Application examples

Failure analysis: Wrong choice of lubricants

Material analysis using TOF-SIMS in pharmacy: application examples

Pharmaceutical products exist in countless dosage forms: Tablets, capsules, coated tablets, powders, ointments, creams and plasters. Due to the excipients and active ingredients they contain, they are subject to the strictest quality requirements. The smallest impurities can impair efficacy, lead to undesirable side effects and jeopardize patient safety. The cause of such impurities can be foreign contamination from manufacturing or packaging processes. Instrumental analysis is an indispensable tool for testing the chemical composition of pharmaceutical products. The dosage forms, complex compositions and the combination of various excipients and active ingredients limit the choice of analytical methods. TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) offers a precise way of analyzing the material and damage of pharmaceutical products.

TOF-SIMS: Method for the analysis of pharmaceutical products

TOF-SIMS is a highly sensitive method in instrumental analysis that enables the chemical analysis of pharmaceutical products down to the trace level. In addition to the detection of active ingredients, additives and fillers, the method enables the detection and identification of contaminations and the mapping of the layer structure (galenics) – all without being restricted by the dosage form.

Results and imaging of TOF-SIMS analysis of pharmaceutical products

Im Bereich der Medizin werden quartäre Ammoniumverbindungen (QAV) täglich in großen Mengen eingesetzt. Neben der Verwendung als Konservierungsmittel oder Antiseptika kommen QAV in Krankenhäusern und medizinischen Einrichtungen als Desinfektionsmittel für Instrumenten, Räumen, Oberflächen und Böden zum Einsatz. Dabei bleiben Rückstände der QAV oft unsichtbar zurück, etwa auf medizinischen Geräten wie Arterienklemmen oder Implantatschrauben. Zudem können QAV auch als Aerosole in die Luft gelangen, und somit entweder direkt eingeatmet werden oder sich auf umliegenden Oberflächen ablagern.
Auch bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten können QAV auf Verpackungen gelangen oder sogar auf die Medikamente selbst gelangen. Folglich entstehen ungewollte Kontaminationen.

TOF-SIMS Spektrum einer Implantantschraubenoberfläche

Fallbeispiel 2: Lebensmittel

Auch in der Lebensmittelproduktion sind quartäre Ammoniumverbindungen (QAV) weit verbreitet. Bereits beim Anbau können beispielsweise QAV durch Pflanzenschutzmittel (Pestizide) oder Dünger in Kontakt mit pflanzlichen Lebensmitteln gelangen. In späteren Produktionsschritten bei der Weiterverarbeitung von pflanzlichen oder tierischen Produkten können weitere Kontaminationen durch Hand- oder Flächendesinfektion entstehen. Im weiteren Verlauf besteht das Risiko, dass QAV in fertige Produkte wie Speiseeis, Salate oder sogar in Getränke gelangen können. Besonders problematisch sind dabei fetthaltige oder proteinreiche Lebensmittel, da QAV aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften leicht an diese binden können.

BAC-Getränke-Spektrum
TOF-SIMS Spektrum eines Getränkerückstandes

Fallbeispiel 3: Materialschäden in der Industrie

Kabelummantelungen mit Rissbildung
Ein weiterer Aspekt der QAV-Belastung ist, dass neben der Gefährdung der Umwelt auch Materialien aus dem Alltag beeinträchtigt werden können. Neben der gezielten Anwendung als antimikrobielles Mittel oder Antistatikum können QAV unbeabsichtigt auf Oberflächen verschiedenster Produkte gelangen. Besonders bei Anreicherungen von QAV kann es zu schwerwiegenden Materialschäden kommen. In der Schadensanalytik werden dabei diverse Schadensbilder wie Risse, Blasenbildung oder Schichtablösung bei Kunststoffen und/oder Lacksystemen beobachtet.
Mikrorisse in Lichtleiter
Die Kombination aus mechanischer Belastung und der Oberflächenbelegung mit QAV kann zu Spannungsrisskorrosionen (ESC, Enviromental stress cracking) führen. Ein Beispiel ist die Beschädigung von Kabelummantelungen in Krankenhäusern durch regelmäßige Reinigung mit QAV-haltigen Mitteln oder die Rissbildung bei Lichtleitern (Polycarbonat) aus dem Fahrzeuginnenraum.
TOF-SIMS Spektrum "Blasenbildung im Lacksystem"

Summary of results: TOF-SIMS for precise damage analysis and quality control

Precise chemical analyses using TOFSIMS down to the µm range enable the reliable identification of chemical substances. In this way, the cause of quality deviations such as impurities, discoloration, residues, foreign particles and other material defects can be found.

Contact us if you have any questions about the chemical composition and layer structure of your pharmaceutical products. We support you in troubleshooting and damage analysis as well as in monitoring the long-term stability (degradation) of your products. Our team will be happy to help you with any questions or problems you may have – also in other sectors.

Veröffentlichungen

¹H. Feld, N. Oberender in Hygiene & Medizin, 43-5 (2018) D37-D45: “Die unkontrollierte Verbreitung von quartären Ammoniumverbindungen (QAV) in Alltagsprodukten sowie in medizinischen und industriellen Bereichen – kritisch für Mensch, Material und Umwelt.

²H. Feld in Oberflächen Polysurfaces, 5/16 (2016) 6-11: Problematische Verbreitung von quartären Ammoniumverbindungen in Alltagsprodukten