Раман и БИК спектроскопия. Идентификация лекарственных средств методом ближней инфракрасной спектроскопии Создание библиотеки спектров

Преимущества спектроскопии БИК

• Простота проведения измерений
• Высокая точность и воспроизводимость анализа (точность анализа определяется качеством обработки спектра, люфтами и точностью калибровки механических частей, калибровкой источника излучения)
• Нет загрязнений
• Возможность проведения измерений через стеклянную и пластиковую упаковку
• Автоматизация измерений. Используется программа OPUS. Работа с данной программа требует высокой квалификации пользователя
• Перенос метода с одного прибора на другой
• Анализ физических и химических свойств

Преимущества рамановской спектроскопии

• Не требуется предварительной подготовки образца
• Вследствие отсутствия механических частей и более определенных спектральных характеристик, измерения рамановских спектров существенно проще чем БИК
• Измерение методом рамановской спектроскопии рассматривается в качестве отпечатков пальцев химических веществ (т.е. самое точное из существующих на сегодняшний день). Отсутствие подвижных частей и независимость рамановского спектра от флуктуаций частоты и интенсивности излучателя обеспечивают сверхвысокую повторяемость измерений.
• Нет загрязнений
• Существует возможность проведения измерений через стеклянную (в том числе из цветного стекла) и пластиковую упаковку, причем идентификация отдельных элементов (упаковки и лекарств) существенно надежней чем в методе БИК
• Автоматизация измерений. Создан пользовательский программный интерфейс, позволяющий оперировать прибором неподготовленному пользователю. Программа легко адаптируется под конечного пользователя. Данный пункт очень важен для работы фармацевтов и медиков
• Спектры рамановского рассеяния, снятые на двух различных приборах с одинаковым спектральным разрешением всегда совпадают. Поэтому проблемы переноса метода не существует
• Возможен более точный анализ физических и химических свойств исследуемых веществ, так как в методике БИК измеряются обертоны фундаментальных колебаний, прямое получение физической информации из энергии и сечения рассеяния которых весьма затруднительно, если не невозможно. В рамановской спектроскопии проводится анализ самих фундаментальных колебаний молекул химических веществ, полная информация о которых либо уже доступна, либо может быть получена простыми экспериментальными и теоретическими методами

Характеристики приборов

БИК

• Быстрота (обычно 5 – 10с)
• Компактные размеры
• Разрешение, определяемое шириной исследуемых линий (около 100 см-1)
• Минимальное количество вещества для анализа примерно 0.1 мг
• Не существует базы данных. Метод появился недавно и калиброванных спектров БИК чрезвычайно мало. Это означает, что должна быть проведена огромная работа (выполненная квалифицированным персоналом) по созданию соответствующей базы данных лекарственных препаратов

ИнСпектр

• Быстрота (обычно менее 1 с)
• Портативный рамановский комплекс ИнСпектр имеет существенно меньшие размеры и вес чем БИК спектрометр
• Разрешение, определяемое шириной исследуемых линий (около 6 см-1). Это означает, что можно идентифицировать значительно большее количество веществ
• Минимальное количество вещества для анализа примерно 0.001 мг (т.е. в 100 раз меньше). Это связано с лучшей чувствительностью приемной системы в видимом диапазоне
• Метод хорошо проработан. Накоплена база данных калиброванных спектров большого количества лекарственных препаратов и химических веществ

В число современных методов оценки качества лекарственного сырья и готовых препаратов входит спектрометрия в ближней инфракрасной области. Метод обладает рядом существенных преимуществ, среди которых:

• Единовременный анализ различных компонентов сложных смесей, включая информацию об их концентрации. Так, например, с помощью данного метода можно проанализировать процентное содержание воды, органических растворителей и иных составляющих в микрогетерогенных системах, таких как эмульсии типа «масло в воде» или «вода в масле».
• Возможность организации дистанционного контроля образцов в режиме реального времени непосредственно в технологическом потоке (дистанционный контроль). Для этих целей используются стационарные или переносные спектрометры. Стационарные приборы устанавливаются в производственных помещениях фармацевтических предприятиях, где их интегрируют непосредственно в технологические линии, монтируя датчики над лентами транспортеров, в химических ректорах, смесительных камерах. Это позволяет получать информацию в режиме онлайн и использовать полученные данные в АСУ. Переносными БИК-спектрометрами на аккумуляторах чаще всего оснащаются передвижные лаборатории контроля качества ЛС.

Способы получения спектров в БИК-области

В ближней инфракрасной области спектры получают с помощью пропускания или диффузного отражения.

Метод пропускания может быть использован для анализа как жидких, так и твердых веществ. При этом жидкости помещаются в кюветы или другие специализированные емкости, которыми комплектуется прибор. Такие измерительные сосуды могут выполняться из обычного или кварцевого стекла. Для исследования методом пропускания твердых образцов может применяться щуп или сфера.

Однако анализ по методу диффузного отражения с помощью зонда имеет ряд существенных преимуществ, так как дает возможность получить более детальный спектр и более точные результаты. Обеспечивается это за счет того, что наклонная плоскость наконечника оптоволоконного зонда сводит к минимуму зеркальный эффект, позволяя рассеивать большее количество света. Кроме того, в оптоволоконную оптику можно интегрировать модуль для считывания штрих-кодов с упаковки образца. Также необходимо отметить, что только с помощью щупа возможна идентификация проб, дистанционированных от самого прибора.

Для тестирования образцов с низкой рассеивающей и отражающей способностью используется комбинированный метод «пропускания-отражения». Для этого необходимы кюветы и датчики специальной конструкции, благодаря которым поток лучей проходит через анализируемый образец дважды.

Кроме того, в ближней инфракрасной области можно получить спектры «взаимодействия».

Проблемы БИК-спектрометрии и способы их устранения

К основным проблемам данного аналитического метода в фармацевтической отрасли в течение длительного времени относилась сложность анализа спектра, отличающегося менее интенсивными и относительно более широкими полосами поглощения по сравнению с фундаментальными полосами в средней части инфракрасной области.

Объединение математических методов обработки данных (хемометрии) с результатами инструментального анализа позволило нивелировать данный недостаток. Для этих целей современные анализаторы оснащаются специальными пакетами программ, основанных на кластерном или дискриминантном способе обработки результатов.

Для того чтобы в хемометрическом анализе можно было учитывать различные возможные источники изменения спектра, на фармацевтических предприятиях создаются специальные библиотеки спектров с учетом производителя сырья, технологического процесса его изготовления, однородности материала из различных серий, температуры, режима получения спектра и иных факторов.

Согласно европейским нормативным требованиям, для составления библиотек необходимо исследование не менее 3-х образцов лекарственной субстанции с получением 3-х и более спектров.

Еще одна возможная проблема – вероятность изменения спектра вследствие конструктивных особенностей БИК-спектрометра – решается с помощью квалификации прибора в соответствии с фармакопейными требованиями.

О чем необходимо помнить при проведении исследования

При БИК-спектроскопии жидких и иных термически лабильных образцов характер спектра зависит от степени его нагрева. Разница всего в несколько градусов способна существенно менять спектр. Этот момент необходимо учитывать при разработке рецептуры и отработке технологии. Например, при создании нового лекарственного препарата или косметического средства с использованием пилотного лабораторного гомогенизатора нередко требуется нагрев гомогенизируемой смеси. Образец полученноц таким способом эмульсии перед исследованием в БИК-спектрометре необходимо охладить.

При исследовании порошкового сырья наличие остаточных количеств растворителей (воды и др.) способно оказать влияние на результаты анализа. Поэтому в фармакопейных статях указывается необходимость и технология высушивания таких образцов. На результаты спектроскопии в области ближнего инфракрасного излучения влияет толщина слоя порошка, от которой напрямую зависит степень пропускания. Чем толще слой, тем выше поглощение. Поэтому если задача тестирования – сравнить различные образцы с помощью метода пропускания, то необходимо подготовить пробы с одинаковой толщиной слоя или учитывать этот показатель при сравнении полученных результатов. Если же анализируется степень отражения, то толщина слоя может быть любой (но не менее глубины проникновения луча). Чтобы проанализировать с помощью метода диффузного отражения навеску порошка, толщина слоя которой меньше глубины проникновения луча, образец необходимо экранировать. Кроме того, характеристики спектра зависят от оптических свойств, плотности, полиморфизма исследуемых материалов.

Спектрометр MicroNIR™ Pro - это сверхкомпактный, сверхлегкий и доступный по цене БИК-спектрометр, сочетающий в себе высокопрецизионные оптические компоненты Viavi OSP и самые передовые технологии миниатюризации оптической схемы и прибора в целом. Спектрометр MicroNIR™ Pro - это идеальное решение для различных применений, сочетающее в себе хороший показатель цены и качества, а также простоту использования. Благодаря самому компактном размеру и легкой массе из всех коммерчески доступных решений, БИК-спектрометр MicroNIR™ Pro можно легко и напрямую встроить в большинство аппаратов производственных линий, таких как сушилки псевдокипящего слоя, смесители, роликовые уплотнители, таблетировочные машины для контроля за уровнем влажности или наблюдением за окончанием технологической операции. Сверхкомпактный форм-фактор спектрометра также позволяет применять его в полевых криминалистических исследованиях для идентификации взрывчатых и наркотических веществ.

Обзор технологий

Мобильные и встраиваемые решения для спектрального анализа в ближней ИК-области в настоящее время применяются для качественного и количественного анализа твердых веществ, жидкостей и газов, и идеально подходят для пищевой промышлености и сельского хозяйства, фармацевтической и химической промышенности, а также для экологических исследований. При этом, компактный размер БИК-спектрометра весьма востребован, поскольку именно такие приборы удобно применять в полевых условиях, а также встраивать в промышленные реакторы и машины.

Для изготовления оптического модуля спектрометров MicroNIR применяется запатентованная технология напыления тонкопленочных линейно-перестраиваемых фильтров (LVF). Даные фильтры выступают в роли диспергирующего элемента спектрометра и представляют собой особое тонкое клиновидное одностороннее покрытие. Поскольку длина волны максимума полосы поглощения зависит от толщины покрытия
светофильтра, клиновидная форма LVF-фильтра позволяет пропускать длины волн света последовательно. Таким образом, все оптические решения компании Viavi представляют собой LVF-фильтры, непосредственно совмещеные с диодно-матричным детектором.

Линейно-перестраиваемый фильтр с диодно-матричным детектором, источники света, вспомогательные оптические компоненты и электроника находятся в едином и очень компактном корпусе, обеспечивая непревзойденную гибкость встраиваемых решений и мобильность при полевых работах.

В зависимости от режима измерения и типа образцов спектрометры MicroNIR TM 1700 ES могут комплектоваться различными аксессуарами:

• Держатель виал для анализа порошков и некоторых жидкостей
• Манжета (включена в стандартную комплектацию) необходима для защиты оптики спектрометра и установки оптимального фокусного расстояния
• Манжета с дополнительным защитным окошком служит для анализа порошков, запакованных в пластиковые пакеты.
• Модуль для измерения пропускания необходим для анализа жидкостей и тонких пленок.

БИК-спектрометр MicroNIR™ OnSite

БИК-спектрометр MicroNIRTM OnSite - это специальная защищенная версия спектрометра MicroNIR™ 1700 ES, изготовленная в соответствии со стандартом безопасности IP65.Этот спектрометр рекомендуется использовать в экспедиционных условиях, а также при работе в складских помещениях и при криминалистических исследованиях - во всех случаях, где необходима надежная защита от влажности и пыли.
Для еще более безопасной эксплуатации рекомендуется использовать этот спектрометр совместно с защищенными по стандарту IP65 планшетными компьютерами или ноутбуками. Специальная мобильная версия программного обеспечения служит для быстрого и точного количественного анализа и идентификации неизвестных веществ.

БИК-спектрометры MicroNIR™ PAT USB / USB Extended

MicroNIR™ PAT USB и MicroNIR™ PAT USB Extended - это БИК-спектрометры в индустриальном исполнении, предназначенные для установки в промышленное оборудование любого размера. Эти приборы поставляются в защищенном корпусе (в соответствии с IP65), изготовлены из нержавеющей стали марки SS316 для легкой процедуры очистки, и практически не требуют сервисного обслуживания.

БИК-спектрометр MicroNIR™ PAT WE

БИК-спектрометр MicroNIR™ PAT WE - это самое мобильное решение в области портативных промышленных БИК-анализаторов. Для обеспечения быстрых и точных результатов измерений в компактном алюминиевом корпусе расположен спектрометр (с измерительным портом из нержавеющей стали SS316), литий-ионная батарея питания, WiFi-модуль и акселерометрические датчики. Данный прибор можно установить на подвижные части промышленых аппаратов.

Ключевые особенности:

• В конструкции спектрометра отсутствуют подвижные компоненты.
• Для работы не используются дорогостоящие оптоволоконные кабели.
• Корпус анализатора изготовлен из алюминия и нержавеющей стали SS316 и защищен от влаги и пыли в соответстви с IP65.
• Сменная литий-ионная аккумуляторная батарея обеспечивает до 8 часов непрерывной работы.
• 9-осная система ориентации, включающая в себя акселерометр, магнетометр и гироскоп позволяет полностью скомпенсировать измерения в том случае, если прибор установлен на движущемся или вращающемся аппарате.

Обзор программного обеспечения

Программное обеспечение MicroNIR™ Pro представляет собой интуитвно-понятный пользовательский интерфейс, адаптированный к современным персональным и мобильным компьютерам, в том числе и снабженных тачскринами. Данное ПО позволяет не только управлять спектрометрами, но и осуществлять разработку методов измерения и построение калибровочных моделей для качественного и количественного анализа. Программное обеспечение полностью соответствует 21 CFR Часть 11, имеет многоуровневую структуру организации доступа и снабжено всеми необходимыми инструментами для хранения большого числа данных и проведения аудита.

Данные, полученные с помощью ПО MicroNIR™ PRO, можно легко импортировать в мощный программный пакет Unscrambler X компании САМО (данный продукт входит в комплект ПО, поставляемого со спектрометрами MicroNIR™) и выполнить пакетную предварительную обработку спектров, а затем построение классификационных и регрессионных хемометрических моделей. Для качественного анализа доступны алгоритмы моделирования РСА, PLS-DA и SVM, а для количественного PLS, PCR и SVM-R.

ЧТО ТАКОЕ БЛИЖНИЙ ИК-ДИАПАЗОН?

Ближний инфракрасный диапазон (БИК) электромагнитного спектра простирается от 800 нм до 2500нм (от 12500 до 4000см -1 ) и находится между средней ИК - областью с большей длиной волн и видимой областью с более короткими длинами волн. Средний и ближний диапазоны могут использоваться для колебательной спектроскопии. В то время как спектры, полученные в среднем ИК регистрируют главным образом атомные колебания в индивидуальных химических связях большинства молекул, соответствующие спектры БИК показывают так называемые обертоны и комбинационные полосы.

На шкале волновых чисел (см -1 ) эти обертоны появляются как нечто меньшее, чем составные частоты основных колебаний. Например, основное колебание С-Н связи (n) молекулы трихлорметана (CHCl3) происходит на 3040 см -1 , первые три обертона (2n, 3n и 4n) – наблюдаются на 5907см -1 , 8666см -1 и 11338см -1 соответственно.

В то же время поглощающая способность уменьшается с увеличением номера обертона, например, серия этих значений для CHCl3 составляет 25000, 1620, 48,

1.7 см-1 /моль соответственно.

Благодаря резкому уменьшению интенсивности высших обертонов БИК спектры обычно подавляются перекрывающимися обертонами и комбинационными полосами структурно более легких групп (например, C-H, N-H и O-H). В пределах этих БИК спектров содержится значительная информация о молекулярной структуре исследуемого образца, и эту информацию можно извлечь современными методами обработки данных.

Преимущества спектроскопии БИК

Быстрота (обычно 5 – 10с)

Не требуется предварительной подготовки образца

Простота проведения измерений

Высокая точность и воспроизводимость анализа

Нет загрязнений

Процесс-контроль

Возможность проведения измерений через стеклянную и пластиковую упаковку

Автоматизация измерений

Перенос метода с одного прибора на другой

Анализ физических и химических свойств

По сравнению с жидкостными методами химического анализа, анализ методом спектроскопии БИК более быстрый, простой и точный. Измерения могут проводиться очень быстро, обычно время анализа составляет лишь 5-10 секунд. Не требуется предварительная подготовка образца и специальное обучение персонала. Данные спектры могут содержать информацию о физических свойствах материала, таких как размер частиц, термическая и механическая предварительная обработка, вязкость, плотность и т.п.

СРАВНЕНИЕ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ

ближнего и среднего диапазонов

Сокращение времени подготовки образца является одним из главных преимуществ ближнего ИК по сравнению со средним. Это происходит, прежде всего, из-за сравнительно низкого коэффициента поглощения для большинства материалов в БИК диапазоне. Измерения в среднем диапазоне порошкообразных образцов традиционно выполняются или методом диффузного отражения или прессованием образцов в таблетки и измерение спектров в режиме пропускания. В обоих случаях образцы должны быть сначала измельчены в тонкий порошок, а потом перемешаны с непоглощающим веществом, таким как KBr. Измельченные и перемешанные с KBr порошки помещаются в пресс-форму и прессуются в таблетки при высоком давлении с помощью гидравлического или ручного пресса. В случае измерений в режиме диффузного отражения измельченный и смешанный с KBr образец помещается прямо в стаканчик для образца, поверхность образца выравнивается и потом вводится в приставку диффузного отражения для измерений. Эти методы подготовки образцов широко и успешно используются, но имеют недостатки, такие как более длительное время для подготовки образца, более высокая возможность для загрязнения образца, возможно понижение воспроизводимости образец-образец и пользователь–пользователь из-за различий возникающих при приготовлении образца, и дополнительная стоимость KBr разбавителя.

Кроме того, преимущество БИК спектроскопии состоит в том, что здесь для измерений твёрдых и жидких образцов применяется довольно недорогое оптоволокно. Сравнимые с ним аксессуары для средней ИК-области или ограничены их физической досягаемостью, либо хрупкостью и сложностью работы с ними. Благодаря всему этому БИК спектроскопия намного более привлекательна для использования в производственном процессе.

СРАВНЕНИЕ БИК- спектроскопии

и диспергирующих приборов

Фурье-спектрометры ближнего ИК-диапазона, существенно отличаются от дисперсионных спектрометров ближнего ИК-диапазона методом получения спектра. В диспергирующих приборах используется узкая щель и диспергирующий элемент, например, решётку, для преобразования свет в спектр. Этот спектр проецируется на датчик или множество датчиков, где определяется интенсивность света при каждой дине волны. Спектральное разрешение диспергирующих приборов определяется фиксированной шириной щели, обычно это составляет 6-10нм (от 15см -1 до 25см -1 , при 2000нм). Нельзя выбрать разрешение с помощью программного обеспечения, а повышение разрешающей способности требует более узкой щели и ослабления результирующего сигнала. Таким образом, для всех диспергирующих приборов стоит проблема выбора между разрешающей способностью и отношением сигнал/шум.

Спектрометр Фурье преобразования напротив использует интерферометр, чтобы просмотреть комбинации длин волны света, возникающей от широкой полосы источника ближнего ИК-диапазона, и направляет эти комбинации в один детектор.

В каждом скане интерферометра данные собираются в форме интерферограммы, в которой интенсивность сигнала сопоставлена со смещением перемещающейся части интерферометра. Это смещение интерферометра непосредственно связано с длиной волны, и математическое преобразование (преобразование Фурье) применяется для построения графика интенсивности сигнала как зависимость от длины волны, по которой вычисляется мера поглощения спектра или пропускающая способность спектра.

Одновременно, HeNe лазерный луч проходит сквозь интерферометр и направляется к его собственному детектору. Смещение интерферометра приводит к максимумам и минимумам сигнала на этом лазерном детекторе, которые встречаются через точно определённые интервалы, кратные длине волны излучения лазера. Места прохождения этого сигнала через нуль используются как точки сбора для преобразования в цифровую форму сигнала детектора БИК. Таким образом, благодаря управлению преобразованием в цифровую форму у Фурье-спектрометра точность длины волны существенно выше, чем у любого другого диспергирующего прибора. Эта точность длины оказывает непосредственное влияние на условия стабильности моделей калибровки, разработанных на Фурье-системах, а также на способность передавать модель калибровки другим Фурье-приборам, которая будет описана далее.

Спектральная разрешающая способность для Фурье- спектрометров определяется степенью подвижности интерферометра, который управляется программным обеспечением, что позволяет намного увеличить разрешающую способность по сравнению с диспергирующим спектрометром, и, с помощью программного обеспечения, выбирать разрешающую способность в ходе исследований. Кроме того, широкая полоса луча ближнего ИК- диапазона в Фурье-приборе направлена сквозь большие круговые апертуры вместо узкой прямоугольной щели, которую используют в диспергирующем документе, что обеспечивает освещение большей области образца и увеличивает интенсивность света в детекторе. Это преимущество производительности приводит к большему отношению сигнал/шум для Фурье-спектрометров по сравнению с диспергирующими приборами. Лучшее отношение сигнал/шум приводит к существенному уменьшению времени обнаружения и, как следствие, к получению спектров более высокого качества на Фурье-приборе при любой спектральной разрешающей способности.

ФУРЬЕ – СПЕКТРОСКОПИЯ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА для качественного и количественного анализа

Сегодня многие производители стремятся не только поставить конечный продукт самого высокого качества, но также и улучшить производственную эффективность с помощью лабораторного анализа и использования полученного результата на производстве. Получая более жесткий контроль над технологией, возможно оптимизировать использование веществ, добавляя или устраняя их, чтобы произвести специфицированную продукцию, что сводит к минимуму затраты на распределение или переработку.

БИК – спектроскопическая методика, идеально подходящая для обработки измерений из-за ее способности быстро выполнять дистанционные измерения через высокоэффективное кварцевое оптическое волокно. Ослабление сигнала внутри таких волокон очень мало (например, 0.1 дБ/км), кроме того, БИК оптоволоконные кабели и датчики прочные, относительно недорогие и широко доступные. Обрабатывающие датчики могут располагаться на расстоянии сотен метров от спектрометра, а многочисленные датчики могут быть подсоединены к одному спектрометру.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ БИК

БИК методы отбора образцов для твердых веществ основаны или на диффузной отражательной способности или простом измерении при пропускании. Диффузные измерения отражательной способности в основном делаются с помощью оптико- волоконного датчика или интегрирующей сферы.

На рис. 2 показан Фурье - БИК спектрометр MPA (производство Bruker Optik GmbH, Германия), у которого есть 2 порта оптоволоконных датчиков и отдельный отсек для образца, что позволяет применять метод прямого пропускания.

На этом фотоснимке показан распространённый датчик коэффициента отражения, используемый для анализа порошковых образцов в пробирках.

Образцы анализируются при контакте датчика с образцом материала. О завершении анализа сигнализируют светящиеся светодиоды.

Интегрирующая сфера (рис.3) позволяет собирать данные спектров от неоднородных веществ, например, смешанных порошков, зерна, полимерных гранул, и т.п. Полученные спектры представляют пространственное усреднение всего материала, находящегося в круговом окне измерения (диаметр 25 мм).

Для лучшего усреднения может быть использован вращающийся стаканчик и автоматические пробоотборники.

БИК РЕВОЛЮЦИЯ

В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

ПРОБЛЕМЫ ПРОВЕРКИ КАЧЕСТВА

Фармацевтическая промышленность известна как одна из наиболее тяжело регулируемых отраслей промышленности в мире, и фирма Bruker производит для потребителей фармацевтической продукции приборы для проверки качества, с помощью которых потребители могут проверить соответствие препаратов необходимым требованиям. Пакет программного обеспечения OPUS контролирует все функции спектрометра. В этот пакет программ включена всесторонняя проверка набора программ и аппаратных средств. OPUS полностью проверит правильность функционирования путём нажатия на клавишу. Сюда входит тестирование внутреннего устройства проверки, встроенного в спектрометр.

Программное обеспечение можно запускать в защищенный паролем режиме «GLP», при полном контроле администратора над пользователем, его доступом к меню, установочным параметрам и настраиваемым макро программам. Блок данных обеспечивает полный и автоматический контроль всех действий, совершаемых со спектрами. Язык программирования, основанный на пиктограммах, встроен в программное обеспечение, что позволяет автоматизировать комплексные процедуры. Вследствие этого происходит увеличение повторяемости и сокращение потенциальных погрешностей.

Bruker является компанией ISO9000, и всё программное обеспечение и аппаратные средства перед доставкой заказчику подвергаются строгому контролю качества, нескольким стадиям завершающего тестирования и проверке. Инсталляция прибора на месте у заказчика выполняется нашими опытными техническими инженерами, которые обеспечивают заказчика исправным прибором при доставке и затем постоянно на продолжении всей жизни прибора.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ СЫРЬЯ

Одним из первых шагов в производстве любого фармацевтического продукта является идентификация и проверка соответствия различного входящего сырья необходимым требованиям. Спектроскопия БИК через оптоволоконные датчики быстро становится стандартным методом выполнения этой проверки соответствия, обеспечивая беспрецедентную скорость идентификации как твердых веществ, так и жидкостей.

Чтобы выполнить этот вид анализа, должна быть создана такая модель калибровки, которая затрагивает интересующие нас вещества. Во-первых, необходимо получить несколько спектров для каждого сырья, принимая во внимание все возможные изменения, которые могут возникнуть. Сюда обычно входят виды сырья, получаемые от различных продавцов, из различных мест, и т.д. Как только спектры измерены, генерируется средний спектр каждого материала, и создаётся библиотека всех таких средних спектров, куда вносятся и статистически определенные приемлемые критерии (или пороги) для всех веществ в библиотеке.

Затем библиотека подтверждает, что все материалы уникально идентифицированы. Теперь библиотека может использоваться для идентификации новых неизвестных веществ, сравнивая их спектры со спектрами библиотеки, и определяя качество попадания для каждого вещества, находящегося в библиотеке. Если это качество попадания меньше, чем порог для одного вещества и больше, чем порог для всех других веществ, неизвестное вещество идентифицировано.

Идентифицируемые жидкости могут быть измерены или измерением при пропускании в отсеке для образца (как показано на рис. 1), или с помощью оптоволоконного иммерсионного датчика. В любом случае, более низкие коэффициенты поглощения БИК (по сравнению со средним ИК) позволяют использовать гораздо большие длины пути образцов (то есть 1 - 10мм). Вследствие этой разности длины пути измерения в отсеке для образцов становятся выгоднее, так как это позволяет использовать типовые недорогие стеклянные пробирки вместо точных ячеек, уменьшая стоимость и продолжительность измерений.

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ АКТИВНЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ

Другая важная часть качественного/количественного анализа в фармацевтической промышленности – количественный анализ концентрированных активных ингредиентов. Этот тип анализа часто требует обширного лабораторного тестирования пробных оттисков образцов, которые разрушаются в течение испытания. Напротив, Фурье - БИК обеспечивает экономию времени и неразрушающий способ выполнения количественного анализа концентратов в смесях порошковых или жидких веществ, а также в уже изготовленных фармацевтических таблетках и капсулах.

ЭФФЕКТИВНОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ВЫБОРКИ

Ключевым фактором успеха Фурье - БИК для количественного анализа является выбор метода выборки образцов, часто это соединение автоматизированной и ручной выборки. Предприятия Bruker производят аксессуары для осуществления выборки специально для задач фармацевтической промышленности. Например, автоматический пробоотборник (рис. 5), может быть установлен в отсеке для образцов любого Фурье - БИК спектрометра Bruker.

Особенностью этого аксессуара является настраиваемый диск для образцов, который может вмещать в себя до 30 образцов. Пользователь обрабатывает пазы для таблеток, а передвижение диска программным обеспечением OPUS или произвольно определяемой пользователем макрокомандой и/или связью с централизованной системой распределённого управления в пределах завода - изготовителя.

ПРИМЕРЫ АНАЛИЗА АКТИВНОГО ИНГРЕДИЕНТА

Примером количественного анализа концентрата активного ингредиента в законченной фармацевтике Фурье – БИК является определение концентрации ацетилсалициловой кислоты (АСК) в таблетках аспирина. Чтобы провести этот анализ, для обработки спектров, полученных с таблеток аспирина с известной концентрацией АСК, использовали метод наименьших квадратов (МНК). Концентрация АСК в образцах составляла от 85 % до 90 %. Помимо АСК таблетки содержали два типа крахмала в диапазоне 0 %-10 %.

Чтобы устанавливать модель МНК для этой многокомпонентной системы, всего при разрешающей способности 8см -1 было зарегистрировано 44 спектра. Оптимальный диапазон для АСК был определен с помощью пакета программ OPUSв- Quant/2 (взаимной проверкой правильности). Среднеквадратическая погрешность составила 0.35 %, а расхождение R 2 - 93.8%. Эта погрешность находилась в рамках, заданных заказчиком. График истинных и вычисленных концентраций показан на рисунке 6.

ВЫБОРКА ЧЕРЕЗ УПАКОВКУ

Кроме того, демонстрировалось определение концентрации активного ингредиента таблеток аспирина через пластмассовые материалы прозрачной упаковки с помощью оптоволоконного датчика диффузного отражения, как показано на рисунке 7. В получающихся спектрах появились выпуклые диапазоны от полимерного материала прозрачной упаковки, но две отдельных области (6070-5900см -1 и 4730-4580см -1 ), содержащие пики от аспирина, все еще видимы и использовались для создания калибровочной модели.

График истинных и найденных концентраций показан на рисунке 8). Среднеквадратическая погрешность составила 0.46 %, а расхождение R 2 - 91.30 %, эти значения опять находятся в рамках, заданных заказчиком. Спектры, полученные в этом примере, показаны на рисунке 9.

ПРЕИМУЩЕСТВА УВЕЛИЧЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

В СПЕКТРАЛЬНОМ АНАЛИЗЕ

До недавнего времени большинство изданных результатов в БИК спектроскопии было получено с помощью диспергирующих приборов низкой разрешающей способностью, у них спектральная разрешающая способность располагается между 6 и 10 нм (от 15см -1 до 25 см -1 , при 2000 нм). Появление Фурье-БИК спектрометров привело к значительным успехам в условиях высокоразрешающих возможностей (лучше, чем 2 см -1 ) спектроскопии БИК.

БИК спектры обычно характеризуются высокой спектральной поглощающей способностью, что не требует высокой разрешающей способности. В то время часто встречаются ситуации, когда желательная модель калибровки от спектров низкого разрешения не может быть создана. Кроме того, высокоразрешающая способность непосредственно влияет на точность длины волны прибора и, следовательно, на стабильность результатов и «транспортабельность» моделей калибровки.

На опыте, чтобы продемонстрировать значение увеличения разрешающей способности в спектральном анализе, были измерены спектры БИК 5 таблеток с различными невысокими концентрациями активного ингредиента. Спектры были измерены при разрешающей способности 8 см -1 и 2 см -1 , после чего с помощью OPUS была создана идентификационная модель для таблеток. При разрешающей способности 2 см -1 , модель могла различить лишь плацебо и таблетки с активными ингредиентами, в то время как при более высокой разрешающей способности 8 см -1 , все концентрации ясно различимы.

Рисунок 10a показывает спектры и график, полученный для двух первых основных компонент измерений при 8 см -1 . На рисунке 10б показаны спектры и график, полученный для первых двух основных компонент измерений при 2 см -1 . 5 областей в последнем графике указывают, что модель с более высокой разрешающей способностью позволяет ясно отличить 5 уровней концентрации активного ингредиента.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ПОКРЫВАЮЩЕГО СЛОЯ

Фурье - БИК спектроскопия также успешно используется для определения толщины слоя на фармацевтических таблетках. При проведении этого исследования было проведено несколько испытаний, включая опыты с нелинейными отношениями между мерой поглощения света и толщиной слоя, подобием состава ядра и покрытия материала, и отсутствие достаточного количества образцов калибровки для стандартной калибровки МНК. Пик при 7184 см -1 , который дифференцирует материал сердцевины от материала покрытия, был идентифицирован, когда были собраны спектры БИК с высоким разрешением (2 см-1, 0.4 нм при 7184 см -1 ) на Фурье – БИК спектрометре IFS-28/N фирмы Bruker (см. рисунок 11).

Исследования показывают, что толщина слоя может быть смоделирована как полиномиальная аппроксимация пиковой области этого выборочного пика (см. рис. 12), в то время как калибровка методом наименьших квадратов тех же самых данных невозможна из-за отсутствия достаточного количества калибровочных образцов. Также эта калибровка успешно применяется для целого ряда таблеток, но неприемлема для оптоволоконных измерений диффузного отражения, из-за недостаточного проникновения оптоволокна в ядро.

ПЕРЕНОС КАЛИБРОВКИ

Разработка стабильной и надёжной в эксплуатации модели калибровки - очень трудоёмкая, требующая значительного количества ресурсов работа, которая включает в себя подготовку и анализ большого количества образцов стандартным методом, а затем их анализ методом Фурье - БИК. Таким образом, важно, чтобы была разработана калибровочная модель, которую можно использовать спустя какое-то время, и для которой неважно, какой используется вид прибора, тип источников, детекторов, датчиков и т.д.

Кроме того, некоторые факторы влияют на перенос калибровки с одного прибора на другой. Сюда входят, например, длина волны и фотометрическая точность различных приборов. Поэтому для всех моделей калибровки, переносимых с одного прибора на другой, необходимо заново проводить измерения хотя бы оригинального набора калибровок (или полный набор калибровок) на новом приборе, чтобы определить корректирующие коэффициенты, которые позволят модели работать на новом приборе.

Иногда это приводит к трудностям при переносе калибровочной модели, а иногда, в случае редких или изменяющихся образцов калибровки, такой перенос вообще невозможен.

Обычно трудности при переносе калибровочной модели доставляет точность длины волны на этих двух приборах. Отсутствие устойчивой оси длины волны – фактор, сильно ограничивающий возможность переноса калибровочной модели среди диспергирующих приборов. Поэтому Брукеровская производственная линия Фурье - БИК спектрометров с высоким разрешением прибора имеет большое преимущество, используя ось длины волны как способ калибровки.

Для этого рассматривается узкая область в спектре атмосферного водяного пара с известной постоянной длиной волны, которая используется как эталон длины волны. Это позволяет спектрометрам Фурье - БИК (производства Bruker Optik GmbH, Германия) обеспечивать намного более высокую точность длины волны, чем любой диспергирующий прибор. В результате возможна прямая передача калибровки от одного Фурье – БИК прибора к другому. Нельзя недооценить преимущество этой особенности, позволяющей избежать дорогостоящей перекалибровки в условиях экономии времени, денег и усилий.

Один такой пример переноса калибровочной модели для определения количества содержания спирта в спиртных напитках показан в таблице 1. Калибровка осуществлялась на Брукеровском спектрометре IFS-28/N с иммерсионным датчиком A, и была впоследствии перемещена на Брукеровский спектрометр Vector 22/N с иммерсионным датчиком B. После передачи сравнение R 2 и погрешностей среднеквадратичного отклонения показали успешность проведения прямой передачи калибровки. Дополнительные испытания показали успешность проведения прямой пересылке других калибровочных моделей с прибора на прибор, а также прямой пересылки моделей на одном приборе, после замены всех главных компонент системы, включая БИК источник, HeNe лазер, детектор, датчики и электронику.

ТЕСТ НА СООТВЕТСТВИЕ

Часто необходимо определить соответствие конечного продукта определённому стандарту. Это легко сделать на спектрометрах Bruker, использующих Тест на соответствие . Для нескольких выбранных образцов каждого вещества измеряется ряд спектров, который будет проверен на соответствие спектрам, определенным независимо стандартным методом. Для каждого вещества наряду со спектром среднеквадратичного отклонения генерируется средний спектр. Затем проводится анализ новых образцов данного вещества, сравнение их спектров с сохранённым средним спектром и оценка, находится ли новый спектр в допустимых пределах, определенных спектром среднеквадратичного отклонения и коэффициентом, регулируемым заказчиком. Типовой отчет теста на соответствие показан на рисунке 13.

АНАЛИЗ СМЕСИ

Во многих фармацевтических процессах часто необходим анализ процесса смешивания двух или более компонентов. Анализ смеси играет важную роль при смешивании порошков, где образцам свойственна неоднородность. Оптимальное соотношение в смеси дает определение конечному продукту. Процесс смешивания должен проверяться в реальном времени с помощью Фурье – БИК спектроскопии. С правильных эталонных смесей снимают спектры, а затем вычисляют средний спектр и спектр среднеквадратичного отклонения. После этого снимают спектры во время перемешивания, обрабатывают их и сравнивают со средним спектром. Процесс смешивания останавливают, если полученный спектр попадает за определяемый пользователем порог среднего спектра желательной смеси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спектроскопия Фурье - БИК является быстрым, легким в использовании и достоверным инструментом для гарантии качества и контроля качества в фармацевтической промышленности. Расширенные эксплуатационные показатели технологии преобразования Фурье дают возможность проводить более трудные исследования и позволяют передавать калибровку напрямую. Кроме того, среди потребителей в фармацевтической промышленности распространенны такие методы, как идентификация сырья и проверка качества, определение концентрации активного ингредиента, тест на соответствие конечных продуктов и анализ смеси в продуктах.

Спектрометрия в ближней инфракрасной области (БИК спектрометрия, англ. NIR) – метод, основанный на способности веществ поглощать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 780 до 2500 нм (от 12500 до 4000 см -1).

Поглощение в БИК-диапазоне связано, как правило, с обертонами основных колебательных частот связей C-H, N-H, O-H и S-H и их комбинациями. Наиболее информативным диапазоном является область от 1700 до 2500 нм (от 6000 до 4000 см -1).

Анализ информации, извлекаемой из БИК-спектров, проводится с применением хемометрических алгоритмов, которые требуют создания первичного массива данных.

В рамках применимости метода, БИК-спектрометрия позволяет прямо или косвенно проводить качественную и количественную оценку химических, физических и физико-химических характеристик анализируемого объекта, в том числе оценивать следующие характеристики:

– гидроксильное и йодное число, степень гидроксилирования;

– кристаллическую форму и степень кристалличности;

– полиморфную форму или псевдополиморфную форму;

– степень дисперсности частиц и другие.

БИК-спектрометрия обладает следующими возможностями:

– простота подготовки проб или отсутствие подготовки;

– быстрота измерений;

– неразрушающий характер анализа;

– возможность одновременной оценки нескольких параметров (показателей);

– возможность проведения дистанционного контроля, в том числе в технологических потоках в режиме реального времени.

Приборы. Используют как специализированные БИК-спектрофото­метры, так и другие спектрофотометры, способные работать в ближней ИК-области спектра.

БИК-спектрофотометры состоят из:

– источника излучения, например, кварцевой лампы (лампы накаливания) или ее аналога;

– монохроматора (дифракционная решетка, призма, оптико-акустический фильтр) или интерферометра (спектрофотометры с Фурье-преобразованием);

– регистрирующего устройства – детектора (на основе кремния, сульфида свинца, арсенида индия, арсенида индия-галлия, теллурида ртути-кадмия, дейтерированного триглицина сульфата и др.);

– устройства размещения образца и/или дистанционного оптоволоконного датчика.

Для размещения образцов используют стеклянные или кварцевые кюветы, флаконы, стеклянные стаканы, держатели капсул или таблеток и другие приспособления.

Спектрофотометры могут быть оснащены кюветным отделением, интегрирующей сферой (интегрирующая сфера представляет собой оптический компонент, состоящий из сферической полости с покрытием из хорошо отражающего материала, сфера предназначена для получения спектров неоднородных образцов), внешними модулями для измерения пропускания сильно рассеивающих образцов, устройствами автоматической подачи образцов, оптоволоконными зондами. Выбор того или иного приспособления для анализа зависит от типа образца и выбранного способа измерения. Поэтому рекомендованы к использованию приборы, реализующие несколько подходов к измерению.

Обработка данных и анализ полученных результатов проводится с использованием специального программного обеспечения.

Для каждого режима измерения (пропускание, диффузное отражение и их комбинация) должна быть предусмотрена своя методика поверки, включающая проверку правильности установки длин волн и поверку фотометрического шума.

Проверка правильности установки длин волн. Для проверки правильности установки длин волн регистрируют спектр стандартного образца, имеющего характеристические максимумы и минимумы поглощения и сравнивают полученные значения длин волн с заявленными характеристиками.

Для режимов пропускания и отражения для определения правильности установки длин волн наиболее распространено в качестве стандартных образцов использовать оксиды редкоземельных элементов, пары воды в атмосфере, метиленхлорид и другие.

В приборах с Фурье-преобразованием шкала волновых чисел линейна во всем рабочем диапазоне и для проверки точности установки достаточно использования одного стандартного образца с контролем заявленных характеристик по одной полосе поглощения. Приборы других типов могут иметь нелинейный характер шкалы волновых чисел и требуют проверки заявленных метрологических характеристик не менее чем по трем пикам (один или несколько стандартных образцов) с охватом всего рабочего диапазона.

Погрешность при установке длин волн должна быть не более ±1 нм (или эквивалентная ему величина волнового числа) в диапазоне длин волн до 1900 нм и не более ±1,5 нм для диапазона длин волн ≥1900 нм.

Воспроизводимость установки длины волны должна соответствовать требованиям завода-изготовителя или требованиям нормативных документов, действующих на территории Российской Федерации.

Проверка фотометрической линейности. Для проверки фотометрической линейности регистрируют БИК-спектры стандартных образцов с известными значениями пропускания/отражения и строят графическую зависимость полученных значений пропускания/отражения от известных значений. Результатом построения такой зависимости должна являться прямая линии с пересечением в центре координат (0,00 ± 0,05) и тангенсом угла наклона прямой (1,00 ± 0,05). Для проверки фотометрической линейности в режиме отражения в качестве стандартных образцов используются полимеры, допированные углеродом или аналоги в количестве не менее 4 образцов в диапазоне значений отражения 10–90 %. Для проверки фотометрической линейности в режиме пропускания в качестве стандартных образцов используют фильтры в количестве 3 образцов со значениями пропускания 10–90 % и линию 100 % пропускания (регистрируют спектр пропускания пустого канала).

Проверка фотометрического шума. Для оценки фотометрического шума при измерении пропускания записывают линию 100 % по воздуху; при измерении отражения регистрируют линию 100 % с применением подходящих стандартных образцов с отражающей способностью не менее 99 %. При этом под линией 100 % подразумевается измерение, при котором стандартный образец является измеряемым образцом и фоном одновременно. При высоких значениях поглощения проводят оценку фотометрического шума с применением стандартных образцов со значениями пропускания или отражения около 10 %.

Фотометрический шум должен соответствовать требованиям спецификации производителя.

Способы измерения. БИК-спектр представляет собой зависимость соответствующей фотометрической величины (оптической плотности (А ), пропускания (Т ), коэффициента отражения (R ) и производных величин) от длины волны или частоты излучения. При измерениях в БИК-области реализуются следующие способы:

– измерение поглощения (или пропускания) при прохождении излучения через образец;

– измерение излучения, отраженного или рассеянного от образца;

– комбинация вышеуказанных способов.

Измерения всегда проводят относительно фона.

Измерение пропускания. Пропускание является мерой снижения интенсивности излучения при прохождении через образец. Этот принцип реализован в большинстве используемых спектрофотометров, и результат может быть представлен непосредственно в единицах пропускания (T ) и/или оптической плотности (A ).

Способ применим для твердых и жидких проб, в том числе для дисперсных систем.

Специальной подготовки проб при измерении пропускания, как правило, не требуется. Для измерения спектра жидких образцов используют флаконы или кюветы с подходящей длиной оптического пути (обычно 0,5–22 мм), а также оптоволоконные датчики на пропускание.

Диффузное отражение. В методе диффузного отражения измеряют коэффициент отражения (R ), представляющий отношение интенсивности света, отраженного от образца (I ), к интенсивности света, отраженного от фона (I r ):

или обратную логарифмическую величину этого отношения (А R ):

.

В качестве фона используют поверхность с высокой величиной R : пластины из золота, перфторированных насыщенных полимеров, керамические пластины и другие подходящие материалы.

Способ используется для анализа твердых образцов с применением интегрирующей сферы или оптоволоконных датчиков, работающих в режиме отражения. В последнем случае, для воспроизводимости получаемых результатов, необходимо обеспечить стабильность условий проведения измерений, в частности относительную неподвижность датчика, степень нажатия и другие условия.

Способ пропускания-отражения . Данный способ является комбинацией пропускания и отражения благодаря специальной конструкции кювет и датчиков, в которых излучение дважды проходит через образец, что позволяет анализировать образцы с низкой поглощающей и рассеивающей способностью.

В качестве фотометрической величины используют коэффициент двойного пропускания (Т *):

,

где: I T – интенсивность излучения после двойного пропускания, без образца;

I – интенсивность пропущенного и отраженного излучения, измеренная с образцом;

и величину, аналогичную оптической плотности (А *):

.

В качестве фона используют спектр воздуха или среды сравнения.

Способ применим для жидких, в том числе негомогенных проб.

Для регистрации спектра исследуемый образец помещают в кювету с зеркалом или другим диффузным отражателем. Возможно использование оптоволоконного датчика, который погружают в образец.