Organická analýza - Mobilní spektrální analyzátory, Ramanova spektrometrie

11 MOBILNÍ SPEKTRÁLNÍ ANALYZÁTORY

11.1 Členění podle technik a vybraných aplikací

11.2 Ramanova spektrometrie

• 11.2.1 Nejrozšířenější aplikace mobilních Ramanových spektrometrů
  • 11.2.1.1 Bezpečnostní aplikace – detekce nebezpečných látek
  • 11.2.1.2 Mobilní detekce narkotik a jejich prekurzorů
  • 11.2.1.3 Kontrola pozitivní shody vstupních surovin ve farmac. a kosmetickém průmyslu
  • 11.2.1.4 Detekce padělků léčiv
  • 11.2.1.5 Rychlá kvantitativní analýza v terénu a v provozech

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Mobilní spektrální analyzátory

V současné době se stále více setkáváme s přesunem analýz mimo laboratoře, zejména do terénu nebo pro přímou analýzu ve skladech a ve výrobních provozech. Je to dáno jednak požadavky přicházejícími z praxe a jednak rychlým vývojem nových technologii, které nám tento přesun mimo laboratoř umožňují.

Požadavek na přenesení některých analýz mimo laboratoře je logický a může přinášet významné zkvalitnění získaných dat nebo velké finanční úspory. Velmi častým přínosem je pak rychlost získání důležitých informací. Typickými příklady jsou bezpečnostní aplikace, kdy například při ekologických haváriích je zapotřebí získat velmi rychle výsledky, na jejichž základě se vyhlašují příslušná opatření. V jiných případech hrozí zase ztráta informací z prodlení (analýza plynných zplodin vznikajících při požárech, analýza povýbuchových zplodin apod.). Jiným příkladem mohou být forenzní analýzy, kdy nám mobilní analyzátory umožňují analýzu velkého počtu vzorků přímo na místě činu a možnost cíleného vzorkování pro následné laboratorní analýzy. Dalšími typickými příklady je přesun kontroly kvality potravin přímo do terénu, terénní analýza narkotik a kontrolovaných látek, detekce padělků léčiv nebo analýza polymerů ve stavebních materiálech. Ve všech těchto případech nám terénní metody umožňují dělat okamžitá rozhodnutí a současně kontrolovat velká množství vzorků, což je v případě transportu vzorků do laboratoří prakticky nemožné. Samostatnou kapitolou jsou pak průmyslové aplikace, kdy mobilní spektrometry umožňují přesun některých analýz přímo do skladů vstupních surovin nebo do výrobních provozů. To přináší jednak snížení nákladů, v řadě případů ale také výrazné zvýšení produktivity (není nutné klasické vzorkování a transport vzorků do laboratoří). Největšího rozšíření bylo dosaženo zejména ve farmaceutickém průmyslu a v některých oborech automobilového, chemického, potravinářského a kosmetického průmyslu.

Všechny výše uvedené důvody vedly k masivním investicím do vývoje nových technologii, které by umožnily výrobu malých, přenosných spektrometrů, které by ale současně nabídly výkon na úrovni laboratorních systémů.

Členění podle technik a vybraných aplikací

Z technik se nejčastěji uplatňují metody založené na vibrační spektroskopii (nejvíce se využívá Ramanova spektrometrie a infračervená spektrometrie – zejména FT-IR a NIR) a metody hmotnostní spektrometrie, případně metody optické luminiscenční spektrometrie, včetně časově rozlišených metod. Ty například umožňují ultrastopovou detekci výbušnin, kdy je možné spolehlivě detegovat 100 femtogramů TNT. Můžeme se také setkat s miniaturizovanými NMR spektrometry, které jsou schopny měřit přítomnost protilátek. Nově je k dispozici technika schopná přímo v terénu rychle diagnostikovat tuberkulózu z dechu pacienta nebo provádět komplexní tribotechnickou diagnostiku olejů.

Ramanova spektrometrie

V poslední době se v oblasti mobilních analyzátorů (zejména ručních přístrojů) významně rozšířily Ramanovy spektrometry. Využívají principu disperzní Ramanovy spektrometrie, měří se spektra Ramanova rozptylu, která přináší informaci o molekulárním složení analyzovaného vzorku. Tyto spektrometry se typicky používají pro analýzu pevných vzorků, prášků, past, gelů nebo kapalin. Běžně dostupné přístroje nejsou vhodné pro analýzu plynných vzorků nebo složitých směsí. Ve standardním uspořádání nejsou také vhodné pro analýzu nízkých koncentrací, zejména ve složitějších směsích. Typickou aplikací je identifikační analýza jednokomponentních vzorků nebo směsí do čtyř až pěti hlavních komponent. Speciální algoritmy umožňují i identifikaci vybraných látek ve složitějších směsích nebo například identifikaci falsifikátů i velmi složitých multikomponentních systémů jako jsou léčiva. Pro analýzu nízkých a velmi nízkých koncentrací se dá využít technika povrchem zesíleného Ramanova rozptylu – SERS (Surface–Enhanced Raman Scattering), která využívá zesílení Ramanova signálu v přítomnosti nanostruktur zlata nebo stříbra. Technika SERS se s úspěchem používá i k analýze vzorků s vysokou vlastní fluorescencí (fluorescenční spektrum překrývá Ramanovo spektrum), protože na povrchu nanostruktur dochází nejen k zesílení Ramanova rozptylu, ale současně také ke zhášení fluorescence. Vývoj nových cenově dostupných SERS substrátů pronikl i do oblasti mobilních spektrometrů, kde se s úspěchem již využívají při analýze narkotik, detekci anabolických steroidů ve výživových přípravcích nebo například pro identifikaci herbicidů na povrchu různých plodů.

Disperzní uspořádání spektrometrů umožňuje konstrukci miniaturizovaných spektrometrů s velmi vysokou robustností. Typické uspořádání miniaturizovaného disperzního Ramanova spektrometru je na obrázku níže.

2 THETA: Schéma mobilního disperzního Ramanova spektrometru s opticky stabilizovaným laserem

Velmi důležitou součástí spektrometrů je i integrovaná Ramanova sonda, ta je tvořena optickou soustavou, jejímž úkolem je přivézt záření laseru na vzorek, sběr vznikajícího rozptylového záření, jeho vedení přes filtr pro ořez záření vlnové délky laseru (elastický rozptyl) a dále jeho fokusaci na vstupní štěrbinu spektrografu. Moderní Ramanovy sondy u mobilních spektrometrů využívají konfokální optiky, kdy je záření laseru nejprve defokusováno na svazek o velkém průměru (například 10 mm) a následně opět fokusováno do definovaného bodu, ve kterém dochází k buzení Ramanova signálu. Tento princip je znázorněn na obrázku níže.

Toto uspořádání má tři výhody:

1. umožňuje měření bez přímého kontaktu se vzorkem
2. umožňuje měření i přes transparentní a semitransparentní obaly
3. třetí významnou výhodou je bezpečnost.

2 THETA: Ramanova sonda s konfokální optikou a defokusací paprsku (převzato z materiálů firmy Thermo Scientific)

Samostatnou kategorii tvoří spektrometry určené pro práci v náročných podmínkách (vojenské aplikace, analýza výbušnin, záchranné týmy – hasiči, likvidace havárií atd.). Zde jsou kladeny vysoké nároky na odolnost a schopnost pracovat v širokém teplotním rozsahu. Spektrometry musí být také konstruovány tak, aby byly prachotěsné i vodotěsné a odolávaly i běžným dekontaminačním prostředkům (spektrometr musí umožňovat snadnou dekontaminaci od toxických látek). Všechny tyto požadavky shrnují normy americké armády MIL 810G nebo MIL 810F. Tyto normy se běžně využívají i v dalších oborech a jejich splnění zaručuje, že daný přístroj bude použitelný i za níže uvedených náročných podmínek.

Stand OFF Ramanovy spektrometry jsou konstruovány pro bezkontaktní detekci bez manipulace se vzorkem. Obrovskou výhodou Stand OFF Ramanových spektrometrů je možnost snadné integrace na mobilní roboty, robotická ramena nebo drony.

2 THETA: Obecné schéma Stand OFF Ramanova spektrometru

Nejrozšířenější aplikace mobilních Ramanových spektrometrů

BEZPEČNOSTNÍ APLIKACE – DETEKCE NEBEZPEČNÝCH LÁTEK

Bezpečnostní aplikace byly hlavním iniciátorem vývoje mobilních Ramanových spektrometrů v té formě, s jakou se dnes setkáváme. Situace po 11. září 2001 přinesla intenzivní investice do vývoje nových detekčních technologií, který umožnil vývoj ručních Ramanových spektrometrů založených na miniaturizovaných termoelektricky stabilizovaných laserech a miniaturizovaných spektrometrech a nových algoritmech. Zejména vývoj nových algoritmů a firmware byl zásadním pokrokem, umožnil totiž zcela automatizovaný záznam Ramanových spekter i v náročných podmínkách, zásadně odlišných od měření za laboratorních podmínek a velmi spolehlivé vyhledávání ve spektrálních knihovnách, včetně automatické identifikace směsí. Moderní spektrometry dostupné v současné době mají databáze integrované přímo v paměti spektrometru s počtem látek významně přesahujícím deset tisíc, databáze navíc v některých případech obsahují pro každou látku i komplexní informace o vlastnostech látek, alternativních názvech, CAS kódech, bezpečnostních informací a podobně.

2 THETA: Ukázka Ramanových spekter některých peroxidových výbušnin zaznamenaných na mobilním Ramanově

MOBILNÍ DETEKCE NARKOTIK A JEJICH PREKURZORŮ

Rychlá mobilní a spolehlivá identifikace narkotik a jejich prekurzorů je rozšířenou aplikací mobilních Ramanových spektrometrů. V posledních letech se na drogovou scénu rychle dostávají stále nové typy syntetických narkotik, navíc se tato narkotika stávají poměrně snadno dostupná. Tradiční detekční technologie, založené na detekčních sadách a sprejích, nejsou schopné na tyto rychlé změny reagovat, navíc se s rostoucím sortimentem látek stávají neefektivní. Řešením je použití miniaturizovaných Ramanových spektrometrů se specializovaným software pro tuto aplikaci. Zásadním problémem je analýza reálných tzv. „uličních“ vzorků. Zpravidla se nejedná o čisté látky, velmi často jsou to složité směsi, které obsahují jen určitou koncentraci sledované látky. Detekční algoritmy tak musí fungovat na odlišném principu, než je běžné prohledávání spektrálních knihoven založené na tradičním HQI algoritmu nebo chemometrickém algoritmu založeném na výpočtu p-hodnoty. Algoritmus musí být schopen nalézt sledovanou látku i v komplikované směsi, navíc jeho funkčnost musí být zpravidla odladěna a následně ověřena na větším počtu reálných vzorků získaných z drogové scény. Pouze tak je možné v konečné fázi získat spektrometr, který poskytne vysoce robustní a správné výsledky i běžnému policistovi pracujícímu v terénních podmínkách. Analýza pak skutečně probíhá v několika jednoduchých krocích – přiložení vzorku ke spektrometru, spuštění analýzy, automatická akvizice spektra a následná automatická identifikace. Celá analýza zpravidla trvá méně jak 60 sekund. Spektrometry kromě narkotik identifikují také prekurzory a typická maskující činidla.

KONTROLA POZITIVNÍ SHODY VSTUPNÍCH SUROVIN VE FARMACEUTICKÉM A KOSMETICKÉM PRŮMYSLU

Významného rozšíření zaznamenaly mobilní Ramanovy spektrometry v posledních deseti letech také ve farmaceutickém průmyslu. Zde se používají hlavně pro kontrolu vstupních surovin a pro mezioperační kontrolu. Zejména při kontrole tzv. pozitivní materiálové shody vstupních surovin došlo k takřka lavinovitému rozšíření. Vstupní suroviny jsou ve farmaceutickém průmyslu testovány na shodu (vyloučení záměny), zpravidla při vstupu do skladů. Příslušné balení se musí přesunout do čistých prostor, teprve zde se může otevřít a odebrat vzorek. Ten se musí následně zanalyzovat.

2 THETA: Ukázka Ramanových spekter některých farmaceutických surovin zaznamenaných na spektrometru s rozlišením 7–9 cm¯¹ a laserem 785 nm

DETEKCE PADĚLKŮ LÉČIV

Ramanova spektrometrie je schopna také rychle a s vysokou citlivostí detegovat padělky léčiv nebo nestandardní produkty (například po degradaci způsobenou špatným skladováním). Je tak možné provádět rychlou analýzu přímo v terénu, což je důležité z hlediska okamžitého zajištění případných padělků.

2 THETA Ramananova spektra originálního výrobku VIAGRA a jeho hlavních složek zaznamenané na mobilním spektrometru TruScan RM (převzato z materiálů firmy Thermo Scientific)

RYCHLÁ KVANTITATIVNÍ ANALÝZA V TERÉNU A V PROVOZECH

Další možností využití mobilních Ramanových spektrometrů je rychlá kvantitativní analýza přímo v terénu nebo v provozních podmínkách. Konstrukce běžných ručních Ramanových spektrometrů většinou neumožňuje reprodukovatelnou kvantitativní analýzu z důvodu horší stability výkonu laserů nebo dokonce absence možnosti kalibrace výstupního výkonu. Výkon laseru ovlivňuje intenzitu generovaného Ramanova signálu.

Spektrometry mají velmi kompaktní rozměry a bezdrátovou komunikaci s aplikacemi v noteboocích, tabletech nebo mobilních telefonech. Vzhledem k příznivé ceně se otevírají zcela nové možnosti v oblasti kvantitativní analýzy nápojů, potravin a dalších aplikacích.