Fin­ger­print-Spek­tro­sko­pie in einer Millisekunde

Um eine hohe Qua­li­tät ihrer Phar­ma­zeu­ti­ka zu gewähr­leis­ten, müs­sen Her­stel­ler nicht nur die Rein­heit und Kon­zen­tra­ti­on ihre eige­nen Pro­duk­te über­wa­chen, son­dern auch die der Zulie­fe­rer. For­scher am Fraun­ho­fer-Insti­tut für Ange­wand­te Fest­kör­per­phy­sik IAF haben ein Mess­sys­tem ent­wi­ckelt, das die kon­takt­lo­se Iden­ti­fi­zie­rung ver­schie­dens­ter che­mi­scher und phar­ma­zeu­ti­scher Sub­stan­zen in Echt­zeit ermög­licht und sich ide­al für den Ein­satz in der Pharma‑, Che­mie- und Lebens­mit­tel­in­dus­trie eignet.
Ins­be­son­de­re im Bereich der Phar­ma- und Lebens­mit­tel­pro­duk­ti­on ist eine kon­ti­nu­ier­li­che Über­wa­chung der Inhalts­stof­fe unver­zicht­bar. Übli­cher­wei­se erfolgt die­se über eine Pro­ben­ent­nah­me und eine Unter­su­chung im Labor per Chro­ma­to­gra­phie oder Spek­tro­me­ter. Aller­dings ist die­ses Ver­fah­ren auf­wen­dig und erlaubt ledig­lich eine stich­pro­ben­ar­ti­ge Kon­trol­le. Am Fraun­ho­fer IAF haben For­scher ein Mess­sys­tem ent­wi­ckelt, das eine Qua­li­täts­kon­trol­le in Echt­zeit ermög­licht. Es iden­ti­fi­ziert bereits kleins­te Men­gen von Stof­fen anhand ihrer mole­ku­la­ren Zusammensetzung.

Echt­zeit-Mes­sun­gen mit Quantenkaskadenlasern

Das Herz­stück des Sys­tems ist ein extrem schnell durch­stimm­ba­rer Quan­ten­kas­ka­den­la­ser (QCL) im mitt­le­ren Infra­rot­be­reich. Mit­tels Rück­streu­spek­tro­sko­pie las­sen sich damit nicht nur kleins­te Men­gen che­mi­scher Sub­stan­zen in Echt­zeit iden­ti­fi­zie­ren, das Laser­sys­tem kann auch dazu ein­ge­setzt wer­den, che­mi­sche Reak­ti­ons­pro­zes­se kon­ti­nu­ier­lich zu ver­fol­gen. “Das vor­ge­stell­te Mess­sys­tem ermög­licht eine kon­takt­lo­se Iden­ti­fi­zie­rung ver­schie­dens­ter che­mi­scher und phar­ma­zeu­ti­scher Sub­stan­zen. So kön­nen auf­wen­dig Mess­ver­fah­ren im Labor durch Echt­zeit-Mes­sun­gen wäh­rend des lau­fen­den Pro­duk­ti­ons­pro­zes­ses ersetzt wer­den”, erklärt Dr. Mar­ko Här­telt, For­scher am Fraun­ho­fer IAF.
Mit sei­nen Kol­le­gen arbei­tet er bereits seit Jah­ren an der Ent­wick­lung von QCLs für die Infra­rot-Spek­tro­sko­pie. Mit der Unter­stüt­zung von For­scher­kol­le­gen des Fraun­ho­fer IPMS haben sie eine extrem kom­pak­te und robus­te Laser­quel­le ent­wi­ckelt, mit der der gesam­te Wel­len­län­gen­be­reich des QCL-Emit­ters inner­halb von einer Mil­li­se­kun­de abge­tas­tet wer­den kann. Die Basis für die­se “Fingerprint”-Methode ist der mitt­le­re Infra­rot­be­reich (4–12 μm). “In die­sem Wel­len­län­gen­be­reich zei­gen vie­le che­mi­sche Ver­bin­dun­gen ein cha­rak­te­ris­ti­sches spek­tra­les Absorp­ti­ons­ver­hal­ten und sind damit so indi­vi­du­ell wie der mensch­li­che Fin­ger­ab­druck”, erläu­tert Här­telt. Der Wel­len­län­gen­be­reich ermög­licht eine ein­deu­ti­ge Iden­ti­fi­zie­rung der Art und Zusam­men­set­zung der mole­ku­la­ren Verbindung.

Varia­ble Scangeschwindigkeit

Die am Fraun­ho­fer IAF ent­wi­ckel­ten Quan­ten­kas­ka­den­la­ser zeich­nen sich durch ihre extrem varia­ble Scan­ge­schwin­dig­keit, ihre kom­pak­te Grö­ße sowie ihre brei­te Durch­stimm­bar­keit aus. Die For­scher haben einen QCL ent­wi­ckelt, der mit hohen Scan­fre­quen­zen oder qua­si-sta­tisch über einen sehr wei­ten Wel­len­län­gen­be­reich durch­ge­stimmt wer­den kann. Dies wird erreicht durch die Kom­bi­na­ti­on von Quan­ten­kas­ka­den­la­sern in einem exter­nen Reso­na­tor mit ver­schie­de­nen Moems-basier­ten Git­ter­scan­nern, wel­che als wel­len­län­gen­se­lek­ti­ve Ele­men­te wir­ken. “Die am schnells­ten spek­tral durch­stimm­ba­ren reso­nan­ten Moems-Scan­ner ermög­li­chen die Auf­nah­me von tau­send kom­plet­ten IR-Spek­tren pro Sekun­de. Die­se hohe Scan­ge­schwin­dig­keit ist für Anwen­dun­gen ent­schei­dend, bei denen sich die Sze­na­ri­en schnell ändern, wie etwa bei der Über­wa­chung von che­mi­schen Reak­ti­ons­pro­zes­sen oder bei sich bewe­gen­den Objek­ten”, unter­streicht Härtelt.
Durch die berüh­rungs­lo­se Iden­ti­fi­zie­rung ver­schie­dens­ter che­mi­scher Sub­stan­zen in Echt­zeit eig­nen sich QCL-basier­te Mess­sys­te­me für die Qua­li­täts­über­wa­chung in ver­schie­de­nen indus­tri­el­len Bran­chen. In der Pharma‑, Che­mie- und Lebens­mit­tel­in­dus­trie lie­fern die Mess­sys­te­me Infor­ma­tio­nen über die Echt­heit und Rein­heit der Sub­stan­zen – und das zu jedem belie­bi­gen Zeit­punkt des Pro­duk­ti­ons­pro­zes­ses. Eben­so kön­nen Quan­ten­kas­ka­den­la­ser in der Schad­stoff­über­prü­fung, medi­zi­ni­schen Dia­gnos­tik und dem Sicher­heits­sek­tor zum Ein­satz kom­men. Die kom­pak­te Bau­form der Laser­mo­du­le ermög­licht zudem die Ent­wick­lung von mobi­len bis hin zu hand­ge­hal­te­nen Messsystemen.