Fingerprint-Spektroskopie in einer Millisekunde

Um eine hohe Qual­ität ihrer Phar­mazeu­ti­ka zu gewährleis­ten, müssen Her­steller nicht nur die Rein­heit und Konzen­tra­tion ihrer 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.