenje prenosi seoptièkim vlaknom za pobudu preko sonde do uzorka, azatim se raspršeno zraèenje skuplja te optièkim vlaknimaprenosi do spektrometra i na kraju do detektora. Obiènopostoji jedno vlakno za pobudu te nekoliko vlakana zaprikupljanje signala. Veæina Ramanovih sondi posjedujekonfiguraciju uz povratno raspršenje. Kod procesnih Ra-manovih sondi vlakna za pobudu i prikupljanje smještenasu prostorno blizu, što omoguæava praæenje procesa u real-nom vremenu. Jedna od prednosti sondi jest i njihova flek-sibilnost te prilagodljivost eksperimentalnim uvjetima.

Ramanova spektroskopija in-line omoguæuje nedestruk-tivnu analizu in situ pomoæu sonde. Široko spektralnopodruèje i moguænost snimanja u vodenim otopinama èineRamanovu spektroskopiju in-line jednom od tehnika izbo-ra za praæenje i kontrolu industrijskih procesa.

Ova tehnika primjenjuje se u biokemiji za praæenje kristali-zacije enzima i reakcija kataliziranih pomoæu enzima22,23,kemiji materijala24 te industriji polimera za kontrolu proce-sa otapanja, kristalizacije i proizvodnje.25–27 Nadalje, Ra-

manovom spektroskopijom in-line moguæe je pratiti proce-se u farmaceutskoj industriji, poput homogenizacije, krista-lizacije i sinteze djelatnih tvari.28–34

Za praæenje procesa u laboratorijskim uvjetima moÞe seupotrijebiti aparatura prikazana na slici 6. Sastoji se odRamanove sonde, miješalice i termometra uronjenih ulaboratorijski reaktor s dvostrukom stijenkom. Temperaturau reaktoru odrÞava se pomoæu termostatirane kupelji kojaosigurava kontinuirani protok tekuæine u prostoru izmeðustijenki reaktora.

Aparatura prikazana na slici 6 primijenjena je za praæenjeKnoevenagelove kondenzacijske reakcije izmeðu 3,4-di-hidroksi-5-nitrobenzaldehida i 2-cijano-N,N-dietilaceta-mida (shema 2), koja je završni korak prilikom sinteze dje-


S h e m a 1 – Završni korak reakcije izmeðu epoksida i ugljiko-va monoksida uz prisutnost soli Lewisove kiseline i kobaltova tetra-karbonila, L.K.Co(CO)4

17

S c h e m e 1 – The final step of the reaction between epoxideand carbon monoxide in the presence of Lewis acid – cobalt tetra-carbonyl salt, L.K.Co(CO)4

17

S l i k a 5 – Grafièki prikaz Ramanove sonde s optièkim vlaknimaF i g. 5 – Graphic illustration of the fibre-optic Raman probe

S l i k a 6 – Aparatura za praæenje procesa Ramanovomspektroskopijom in-line

F i g. 6 – The laboratory setup for in-line Raman processmonitoring

latne tvari entakapona.34 Sintezom entakapona nastaju dvaizomera, E i Z u meðusobnom omjeru 2:1.35 Ramanovasonda uronjena u reakcijsku smjesu omoguæila je detekcijuin situ oba izomera na temelju njihovih karakteristiènihvibracijskih vrpci. Ramanovi spektri in-line snimljeni tije-kom Knoevenagelove kondenzacijske reakcije u toluenu,izobutil-acetatu i heptanu prikazani su na slici 7. Vrpcakoja se pojavljuje pri oko 2200 cm–1 moÞe se pripisati C Nistezanju karakteristiènom za oba izomera entakapona. Sdruge strane, pojava vrpce amidnog C=O istezanja pri1590 cm–1 ukazuje na nastanak E-izomera entakapona ureakcijskoj smjesi.

S obzirom na preklapanje ostalih vrpci i sloÞen sastav re-akcijske smjese, nastanak Z-izomera entakapona nije bilomoguæe nedvojbeno potvrditi analizom Ramanovih spek-tara in-line. Stoga su za njihovu asignaciju te odreðivanjetrajanja reakcije u svakom otapalu primijenjene statistièkemetode, o kojima æe biti rijeèi u sljedeæem poglavlju.

Na slièan naèin moÞe se pratiti kristalizacija djelatne tvari.Kontrola procesa kristalizacije posebno je znaèajna ako setvar pojavljuje u više polimorfnih oblika s razlièitimfizièko-kemijskim svojstvima.36,37 Odabirom optimalnihkinetièkih i termodinamièkih parametara proces kristaliza-cije moÞe se usmjeriti prema farmaceutski najzanimljivijempolimorfnom obliku. S obzirom da svaki polimorfni oblik

pokazuje razlike u Ramanovim spektrima,za njihovu detekciju i identifikaciju moÞese upotrijebiti Ramanova sonda prikazanana slici 6.

NajvaÞniji nedostaci Ramanove spektro-skopije in-line su osjetljivost na nehomo-genosti u uzorku zbog malog promjera la-serske zrake te nizak omjer signala i šuma.Utjecaj nehomogenosti moÞe se umanjitipostupkom osvjetljavanja na širokoj povr-šini (engl. Wide Area Illumination, WAI).38

Zraèenje pritom fokusira pri veæoj Þarišnojduljini na šire podruèje. Nadalje, omjersignala i šuma se moÞe poveæati primje-nom pobudnog zraèenja kraæe valne dulji-ne i veæe snage. S druge strane, takvozraèenje moÞe uzrokovati fluorescenciju idegradaciju uzorka. Danas postoje razlièi-te modifikacije ove spektroskopske teh-nike kojima se navedeni uèinci moguumanjiti.4,21,38

Multivarijantne metodeanalize podataka

Metode multivarijantne analize podatakasu kemometrijske metode koje se primje-njuju za dobivanje informacija iz ke-mijskih podataka pomoæu statistièkih po-stupaka.5,6,39,40 U kombinaciji s metodamain-line omoguæavaju bolje razumijevanjefizièkih i kemijskih procesa te dobivanjeproizvoda s optimalnim svojstvima.

Najèešæe primjenjivane metode multivari-jantne analize podataka su:

a) Analiza glavnih komponenti(engl. Principal Components Analysis, PCA)

b) Parcijalni najmanji kvadrati(engl. Partial Least Squares, PLS)

a) Analiza glavnih komponenti(engl. Principal Components Analysis, PCA)

PCA omoguæava analizu i grupiranje podataka bez po-stavljenog fizièkog modela. Primjenjuje se i za brzu procje-nu strukture podataka prije kvantifikacije ili detaljne anali-ze fizièkog ili kemijskog procesa. Dobiveni podaci mogu seprikazati toèkama u n-dimenzijskom prostoru, gdje svakadimenzija predstavlja odreðenu varijablu xi (i = 1, 2,… n).Uvoðenjem glavnih komponenti (engl. principal compo-nents, PC) smanjuje se dimenzionalnost prostora, što po-jednostavnjuje interpretaciju podataka. Prva glavna kom-ponenta (PC1) opisuje najveæu varijaciju u podacima, dokpreostalu varijaciju opisuju ostale glavne komponente(PC2, PC3,...). Glavne komponente su meðusobno ortogo-nalne. Udaljenost ti projekcije toèke i na glavnu kompo-nentu od ishodišta koordinatnog sustava naziva se score--vrijednost (slika 8).

Vizualizacija podataka se èesto izvodi pomoæu tzv. fak-torskih bodova (eng. score plots). Vrijednosti faktorskihbodova za spektre koji se razlikuju su odvojeni, dok se


S h e m a 2 – Prikaz Knoevenagelove kondenzacijske reakcije izmeðu 3,4-dihidrok-si-5-nitrobenzaldehida i 2-cijano-N,N-dietilacetamida

S c h e m e 2 – Illustration of the Knoevenagel condensation reaction between 3,4-dihydroxy-5-nitrobenzaldehyde and 2-cyano-N,N-diethylacetamide

vrijednosti faktorskih bodova za sliène spektre nalaze vrloblizu, što omoguæava i njihovo grupiranje.

Korelacija izmeðu originalnih varijabli i glavnih komponen-ti moÞe se opisati tzv. optereæenjem (eng. loading), štopredstavlja kosinus kuta izmeðu originalne varijable i glav-ne komponente.

PCA se moÞe primijeniti za obradu podataka dobivenihRamanovom spektroskopijom in-line, primjerice prilikomsinteze djelatne tvari (slika 9). Na taj naèin moÞe se dobitiuvid u tijek reakcije te procijeniti njezino trajanje.

b) Parcijalni najmanji kvadrati(engl. Partial Least Squares, PLS)

Metodom PLS mogu se analizirati podaci usprkos malimrazlikama u spektrima. Za razliku od PCA, podaci se meto-dom PLS opisuju pomoæu fizièkog modela u kojemu brojvarijabli treba biti što je moguæe manji. U PCA su glavnekomponente odreðene samo varijancom mjerenih varijablii neovisne su o njihovom slaganju s traÞenim svojstvom,dok se u PLS-u latentne varijable odabiru tako da se dobije


S l i k a 7 – Ramanovi spektri in-line Knoevenagelove kondenzacijske reakcije u a) toluenu, b) izobutil-acetatu i c) heptanu34

F i g. 7 – In-line Raman spectra of the Knoevenagel condensation reaction in a) toluene, b) isobutyl-acetate and c) heptane34

S l i k a 8 – Prva glavna komponenta (PC1) u trodimenzionalnomprostoru te odgovarajuæa score-vrijednost ti za toèku i

F i g. 8 – The first principal component (PC1) in three-dimen-sional space and corresponding score value ti forpoint i

najbolje slaganje prouèavanog svojstva i mjerene varijable.PLS se moÞe smatrati regresijskim oblikom PCA koji linear-nim multivarijantnim modelom povezuje podatke smješte-ne u dvije matrice, X i Y. Matrica X sadrÞi varijable p (npr.valne duljine) te objekte n (npr. spektre), dok matrica Ydaje informaciju o traÞenom svojstvu m, primjerice velièinièestica, koncentraciji, itd.

Svakom mjerenom podatku odgovaraju dvije toèke, jednau x-prostoru opisanom matricom X, a druga u y-prostoruopisanom matricom Y. Svrha analize PLS je opisati odnosizmeðu objekata u x-prostoru i njihovog poloÞaja u odgo-varajuæem y-prostoru uz minimalna odstupanja.

Tehnike in-line (ATR i DRIFT) u kombinaciji s multivarijant-nim metodama analize (PCA i PLS) uspješno su primijenje-ne za praæenje procesa kristalizacije tvari koja moÞe posto-jati u obliku više polimorfnih oblika.41 Polimorfni sastavdobivenih kristala odreðen je rendgenskom difrakcijom naprahu. Za interpretaciju dobivenih podataka primijenjenaje analiza PCA uz prikaz score plot. Prema prikazu scoreplot uzorci su podijeljeni u dvije skupine: prvu skupinuèine uzorci dobiveni kristalizacijom iz propan-1-ola, dok seu drugoj skupini nalaze uzorci dobiveni kristalizacijom izotapala koja sadrÞe vodu. Podaci dobiveni rendgenskomdifrakcijom ukazuju na razlike u polimorfnom sastavu uzo-raka ovih dviju skupina. Stoga se moÞe zakljuèiti da se PCAmoÞe primjenjivati kao komplementarna metoda za ra-zlikovanje dobivenih kristala prema polimorfnom sastavu.Za predviðanje udjela pojedinih komponenata u smjesidobiveni spektri in-line obraðeni su metodom PLS. AnalizaPLS predvidjela je postojanje manje zastupljenih polimorf-nih oblika uz toènost koja je usporediva s rendgenskomdifrakcijom na praškastom uzorku.

Zakljuèak

Procesne analitièke tehnike primjenjuju se u mnogim faza-ma industrijskih procesa, olakšavaju njihovo razumijeva-nje, omoguæavaju osiguranje kvalitete optimalnim dizaj-nom i pravovremenim utvrðivanjem procesnih odstupanja.

Znaèajno mjesto meðu procesnim analitièkim tehnikamazauzimaju tehnike vibracijske spektroskopije in-line. Oneomoguæuju praæenje proizvodnih procesa u realnom vre-menu, in situ, uz manje izlaganje opasnim materijalima,manju moguænost kontaminacije, uništavanja uzorka ili na-rušavanja ravnoteÞe u reakcijskom sustavu.

Svaka tvar u vibracijskom spektru ima karakteristiène vrp-ce. Stoga se na temelju karakteristiènih vrpci u infracrve-nim i Ramanovim spektrima in-line moÞe pratiti kristali-zacija, otapanje, polimorfni prijelazi i kemijske reakcije.Praæenjem fizièkih i kemijskih procesa in situ mogu seodrediti parametri koji na njih utjeèu. Statistièki opis poje-dinih procesnih parametara dobiva se obradom dobiveniheksperimentalnih podataka multivarijantnim metodamaanalize, poput analize glavnih komponenti (engl. principalcomponent analysis, PCA) i parcijalnih najmanjih kvadrata(engl. partial least squares, PLS). Statistièke metode olakša-vaju interpretaciju dobivenih podataka i optimiranje pro-cesnih parametara. Pravilnim podešavanjem parametaraproces kristalizacije moÞe se usmjeriti prema dobivanjupolimorfa s najboljim svojstvima, a kemijska reakcija premadobivanju traÞenog produkta uz optimalno iskorištenje.Nadalje, praæenjem polimorfnog prijelaza dobivaju seinformacije o termodinamièkoj i kinetièkoj stabilnosti spo-ja, što omoguæava odabir najpovoljnijih uvjeta njegoveproizvodnje.

S obzirom na prednosti procesnih analitièkih tehnika poputinfracrvene i Ramanove spektroskopije in-line, regulatorneagencije nameæu njihovu primjenu kao tehnike izbora zaprouèavanje farmaceutskih kristalnih oblika.1 Stoga se oèe-kuje da æe njihova uloga u buduænosti biti još znaèajnija.

ZAHVALA

Autori se zahvaljuju Ministarstvu znanosti, obrazovanja isporta (projekt br. 119-1191342-1083), Hrvatskoj zakladiza znanost i Plivi d. o. o. (projekt Razvoj i primjena in-linemetode Ramanove spektroskopije u istraÞivanju lijekova) nafinanciranju dijela istraÞivanja.

Popis simbola i kraticaList of symbols and abbreviations

A – apsorbancija– apsorbance

ai – koeficijenti (i = 0, 1, 2, 3)– coefficients (i = 0, 1, 2, 3)

c – mnoÞinska koncentracija, mol dm–3

– amount concentration, mol dm–3

dp – dubina prodiranja evanescetnog vala, �m– evanescent wave propagation depth, �m

n – indeks loma– refractive index

p – elektrièni dipolni moment, C m– electric dipole moment, C m

T – temperatura, K– temperature, K

� – elektrièna polarizabilnost, C m2 V–1

– electric polarizability, C m2 V–1


S l i k a 9 – Faktorski bodovi prve glavne komponente za skup od20 Ramanovih spektara in-line snimljenih za vrijeme Knoevenage-love kondenzacijske reakcije u izobutil-acetatu34

F i g. 9 – PC1 score plot for a set of 20 in-line FT-Raman spec-tra of the Knoevenagel condensation reaction in isobutyl acetate34

� – kut upada elektromagnetskog zraèenja, °, rad– angle of incidence, °, rad

– valna duljina, �m– wavelength, �m

ATR – infracrvena spektroskopija uz prigušenutotalnu refleksiju

– attenuated total reflectance infrared spectroscopyCARS – koherentna anti-Stokesova

Ramanova spektroskopija– coherent anti-Stokes Raman spectroscopy

DEMS – diferencijalna elektrokemijska spektrometrija masa– differential electrochemical mass spectroscopy

DRIFT – infracrvena spektroskopija uzFourierovu transformaciju i difuznu refleksiju

– diffuse reflectance infraredFourier transform spectroscopy

FTIR – infracrvena spektroskopija uzFourierovu transformaciju

– Fourier-transform infrared spectroscopyFT Raman – Ramanova spektroskopija uz

Fourierovu transformaciju– Fourier-transform Raman spectroscopy

in-line ATR – infracrvena spektroskopija in-line uzprigušenu totalnu refleksiju

– in-line attenuated total reflectioninfrared spectroscopy

in-line NIR – infracrvena spektroskopija in-lineu bliskom infracrvenom podruèju

– in-line near infrared spectroscopyIR – infracrvena spektroskopija

– infared spectroscopyL.K. – Lewisova kiselina

– Lewis acidMIR – spektroskopija u bliskom infracrvenom produèju

– middle infrared spectroscopyNIR – spektroskopija u bliskom infracrvenom produèju

– near infrared spectroscopyPAT – procesne analitièke tehnike

– process analytical techniquesPC – glavne komponente

– principal componentsPCA – analiza glavnih komponenti

– principal component analysisPLS – parcijalni najmanji kvadrati

– partial least squaresRRS – spektroskopija rezonantnog Ramanova raspršenja

– resonant Raman spectroscopySERRS – spektroskopija površinski pojaèanog rezonantnog

Ramanova raspršenja– surface-enhanced resonant Raman spectroscopy

SERS – spektroskopije površinski pojaèanogRamanova raspršenja

– surface-enhanced Raman spectroscopyWAI – osvjetljavanje na širokoj površini

– wide area illumination

LiteraturaReferences

1. Lawrence X. Yu, R. A. Lionberger, A. S. Raw, R. D'Costa, H. Wu,A. S. Hussain, Applications of Process Analytical Technologyto Crystallization Processes, Elsevier Science, Amsterdam,2003.

2. K. E. Bakeev, Process Analytical Technology, BlackwellPublishing Ltd., Oxford 2005.

3. W. P. Findlay, D. E. Bugay, Utilization of Fourier transform-Ra-man spectroscopy for the study of pharmaceutical crystalforms, J. Pharmaceut. Biomed. Anal. 16 (1998) 921–930.

4. R. Lewis, H. G. M. Edwards, Handbook of Raman Spectrosco-py, Mercel Dekker, New York, 2001.

5. D. L. Massart, B. G. M. Vandeginste, L. M. C. Buydens, S. deJong, P. J. Lewi, J. Smeyers-Verbeke, Handbook of Chemome-trics and Qualimetrics, Elsevier, Amsterdam, 1997.

6. R. G. Brereton, Applied Chemometrics for Scientists, JohnWiley & Sons, Chichester, 2007.

7. H. Günzler, H. U. Gremlich, Uvod u infracrvenu spektroskopi-ju (preveli prof. dr. sc. Z. Meiæ i dr. sc. G. Baranoviæ), Školskaknjiga, Zagreb, 2006.

8. M. Hesse, H. Maier, B. Zeeh, Spektroskopische Methoden inder organischen Chemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart,2005.

9. Th. Rohe, W. Becker, A. Krey, H. Nägele, S. Kölle, N. Eisen-reich, In-line monitoring of polymer extrusion processes brNIR spectroscopy, J. Near Infrared Spectrosc. 6 (1998)325–332.

10. C. Hakemeyer, U. Strauss, S. Werz, G. E. Jose, F. Folque, J. C.Menezes, At-line NIR spectroscopy as effective PAT monito-ring technique in Mab cultivations during process develop-ment and manufacturing, Talanta 90 (2012) 12–21.

11. G. To/ gersen, J. F. Arnesen, B. N. Nilsen, K. I. Hildrum, On-lineprediction of chemical composition of semi-frozen groundbeef by non-invasive NIR spectroscopy, Meat Sci. 63 (2003)515–523.

12. M. J. Lee, D. Y. Seo, H. E. Lee, I. C. Wang, W. S. Kim, M. Y.Jeong, G. J. Choi, In-line NIR quantification of film thicknesson pharmaceutical pellets during a fluid bed coating process,Int. J. Pharm. 403 (2011) 66–72.

13. A. D. Karande, P. W. S. Heng, C. V. Liew, In-line quantificationof micronized drug and excipients in tablets by near infrared(NIR) spectroscopy: Real time monitoring of tabletting pro-cess, Int. J. Pharm. 396 (2010) 63–74.

14. J. Mantanus, E. Ziémons, E. Rozet, B. Streel, R. Klinkenberg, B.Evrard, J. Rantanen, P. Hubert, Building the quality into pelletmanufacturing environment – Feasiblity study and validationof an in-line quantitative near infrared (NIR) method, Talanta83 (2010) 305–311.

15. S. Wartewig, R. H. H. Neubert, Pharmaceutical applications ofMid-IR and Raman spectroscopy, Adv. Drug. Deliv. Rev. 57(2005) 1144–1170.

16. F. Lewiner, J. P. Klein, F. Puel, G. Févotte, On-line ATR FTIRmeasurement of supersaturation during crystallization proces-ses. Calibration and applications on three solute/solventsystems, Chem. Eng. Sci. 56 (2001) 2069–2084.

17. M. Allmendinger, M. Zintl, R. Eberhardt, G. A. Luinstra, F. Mol-nar, Online ATR-IR investigations and mechanistic understan-ding of the carbonylation of epoxides – the selective synthesisof lactones or polyesters from epoxides and CO, J. Organo-met. Chem. 689 (2004) 971–979.

18. M. Heinen, Y. X. Chen, Z. Jusys, R. J. Behm, In situ ATR-FTIRScoupled with on-line DEMS under controlled mass transportconditions – A novel tool for electrocatalytic reaction studies,Electrochim. Acta 52 (2007) 5634–5643.

19. Z. P. Chen, J. Morris, A. Borissova, S. Khan, T. Mahmud, R.Penchev, K. J. Roberts, On-line monitoring of batch coolingcrystallization of organic compounds using ATR-FTIR spectro-scopy coupled with an advanced calibration method, Che-mom. Intell. Lab. Syst. 96 (2009) 49–58.

20. D. Pappas, B. W. Smith, J. D. Winefordner, Raman Spectro-scopy in Bioanalysis, Talanta 51 (2000) 131–144.


21. R. L. McCreery, Raman Spectroscopy for Chemical Analysis,Wiley, New York, 2000.

22. A. M. Schwartz, K. A. Berglund, The use of Raman spectrosco-py for in situ monitoring of lysozyme concentration duringcrystallization in a hanging drop, J. Cryst. Growth 203 (1999)599–603.

23. K. C. Schuster, H. Ehmoser, J. R. Gapes, B. Lendl, On-line FT-Raman spectroscopic monitoring of starch gelatinisation andenzyme catalysed starch hydrolysis, Vib. Spectrosc. 22 (2000)181–190.

24. I. L. Tuinman, J. Veenstra, J. C. M. Marijnissen, B. Scarlett, J.Schoonman, Raman spectroscopy as an on-line measurementtechnique in a laser-CVD reactor during production of Si3N4,J. Aerosol Sci. 27 (1996) S295–S296.

25. S. E. Barnes, M. G. Sibley, H. G. M. Edwards, P. D. Coates, Pro-cess monitoring of polymer melts using in-line spectroscopy,Trans. Inst. Meas. Contr. 29 (2007) 453–465.

26. B. H. Stuart, A Fourier transform Raman spectroscopy study ofthe crystallization behaviour of a poly(ether ether keto-ne)/poly(ether sulphone) blend, Spectrochim. Acta Part A 53(1997) 107–110.

27. J. Monni, P. Niemelä, L. Alvila, T. T. Pakkanen, Online monito-ring of synthesis and curing of phenol–formaldehyde resol re-sins by Raman spectroscopy, Polymer 49 (2008) 3865–3874.

28. T. R. M. De Beer, W. R. G. Baeyens, J. Ouyang, C. Vervaet, J. P.Remon, Raman spectroscopy as a process analytical techno-logy tool for the understanding and the quantitative in-linemonitoring of the homogenization process of a pharmaceuti-cal suspension, Analyst 131 (2006) 1137–1144.

29. L. E. O’Brien, P. Timmins, A. C. Williams, P. York, Use of in situFT-Raman spectroscopy to study the kinetics of the transfor-mation of carbamazepine polymorphs, J. Pharmaceut. Bio-med. Anal. 36 (2004) 335–340.

30. G. Févotte, In situ Raman spectroscopy for in-line control ofpharmaceutical crystallization and solids elaboration process:A review, Chem. Eng. Res. Des. 85 (2007) 906–920.

31. A. Caillet, F. Puel, G. Févotte, Quantitative in situ monitoringof citric acid phase transition in water using Raman spectro-scopy, Chem. Eng. Process. 47 (2008) 377–382.

32. O. Svensson, M. Josefson, F. W. Langkilde, Reaction monito-ring using Raman spectroscopy and chemometrics, Chemom.Intell. Lab. Syst. 49 (1999) 49–66.

33. O. Svensson, M. Josefson, F. W. Langkilde, The synthesis ofmetoprolol monitored using Raman spectroscopy and che-mometrics, Eur. J. Pharmaceut. Sci. 11 (2000) 141–155.

34. P. Novak, A. Kišiæ, T. Hrenar, T. Jednaèak, S. Miljaniæ, G. Vrba-nec, In-line reaction monitoring of entacapone synthesis byRaman spectroscopy and multivariate analysis, J. Pharmaceut.Biomed. Anal. 54 (2011) 660–666.

35. J. Leppanen, E. Wegelius, T. Nevalainen, T. Jarvinen, J. Gynt-her, J. Huuskonen, Structural studies of acyl esters of entaca-pone, J. Mol. Struct. 562 (2001) 129-135.

36. A. Kwokal, T. T. H. Nguyen, K. J. Roberts, Polymorph-directingseeding of entacapone crystallization in aqueous/acetone so-lution using a self-assembled molecular layer on Au (100),Cryst. Growth Des. 9 (10) (2009) 4324–4334.

37. R. Hilfiker, Polymorphism in the Pharmaceutical Industry,John Wiley & Sons, Inc., Weinheim 2006.

38. J. Aaltonen, K. C. Gordon, C. J. Strachan, T. Rades, Perspecti-ves in the use of spectroscopy to characterise pharmaceuticalsolids, Int. J. Pharm. 364 (2008) 159–169.

39. M. J. Adams, Chemometrics in Analytical Spectroscopy, 2nd

Ed., The Royal Society of Chemistry, Cambridge 2004.40. J. N. Miller, J. C. Miller, Statistics and Chemometrics for

Analytical Chemistry, 5th Ed., Pearson Education, Harlow2005.

41. K. Pöllänen, A. Häkkinen, S. P. Reinikainen, J. Rantanen, M.Karjalainen, M. Louhi-Kultanen, L. Nyström, IR spectroscopytogether with multivariate data analysis as a process analyticaltool for in-line monitoring of crystallization process and solid-state analysis of crystalline product, J. Pharmaceut. Biomed.Anal. 38 (2005) 275–284.


SUMMARY

Process Analytical Techniques Based on In-Line Vibrational Spectroscopyand their Industrial Applications

T. Jednaèak* and P. Novak

Process analytical techniques (PAT) involve the monitoring and control of physical and chemicalprocesses as well as the identification of important process parameters in order to obtain theproducts with desired properties. PAT have been applied in various industrial process phases toensure better process understanding, quality by optimal design and determination of processdisturbances in time. In-line vibrational spectroscopic techniques are one of the major processanalytical techniques used today. The most frequently used in-line vibrational spectroscopictechniques are near infrared spectroscopy (NIR), attenuated total reflectance middle infraredspectroscopy (ATR-MIR) and Raman spectroscopy (Table 1, Figs. 1 and 2). They provide in situreal-time monitoring of the production processes by using different types of in-line probes (Figs.3–5) which reduce exposure to hazardous materials and contamination, sample degradation orequilibrium perturbations in the reaction system. Due to the aforementioned advantages, in-linevibrational spectroscopic techniques have been successfully applied for different industrial pur-poses. The analysis of characteristic vibrational bands in in-line infrared and Raman spectraenable the monitoring of different processes such as crystallization, dissolution, polimorphictransitions and chemical reactions (Scheme 1, Figs. 6 and 7). The obtained data are, due to theircomplexity, very often further processed by multivariate data analysis methods (Fig. 9), such asprincipal components analysis (PCA) and partial least squares (PLS). The basic principles of PCAand PLS are shown in Fig. 8. A number of different in-line vibrational spectroscopic techniques aswell as multivariate data analysis methods have been developed recently, but in this article onlythe most important and most frequently used techniques are described.

Department of Chemistry, Faculty of Science, Received April 10, 2012University of Zagreb, Horvatovac 102a, Accepted July 18, 201210 000 Zagreb, Croatia

Documents

Procesne analitièke tehnike temeljene na vibracijskoj ... · otopina u staklenim reaktorima, bez potrebe za korekcijom pozadinskog signala. S druge strane, vrpce u NIR-spektrima