Röntgenverfahren im Labormaßstab sind seit Langem die Grundlage der Materialanalyse und der industriellen Messtechnik. Geht es jedoch darum, kristalline Fremdphasen bis hinunter zu 0,01 Gew.-% nachzuweisen, die lokale atomare Ordnung in stark ungeordneten Nanomaterialien zu untersuchen oder chemische Vorgänge in komplexen Umgebungen im Subsekundenbereich zu verfolgen, reichen Brillanz und Energieauflösung herkömmlicher Laborquellen nicht aus.
Genau für solche Messungen sind Synchrotronstrahlungsquellen ausgelegt, einschließlich der Anlagen der vierten Generation. Da sie eine um viele Größenordnungen höhere Photonenflussdichte erzeugen als herkömmliche Röntgenröhren, bieten Synchrotrons:
Durchstimmbare Energie: Stufenlose Wahl der Photonenenergie vom weichen bis zum harten Röntgenbereich, um gezielt elementspezifische Absorptionskanten anzuregen und die Eindringtiefe zwischen Oberfläche und Volumen einzustellen.
Hohe Ortsauflösung: Mikro- und nanofokussierte Strahlgrößen für die ortsaufgelöste Kartierung heterogener Grenzflächen und dreidimensionaler innerer Strukturen im Submikrometerbereich.
Hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis und hoher Durchsatz: Die hohe Brillanz senkt die Nachweisgrenzen und verkürzt die Messdauer von Stunden auf Sekunden.
Für Entwicklungs- und Qualitätssicherungsteams in der Industrie war der Zugang zu Synchrotronanlagen bislang schwierig: Wer auf dem üblichen akademischen Weg Messzeit beantragt, durchläuft in der Regel ein Begutachtungsverfahren und muss mit unvorhersehbaren Wartezeiten rechnen, die sich selten mit industriellen Projektzeitplänen vereinbaren lassen. Measurlabs bietet Industriekunden weltweit Zugang zu modernsten Synchrotron-Beamlines – über eine zentrale Anlaufstelle und mit planbaren Bearbeitungszeiten von 2–4 Wochen.
Dieser Artikel stellt mehrere synchrotronbasierte Analysemethoden und ihre Vorteile gegenüber Labormethoden vor. Er stützt sich dabei auf Erfahrungen aus Projekten, die Measurlabs für Kunden aus der Pharmaindustrie, der Nanotechnologie und der chemischen Industrie durchgeführt hat.
Die Methoden im Überblick
Die einzelnen Röntgenmethoden am Synchrotron liefern unterschiedliche Informationen über die chemische Zusammensetzung und die Nanostruktur von Materialien. Für eine umfassende Charakterisierung einer Probe sind daher oft mehrere Methoden erforderlich. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Informationen, die mit den von Measurlabs angebotenen Synchrotronmethoden gewonnen werden können.
Tabelle 1: Informationsgehalt ausgewählter Synchrotron-Röntgenmethoden
Methode | Gewonnene Informationen |
Synchrotron-Röntgenbeugung (XRD) | Identifizierung und Quantifizierung kristalliner Phasen und des amorphen Gesamtanteils, Bestimmung von Gitterparametern, Kristallitgröße und Mikroverzerrungen. |
Synchrotron-Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS, NAP-XPS) | Elementzusammensetzung und chemische Bindungszustände. Mit NAP-XPS lassen sich chemische Veränderungen in Echtzeit unter nahezu Umgebungsbedingungen verfolgen, während die konventionelle XPS Ultrahochvakuum erfordert. Durch die durchstimmbare Photonenenergie lässt sich die Informationstiefe variieren. |
Röntgenkleinwinkel- und Ultrakleinwinkelstreuung (SAXS/USAXS) | Partikelgröße, -form und Größenverteilung von Nanopartikeln im Bereich von ca. 0,1 nm bis 6,3 µm. |
Röntgenweitwinkelstreuung (WAXS) | Kristallinitätsgrad teilkristalliner Materialien, interatomare Abstände und Netzebenenabstände, Orientierung von Fasern und Kristallen (z. B. in ultrahochmolekularen Polymeren). |
Röntgen-Nahkantenabsorptionsspektroskopie (XANES) | Oxidationsstufen, Koordinationszahlen, lokale Koordinationssymmetrie und elektronische Struktur. |
Kantenferne Röntgenabsorptionsfeinstruktur (EXAFS) | Interatomare Abstände, Koordinationszahlen und Art der Nachbaratome in der lokalen atomaren Umgebung. |
Paarverteilungsfunktion (PDF) | Sämtliche atomaren Paarkorrelationen in kristallinen, nanokristallinen und amorphen Materialien, einschließlich Phasenbestätigung und Bestimmung der Kristallitgröße bei Nanopartikeln, die für eine zuverlässige XRD-Charakterisierung zu klein sind (unter 5–10 nm). |
Synchrotron-Computertomographie (CT) | Dreidimensionale innere Struktur intakter Bauteile bei Voxelgrößen im Submikrometerbereich, einschließlich Porosität, Hohlräumen, Rissen, Einschlüssen und Delaminationen. Die Phasenkontrastbildgebung macht dünne Grenzflächen und die Kontinuität von Schichten sichtbar; Proben lassen sich zerstörungsfrei direkt durch versiegelte oder sterile Verpackungen abbilden. |
Die folgenden Beispiele zeigen, wie diese Methoden in verschiedenen Branchen in der Praxis eingesetzt werden.
Anwendungsbeispiel 1: Vergleichende Charakterisierung von Arzneimitteln
Bevor Generika auf den Markt kommen, müssen die Hersteller nachweisen, dass sie ebenso sicher und wirksam sind wie das zugelassene Referenzarzneimittel. Neben klinischen Bioäquivalenzstudien kann dafür eine umfangreiche vergleichende physikalisch-chemische Charakterisierung des neuen und des bestehenden Präparats erforderlich sein – insbesondere dann, wenn die Zulassungsbehörden den Wirkstoff oder das Fertigarzneimittel als komplex einstufen.
Das gilt beispielsweise für intravenös verabreichte Eisen(III)-carboxymaltose-Präparate, für deren Zulassung durch die US-Arzneimittelbehörde FDA und die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) eine Charakterisierung auf molekularer Ebene erforderlich ist.1 Die benötigten Daten lassen sich mit einer Kombination mehrerer Synchrotron-Röntgenmethoden gewinnen: XANES, EXAFS, hochauflösende Pulver-Röntgenbeugung, PDF und SAXS. Dazu gehören die Oxidationsstufen der Eisenspezies, Größe, Morphologie und polymorphe Form des Eisenkerns, die Partikelgrößenverteilung sowie die Eigenschaften der amorphen Kohlenhydrathülle.
Anwendungsbeispiel 2: Stoffidentifizierung und -charakterisierung für die REACH-Registrierung von UVCB-Stoffen und Nanoformen
Nach der REACH-Verordnung müssen Hersteller und Importeure chemischer Stoffe bei der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA) ein Registrierungsdossier einreichen, dessen Analysedaten zur eindeutigen Identifizierung des Stoffes ausreichen. Besonders anspruchsvoll ist diese Anforderung bei UVCB-Stoffen – Stoffen mit unbekannter oder variabler Zusammensetzung, komplexen Reaktionsprodukten und biologischen Materialien –, deren vollständige Zusammensetzung sich naturgemäß nur schwer bestimmen lässt.2 Die Synchrotron-Röntgenbeugung eignet sich besonders gut zur Identifizierung anorganischer UVCB-Stoffe, etwa von Aschegemischen, metallurgischen Schlacken oder Zementklinker: Dank ihrer hohen Auflösung lassen sich auch kristalline Spurenphasen nachweisen, sodass die kristallinen Bestandteile und ihre Mengenanteile im REACH-Dossier detailliert dokumentiert werden können.
Um nanospezifische Eigenschaften und mögliche Gefahren zu berücksichtigen, erfordern Nanomaterialien nach REACH und anderen EU-Rechtsvorschriften, etwa dem Lebensmittel- und Kosmetikrecht, zudem eine umfangreichere physikalisch-chemische Charakterisierung als herkömmliche Materialien. Synchrotronmethoden können dabei Informationsanforderungen zu Eigenschaften wie Kristallstruktur (XRD), Partikelgröße (SAXS) und Redoxpotenzial (XANES und EXAFS) erfüllen.3 Insbesondere bei amorphen oder teilamorphen Nanomaterialien sind empfindlichere Methoden und oft eine Kombination mehrerer Verfahren erforderlich, um die Nanostruktur mit ausreichender Sicherheit zu bestimmen.4
Anwendungsbeispiel 3: Nanostrukturanalyse von Polymeren für F&E und Schadensanalyse
Nanostrukturelle Eigenschaften wie Faserorientierung und Kristallinitätsgrad können das mechanische Verhalten technischer Kunststoffe, etwa von ultrahochmolekularem Polyethylen (PE-UHMW), maßgeblich beeinflussen. Daher empfiehlt es sich, sie bereits in der Entwicklungsphase zu untersuchen, um die Produkteigenschaften zu optimieren. Dieselben Eigenschaften lassen sich auch bei der Schadensanalyse von Polymerbeschichtungen und Nanokompositen untersuchen: Abweichungen von der erwarteten Struktur zwischen verschiedenen Chargen oder zu verschiedenen Zeitpunkten während oder nach der Herstellung können Hinweise auf die Schadensursachen liefern.
Da Polymere häufig nur schwache oder diffuse Röntgenstreusignale erzeugen, sind für eine zuverlässige Auswertung oft die höhere Strahlintensität und Auflösung von Synchrotronquellen erforderlich. Mit WAXS am Synchrotron lassen sich Faserorientierung und Dehnung bestimmen, während SAXS den Lamellenabstand auflöst und Lamellenverdickungen nachweist, die auf thermische Alterung oder Tempern hinweisen können. Chemische Veränderungen an Polymer- und Nanokompositoberflächen unter realitätsnahen Umgebungsbedingungen lassen sich darüber hinaus mit NAP-XPS am Synchrotron verfolgen.
Anwendungsbeispiel 4: In-situ-Schadensanalyse an Oberflächen mikroelektronischer Beschichtungen unter kontrollierter Atmosphäre
Funktionale Mikrokomponenten wie Mikrosensoren, passivierte Halbleiter und oxidische Verkapselungsschichten zeigen im Betrieb unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen häufig einen Leistungsverlust, dessen Ursache zunächst unklar ist. Um sie aufzuklären, müssen in der Regel Veränderungen des chemischen Zustands in den obersten 1–3 nm der Probenoberfläche analysiert werden. Die konventionelle XPS im Labormaßstab erfordert jedoch Ultrahochvakuum (UHV), sodass sich nicht direkt beobachten lässt, wie das Material unter realen Betriebsbedingungen mit den umgebenden Gasen wechselwirkt.
Die XPS bei nahezu Umgebungsdruck (NAP-XPS) am Synchrotron überwindet diese Einschränkung, da sie Rumpfniveau-Photoelektronenspektroskopie bei Gasdrücken im Millibarbereich ermöglicht. In Schadensanalysen lassen sich so Bauteile, die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt waren – etwa Edelgas- oder Luftatmosphäre bei verschiedenen Temperaturen –, in situ unter kontrollierten Gasatmosphären untersuchen, um die genauen chemischen Ursachen des Leistungsverlusts zu ermitteln.
Anwendungsbeispiel 5: Zerstörungsfreie 3D-Mikrostrukturanalyse von Mikrobaugruppen in Optoelektronik und Halbleitertechnik
Präzisionsmikrobaugruppen wie integrierte photonische Bauelemente, Halbleitergehäuse und mikrooptische Sensoren setzen eine Ausrichtung im Submikrometerbereich und dünne organische Klebeverbindungen (1–2 µm) zwischen Schichten aus Quarzglas, Silizium und Metall voraus. Die Prüfung von Schichtkontinuität und Grenzflächenintegrität mit Labor-Röntgen-CT ist durch die geometrische Vergrößerung begrenzt: Sie beschränkt den Probendurchmesser auf den Submillimeterbereich und erfordert das Aufschneiden intakter Bauteile. Zudem liefert die Absorptions-CT im Labor kaum Kontrast zwischen organischen Klebstoffen aus leichten Elementen und dem umgebenden Quarzglas oder Silizium.
Die Synchrotron-Mikro-CT (SR-µCT) überwindet diese Einschränkungen dank Parallelstrahlgeometrie und hohem Photonenfluss. Mit lokaler ROI-Tomographie (Region of Interest) werden in intakten, 10 mm großen Baugruppen isotrope Voxelgrößen bis hinunter zu ca. 0,4 µm erreicht, ohne die Probe aufzuschneiden. Die propagationsbasierte Phasenkontrastbildgebung (PPCI) nutzt die Brechung der Röntgenstrahlung, um den Kantenkontrast an Materialgrenzen zu verstärken, und macht so 1–2 µm dünne Klebeschichten und Delaminationen an Grenzflächen sichtbar. Die hohe Brillanz ermöglicht zudem 3D-Aufnahmen direkt durch versiegelte, reinraumtaugliche Verpackungen, sodass eine Kontamination der Probe vermieden wird.
Unsere Synchrotronanalysen
Measurlabs bietet Zugang zu einem breiten Spektrum synchrotronbasierter Analysemethoden für die Charakterisierung in Pharmazie, Nanotechnologie und Chemie, für die regulatorische Stoffidentifizierung sowie für die Materialentwicklung. Häufig nachgefragt werden unter anderem:
Charakterisierung von Eisen(III)-carboxymaltose mit Synchrotron-Röntgenmethoden (XANES, EXAFS, HR-XRD, PDF und SAXS)
Synchrotron-Röntgenbeugung für die Stoffidentifizierung von UVCB-Stoffen (qualitative und quantitative Phasenanalyse)
PDF-Analyse zur Bestimmung der lokalen atomaren Struktur amorpher oder nanostrukturierter Materialien
NAP-XPS am Synchrotron zur In-situ-Analyse der Oberflächenchemie von Polymeren und Nanokompositen
SAXS und WAXS am Synchrotron zur Nanostrukturanalyse von Polymeren und Nanopartikeln
CT am Synchrotron zur zerstörungsfreien 3D-Bildgebung von Mikrobaugruppen und anderen intakten Bauteilen
Beschreiben Sie Ihre Analyseanforderungen über das untenstehende Formular – unser Team meldet sich innerhalb eines Arbeitstages bei Ihnen.
Quellenverzeichnis:
1 Siehe FDA, Draft Guidance on Ferric Carboxymaltose, und EMA, Reflection paper on the data requirements for intravenous iron-based nano-colloidal products developed with reference to an innovator medicinal product (beide nur in englischer Sprache verfügbar).
2 Die Informationsanforderungen sind in Anhang VI der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) festgelegt. Weitere Informationen enthalten die Leitlinien zur Identifizierung und Bezeichnung von Stoffen gemäß REACH und CLP der ECHA.
3 Nähere Angaben zu den zu bestimmenden Eigenschaften und den empfohlenen Analysemethoden enthalten Tabelle 2 der Guidance on the safety assessment of nanomaterials in cosmetics des Wissenschaftlichen Ausschusses „Verbrauchersicherheit“ (SCCS) sowie Tabelle B.1 der Guidance on risk assessment of nanomaterials to be applied in the food and feed chain: human and animal health der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) (beide nur in englischer Sprache verfügbar).
4 Abschnitt 3.1.2.2 des Appendix for nanoforms applicable to the Guidance on Registration and Substance Identification der ECHA nennt eine Kombination aus Röntgenbeugung und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XANES und EXAFS) als eine Möglichkeit zur Charakterisierung amorpher oder teilamorpher Nanoformen.