Увидеть все: идентификация без вскрытия упаковки

О преимуществах Раман-спектрометрии знают все, мы писали о ней в статье. Но на практике «волшебный» метод оказывается не таким уж всесильным и универсальным: идентификация веществ в упаковке практически невозможна ввиду существующих ограничений метода. А это значит, что экспресс-метод требует проведения всех стандартных операций: вскрытия первичной упаковки, отбора пробы, ее переноса в контейнер и т.д.

К счастью, технологии не стоят на месте, и в статье мы расскажем о новой разработке, которая поможет упростить процедуру контроля качества и идентификацию материалов, особенно при работе с сырьем.

Новая технология 

Современные рамановские спектрометры (особенно портативные) предназначены для работы с материалами при непосредственном контакте или через прозрачные тонкие пленки и контейнеры. Это не является проблемой для лаборатории, но при работе на складе либо в полевых условиях измерения материала в его исходном виде или упаковке упрощает задачу оператора и сокращает время проведения процедуры.

В качестве примера рассмотрим идентификацию фармацевтического сырья на складе. 

• Первый вариант – вещество в прозрачной полимерной упаковке: оператору достаточно снять спектр через упаковку и получить результат о соответствии/несоответствии качества в течение нескольких минут. 
• Второй вариант – субстанция в картонной или цветной полимерной бочке: упаковку нужно вскрыть в специальном боксе, отобрать пробу и только после этого провести идентификацию. Такая последовательность действий не только достаточно продолжительная, но и мало отличается от процедуры анализа в лаборатории. Чтобы ускорить и упростить работу с плотными упаковками, была разработана технология See-Through (STRaman^TM).

Ниже мы рассмотрим ее принципиальные аспекты и особенности.

Рамановские спектрометры снимают спектр образца при помощи сфокусированного лазерного луча с высокой мощностью. Поэтому для исследования используется малая область образца, которая при неверном подборе времени экспозиции может перегреваться и даже обугливаться. Технология See-Through для проведения измерений использует луч большего диаметра, что не только повышает относительную интенсивность сигнала, но и позволяет исследовать более глубокие слои материала. Именно это дает возможность анализировать материалы в непрозрачных контейнерах и мешках. Оптическая схема может использоваться как для ручных, так и для портативных приборов с длиной волны возбуждения как 785 нм, так и 1064 нм.

Пример применения

Для проведения первичных испытаний метода компания B&WTek использовала спектрометр STRam с длиной волны возбуждения 785 нм [1, 2].

Тестируемые типы упаковки:

• Белые полимерные и стеклянные бутылки
• Белые бумажные конверты
• Конверты, армированные растительным волокном
• Цветные пластиковые бутли

Результаты испытаний:

На рис. 1 представлены результаты идентификации бензоата натрия в белой полимерной бутылке.

Рис. 1. Идентификация бензоата натрия в белой полиэтиленовой бутылке с помощью STRam

Как мы говорили выше, параметры возбуждающего излучения STRam отличаются от стандартных, что дает возможность проведения неразрушающих измерений темных и светочувствительных образцов. На рис. 2 представлен рамановский спектр черного пороха, полученный с помощью спектрометра STRam при максимальной мощности лазера, – возгорания образца не наблюдалось.

Рис. 2. Спектр черного пороха, полученный при помощи STRam

Также в ходе исследований проводились измерения покрытых таблеток – лазерное излучение проникает через оболочку, позволяя получить сведения о составе таблетки. Прибор полезен и при работе с гетерогенными образцами: анализ большей площади дает возможность усреднить результаты и получить данные о составе смесей и продуктов природного происхождения.

Тестирование фармацевтического сырья

При анализе сырья на складах для службы контроля качества наиболее сложным объектом является продукция, упакованная в мешки из крафтовой коричневой бумаги (одно- или многослойной). Кроме того, что бумага флуоресцирует (особенно при использовании 785 нм лазера), такие материалы часто укрепляются слоями полимерных пленок для повышения устойчивости к действию влаги.

Для подтверждения пригодности технологии STRaman^TM для решения подобной задачи был использован прибор с длиной волны лазера 1064 нм.

• Критерий пригодности метода: искомое вещество должно быть первым в списке идентифицированных веществ с индексом соответствия (HQI) выше 85.
• Объекты исследования – вещества в упаковках разного типа.
• Результаты испытаний: как показано в таблице 1, даже вещество с самым слабым рамановским сигналом – трехзамещенный фосфат натрия (Na₃PO₄, сигнал в 40 раз слабее карбоната кальция) – было идентифицировано. 

Экспериментальным путем удалось продемонстрировать, что при смене длины волны на 785 нм при неизменных прочих условиях трехзамещенный фосфат натрия можно идентифицировать только через белую плотную бумагу.

Таблица 1 

Процент совпадения спектров образцов со стандартами при проведении измерений через крафт-бумагу. Спектрометр STRam, длина волны 1064 нм

На рис. 3 представлен результат измерения фосфата натрия через два слоя белой и коричневой крафтовой бумаги с успешной последующей идентификацией. Несмотря на то, что в спектре также присутствует флуоресценция и характерные пики от упаковки, алгоритм дает возможность успешно провести анализ.

Рис. 3. Идентификация Na₃PO₄ через двухслойную упаковку из белой и коричневой крафтовой бумаги с помощью STRam на длине волны 1064 нм

Выводы

Возможность измерения веществ непосредственно через упаковку, исключающая необходимость пробоподготовки, является одним из главных преимуществ рамановской спектроскопии. Результаты, полученные при использовании технологии STRaman^TM, подтверждают возможность проведения измерений через непрозрачные упаковочные материалы – от белых пластиковых бутылок до мешков, в том числе из крафтовой бумаги, почтовых конвертов. Неинвазивность метода позволяет предположить, что подобная техника может использоваться даже для медицинских исследований.

Ознакомиться с работой прибора Вы можете, просмотрев видео:

Специалисты компании «ХИМЛАБОРРЕАКТИВ» ответят на все возникшие вопросы, а также смогут подобрать подходящее решение для работы с Вашими образцами.

Ссылки:

• J. Zhao, K.A. Bakeev, J. Zhou, Raman Spectroscopy Peers Through Packaging “, Photonics Spectra, February 2018:     https://www.photonics.com/a62932/Raman_Spectroscopy_Peers_Through_Packaging
• K.A. Bakeev, “See-Through Science”, The Analytical Scientist, May 2018: https://theanalyticalscientist.com/issues/0518/see-through-science/