Algorithmus statt
Augenmaß
Schnelle, verlässliche Farbanalysen
nach Europäischer Pharmakopöe
mit Multi Data Report
Dr. Benjamin Thomas, Shimadzu Europa GmbH
Der Färbungsgrad ist ein wichtiges Qualitätskriterium für pharmazeutische Produkte. Farbe beeinflusst, wie wir Qualität, Frische und Sicherheit einer Flüssigkeit einschätzen. So kann ein bräunlicher Farbstich in klarem Wasser auf eine gefährliche Verunreinigung hinweisen. Genau deshalb wird die Farbintensität von Flüssigkeiten auch in Arzneibüchern wie der Europäischen Pharmakopöe (kurz: Ph. Eur.) genau geprüft.
In vielen Laboren erfolgt diese Prüfung noch per Augenmaß: Fachkräfte vergleichen Proben iterativ mit Referenzmustern. Das funktioniert – ist aber aufwendig, ermüdet die Augen, und die Qualität der Ergebnisse hängt von der richtigen Beleuchtung und der individuellen Farbwahrnehmung ab. Höchste Zeit für eine bessere Lösung!
Automatisieren und Tee trinken
Iro hat Kopfschmerzen. Tag für Tag muss die Pharmazeutisch-Technische Assistentin Proben nach Ph. Eur. analysieren. Erst mal eine Pause machen! Zur Entspannung kocht sie sich einen Tee – und hat beim Blick in die Tasse einen Gedanken: Wie wäre es, den mühseligen Arbeitsablauf zu automatisieren?
Ein fiktives Szenario, das aber in vielen Laboren so vorkommen könnte und als Inspiration gedient hat für eine intuitive Softwarelösung, die vielen Fachkräften das Leben leichter machen kann: der LabSolutions Multi Data Report (kurz: MDR). Er funktioniert unabhängig von Lichtbedingungen und persönlicher Wahrnehmung – fast so einfach wie Teekochen.
Nuancenreiche Palette: Ph. Eur.-Farbgrad und CIELAB-Farbkoordinaten
Die Europäische Pharmakopöe [1] unterscheidet 37 Farbgrade von Braun, Gelb und Rot in unterschiedlichen Abstufungen. Da es sich bei den qualifizierten Arzneimitteln um klare Flüssigkeiten handelt, sind alle beschriebenen Farben sehr blass und die Nuancen zwischen den einzelnen Standards ausgesprochen fein. Die rein visuelle Zuordnung ist daher unter Umständen schwierig, besonders bei schlechten Lichtverhältnissen oder eingeschränktem Sehvermögen.
Daher wurde bei einer Revision von Ph. Eur., Kapitel 2.2.2., alternativ die instrumentelle Zuordnung über CIELAB-Farbzahlen eingeführt. Der CIELAB-Farbraum stellt jede Farbe in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dar, wie in Abbildung 1 gezeigt.
Die L*-Achse beschreibt die Helligkeit. Reine Graustufen haben einen L*-Wert zwischen 0 (Schwarz) und 100 (Weiß). Alle anderen Koordinaten sind 0. Der Farbeindruck einer gefärbten Probe kann auf zwei Arten definiert werden:
- Polarkoordinaten C* und h°
- Kartesische Koordinaten a* und b*
L* wird als „Lightness Index“ (deutsch: Helligkeitsindex) bezeichnet, unabhängig davon, ob Polarkoordinaten oder kartesische Koordinaten verwendet werden. Die Polarkoordinate C* wird „Chroma“ genannt und h° „Hue Angle“ (deutsch: Farbton). Der Farbton h° charakterisiert den Winkel zur a*-Achse von rot (0°) über gelb (90°), grün (180°) und blau (270°). Der Farbeindruck wird intensiver mit größerem Chroma-Wert, d. h. mit größerem Abstand zur L*-Achse.
Die kartesischen Koordinaten wurden so intuitiv wie möglich definiert: Die a*-Koordinate beschreibt den roten (positive Werte) oder grünen (negative Werte) Farbeindruck, die b*-Koordinate den gelben (positive Werte) oder blauen (negative Werte) Farbeindruck.
Beide Varianten sind nach Ph. Eur., Kapitel 2.2.2., erlaubt, dürfen aber nicht vermischt werden. Der Farbunterschied ΔE zwischen jeder Probe und jedem Standard wird je nach verwendetem System mit Gleichung (1) oder Gleichung (2) berechnet:
Jeder Probe wird im Anschluss der Farbgrad der Referenzlösung mit dem kleinsten ΔE-Wert zugewiesen. Weist eine Probe beispielsweise zu jeder Referenzlösung einen größeren Farbunterschied auf als zu Referenzlösung R3, wird ihr der Ph. Eur.-Farbgrad R3 zugeordnet.
Automatisierung der Auswertung
Die rechnerische Bestimmung der Farbunterschiede im CIELAB-System reduziert die Einflüsse von Beleuchtung und persönlicher Farbwahrnehmung, da das Spektrometer unter Ausschluss von Streulicht mit reproduzierbaren Bedingungen misst. Die Berechnung von Farbzahlen ist inzwischen eine übliche Funktion der Gerätesoftware, wie in Abbildung 2 am Beispiel von LabSolutions UV-Vis gezeigt.
Das UV-1900i Plus mit LabSolutions DB Software wurde für den Einsatz in pharmazeutischen Laboren optimiert und erlaubt die zuverlässige Messung und Auswertung unter Einhaltung aller Regeln der Datenintegrität. Da jede Probe immer noch mit 37 Standards verglichen werden muss, ist die finale Auswertung jedoch weiterhin zeitraubend. Abhilfe schafft der optionale Multi Data Report im LabSolutions Manager.
Rohdaten aus mehreren Dateien – sogar von verschiedenen Geräten, wie UV-Vis, FTIR, LC und weiteren – können in einem einzelnen Multi Data Report zusammengefasst werden. In der Vorlage können auch Formeln und vergleichsweise komplexe Auswertungen hinterlegt werden, wie in einem Tabellenkalkulationsprogramm. Die Vorlage zur Auswertung nach Ph. Eur., Kapitel 2.2.2., wird im Bearbeitungsmodus in Abbildung 3 gezeigt und in der Applikationsnote SCA-100-28 [2] im Detail erläutert.
Das Besondere: Die Formeln und Platzhalter für Rohdaten werden in einer Vorlage vorbereitet, die je nach Rechtevergabe nur von bestimmten Personen im Unternehmen bearbeitet werden kann. Erst bei der finalen Erstellung des Berichts aus MDR-Vorlage und Rohdatensätzen werden die vorgegebenen Platzhalter mit Daten gefüllt und ein PDF-Dokument erstellt.
In diesem Beispiel werden die Namen und Farbzahlen der Proben und Referenzlösungen mit der DATAINFO()-Funktion ausgelesen. Die entsprechenden Werte der Proben werden in die Probentabelle kopiert, die Werte der Referenzlösungen in die Referenztabelle und zusätzlich in eine versteckte Hilfstabelle.
In dieser versteckten Tabelle werden die ΔE-Werte für jedes Paar aus Probe und Referenzlösung berechnet und im letzten Schritt wird mittels einer HLOOKUP()-Funktion zu jeder Probe die Referenzlösung mit dem geringsten Farbunterschied ermittelt. Die Tabellen werden dynamisch über die Definition von „Repeat Rows“ (deutsch: Wiederholungsreihen) erweitert, die genaue Anzahl der Proben im Bericht muss bei der Erstellung der Vorlage nicht unbedingt bekannt sein.
Sowohl die Vorlagen als auch die Rohdaten und finalen Berichte können digital signiert und gegen Manipulation geschützt werden. Eine manuelle Änderung von Formeln oder einzelnen Werten im Bericht ist nicht möglich. Alle Analyseschritte werden im Audit Trail dokumentiert.
Teatime: Beispielmessung von Minze bis Kamille
Als intuitives Beispiel für die Farbauswertung wurden verschiedene Teesorten untersucht. Die Druckvorschau des daraus erzeugten Multi Data Reports ist in Abbildung 4 für Chroma und Farbton und in Abbildung 5 für die kartesischen Farbkoordinaten gezeigt.
Der Status der elektronischen Signatur zu jedem Rohdatensatz ist in diesen Berichten klar erkennbar. Die exakten ΔE-Werte unterscheiden sich, je nachdem ob die Auswertung anhand von Chroma und Farbton oder anhand der kartesischen Farbkoordinaten erfolgt. Filtersetzungen in LabSolutions können verhindern, dass beide Arten der Auswertung unzulässig vermischt werden. Die konkreten Zuweisungen von Probe und Referenzlösung sind gleich, unabhängig davon, welche Art von Farbkoordinaten verwendet wurde.
Abbildung 6 zeigt die analysierten Teeproben und die zugeordneten Ph. Eur.-Farbgrade. Zur besseren Veranschaulichung sind die berechneten CIELAB-Farben jeder Probe und der zugehörigen Referenzlösung unter dem Foto dargestellt. Bei den analysierten Teesorten handelt es sich (von links nach rechts in Abbildung 6) um Minze (GY1), Italienische Limone (B1), Apfel (GY2), Kräutertee (GY1), Heidelbeere (R1), Waldbeere (R1) und Kamille (BY1), jeweils nach Anleitung zubereitet.
Für den praktischen Einsatz in einem Qualitätskontrolllabor lässt sich die Multi Data Report Vorlage mit wenigen Klicks um Pass-/Fail-Beurteilungen erweitern, indem der erwartete Farbgrad jeder Probe vor der Messung hinterlegt wird. Zur besseren Veranschaulichung der Ergebnisse kann außerdem eine bedingte Formatierung der Zellen definiert werden, wie sie aus üblichen Tabellenkalkulationsprogrammen bekannt ist.
Mithilfe des LabSolutions Multi Data Reports wurde die traditionell nach Augenmaß erfolgende Analyse des Farbgrads nach Ph. Eur. automatisiert. Zur Veranschaulichung wurden Teeproben gemessen: Die Farbzuordnung entspricht den Erwartungen. Die Automatisierung über LabSolutions vereinfacht nicht nur die Analyse für Anwender, sondern ermöglicht auch eine Überprüfbarkeit anhand digitaler Signaturen und Plausibilitätsprüfungen, die schnell und ohne spezielles Fachwissen implementierbar sind. Das erspart jede Menge Kopfschmerzen und lässt Zeit für eine entspannende Tasse Tee.
Quellen:
[1] European Pharmacopoeia Commission. European Pharmacopoeia (Ph. Eur.), 11. Ausgabe, Kapitel 2.2.2. Council of Europe, Strasbourg; 2022. (Online verfügbar: https://www.edqm.eu, Zugriff: 09.01.2026)
[2] Application Note SCA-100-028, Analysis of the Degree of Coloration of Liquids compliant to European Pharmacopeia, Shimadzu Europa 2025
Applikationsnotizen:
Analysis of the Degree of Coloration of Liquids Compliant to European Pharmacopeia
