近红外光谱分析技术及其在药物分析中应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,近红外光谱分析技术及其在药物分析中的应用,National Institutes for Food and Drug Control,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,National Institutes for Food and Drug Control,第一部分 近红外光谱分析技术概述,National Institutes for Food and Drug Control,Region,Interaction,s,i,b,l,一、定义,12,820 cm,-1,(780nm),3,959 cm,-1,(2526 nm),Wavelength,10,8,10,7,10,6,10,5,10,4,10,3,10,2,10,1,1,10,-1,10,-2,10,-3,(cm,-1,),v,i,NIR,MIR,FIR,ESR,NMR,-Ray,X ,Ray,Ultraviolet,Infrared,Microwave,Radio, TV,Waves,e,Nuclear,Transitions,Inner,Shell,Electronic,Transitions,Valance,Electron,Transitions,Molecular,Vibrations,Molecular,Rotations,Spin,Orientation in,Magnetic,Field,Wavelength,(m),10,-10,10,-9,10,-8,10,-7,10,-6,10,-5,10,-4,10,-3,10,-2,10,-1,1,10,1,National Institutes for Food and Drug Control,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,National Institutes for Food and Drug Control,振动能级水平,分子能级跃迁图,简谐振动,非简谐振动,3rd Overtone 三级倍频,2nd Overtone 二级倍频,1,st,Overtone 一级倍频,Fundamental 基频振动,National Institutes for Food and Drug Control,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。,National Institutes for Food and Drug Control,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=C,National Institutes for Food and Drug Control,吸收度,4,3,2,水的近红外和中红外光谱图,5,O-H,伸缩振动,（在,3650 cm,-1,）,合频振动 （在5200,cm,-1,1640 cm,-1 +,3650 cm,-1,1,0,= 5290 cm,-1,）,OH,伸缩振动,的,1倍频（在,7100 cm,-1,2 x 3650 = 7300,cm,-1,）,H-O-H,弯曲振动,（在1640,cm,-1,）,9000,8000,7000,6000,5000,4000,3000,2000,1000,波数(cm,-1,),National Institutes for Food and Drug Control,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,10000,9000,8000,7000,6000,5000,4000,波数 (cm,-1,),National Institutes for Food and Drug Control,specula,absorption,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,scattering,reflectance,National Institutes for Food and Drug Control,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-IR Reflectance (NIR),漫反射式,检测器,光源,单色器,样品,Near-IR Trans-Reflectance (NITR),透反射式,National Institutes for Food and Drug Control,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) = -log T = log(1/r) =,cd,:消光系数,；c: 浓度 ；d: 光程,National Institutes for Food and Drug Control,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,National Institutes for Food and Drug Control,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,National Institutes for Food and Drug Control,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。,Yb,0,+b,1,Y,1,+b,2,Y,2,+b,n,Y,n,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。,National Institutes for Food and Drug Control,AbsorbanceUnits,AbsorbanceUnits, , , ,鉴别结果,分析过程,（一）建立模型, , , , , ,11000,10000,9000,8000,7000,6000,5000,11000,10000,9000,8000,7000,6000,5000,Wavenumber cm-1,1. 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,Report,Sample #081897-049,Component A,81.55%,Component B,5.38%,Component C,13.06%,3. 鉴定未知样品,National Institutes for Food and Drug Control,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。,National Institutes for Food and Drug Control,1.,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%)。,National Institutes for Food and Drug Control,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Merck Frosst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Glaxo Wellcome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,National Institutes for Food and Drug Control,第二部分,近红外技术在药品生产环节的应用,National Institutes for Food and Drug Control,一、QbD理念与过程分析技术,QbD（Quality by Design，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。,National Institutes for Food and Drug Control,QbD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,National Institutes for Food and Drug Control,QbD中过程分析技术的作用,过程分析技术（ Process Analytical Technology，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：,Near,Infrared Spectroscopy (NIR),Raman,Spectroscopy,Solution/cream/ointment,PH and temperature,Lasentec,Focused Beam Reflectance Measurement(FBRM) / Particle Vision and,Measurement(PVM),National Institutes for Food and Drug Control,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,National Institutes for Food and Drug Control,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,National Institutes for Food and Drug Control,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,HPLC,Content,Uniformity,Composite Assay,Degradates,ID,API混合,加润滑剂混合,压片,包衣,PAT放行检测方法,生产线检测,NIR Composite Assay;,On-line Dosage;,Uniformity by Weight,生产线检测,Disintegration;,NIR ID;,Dissolution,Appearance,应用NIR进行含量控制统计结果,实验室,Appearance,它是默克公司基于QbD理,年份,生产批次,不符合标准批次*,3限度（%）,超限批次,平均值,标准偏差（%）,2007-2008,246,0,2,2008-2009,374,0,1,2009-2010,458,0,1,念研发、生产和申报的新,药，2006年被美国和欧盟,批准后，目前已经被全世,界80多个国家批准。,National Institutes for Food and Drug Control,*标准规定：95.0%-105.0%,1.,2.,3.,4.,5.,6.,二、近红外在过程分析中的优势,样品预处理简单或无需预处理，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。,一次全光谱扫描，可以获得各类化学成分定性或定量的数据，因此具,有同时分析多种化学成分的能力。,可以透过玻璃和一些塑料包装直接进行测量，属于非破坏性分析方法，,通过光纤探头等辅助设备，使其可以进行生产过程的在线监测并且适,用于不同的测试环境。,维护费用及分析成本比普通色谱分析技术低，一般不耗费化学溶剂或,试剂。,仪器操作简单，一般操作人员均可操作使用。,National Institutes for Food and Drug Control,化学药品生产过程示意图,NIR定性鉴别质量,粉,主,NIR控制过程终点,NIR定量分析结果,药,辅,料,碎,和,过,筛,混,合,粘合剂,或润湿剂,制,粒,干,燥,整,粒,润滑剂,混,合,压,片,水分,计算机辅助优化系统,含量,崩解,溶出,含量,优质成品,片剂工艺流程图,National Institutes for Food and Drug Control,NIR在生产过程中应用的切入点,原辅料的鉴别与分级,粉末的混合,制粒和干燥过程,终产物的放行,存储稳定性的考察,National Institutes for Food and Drug Control,三、NIR应用于原辅料的鉴别与分级,我国新版药品生产质量管理规范已于2010 年10 月19,日经卫生部审议通过，2011 年2月12 日发布，自2011 年,3月1日起执行。,第六章物料与产品，第二节原辅料,第一百一十条,应当制定相应的操作规程，采取核对或检验等适当措施，,确认每一包装内的原辅料正确无误。,第一百一十一条,National Institutes for Food and Drug Control,一次接收数个批次的物料，应当按批取样、检验、放行。,化学药品辅料库的建立,市场中常用的31种辅料,National Institutes for Food and Drug Control,欧巴代近红外导数化光谱图和滑石粉导数化光谱图,National Institutes for Food and Drug Control,药物多晶型(Polymorphisms)的鉴别,National Institutes for Food and Drug Control,Absorbancein,AU,三、应用NIR方法在线监测混合终点,Blend process end point ,homogeneous blend,Beginning of the blend process,National Institutes for Food and Drug Control,Wavelength in nm,Log(1/R),四、药物存储稳定性的考察,0,1000,1500 2000,Wavelength (nm),2500,National Institutes for Food and Drug Control,PC2(16.47%),15,5,10 20 30,主成份分析:片剂的稳定性测试,25,20,测试状况1:,40 C at 70% Humidity,10,测试状况2:,25 C at 60% Humidity,0,-5,-10,-30,-20,-10,0,National Institutes for Food and Drug Control,PC 1 (27.00%),美洛西林对照品NIR监测方法的建立,-1,；光谱预处理方法：二阶导数（25点平滑）,阈值：3,National Institutes for Food and Drug Control,五、应用NIR方法对终产物进行放行检验,National Institutes for Food and Drug Control,六、应用于PAT的指导原则,Guideline on the use of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) by the pharmaceutical industry,and the data requirements for new submissions and variations (draft),EMEA/CHMP/CVMP/QWP/17760/2009 Rev2, January 2012,Guidance for Industry PAT A Framework for Innovative Pharmaceutical Development,Manufacturing, and Quality Assurance,Pharmaceutical CGMPs, September 2004,Guidance for Industry Process Validation: General Principles and Practices(R1),CGMP,January 2011,Guidance for Industry Quality Systems Approach to Pharmaceutical CGMP Regulations,Pharmaceutical CGMPs, September 2006,Guidance for Industry Q8(R2) Pharmaceutical Development,ICH, November 2009,Guidance for Industry Q9 Quality Risk Management,ICH, June 2006,Guidance for Industry Q10 Pharmaceutical Quality System,ICH, April 2009,Guidance for Industry Q8, Q9, and Q10 Questions and Answers(R4),ICH November 2011,Q11 Development and Manufacture of Drug Substances (draft),ICH, April 2011,National Institutes for Food and Drug Control,第三部分 近红外技术在药品流通领域中的应用,National Institutes for Food and Drug Control,药品快速检测体系,National Institutes for Food and Drug Control,National Institutes for Food and Drug Control,近红外现场筛查体系框架图,National Institutes for Food and Drug Control,假药的特征,1. 以非药品替代药品,2. 以它种低值药品替代另一种高值药品,3. 向药品中掺加其它活性成分,4. 取消或减少复方药品中的特定活性成分,5. 以一般企业的产品冒充知名企业的同类产品,6. 活性成分的含量与药品处方明显不同,National Institutes for Food and Drug Control,一、通用性定性分析模型,通用性的模型是指适用于多台近红外光谱,仪，能排除制剂中工艺、辅料的干扰，针对活,性 成 分 对 不 同 企 业 的 具 有 相 同 INN （,international nonproprietary names）名称,的同类产品能进行快速的鉴别及定量的模型。,参考文献：,Y.C. Feng, X.B. Zhang, C.Q. Hu. Construction of identification,system for non-invasive analysis of macrolides tablets using near,infrared diffuse reflectance. Journal of Pharmaceutical and Biomedical,Analysis, 2010, 51: 1217.,National Institutes for Food and Drug Control,通用性定性模型的特点1,结构相近的同系物药物被放到一组进行识别，再根据,其制剂（粉针剂、胶囊剂、片剂）的形式，分别建立鉴别,模型，如水杨酸类：, 母核, 代表品种：,水杨酸,水杨酸钠,对氨基水杨酸钠,阿司匹林,贝诺酯,National Institutes for Food and Drug Control,通用性定性模型的特点2,NIR鉴别两步识别流程图,National Institutes for Food and Drug Control,例：-内酰胺类抗生素胶囊定性分析模型,品种,阿莫西林,头孢羟氨苄,头孢氨苄,头孢克洛,头孢拉定,来源,50个厂家,15个厂家,59个厂家,5个厂家,44个厂家,共有批次,53批,65批,60批,7批,46批,谱图总数,318张,380张,358张,48张,287张,National Institutes for Food and Drug Control,二、相关系数模型,原理：通过计算相关系数将指定光谱与参考光谱,相比较。,r的取值为1r1，如果1r0，则将其,表示为0，如果0r1，就以百分比表示为0,100。r能够反映两张光谱的相似程度。当r大于,某一阈值时，判定为通过，小于某一阈值时，判定,为不通过。,National Institutes for Food and Drug Control,1、应急检验用相关系数模型,谱段: 62005500 cm,-1, 50004700 cm,-1,and,72407140 cm,-1,预处理方法: second derivative(13 points,smoothing); vector normalization,阈值: approx. 95%,参考文献：雷德卿，冯艳春，胡昌勤. 利用近红外光谱相似系数法监测流通领,域药品的变化.中国药学杂志,2010, 45(14): 10971104.,National Institutes for Food and Drug Control,辅料中不同浓度克林霉素磷酸酯,1-40%,2-20%,3-10%,4-5%,5-0,不同类型的活性成分,1-盐酸头孢甲肟,2-舒巴坦,3-单硝酸异山梨酯,4-乙酰螺旋霉素,辅料中不同品种的活性成分,1-辅料,2-辅料+40%克林霉素,3-辅料+40%克林霉素磷酸酯,结构相近的活性成分,1-头孢氨苄,2-头孢克洛,3-头孢羟氨苄,4-头孢拉定,National Institutes for Food and Drug Control,2.3%,实用性验证结果,仿冒品,乙酰螺旋霉素铝塑片剂-哈药六厂-伪品,阿莫西林铝塑胶囊-香港澳美-伪品,阿莫西林铝塑胶囊-广州白云山-伪品,阿莫西林铝塑胶囊-哈药总厂-伪品,阿莫西林铝塑胶囊-华北制药-伪品,阿莫西林铝塑胶囊-四川蜀中-伪品,琥乙非铝塑片-西安利君0606075-伪品,琥乙非铝塑片-西安利君0608036-伪品,罗红霉素非铝塑胶囊-哈药六厂070367-伪品,头孢拉定铝塑胶囊-上海五洲070109-伪品,复方氨芬烷氨片-吉林吴太0602005-伪品,三金片-桂林三金0704030-伪品,三金片-去包衣-桂林三金0801010 -伪品,伊曲康唑-西安杨森060324625-伪品,与正品相似系数（%）,9.2%,23.3%,4.1%,6.5%,15.6%,23.5%,0.4%,0.5%,0.0%,72.5%,91.7%,82.5%,82.5%,National Institutes for Food and Drug Control,实例1 吗丁啉多潘立酮,正品(1)，伪品(2不含活性成分，3-含活性成分的仿制品),National Institutes for Food and Drug Control,实例2 感康-复方氨氛烷胺片,National Institutes for Food and Drug Control,实例3 21金维他-多元维生素片,National Institutes for Food and Drug Control,实例4 降压0号-复方利血平氨苯蝶啶片,National Institutes for Food and Drug Control,2、逆向相关系数模型,针对中药非法添加化学药的特点，采用逆,向思维，以被添加的化学药品的NIR图谱作为,参照光谱，建立相似系数法快速筛查中成药中,是否非法添加了该化学药，该方法称之为近红,外图谱逆向相似系数分析法。,参考文献：王学良，冯艳春，胡昌勤. 近红外特征谱段相关系数法测定中药胶囊,中添加枸橼酸西地那非. 分析化学，2009, 37(12): 18251828.,National Institutes for Food and Drug Control,实例：向壮阳类中药胶囊中添加“枸橼酸西地那非”,National Institutes for Food and Drug Control,阈值的确定,正常降糖药胶囊中添加不同浓度盐酸二甲双胍,National Institutes for Food and Drug Control,添加物浓度与相关系数的关系,National Institutes for Food and Drug Control,西地那非验证结果,含西地那,非样品,NIR结果与 不含西地,实际一致 那非样品,NIR结果,与实际一,NIR,正确率,（批次）,积分球方法 79,的批次,72,（批次）,20,致的批次,20,（%）,93%,光纤方法,247,216,20,20,88%,National Institutes for Food and Drug Control,三、一致性检验模型,谱段:,400010000cm,-1,预处理方法: First derivative(13 points smoothing);,vector normalization,可信区间:,mean5 standard deviation,National Institutes for Food and Drug Control,实例：利君沙（琥乙红霉素）的流向跟踪,National Institutes for Food and Drug Control,实例：利君沙（琥乙红霉素）的流向跟踪,两年间使用药品检测车共跟踪了售往河南、安徽,和湖北省的39批利君沙样品（共计约6,500,000,盒）。, 发现样品最长流通,时间约为8个月，,只有来自2批的4盒,样品检验有误。,National Institutes for Food and Drug Control,国家基本药物和进口药物的流通领域监测体系,National Institutes for Food and Drug Control,四、通用性定量分析模型,参数,训练集,罗红霉素,验证集,琥乙红霉素,训练集 验证集,批次,样品数,光谱数,46,276,828(46*6*3),32,192,576(32*6*3),44,264,792(44*6*3),22,132,396(22*6*3),浓度范围,19.5%73.9%,22.4%71.6%,28.1%70.9% 43.3%65.7%,波长范围,图谱预处理,方法,阶数,5581.2 6962.0 cm,1,；,8057.48971.6 cm,1,1st derivative,vector Normalization,11,6248.45446.2 cm,1,1st derivative,vector Normalization,6,R,2,RMSECV(P),98.84%,99.0 %,95.13%,85.53%,参考文献：Y.C.,Feng, C.Q. Hu. Journal of Pharmaceutical and Biomedical,Analysis, 2006, 41: 373384.,National Institutes for Food and Drug Control,第四部分,近红外技术应用于药物分析中,的指导原则,National Institutes for Food and Drug Control,一、药物分析对近红外光谱仪的要求,安装确认(Installation qualification，IQ)：确认所购,买仪器是否与原订规格相符（包括对仪器有关的文件资料,、设备配件、安装的检查），并建立书面证明材料；,运行确认(Operational qualification，OQ)：在IQ确认,合格后执行，主要目的是确认仪器设备各个操作单元的性,能（包括各部分开关、控制器以及软件等是否可以按照标,准和要求正常工作），并建立书面证明材料，确定验证周,期，在规定时间内完成例行性再验证；,性能确认(Performance qualification，PQ)：确认仪器,的整体性能，建立书面材料，确定验证周期，以后需要在,规定时间内完成例行性再验证。,National Institutes for Food and Drug Control,二、近红外用于药物分析的指导原则,药典：美国药典(USP),欧洲药典(EP),英国药典(BP),中国药典(ChP)以,及日本药典(JP),欧洲药物管理局(EMEA) Note for guidance on the use of near infrared,spectroscopy by the pharmaceutical industry and the data requirements for,new submissions and variations：给制药业和评审员对新认证和变更时,近红外分析仪的数据要求的指导原则 (2003年制定，2009年提出新的,草案),英 国 药 物 分 析 科 学 组 (PASG) Guidelines for the development and,validation of near infrared (NIR) spectroscopy methods: 制药工业中建立,和验证近红外光谱方法的指导原则(2001),荷兰公共卫生与环境国家研究院（RIVM) Verification of the identity of,pharmaceutical substances with near-infrared spectroscopy: 使用近红外进,行药物鉴别的方法验证(2002),National Institutes for Food and Drug Control,