Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Validierung eines Totalreflexions-Resonanz-Raman-Fluoreszenz-Detektors (TRR-FLD) für die Flüssigkeitschromatographie in der pharmazeutischen Qualitätskontrolle

Im Rahmen der Globalisierung haben sich ganze Produktionsketten verschoben. Viele Grundstoffe für die pharmazeutische Industrie werden im Ausland gefertigt. Eine Kontrolle wird immer schwieriger und die Medikamentenrückrufe haben sich in den letzten 10 Jahren verdoppelt. Die qualitätsgebundenen Kosten übersteigen inzwischen sogar die Reinvestitionskosten. Große Pharmaunternehmen sind zur Kostenoptimierung gezwungen und fragmentieren ganze Sparten. Hiervon können deutsche KMUs profitieren, sie stehen aber mit Niedriglohnländern in direkter Konkurrenz. Langfristig werden sich KMUs der deutschen Pharmabranche nur über hochqualifizierte Mitarbeiter und hochtechnologisierte Verfahren behaupten können.

Die beiden Forschungseinrichtungen entwickeln ein analytisches Verfahren auf Basis der zweidimensionalen Flüssigchromatographie in Kombination mit einem innovativen UV-Resonanz-Raman-Fluoreszenz-Detektor. Um die Empfindlichkeit des Raman-Streulichts zu erhöhen, werden signalverstärkende Effekte miteinander kombiniert. Erstens wird durch die laserinduzierte Anregung im UV-Bereich ein Resonanz-Effekt erzeugt, zweitens wird die Lichtausbeute durch den Einsatz einer totalreflektierenden Durchflusszelle stark erhöht. In dieser Kombination werden Raman-Signalverstärkungen von Faktor 10^3 bis 10^5 erwartet. Dies führt zu einem strukturaufklärenden Detektor mit der Sensitivität eines klassischen UV-Detektors. Neben dem Raman-Signal wird auch ein hochsensitives Fluoreszenzsignal detektiert. Dieses kann parallel zu den Raman-Signalen erfasst werden. Durch das zeitgleiche Auslesen der beiden Spektralbereiche kann eine sehr effiziente Echtzeit-Multidetektion innerhalb einer einzigen Durchflusszelle erzielt werden.

Neben dem angestrebten technologischen Vorsprung pharmazeutischer KMU in F&E, Produktion und Qualitätssicherung, käme die Entwicklung dieser neuartigen Detektionseinheit vielen kleinen und mittleren Analysengeräteherstellern entlang der gesamten Wertschöpfungskette zugute.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes konnte die Kopplung von UV-Raman und Flüssigkeitschromatographie erfolgreich demonstriert werden. Hieraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsgebiete im Bereich der pharmazeutischen Qualitätskontrolle, in der die Raman-Spektroskopie bisher eine untergeordnete Rolle spielte. Wie erwartet konnte durch die Verwendung eines UV-Lasers die Raman-Streustrahlung intensiviert werden, indem die Lichtstreuung aus dem energetisch höheren elektronisch angeregten Zustand erfolgt. Vor allem bei der Qualitätskontrolle von Biopharmazeutika, wie beispielsweise monoklonalen Antikörpern, kann das intensive Streulicht weniger aromatischer Aminosäuren gut genutzt werden, um Veränderungen in der Konformation und damit auch in der Wirksamkeit zu ermitteln. Unter Verwendung verschiedener chromatographischer Phasen (z.B. Größenfitrationschromatographie oder Hydrophobe Interaktionschromatographie) kann diese Untersuchung ohne zeit- und kostenintensive Probenvorbereitungsschritte Online erfolgen. Störende Bestandteile der Formulierung (z.B. Zuckermoleküle als Stabilisatoren) können so die Spektrenaufnahme nicht beeinflussen. Innerhalb dieses Forschungsprojektes wurde das immense Potential aus der Kombination von UV-Laser und resonanter Anregung bestätigt. Bei Vergleichsmessungen von sichtbarem und UV-Laser und einer Durchflussküvette, konnten für Proteine wie beispielsweise Daratumumab mit dem deutlich schwächeren UV-Laser (1 W zu ~ 0,5 mW) sehr gute Spektren aufgenommen werden. Es ist abzusehen, dass Laserleistung und Laserstabiliät im UV-Bereich in den kommenden Jahren verbessert werden. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse liefern einen innovativen Beitrag für eine technische Weiterentwicklung des Demonstrators zu einem Prototypen. Die Umsetzung der UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie als Detektionseinheit für die Flüssigkeitschromatographie im Bereich der Qualitätskontrolle von Biologika kann von KMU dann vollständig umgesetzt werden.