Использование портативных спектрометров комбинационного рассеяния для разработки и улучшения процессов производства

НОЯ182016

Анализ различных процессов производства является актуальной задачей почти 70 лет, беря свои истоки в нефтехимической промышленности и используя инфракрасные фотометры и различные типы устройств, такие как датчики кислорода и проводимости в качестве анализаторов для контроля производства и процессов переработки ^[1].

С развитием элементных баз дополнительно с вышеупомянутыми сенсорами начинают использоваться и более сложные спектроскопические системы. Значимость аналитики процессов заключается в том, что она может обеспечить информацию о протекании процесса. Процессная аналитическая технология (PAT), используемая для контроля в автономном режиме, онлайн режиме и для контроля на линии производства, помогает получать данные быстрее и с большей точностью для увеличения контроля производства биологических и химических материалов, а также понимать процессы для их оптимизации и совершенствования ^[2].

Увеличение интереса к технологии PAT стало наблюдаться в 2005 году после публикации руководства по внедрению данной технологии и ее использованию в фармацевтической промышленности Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA).

Спектроскопические приборы, включая рамановские спектрометры, могут использоваться как на месте, так и интегрироваться в цепь производственного процесса для контроля химического состава, предоставляя полную спектральную информацию, являющуюся отображением молекулярных изменений, происходящих в процессе различных реакций. Количество информации, которое может быть собрано, может превышать скорость протекания процессов и на ранних этапах разработки это позволяет понимать сам процесс, его динамику, возможные побочные реакции, кинетику и т.д.

Рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния) – это форма молекулярной спектроскопии, использующая в качестве источника возбуждения лазерное излучение, которая позволяет получать определенную уникальную информацию о качественном и количественном составе различных веществ за счет колебания молекул. Данный метод используется во многих отраслях в качестве аналитического инструмента для изучения твердых, жидких и газообразных веществ.

Большинство рамановских спектрометров используют волоконные зонды, обеспечивающие универсальность и гибкость проводимых измерений в различных условиях, включая метод «in-situ», как наиболее часто требуемый для контроля процессов. Более 10 лет назад развитие элементной базы в области компактных лазеров, ПЗС-матриц, волоконной оптики, мощных компьютеров и многофункциональных операционных систем, способных собирать и обрабатывать огромное количество информации, привело к развитию рамановской спектроскопии как метода ^[3].

Дальнейшее улучшение технологии производства лазеров, минимизация спектрометров, улучшение качества фильтров для обрезания лазерного излучения и волоконной оптики позволило создать портативные рамановские спектроскопические системы, которые можно использовать в широком круге сфер применения, включая PAT.

Помимо рамановской спектроскопии существуют такие конкурентные методы анализа, такие как Фурье-ИК и ближняя ИК спектроскопия. Однако, благодаря гибкости, высокой скорости сканирования, высокой спектральной чувствительности и отсутствию негативного влияния со стороны паров воды на результаты измерений, рамановская спектроскопия является бесценным инструментом для качественного и количественного анализа при мониторинге и исследовании химических реакций, обнаружении конечных точек синтеза и реакций полимеризации, анализе гидрирования, гидролиза и полиморфных переходов и др. ^{[1, 3, 5]} При разработке процесса существует большое количество параметров, которые могут быть оценены и эксперименты проводятся с целью оптимизации, улучшения воспроизводимости и времени.

Для того чтобы понять влияние технологических изменений на процесс производства и сам продукт, можно проводить измерения в режиме «in situ», связывающие параметры процесса со свойствами продукта. При выборе средств измерений при разработке процесса необходимо определить потребности с точки зрения «целей, специфичности, чувствительности, времени измерения, качественно-количественного анализа, точности и т.п.» ^[4].

На ранних этапах развития процесса качественной информации о ходе реакции может быть вполне достаточно, чтобы оценить завершающие стадии. Тенденции определения относительных концентраций продукта, основанные на высоте пика или площади спектра, могут быть использованы, чтобы отслеживать реакцию в целом, даже если другие параметры изменяются от одного состояния к другому.

В реакциях, где необходимо вести стехиометрический контроль, может быть необходимо количественное измерение концентрации реагентов. В таких случаях измерения могут быть проведены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (HPLC) и на ее основе могут быть разработаны модели количественной калибровки; но такие модели имеют матричную зависимость и их часто приходится обновлять или пересчитывать, если матрица реакции изменилась.

Далее в статье описывается эксперимент, целью которого было определение конечного продукта реакции при синтезе 6-метил-2-фенилимидазо[1,2-a]пиридина и возникающих отклонений в виде побочных продуктов. Синтез данного вещества находится на стадии разработки в области медицинской химии и для проверки завершения реакции использовалась традиционная тонкослойная хроматография (TLC). Однако очень малая часть проб была взята при мелкомасштабных реакциях и выбор времени отбора проб для конечной точки был основан на визуальном определении осадков в реакционной смеси с последующим анализом с помощью TLC.

Получение же информации о ходе реакции и возможном образовании промежуточных и побочных продуктов возможно только при условии, что рамановские спектры будут регулярно собираться на протяжении всей реакции. Мониторинг подобных реакций с помощью рамановской спектроскопии методом «in-situ» уменьшает потребность забора образцов на анализ, а также предоставляет информацию о ходе реакции в реальном времени.

Эксперимент

В ходе эксперимента использовался портативный рамановский спектрометр i-Raman Plus компании B&WTek с длиной волны возбуждения 785 нм, выходной мощностью 300 мВт и рабочим диапазоном 65 – 3200 см^-1. Для исследования процессов реакции методом «in-situ» использовался волоконный зонд с насадкой для погружения в жидкость (погружной зонд).

Данная установка использовалась для контроля слабого молекулярного синтеза 6-метил-2-фенилимидазо[1,2-a]пиридина и контроля появления отклонений в виде 2-фенилимидазо[1,2-a]пиридина. Погружной зонд был опущен в колбу в закругленным дном для прямого измерения процессов реакции. Исходные реагенты были суспендированы в ацетонитриле, а небольшое количество бикарбоната натрия было добавлено для нейтрализации бромистоводородной кислоты, выделяемой в ходе реакции. Реакция проводилась в газовой среде из аргона и смесь нагревалась до температуры в 80°C в течение двух часов. Рамановские спектры собирались каждую минуту во время протекания реакции при времени интегрирования в 3 секунды и усреднении по 10 измерениям. В эксперименте контролировались две одинаковые реакции типа S_n2 для понимания их процесса.

Целью мониторинга процессов реакции было качественное определение тенденции процесса для определения конечной точки. Первый процесс представлял собой взаимодействие 2-аминопиридина с 2-бромацетофеноном для получения 2-фенилимидазо[1,2-a]пиридина. Во время данной реакции мониторинг пиков в рамановских спектрах реагентов и продукта реакции проводился с использованием программного обеспечения BWSP компании B&WTek. Второй процесс представлял собой взаимодействие 2-амино-5-метил-пиридина с 2-бромацетофеноном для получения 6-метил-2-фенилимидазо[1,2-a]пиридина.

Во время данной реакции мониторинг пиков в рамановских спектрах реагентов и продукта реакции проводился с использованием программного обеспечения для многокомпонентного анализа Unscrambler (CAMO Software). Описанный подход также обеспечивает качественный анализ, как и метод TLC, но предоставляет результаты измерений в реальном времени.

Результаты и обсуждение

В первой реакции синтеза 2-фенилимидазо[1,2-a]пиридина были получены рамановские спектры исходных реагентов и конечного продукта для определения положения пиков, чтобы отслеживать процессы с течением времени. Как показано на рисунке 1 (см. ниже), было выделено три наиболее интересных области: пик на 847 см^-1 (2-аминопиридин (реагент 1)), пик 1547 см^-1 (конечный продукт) и широкий сдвоенный пик между 1684 см^-1 и 1702 см^-1 (2-бромацетофенон (реагент 2)).

Из-за универсальности рамановских спектров (т.к. каждое вещество имеет пики только на своих определенных волновых числах) и того факта, что выбранные пики каждого вещества не имеют совпадающих пиков в спектрах других веществ, можно сделать вывод, что одномерный анализ, описанный выше, может эффективно использоваться в данном случае.

При дальнейшем протекании реакции отслеживались два пика на 1547 см^-1 и 1603 см^-1 в спектре конечного продукта (см. рис. 2а). Появление области с заметным провалом на графике, построенном в реальном времени, интенсивности как функции времени было вызвано загрязнением зонда из-за образования осадка. Такое загрязнение при исследовании методом «in-situ» может возникать вследствие реакции, поскольку ее продукты могут оседать на зонд. Поэтому необходимо сводить данный эффект к минимуму за счет более надлежащего контроля за помешиванием в процессе реакции или за счет автоматизированных процедур очистки зонда.

На рисунке 2б представлены спектры реагентов и конечного продукта после очистки  зонда. Для построения данных графиков к полученным данным была применена фильтрация с помощью второй производной по методу Савицкого-Голая, чтобы минимизировать эффекты базовой линии. Далее полученные значения были умножены на «-1», чтобы перевернуть графики и показать, что составляющая реагентов со временем уменьшается, а составляющая конечного продукта увеличивается.

На рисунке 3 представлены все спектры, собранные за время протекания реакции. Видно, что с течением времени, основные пики реагентов уменьшаются, а основной пик конечного продукта увеличивается.

На рисунке 4а представлены первый и последний спектры реакции для более наглядного представления того, что составляющая реагентов убывает, а составляющая конечного продукта возрастает. На основе данных из рисунка 2б и 4а можно сделать вывод, что реакция протекает на протяжении 2 часов. При более детальном рассмотрении тенденции изменения всех основных пиков (см. рис. 4б) можно заключить, что данная реакция может протекать быстрее, поскольку до обработки полученных данных сложно понять, когда основные пики реагентов полностью исчезают.

Рис. 1. Наложение рамановских спектров реагентов и продукта реакции (первый опыт).

Рис. 2. (а): Отслеживание пика продукта реакции в реальном времени при протекании реакции; (б): Спектры реагентов и конечного продукта после фильтрации методом Савицкого-Голая.

Рис. 3. Все, собранные за время протекания реакции, рамановские спектры реагентов и продукта реакции.

Рис. 4. (а): Наложение первого и последнего спектров реакции; (б): Детальный анализ основных пиков всех компонентов реакции.

Во второй реакции синтеза 6-метил-2-фенилимидазо[1,2-a]пиридина также были получены рамановские спектры исходных реагентов и конечного продукта для определения положения пиков, чтобы отслеживать процессы с течением времени. Пики были выделены, как и в первом случае, в тех же областях: пик на 847 см^-1 (2-амино-5-метил-пиридин (реагент 1)), пик 1547 см^-1 (конечный продукт) и широкий сдвоенный пик между 1684 см^-1 и 1702 см^-1 (2-бромацетофенон (реагент 2)) (см. рис. 5). Тенденция изменения пиков с течением времени наблюдалась такая же, как и в первом опыте.

После реакции дальнейший анализ полученных данных  производился с помощью поискового многокомпонентного анализа. В данном анализе использовался алгоритм многомерного разрешения кривой методом чередующихся наименьших квадратов (MRC-ALS) в программном обеспечении Unscrambler. С помощью данного анализа были определены двухкомпонентные концентрации и двухкомпонентные спектры (см. рис. 6). Двухкомпонентные спектры указывают на спектры реагентов и конечного продукта реакции. Они согласуются с опорными спектрами, собранными от исходных компонентов и конечного продукта. Рассчитанные профили спектров примерно в середине реакции показали, что на самом деле она была завершена через половину всего прошедшего времени измерений. Таким образом, мониторинг реакции с помощью рамановской спектроскопии показал, что на самом деле реакция проходит примерно в два раза быстрее.  

Рис. 5. Наложение рамановских спектров реагентов и продукта реакции (второй опыт).

Рис. 6. Двухкомпонентная концентрация (а) и двухкомпонентные спектры (б) после применения алгоритма MRC-ALS.

Заключение

Рамановская спектроскопия для анализа и контроля процессов является неоценимым инструментом для понимания основ реакций, которые имеют значительную важность для химической, фармацевтической и других отраслей промышленности. Цель данного исследования заключалась в демонстрации возможности применения портативных рамановских спектрометров совместно с различными методами анализа данных для разработки процессов, чтобы получить большее представление о протекании химических реакций. Проведенные эксперименты служат доказательством того, что рамановская спектроскопия может использоваться как инструмент для дальнейшей разработки процессов в масштабах крупного производства.

Подробные характеристики рамановского спектрометра i-Raman Plus

Ссылки

1. Process Analytical Technology: Spectroscopic Tools and Implementation Strategies for the Chemical and Pharmaceutical Industries, 2nd Edition, K.A. Bakeev, Ed. (John Wiley & Sons, Ltd., West Sussex UK, 2010).
2. US Food and Drug Administration, Guidance for Industry: PAT -- A Framework for Innovative Pharmaceutical Development, Manufacturing, and Quality Assurance (FDA, Rockville, Maryland, 2004).
3. J.B. Slater, J.M. Tedesco, R. Fairchild, and I.R. Lewis, in Handbook of Raman Spectroscopy, I.R. Lewis and H.G.M. Edwards, Eds. (CRC Press, New York, New York, 2001).
4. G.L. Reid et al., Am. Pharm. Rev. June 20 (2012).
5. X. Chen et al., Org. Process Res. Dev. 19(8), 995–1003 (2015).