Strukturanalyse mittels Terahertz

Die Untersuchung intermolekularer Molekülbewegungen

  • Abb. 1: Einordnung des Terahertz-Spektralbereichs in das elektromagnetische Spektrum.Abb. 1: Einordnung des Terahertz-Spektralbereichs in das elektromagnetische Spektrum.
  • Abb. 1: Einordnung des Terahertz-Spektralbereichs in das elektromagnetische Spektrum.
  • Abb. 2: Ausgewählte Absorptionsspektren verschiedener Zucker.
  • Abb. 3: Absorptionsspektren amorpher und kristalliner Gluc
  • Abb. 4: Extinktionsspektren der drei Isomere PABA (schwarz), MABA (blau) und DiABA (rot).

Terahertz-Spektroskopie am Fraunhofer IPM: Für viele Anwendungen, besonders im pharmazeutischen Bereich, ist neben der Identifizierung von Substanzen die Strukturinformation von größter Bedeutung: Liegt ein Wirkstoff in der falschen Struktur vor, wird er schlechter vom Körper aufgenommen und seine physiochemische Wirkung ist somit verändert. Um dies zu vermeiden, müssen bei der Produktion beide Informationen vorliegen. Dies ist mit der Terahertz-Spektroskopie möglich.

Als Terahertz-Bereich bezeichnet man üblicherweise das Frequenzintervall zwischen 100 Giga- und 10 Terahertz (THz) – dies entspricht Wellenlängen im Bereich von 3 mm bis 30 μm bzw. Wellenzahlen im Bereich von etwa 3 cm-1 bis 300 cm-1. Wellen dieser Länge sind unschädlich (für die untersuchte Probe ebenso wie für den Anwender) und kombinieren geradezu perfekt die Vorteile der jeweils angrenzenden Frequenzbereiche. Einerseits durchdringen sie, wie die längerwelligen Mikro- und Radiowellen, problemlos viele elektrisch nichtleitende Materialien, wie etwa Kunststoffe, Papier oder Textilien und bieten sich damit für eine zerstörungsfreie Materialprüfung an. Andererseits zeigen viele Makromoleküle (z. B. Drogen, Sprengstoffe, Pharmazeutika) im THz-Bereich genau wie im Infraroten (IR) spektrale Signaturen und lassen sich so eindeutig identifizieren (Abb. 1).

Intermolekulare Molekülbewegungen
Während die IR- und Raman-Spektroskopie empfindlich für intramolekulare Schwingungs- und Rotationsbewegungen ist, erhält man mit der THz-Spektroskopie Informationen zu intermolekularen Bewegungen zwischen den Molekülen. Auf diese Weise ermöglicht die THz-Spektroskopie die Unterscheidung zwischen den Aggregatszuständen amorph und kristallin: Aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen kommt es zu jeweils anders ausgeprägten Spektren. Ebenso ermöglicht die THz-Spektroskopie eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen Kristallanordnungen gleicher Moleküle (Polymorphe) oder zwischen Molekülen mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher Struktur (Isomere) sowie die Unterscheidung unterschiedlicher Hydrate.

Diese detaillierten Informationen sind im Infraroten oder mit der Raman-Technik nur schwer zugänglich, da die spektralen Veränderungen nur gering sind. Obwohl die Röntgenbeugung die Standardtechnik zur Identifizierung und Charakterisierung von Polymorphismus und Kristallinität ist, wird die Analyse mittels Terahertz-Spektroskopie als komplementäre oder ergänzende Technik zunehmend beliebter, da sie schneller ist, minimale Probenpräparation erfordert und das Potential zur online- Kontrolle hat.

Substanzidentifizierung
Die Substanzidentifizierung kann sowohl in Transmission als auch in Reflexion erfolgen, da aufgrund der großen Wellenlänge die THz- Wellen Pulver, Tabletten oder andere Probenformen im allgemeinen gut durchdringen können. Viele kristalline Moleküle zeigen im THz-Spektralbereich eindeutige spektrale Eigenschaften, anhand derer sich diese sicher und zuverlässig identifizieren lassen. Abbildung 2 zeigt eindeutige Absorptionsspektren ausgewählter Zuckersorten.

Kristallstruktur und Hydrate
Der Aggregatszustand eines Stoffes lässt sich mit Hilfe der Terahertz-Spektroskopie zweifelsfrei bestimmen, da die Absorptionsbanden durch intermolekularen Schwingungen hervorgerufen werden, die sowohl für jede Kristallkonfiguration als auch für die amorphe Konfiguration unterschiedlich ist. Bei Einlagerung von Kristallwasser verändert sich ebenso die Kristallstruktur. Auf diese Weise erhält man Spektren, die sich eindeutig bestimmten Kristallstrukturen zuordnen lassen. Abbildung 3 zeigt beispielhaft den Unterschied zwischen kristalliner und amorpher Glukose sowie unterschiedlicher Hydrate. Liegt eine Substanz amorph vor, so sind keine spektralen Features mehr erkennbar. Auf diese Weise lässt sich nachweisen, ob eine Substanz kristallin und amorph vorliegt. Amorph vorliegende Substanzen können allerdings nicht unterschieden werden.

Isomere
Auch Isomere sind trotz ihrer Ähnlichkeit in ihrer Wirkung nicht identisch. Isomere verfügen in der Summe über die gleichen Molekülgruppen, divergieren aber im Aufbau. Untersuchungen im Infraroten identifizieren die Molekülgruppen, lassen aber über deren Anordnung im Molekül keine Aussage zu. Isomere sind folglich für die IR-Spektroskopie praktisch schwer unterscheidbar. Im THz- Bereich dagegen wird der Unterschied klar sichtbar: Abbildung 4 zeigt die Absorptionslinien für p-Aminobenzoesäure/ PABA (schwarz) und m-Aminobenzoesäure (blau). PABA wird als Nahrungsergänzungsmittel und als Sonnenschutz in Cremes verwendet. Eine Verwechslung mit m-Aminobenzoesäure kann dabei zu unerwünschten Nebenwirkungen führen.

Flüssigkeiten
Bei der Identifikation von Flüssigkeiten hingegen stößt die THz- Spektroskopie an ihre Grenzen, da Flüssigkeiten keine ausgeprägten Absorptionsbanden aufweisen, siehe Abbildung 1. Mischungsverhältnisse binärer Mischungen können anhand des Brechungsindexes ermittelt werden. Wasser als polares Molekül absorbiert THz-Wellen sehr stark. Gerade dieser Umstand kann genutzt werden, um den Feuchtegrad eines Stoffes (wie beispielsweise Kakao-Pulver) zu bestimmen.

Zusammenfassung
Als Übergang zwischen Infrarot- und Mikrowellen vereint der THz-Bereich »the best of both worlds«: Spektroskopie ist noch möglich, das zerstörungsfreie Durchdringen der Probe bereits gegeben. Das verspricht Lösungen für viele Problemstellungen aus den unterschiedlichsten Bereichen.

Weitere Beiträge von Fraunhofer Instituten: http://bit.ly/GIT-Fraunhofer
Mehr Informationen: http://bit.ly/ Spektroskopie

Autor(en)

Kontaktieren

Fraunhofer IPM
Erwin-Schrödinger-Str 46
67663 Kaiserslautern

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.