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Genauerer Blick dank Terahertz-Strahlen

13.12.2005
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Polymorphe Arzneistoffe

Genauerer Blick dank Terahertz-Strahlen

von J. Axel Zeitler und Thomas Rades, Cambridge

 

Die Terahertz-Strahlung, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und mittlerem Infrarotlicht angesiedelt ist (60 GHz bis 4 THz), ermöglicht völlig neue Möglichkeiten zur Analyse und Charakterisierung von Arzneiformen. Selbst polymorphe Modifikationen lassen sich mit dieser Methode unterscheiden.

 

Seit 2003 ist das erste Terahertz-Spektroskop auf dem Markt, in dem ein völlig neuartiges Prinzip der Strahlungserzeugung und -detektion zum Einsatz kommt. Lichtpulse mit einer Dauer von wenigen Femtosekunden (1 fs entspricht 10-15 s) werden auf einen speziellen Halbleiter aus Galliumarsenid abgestrahlt. Dadurch werden Elektronendefektstellen an der Oberfläche des Halbleiters erzeugt, die anschließend durch ein Gleichstromfeld quer durch das Halbleitersubstrat beschleunigt werden. Dies führt mit jedem Laserpuls, der auf den Halbleiter trifft, zu einer induzierten Emission von kohärenter Breitbandstrahlung im Terahertz-Frequenzbereich. Mit der so erzeugten Strahlung wird das Probenmaterial durchleuchtet und das resultierende Terahertz-Signal anschließend über einen zweiten Halbleiter und eine Serie von zeitlich verzögerten Laserpulsen in einem der Erzeugung umgekehrten Prozess »abgetastet«. Über eine Fouriertransformation dieses Signals kann anschließend das Ferninfrarotspektrum berechnet werden.

 

Ferninfrarotspektren von Feststoffen spiegeln vor allem Informationen über die Kristallstruktur des Materials wider. Im Gegensatz zur Strahlung im mittleren Infrarot, die Schwingungen einzelner Bindungen oder Molekülgruppen hervorruft, führt die Strahlungsenergie der Terahertz-Strahlung zu Schwingungen des kompletten Kristallgitters. Diese Informationen eignen sich besonders zur Analytik polymorpher Formen eines Arzneistoffs. Diese verschiedenen Modifikationen eines chemisch identischen Feststoffs unterscheiden sich lediglich in der Anordnung der Moleküle im Kristallgitter, was allerdings erhebliche Effekte auf seine physikalischen Eigenschaften wie Löslichkeit, Verarbeitbarkeit und Stabilität zur Folge hat. Da TPS-Messungen nur wenige Millisekunden bis wenige Sekunden dauern und gängige Probenmethoden verwendet werden können, hat die Terahertz- Spektroskopie ein großes Potenzial für die Inprozesskontrolle kristalliner und amorpher Materialien sowie beim Screening nach neuen polymorphen Modifikationen.

 

Neben der Anwendung in der physikalischen Charakterisierung fester Arzneistoffe wird Terahertz-Strahlung auch für bildgebende Verfahren eingesetzt. Da die meisten Hilfsstoffe für Terahertz-Strahlung semitransparent sind, können von  Tabletten und Kapseln dreidimensionale Bilder erstellt werden. In der 3-D-Tomographie von überzogenen Tabletten werden Reflektionen der Terahertz-Pulse von der Tablette analysiert. Ein Teil der kohärenten Strahlung wird bei jedem Übergang des Lichtpulses in ein Medium mit einem anderen Brechungsindex zurückreflektiert. Jeder Puls in dem zurückreflektierten Signal entspricht einem solchen Übergang. Die verschiedenen Tablettenüberzüge und der Tablettenkern haben unterschiedliche Brechungsindizes. Über die zeitliche Verzögerung zwischen den einzelnen Pulsen lässt sich bei bekanntem Brechungsindex die Wegstrecke des Lichtpulses und somit die Schichtdicke des Überzugs berechnen. Mit Hilfe dieser Methode kann die räumliche und statistische Verteilung eines oder mehrerer Tablettenüberzüge analysiert werden. Inzwischen ist bereits speziell für diesen Zweck ein Gerät entwickelt worden, das mittels eines Roboterarms innerhalb weniger Minuten eine komplette Tablette abscannen kann.

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