元素杂质的USP新通则

摘要美国药典（USP）正在开发药品及其成分中有机杂质的新检测方法。人们普遍认为目前的USP231“重金属限量检测”在范围、准确性、灵敏度和专属性等方面均存在不足，将在2013年被新通则USP232（限度）和233（方法）所取代。新方法将克服当前方法的局限，特别是关于分析物列表、样品制备、挥发性分析物的保留以及密闭容器样品消解和现代仪器技术的应用，以实现单个分析物的精确回收和浓度测定。本白皮书提供了新通则的开发背景，并介绍了安捷伦700xICP-MS如何应对该新方法的要求。元素杂质的USP新通则232和233：ICP-MS在药物分析中的应用白皮书作者AmirLiba和EdMcCurdy安捷伦科技公司美国前言药品中杂质的存在受到关注，不仅是由于某些污染物具有毒性，而且还因为它们可能对药品的稳定性、保质期产生不利影响，或可能引发有害的副作用。因此，必须对药品生产所用原料、中间体和活性成分（API）、赋形剂（稳定剂、填充剂、粘结剂、着色剂、调味剂、糖衣等），以及最终药物产品中所含的有机和无机（元素）杂质进行监测和控制。对生产过程中可能引入的杂质，如催化剂和来自生产工艺设备的污染物，也必须进行监测。在美国，用于监测制药材料中污染物（包括元素杂质）的限度和方法由美国药典（USP）制定，但负责强制执行的监管部门是FDA。现在USP正在开发监测药物材料中无机（元素）杂质的新方法。提出的新通则USP232（限度）和233（方法）将于2013年起执行。监测药物样品中有机污染物的现行方法是有着100年历史的比色法，USP通则231中有明确规定。该方法被称为“重金属限度检测法”，其原理是10种元素（Ag、As、Bi、Cd、Cu、Hg、Mo、Pb、Sb和Sn）与硫代乙酰胺反应生成硫化物沉淀。产生的有色沉淀物与10ppmPb标准品进行颜色对比，以确定是否超出重金属限度。除了与主观的目测颜色对比相关的明显误差以外，USP231是基于10种元素总和的限度检测方法，不能给出单个元素的浓度。而且，也不能测定许多感兴趣的元素，如Cr，以及生产催化剂中常用的铂系元素（PGE）。另外，世界上的许多地区都不允许使用硫代乙酰胺和H2S。USP232包括含催化剂在内的广泛的分析物，并且最大许可限是根据分析物毒性，而不是方法性能而制定的。USP233规定了样品制备方法选择，包括密闭容器微波消解，并且推荐使用现代仪器，如多元素ICP-MS和ICP-OES技术，代替USP231中使用的比色检测法。2USP231另一个公认的问题是其样品制备方法，需要在高达600°C的马弗炉中灼烧样品。如此高的温度不可避免地会造成挥发性分析物的损失，包括重要的有毒元素Hg[1、2、3]。在1995年第一届药典论坛（PF）的“修订过程的促进因素”主题下发表的一篇文章中，Blake指出，“由于灼烧过程中金属的损失，现行USP、JP（日本药典）和EP（欧洲药典）通用检测方法所得结果的正确性很成问题”[1]。在2000年的另一篇文章中，Wang提出用一种现代仪器方法（ICP-MS）代替USP231中规定的比色检测法。Wang的文章指出了USP231的一些缺陷，认为，“这些基于硫化物沉淀颜色强度的方法[USP231]，是非特异、不灵敏、费时费力的，通常回收率很低或根本没有回收率。”[4]这些问题的存在引发了用更可靠、准确、灵敏、特异和耐用的新仪器方法代替USP231的计划。三个关于元素杂质检测的新USP通则正在平行开发中，分别是USP232/233和2232。USP2232仅针对膳食补充剂，而USP232和233则针对药物成分和产品。表1显示了USP232规定的新列表中16种分析物（As、Cd、Hg、Pb、V、Cr、Ni、Mo、Mn、Cu、Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir）的每日允许暴露（PDE）限量[5]。在最近（2011年5月）版本的USP232中，将以前I组和II组的分析物结合到一张表格中，而强毒性元素（As、Cd、Hg和Pb，有时称为“四大”）则控制在比其它分析物低得多的水平，并且在所有样品中都必须进行检测。分析物列表和限度的制定依据毒理数据，而不是方法性能，而且列表中第一次包含了催化剂元素（铂族元素Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir）。催化剂金属如果可能在样品加工过程中添加，则必须对其进行检测。表1.USP232规定的药物产品分析物和每日允许暴露（PDE）限量。大体积注射类（LVP）药物的限量值在此基础上降低100倍[5]元素每日剂量PDE（µg/日）镉5铅10无机砷15无机汞15铱100锇100钯100铂100铑100钌100铬250钼250镍250钒250铜2500镁2500虽然USP232中制定的PDE限度用任何USP233（ICP-OES或ICP-MS）中参考的仪器技术都可以测定[6]，但许多新药中使用越来越复杂而珍贵的原料药，可能只包含非常少的量。对这些毫克级样品进行大比例稀释制备，意味着使用检测限尽可能低的仪器非常重要。低检测限和宽动态范围线性校正（安捷伦7700系列达到9个数量级）是ICP-MS最非常可贵的特性。低检测限对于USP232要求必须以最低限量进行控制的潜在毒性痕量元素（特别是As、Cd、Hg和Pb）尤为重要。3USP232包括一个涉及元素形态的章节，指出As和Hg的某些形态值得关注，因为其毒性比其它形态要大得多。As的PDE是指无机As，如果总As浓度超出限度，必须用一种能够对不同As形态进行分离和定量的方法对样品进行重新分析。这样做的原因是无机As比常见的有机形式（如，砷甜菜碱）毒性大得多，因此形态分析必须能够分离其不同化学形态，确定无机As（亚砷酸盐（三价As）和砷酸盐（四价As））的总量低于限量。同样，Hg限量也是指无机Hg（Hg2+），虽然甲基汞（MeHg）是毒性更大的形态，但通常认为药物中不可能存在MeHg。但如果样品来自于可能含有相当量甲基汞的原料（如，鱼组织），也必须对其进行特别的分离和测定。USP232中规定的PDE限量（表1）必须根据药品类型和给药途径进行调整。例如，注射或吸入给药的PDE必须调整为比口服限量低10倍，而大体积注射（LVP）药物（每日剂量大于100mL）PDE必须比基础PDE低100倍。USP232还为药物成分和赋形剂提供了单独的组分限量，假设每日最大剂量小于或等于10g/日，如表2所示。这些组分的限量可用于生产质量控制，使药品生产商能够控制最终药物产品的原料和中间体中的杂质含量。表2还显示了消解溶液中的组分浓度限量，以及7700xICP-MS的仪器检测限，用于比较。对于任何需要消解或稀释的样品，其PDE限量必须根据样品制备过程中的稀释倍数进行校正。例如，固体药品和赋形剂中的Cd限量是0.5µg/g（ppm），在样品消解过程中的稀释因子是250倍（例如，0.2g稀释和消解后的最终体积为50mL），那么样品消解液中，Cd的PDE限量（“J”值）应为2ng/mL（ppb）。而0.5J（1ng/mL）浓度下必须能得到准确的回收，意味着所需检测限至少低于该值（用ICP-MS能轻松测定的最低浓度）10倍（0.1ng/mL），如表2所示。注射或吸入给药的药物和赋形剂的组分限量必须比表中的值再低10倍，即意味着消解样品需要0.01ng/mL的检测限，仍在ICP-MS的测量范围内。表2.每日最大剂量≤10g/日的药品各组分（药物成分和赋形剂）USP232浓度限量[5]，以及安捷伦7700xICP-MS的仪器检测限*注射或吸入给药的药物组分限量在此基础上降低10倍†7700xIDL针对各元素首选同位素，在1%HNO3和1%HCl基体中进行测量元素组分浓度限量（µg/g，ppm）*溶液中的浓度限量（ng/mL，ppb）250倍稀释后7700x仪器检测限（ng/mL）†镉0.520.0001铅140.0002无机砷1.560.005无机汞1.560.001铱10400.0002锇10400.0005钯10400.0001铂10400.0002铑10400.0001钌10400.0002铬251000.002钼251000.0002镍251000.002钒251000.005铜25010000.002镁25010000.001样品制备范围广泛的各种样品都可以用USP232/233进行分析，所以提供适合所有样品类型的详细样品处理方法并不现实。有些药物样品可以直接分析（不用溶解），而其他样品可以用水性溶剂（如水或稀酸）或适当的有机溶剂（如2-丁氧乙醇:水（25:75）[3]，DMSO或DGME）简单稀释或溶解进行制备。用水性或有机溶剂进行简单稀释或溶解的方法必须考虑样品的化学稳定性，并且对于有机溶剂溶解，还要考虑样品中组分化合物的不同挥发性。对许多API来说，用有机溶剂稀释是首选方法，这种情况下有必要采取有助于稳定分析物的方法，以避免因较高或较低挥发性（与校正标准品相比）成分的存在而造成的回收率波动[7]。许多原料、赋形剂、中间体、API和最终产品在常用的水性或有机溶剂中不能溶解，因此需要进行酸消解。USP233规定用“强酸”对这些不溶性样品进行消解，酸组成和消解方法要留待各实验室去开发和验证，包含样品可接受的回收率和样品稳定性。不过，对需要消解的大多数样品类型还是有一些共通点需要注意：•USP232中的元素列表包括Hg和PGE类。这些元素低浓度条件下在氧化性基体，如硝酸（HNO3）或硝酸/过氧化氢（HNO3/H2O2）中化学不稳定[10、11]，只有消解溶液中含有络合剂（如HCl），才能在较长时间内稳定并被可靠测定。USP233规定，用ICP-MS分析的样品如需要测定Hg时，必须包含适当的稳定剂（在修订的通则中Hg是所有样品都需要测定的分析物）4•药物制品可能是API加上填充剂、粘合剂、着色剂和糖衣的复杂组合。糖衣可能是具有抗胃酸作用的有机聚合物，因此能使药物成分在小肠中受控释放。鉴于样品类型广泛且基体复杂多变，通常要确保药物样品完全消解可使用微波消解，USP233针对固体样品给出的首选消解技术是密闭容器微波消解。密闭容器还避免了挥发性元素（如，Hg）的损失问题，这是USP231的一个遗留问题，已经过了充分认证仪器新USP通则的主要目标之一就是用现代仪器分析方法替代目前主观的比色检测法（USP231），ICP-MS和ICP-OES是USP233中建议的仪器。ICP-MS对所有监管元素都有低检测限的优点在前面已经讨论过了，7700x系统尤为适合消解药物样品常见的多变、高氯基体的分析：•7700系列提供了比任何商品化ICP-MS都高的等离子体温度（最低的CeO/Ce比例，1%左右）。从而改善了基体解离，并使As、Cd、Hg和PGE类Os、Ir和Pt等难电离元素能够更好地电离。USP233中指出，帕尔贴（Peltier）冷却雾化室是首选的ICP-MS硬件配置，所有7700系列仪器均将其作为标准配置。7700x还包含安捷伦独特的高基体进样（HMI）系统，通过精密控制和可重现的气溶胶稀释，提供了无可比拟的基体耐受性。该技术进一步提高了等离子体的稳定性，改善了电离，降低了干扰程度，还显著降低了高盐样品分析时接口和离子透镜与未解离样品基体的接触•7700包含第三代八极杆反应池系统（ORS3），在氦气（He）碰撞模式下操作，利用动能歧视（KED）去除干扰。He碰撞模式不管样品组成如何，也不需要费时的样品特异性或分析物特异性优化（利用反应性气体的碰撞池方法的特性），即可以去除来自于基体的多原子干扰[12]。7700的He碰撞模式能够检测含高浓度、大范围氯化物的样品（例如，来自一般药物样品消解液中的HCl），而不影响受氯多原子干扰影响元素的检测。这些元素包括51V（与35Cl16O重叠）、52Cr（35Cl16O1H）、53Cr（37Cl16O）和75As（40Ar35Cl），7700可以准确测定