Petra Monika Fechner

Raman-Spektroskopie und Atmosphärische Rasterelektronenmikroskopie - Charakterisierung pharmazeutischer Hilfsstoffe

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 08.12.2005

Abstract
Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals die pharmazeutischen Hilfsstoffklassen der Cellulosen und Stärken mittels Raman-Spektroskopie und atmosphärischer Rasterelektronenmikroskopie (ESEM) untersucht. Sowohl die Raman-Spektroskopie als auch die ESEM-Technik ermöglichen die Untersuchung der Einflüsse von Wasser auf das Verhalten der Substanzen.
Die Raman-Spektroskopie hat sich in Bezug auf pharmazeutische Hilfsstoffe als geeignete Methode zur Charakterisierung molekularer Eigenschaften auch polarer Verbindungen erwiesen. Sowohl die Differenzierung verschiedener Materialien und Zustände als auch Wassereinflüsse auf Pulver, Gele oder Filme konnten gezeigt werden.
Für die Charakterisierung auf morphologischer Ebene stand die ESEM-Technik zur Verfügung. Eine bessere Auflösung und Tiefenschärfe sind entscheidende Vorteile gegenüber der Lichtmikroskopie. Die für die konventionelle REM notwendige Probenpräparation entfiel und zeitnahe Untersuchungen zu Herstellungsprozessen, Experimente an unveränderten Proben sowie in situ-Experimente wurden durchgeführt.
Die einzelnen Substanzen wurden mittels Cluster-Analyse aufgrund der molekularen Unterschiede klassifiziert. Nach Extrusion der Cellulosen wurden morphologische Unterschiede mithilfe der ESEMTechnik beobachtet. In diesem Zusammenhang wurde durch die Raman-Spektroskopie die veränderte Wasserbindung in Abhängigkeit des verwendeten Wassergehaltes gezeigt. Die Gelbildung der Celluloseether wurde mithilfe der Raman-Spektroskopie charakterisiert. Die Stärken zeigten Unterschiede im Retrogradationsverhalten der Gele und im Quellungsverhalten der Filme.

Within the scope of this thesis pharmaceutical excipients like cellulose and starch were analyzed using Raman spectroscopy and environmental scanning electron microscopy (ESEM). Raman spectroscopy as well as ESEM allows studying the influence of water on the behavior of these substances.
Raman spectroscopy was proved to be a suitable tool to characterize molecular properties also for polar substances. Both the differentiation of materials or conditions and the influence of water on powders, gels, or films were shown.
ESEM was used for the characterization on the morphological level. Improved resolution and depth of focus are the main advantages over light microscopy. A sample preparation known from classic scanning electron microscopy is not needed and contemporary analysis of production processes, experiments with unaltered samples, and in situ-experiments were performed.
Substances were classified due to molecular varieties via cluster analysis. Morphological differences after the extrusion of celluloses were observed using the ESEM technique. In this regard a changed binding of water depending on the water content was shown by Raman spectroscopy. Furthermore, the gelation of cellulose ethers was characterized by means of Raman spectroscopy. Starch gels show differences within the process of retrogradation and starch films have a different behavior during swelling.

Keywords:
Raman-Spektroskopie, Atmosphärische Rasterelektronenmikroskopie, Stärke, Cellulose, Pharmazeutischer Hilfsstoffe

Raman spectroscopy, environmental scanning electron microscopy, starch, cellulose, pharmaceutical excipients

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis, Symbolverzeichnis (1, i-iv)
1 Einleitung und Zielstellung (1-3)
2 Raman-Spektroskopie (4-14)
3 Atmosphärische Rasterelektronenmikroskop (15-21)
4 Pharmazeutische Hilfsstoffe (22-36)
5 Ergebnisse (37-44)
6 Zusammenfassung und Ausblick (45)
7 Literatur (46-60)
8 Anlage (Veröffentlichte Originalarbeiten) (61)