Применение рамановской спектроскопии для анализа полиморфизма и изучения полиморфных переходов

ИЮН082015

Одни и те же материалы могут находиться в различных полиморфных состояниях, т.е. их кристаллическая структура может меняться, хотя они и имеют одинаковый химический состав. Полиморфные вещества бывают как органические, так и неорганические (включая оксиды металлов и силикатные материалы, например кварц). Различные полиморфные вещества имеют разную стабильность и могут формироваться преимущественно на основе процесса кристаллизации. Полиморфизм имеет важное значение в медицинской сфере, потому что эффективность лекарственных средств может сильно изменяться из-за растворимости различных кристаллических форм.

Рамановская спектроскопия используется для получения различных характеристик материалов, получаемых путем анализа колебательных и вращательных переходов в молекуле или кристаллической структуре, которые возбуждаются лазерным излучением. Благодаря превосходной спектральной специфике рамановская спектроскопия является ценным инструментом для анализа различных полиморфов, а также может использоваться как при изучении сольватных веществ, так и для изучения кинетики полиморфных переходов и процессов кристаллизации.

Рамановская спектроскопия может также применяться в методах in-situ (анализ на месте), например как PAT-метод (процесс аналитической технологии) для непрерывного контроля химических реакций в режиме реального времени, а также для исследования полиморфных превращений.

Портативные рамановские системы являются идеальным инструментом для быстрой идентификации полиморфов, которые отображают спектральные различия веществ из-за разного расположения молекул в кристалле. Данные системы особенно полезны в процессах разработки, где изображение полиморфов, их стабильность и формирование определяются за счет компактности прибора, простоты использования и установки.

На рисунках ниже представлены рамановские спектры нескольких полиморфов, показывающих как отличаются рамановские спектры для следующих пар веществ: карбонат кальция (арагонит и кальцит), лимонная кислота и декстроза.

Рис.1. Рамановские спектры двух полиморфов карбоната кальция (кальцит – красный, арагонит – синий)

Рис.2. Рамановские спектры полиморфов лимонной кислоты (ангидрит лимонной кислоты – красный, моногидрат лимонной кислоты – синий)

Рис.3. Рамановские спектры полиморфов декстрозы (ангидрит декстрозы – красный, моногидрат декстрозы – синий)

Эксперимент

В данной работе возможности рамановских портативных систем в качестве инструмента для контроля процессов показаны на примере использования спектрометра i-Raman Plus компании B&WTek. Данный спектрометр имеет в своем составе просветленную ПЗС-матрицу с термоэлектрическим охлаждением, а также возбуждающий лазер, выполненный по запатентованной технологии CleanLaze. Длина волны возбуждения составляет 785 нм, максимальное значением выходной мощности - 300 мВт. Спектрометр позволяет охватывать спектральный диапазон от 175 см^-1 до 3200 см^-1.

В ходе эксперимента волоконный зонд располагался над поверхностью образца на расстоянии 5 мм для того, чтобы обеспечить хорошую фокусировку лазерного излучения на исследуемой поверхности. Данные были получены за время интегрирования 15 – 30 секунд при мощности лазерного излучения 300 мВт. Лимонная кислота выбрана здесь в качестве модели для изучения полиморфизма, основанного на двух ее кристаллических состояниях: моногидрат и ангидрит, которые начинают кристаллизоваться под воздействием воды при различных температурах.

Моногидрат и ангидрит лимонной кислоты были приобретены у Sigma-Aldrich. Переход от моногидрата к ангидриту был получен путем нагрева твердого порошка от комнатной температуры до 80˚С. Анализ полиморфного перехода лимонной кислоты в режиме реального времени проводился с помощью программного обеспечения BWSP-21pt11 компании BWTek. Данное ПО позволяет производить непрерывный сбор данных и их анализ за счет развивающихся PCA моделей и хемометрических моделей. Интерес здесь заключается в следующем: для выявления перехода (без подсчета числа возникающих форм во время эксперимента) мы регистрировали момент исчезновения пика моногидрата на 1108 см^-1 и момент появления пика ангидрита на 1146 см^-1 по смене интенсивности.

Существуют и другие пики для моногидрата 442, 820, 1167, 1260 и 2950 см^-1 и для ангидрита 1635, 2932 и 2982 см^-1, по которым также можно регистрировать переходы между полиморфными состояниями. Наложение спектров, полученных в результате непрерывного наблюдения при возрастании температуры до 80˚С, показано на рис.4. Спектры в развернутом виде для отображения спектральных изменений на фазовых переходах в спектральной области, используемой для нахождения пиков, показаны на рис.5. Момент исчезновения пика моногидрата, полученный в режиме реального времени, отображен на рис.6.

Рис.4. Наложение рамановских спектров, получаемых каждые 15 секунд во время увеличения температуры, для того, чтобы зарегистрировать момент перехода моногидрата в ангидрит в лимонной кислоте.

Рис.5. Развернутый вид спектров, полученный в момент перехода фазы в лимонной кислоте.

Рис.6. Момент перехода рамановского пика моногидрата лимонной кислоты в области 1108 см^-1 при повышении температуры от комнатной до 80˚.

Заключение

Так как изменения спектров относительно перехода от моногидрата к ангидриту лимонной кислоты не ограничены дискретно, может быть использован более целостный подход с использованием многомерного анализа данных, отражающих систематические спектральные изменения с увеличением температуры с помощью анализа главных компонент (РСА). Используя метод РСА во всем спектральном диапазоне было обнаружено, что первый главный компонент объясняет 90 % разницы в данных, полученных по 75 спектрам. Линия РС-1 в сравнении со спектром образца показывает такую же тенденцию, которая наблюдается при исследовании по одному пику и отображает изменения по всему рамановскому спектру при переходе от моногидрата к ангидриту. Данная зависимость показана на рис.7.

Рис.7. РС-1 график для всего спектрального диапазона для метода РСА для 75 спектров, полученных во время увеличения температуры.

Здесь были приведены несколько примеров, показывающих значимость рамановской спектроскопии для анализа и идентификации различных полиморфов. Мы использовали портативный рамановский спектрометр i-Raman Plus совместно с ПО BWSP-21pt11 для непрерывного анализа и регистрации перехода между полиморфными состояниями моногидрата и ангидрита в лимонной кислоте по спектрам, которые обрабатывались каждые 15 секунд при повышении температуры.

Подробные характеристики рамановского спектрометра высокого разрешения i-Raman Plus