近红外光谱分析技术及其在药物分析中的应用

近红外光谱分析技术及其在药物分析中的应用NationalInstitutesforFoodandDrugControl二三四摘要一近红外光谱分析技术概述近红外技术在药品生产环节的应用近红外技术在药品流通领域中的应用近红外技术应用于药物分析中的指导原则NationalInstitutesforFoodandDrugControl第一部分近红外光谱分析技术概述NationalInstitutesforFoodandDrugControlRegionInteractionsibl一、定义12,820cm-1(780nm)3,959cm-1(2526nm)Wavelength108107106105104103102101110-110-210-3(cm-1)viNIRMIRFIRESRNMR-RayX–RayUltravioletInfraredMicrowaveRadio,TVWaveseNuclearTransitionsInnerShellElectronicTransitionsValanceElectronTransitionsMolecularVibrationsMolecularRotationsSpinOrientationinMagneticFieldWavelength(m)10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101NationalInstitutesforFoodandDrugControl二、近红外光谱的产生对称伸缩振动摇摆振动非对称伸缩振动弯曲振动摇摆振动剪切振动NationalInstitutesforFoodandDrugControl振动能级水平分子能级跃迁图简谐振动非简谐振动3rdOvertone三级倍频2ndOvertone二级倍频1stOvertone一级倍频Fundamental基频振动NationalInstitutesforFoodandDrugControl•••振动吸收基频谱带：由基态（v=0）跃迁到第一振动激发态（v=1）所产生的谱带称为基频谱带；n个原子的分子应有3n-6（非线性分子）和3n-5（线性分子）个基频吸收。倍频谱带：由基态直接跃迁到第二振动激发态（v=2,3,4…）以上所产生的谱带称为倍频谱带；合频：如果一个光子的能量同时激发二种基频的跃迁,则分子在光谱中的吸收峰位置等于这种基频振动频率的和,称这种吸收为合频。NationalInstitutesforFoodandDrugControl•产生近红外吸收的条件•近红外谱区的吸收是由于分子振动的倍频或合频吸收造成的，但分子中只有基频振动的频率在2000cm-1以上时,其振动的倍频吸收才能处于近红外谱区，因此物质在近红外谱区的吸收主要包括以下基团的基频振动及其合频和倍频振动吸收：C-H,N-H,O-H,S-H,C=O,C=CNationalInstitutesforFoodandDrugControl吸收度432水的近红外和中红外光谱图5O-H伸缩振动（在~3650cm-1）合频振动（在~5200cm-11640cm-1+3650cm-110=5290cm-1）OH伸缩振动的1倍频（在~7100cm-12x3650=7300cm-1）H-O-H弯曲振动（在1640cm-1）900080007000600050004000300020001000波数(cm-1)NationalInstitutesforFoodandDrugControl近红外光谱谱段示意图二倍频一倍频吸收合频吸收吸收甲苯乙烷庚醇戊胺10000900080007000600050004000波数(cm-1)NationalInstitutesforFoodandDrugControlspeculaabsorption散射Diffuse三、获得近红外光谱的方法吸收全反射reflectance透射transmittance漫反射scatteringreflectanceNationalInstitutesforFoodandDrugControl近红外光与物质的相互作用不同的采样方法光源单色器样品检测器Near-IRReflectance(NIR)漫反射式检测器光源单色器样品Near-IRTrans-Reflectance(NITR)透反射式NationalInstitutesforFoodandDrugControl近红外光谱的测量用吸光度表示近红外光谱:Lambert-Beer定律A=-log(I/Io)=-logT=log(1/r)=消光系数；c:浓度；d:光程NationalInstitutesforFoodandDrugControl四、近红外光谱包含的基本信息1.活性成分的化学结构信息2.辅料的化学结构信息3.活性成分的工艺信息（如晶型、密度等）4.制剂的工艺特征（如制粒的大小、硬度等）5.部分包装材料的结构信息NationalInstitutesforFoodandDrugControl五、近红外光谱的基本分析方法训练集关联模型性质及组成数据如含量等未知样品性质及组成数据NationalInstitutesforFoodandDrugControl分析方法简介•定量分析：遵循Lambert-Beer定律，以多变量校正方法为工具建立浓度与多种吸收强度间的线性关系。Y＝b0+b1Y1+b2Y2+…+bnYn定性分析:利用图谱库结合匹配值定性，比较待测样品光谱与谱库中参比光谱的差异，对待测样品进行定性。NationalInstitutesforFoodandDrugControl0.90.80.9AbsorbanceUnits0.50.6AbsorbanceUnits0.50.60.80.70.70.40.30.20.20.30.4鉴别结果分析过程（一）建立模型110001000090008000700060005000110001000090008000700060005000Wavenumbercm-11.选择代表性样品测试（二）测定未知样品1.测定未知样品光谱2.计算平均光谱和阈值2.调用模型3.建立和验正模型ReportSample#081897-049ComponentA81.55%ComponentB5.38%ComponentC13.06%3.鉴定未知样品NationalInstitutesforFoodandDrugControl六、近红外光谱的特点——光谱信息1、信息范围：分子中只有基频振动的频率在2000cm-1以上的振动（主要含有C-H、N-H、O-H等的伸缩振动）其倍频吸收才能处于近红外谱区。2、信息量：近红外谱区除有不同级别的倍频谱带外，还包含不同形式组合的合频吸收，谱带复杂，信息丰富。3、信息强度：倍频与合频跃迁的几率比基频跃迁小的多，有机物在近红外区的摩尔吸光系数比中红外区小1-5个数量级，比紫外可见区小2-4个数量级。4、信息品质：近红外谱区的谱带比中红外谱区的谱带宽，近红外谱区的谱带重叠严重，常规方法解析困难。NationalInstitutesforFoodandDrugControl1.2.3.2.3.六、近红外光谱的特点——光谱应用优点：样品预处理简单或无需预处理，不耗费化学溶剂或试剂，可以透过玻璃和一些塑料包装直接进行测量，适用于各种固体、液体和气体样品分析。分析时间短，每张光谱的扫描时间小于一分钟，可以同时对多组分进行定性定量分析。仪器操作简单，一般操作人员均可操作使用。缺点：1.一种间接分析技术。信号重叠严重,难以判断物质化学结构,需化学计量学的大力协助。测试灵敏度相对较低(0.1%)。NationalInstitutesforFoodandDrugControl••••七、在药物分析领域的发展史20世纪60年代20世纪80年代20世纪90年代萌芽尝试成长1992年美国FDA批准Gist-Brocades公司可以使用近红外方法代替法定的水分测定方法，鉴别和定量分析氨苄西林三水合物1993年12月，加拿大药品管理局批准MerckFrosst公司使用近红外分析方法代替法定分析方法用于原料和包装材料成分的鉴别；1995年6月，英国药物管理局批准GlaxoWellcome公司使用近红外方法进行阿昔洛韦200mg片剂质量控制中的含量分析21世纪以来发展NationalInstitutesforFoodandDrugControl第二部分近红外技术在药品生产环节的应用NationalInstitutesforFoodandDrugControl•••一、QbD理念与过程分析技术QbD（QualitybyDesign，质量源于设计），是cGMP的基本组成部分，是从预先设定的目标开始，强调对产品和工艺的理解以及工艺过程控制，基于充分的科学和质量风险管理的一套系统的药品生产研发方法。确定目标产品的关键质量属性确定会影响产品关键质量属性的关键工艺参数及这些参数的可变范围——设计空间进行过程控制，根据原材料属性调整工艺参数，结合前馈和反馈信息，实施工艺参数的控制，从而达到更好的控制产品关键质量属性的目的。NationalInstitutesforFoodandDrugControlQbD理念中的设计空间原材料根据原材料属性调整工艺变量生产工艺产品根据产品质量属性调整工艺变量工艺变量结合前馈和反馈，实施工艺参数过程控制，能更好的控制产品的关键质量属性NationalInstitutesforFoodandDrugControlQbD中过程分析技术的作用过程分析技术（ProcessAnalyticalTechnology，PAT）以确保产品的质量为目的，以实时监测（即在工艺过程中监测）原材料、中间体和工艺过程的关键质量和性能属性为手段而建立起来的一种设计、分析和控制生产的系统。旨在从过程、工艺上保证药品的质量，使传统的药品质控朝着“防患于未然”的模式转变。常用的PAT技术：•NearInfraredSpectroscopy(NIR)•RamanSpectroscopy•Solution/cream/ointmentPHandtemperature•LasentecFocusedBeamReflectanceMeasurement(FBRM)/ParticleVisionandMeasurement(PVM)NationalInstitutesforFoodandDrugControl过程分析技术分类线内(In-line)实时，探头直接接触物量流线上(On-line)探头与转向的物量流连接离线(Off-line)实验室内近线(At-line)生产区域内NationalInstitutesforFoodandDrugControl••••应用PAT（近线/线上/线内）的优势分析速度快通过样品瓶或者袋直接取样很少或无需样品制备，通常是非破坏性的实时质量保证实时监测中间体或者终产品的主要属性较大的采样量——确保了整批的质量减少质量风险，降低不合格率；为持续改进提供机会缩短生产周期时间更好的控制库存量；消除低附加值工作产品的实时放行一套基于对产品工艺参数和产品关键质量属性全面理解的过程控制体系，可以减少对最终产品检测的需求NationalInstitutesforFoodandDrugControl全球制药工业界第一个实时放行的产品——美国默克公司的抗糖尿病新药Januvia传统的放行检测方法实验室检测HPLCContentUniformityCompositeAssayDegradatesIDAPI混合加润滑剂混合压片包衣PAT放行检测方法生产线检测NIRCompositeAssay;On-lineDosage;UniformitybyWeight生产线检测Disintegration;NIRID;DissolutionAppearance应用NIR进行含量控制统计结果实验室Appearance它是默克公