NIR-spektrometri i farmaceutisk analys. Raman och NIR-spektroskopi Problem med NIR-spektrometri och hur man löser dem

DJUR OCH VETERINÄR

UDC 636.087.72:546.6.018.42 TILLÄMPNING AV NIR-SPEKTROSKOPI FÖR ATT BESTÄMMA MÄNGDEN OORGANISKA OCH ORGANISKA FÖRENINGAR I FODER

SI. Nikolaev, doktor i jordbruksvetenskap I.O. Kulago, kandidat för kemivetenskap S.N. Rodionov, kandidat för jordbruksvetenskap

Volgograd State Agrarian University

Detta arbete undersöker möjligheterna med den uttryckliga metoden för NIR-spektroskopi för att bestämma mängden oorganiska och organiska föreningar i foder. Som ett resultat av forskningen testades prestandan för de konstruerade kalibreringarna med en modellblandning av "korn - bischofit" för att kvantifiera mineralsammansättningen i biologiska prover. Resultaten visar att kalibreringsdata kan användas för att bedöma mineralsammansättningen i foderblandningar.

Nyckelord: NIR-metod, kalibreringsmodell, bischofit.

NIR-metoden är baserad på mätning av reflektions- eller transmissionsspektra för prover i det spektrala området för manifestation av komponentfrekvenserna och övertonerna av de grundläggande vibrationsfrekvenserna för molekyler av vatten, protein, fett, fiber, stärkelse och andra viktiga komponenter i proven under studie, följt av beräkning av värdet på indikatorn med hjälp av kalibreringsmodellen inbyggd i analysatorn. NIR-spektralområdet täcker våglängdsområdet 750-2500 nm (0,75-2,5 µm) eller vågnummerområdet 14000-4000 cm-1. Strålning i denna spektrala region har stor penetrerande kraft och är samtidigt helt säker för biologiska objekt. Tack vare detta är det möjligt att analysera fullkorn från olika grödor utan att provet skadas. De främsta fördelarna med NIR-analysatorer är: snabb mätning, brist på provberedning och reagens. Själva analysprocessen tar 2-3 minuter.

Ett av de nya tillämpningsområdena för NIR-metoden i studier av biologiska föremål är studiet av sammansättningen av vattenlösningar.

Det är känt från litteraturen att saltlösningar är direkt inaktiva i NIR-regionen och signalregistrering baseras på förändringar i vätebindningar mellan salter.

Ett typiskt exempel på att mäta ett ämnes "icke-spektrala egenskaper" med hjälp av nära-infraröd spektroskopi är bestämning av saltsammansättningen i havsvatten. I detta avseende blir konceptet med en IR-skiftagent betydelsefull. Natriumklorid förändrar vattnets struktur genom att modifiera vätebindningar, vilket återspeglas i spektra i området nära IR.

I den vetenskapliga utvecklingen under de senaste åren har en viktig plats ägnats åt studier av effekterna av olika makro- och mikroelement i mineraltillsatser på de metaboliska processerna i kroppen hos djur och fjäderfä och inverkan av dessa tillsatser på kvalitativa och kvantitativa indikatorer för tillverkade produkter.

Som indikeras av Ba11oi'^ brist på foder i aminosyror och energi

leder vanligtvis bara till en minskning av viktökningen och en försämring av foderbetalningar, medan

hur brist på mineraler och vitaminer kan orsaka olika sjukdomar och till och med döda husdjur.

Den huvudsakliga mineralkällan för husdjur är växtfoder (med vissa undantag), som införs i kosten som mineraltillskott (slicksalt för djur, krita, skal för fjäderfä, etc.). Mineralsammansättningen av foder varierar beroende på deras kvalitet, växternas tillväxtförhållanden, nivån på deras jordbruksteknologi och en rad andra faktorer, inklusive den så kallade biogeokemiska provinsen.

Eftersom djur får inslag av mineralnäring med mat och delvis med vatten, genomfördes i detta arbete studier på vattenlösningar av salter (natriumklorid och magnesiumklorid) och vissa organiska föreningar (socker, aminosyra) med hjälp av moderna spektrala metoder med registrering av signaler i NIR (nära-IR) - områden.

För att mäta koncentrationerna av vattenhaltiga lösningar av bischofit med hjälp av NIR-metoden byggdes en kalibreringsmodell:

1) mätningar utfördes vid 4 punkter (kyvettpositioner);

2) varje punkt skannades tjugofyra gånger;

3) mätningar startade med den lägsta koncentrationen av bischofit (1%);

4) varje prov mättes tre gånger, de första två gångerna med samma fyllning av kyvetten, den tredje gången fylldes kyvetten på nytt;

5) proverna valdes på ett sådant sätt att de karakteriserade tre koncentrationsintervall.

Som ett resultat erhölls en kalibreringsmodell för att bestämma koncentrationen av bischofit i vatten med en korrelationskoefficient på 0,99 (Figur 1).

SEC J SECV I SEV ] MD | Prover med dålig kemisk analys | Konton | Spektrum, laster | Chem. ladda | Totalt spektrum: 99

Förutspått värde

;-N" rk- RP. u.

Referensvärde

Utsläppskontrollkriterier: 12"00001

Uteslut valda spektra

Avbryt alla ändringar

SEC R2sec-indikator

Kvantitet 0,432567 0,999078

Kryddig trend y = 0,0175+0,9991 x

Figur 1 - Kalibreringsmodell av bischofit

Figur 1 visar en kalibreringsmodell av bischofit byggd på basis av bischofitlösningar med koncentrationer från 1 % till 10 %, från 18 % till 28 %, från 32 % till 42 %.

Kalibreringsmodell Kvantitativ

SEC SECV | SEV J MD | Prover med dålig kemi Totalt spektra: 48

analys) Räkenskaper | Spektrum, laster | Chem. i

Förutspått värde

jag. . 0 5 . . , . . . . 1 . . . . , . 10 15 20

Referensvärde

Index:

|Mängd

Visa data som: | Schema

Utsläppskontroll

Kriterium: I 2-0000< *SECV Обновить |

Uteslut valda spektra

Avbryt alla ändringar

SECV-indikator R2secv F Trendlinje

Kvantitet 0,092000 0,999799 72877,753658 y = -0,0027+ 0,9996 X

Figur 2 - Kalibreringsmodell av natriumklorid

I samma sekvens byggdes en kalibreringsmodell för natriumklorid för jämförande bedömning. Korrelationskoefficienten för modellen var 0,99.

Figur 2 visar en kalibreringsmodell av en natriumkloridlösning med koncentrationer från 1 % till 10 %, från 18 % till 20 %.

För att bestämma koncentrationen av socker löst i destillerat vatten byggdes en kalibreringsmodell i ovanstående sekvens. Korrelationskoefficienten för modellen var 0,99 (Figur 3).

Kalibreringsmodell Kvantitet

BES 5ES\/ | BEU) MO | Prover med dålig kemisk AI Totalt spektrum: 107

m | Konton ] Spektrum, laster | Chem. ladda |

Förväntat värde 60-

Referensvärde

Kvantitet

Visa data som: | Schema

Utsläppskontroll

Kriterier: | 2-0000(“BESU Update |

Uteslut valda spektra

Avbryt alla ändringar

BESU-indikator (ggees/ P Direkt trend

Kvantitet 0,218130 0,999851 230092,131072 y =0,0114 + 0,9996 x

Figur 3 - Kalibreringsmodell av socker

Figur 3 visar en kalibreringsmodell av en sockerlösning med koncentrationer från 1 % till 10 %, från 18 % till 28 %, från 40 % till 45 %.

Kalibreringsmodell Kvalitativ

Figur 4 - Fördelning av kalibreringsmodeller: 1) P-alanin, 2) socker,

3) bischofit, 4) natriumklorid i ett enda koordinatsystem För att utvärdera de erhållna modellerna i koordinaterna för två huvudkomponenter genomfördes en kvalitativ jämförelse av fördelningspunkterna för kalibreringsmodellerna: 1) P-alanin, 2) socker 3) bischofit, 4) natriumklorid.

Med användning av dessa kalibreringar utfördes följande studier. Lösningar av bischofit framställdes med en massfraktion av löst ämne av 2%, 4%, 10%, med vilken spannmål (vete, korn, havre) fuktades. Vid mätning av koncentrationen av en bischofitlösning med hjälp av NIR-metoden, som användes för att blöta spannmål (vete, korn, havre), erhölls följande data (tabell 1).

Tabell 1 - Koncentration av bischofit

Koncentration av bischofitlösning före blötning av spannmålen (vete, korn, havre) Koncentration av bischofitlösning efter blötning av spannmålen (vete, korn, havre)

vete korn havre

10 % 10,1 10,2 10,3

När man blöter spannmål (vete, korn, havre) med en bischofitlösning med olika koncentrationer (2%, 4%, 10%) ändrades färgen på bischofitlösningen.

I varje fall färgades bischofitlösningen med vilken spannmålen väts, möjligen av organiskt material (pigment) från spannmålen, och visuellt hade lösningen en mer mättad färg vid en bischofitkoncentration på 2 %; med en ökning av koncentrationen av bischofitlösningen minskade färgintensiteten hos lösningen med vilken kornen blöts.

Från analysen av resultaten i tabell 1 kan man se att koncentrationen av bischofitlösningen (2%, 4%, 10%) med vilken spannmålen (vete, korn, havre) fuktades praktiskt taget inte förändrades. Kornet absorberade en viss volym vätska. Efter detta dränerades den oanvända lösningen och dess volym mättes. Det kan antas att mängden salt kvar på spannmålen (vete, korn, havre) löstes i den konsumerade volymen bischofit.

Beräkningar har visat att när ett vetekorn som väger 1000 g blöts med en bischofitlösning med koncentrationer (2%, 4%, 10%) bör mängden magnesium och klor som anges i tabell 2 finnas kvar på spannmålet (vete, korn, havre). ).

Tabell 2 - Beräknat innehåll av magnesiumkatjoner och kloranjoner på spannmål _______ (vete, korn, havre), efter behandling med bischofitlösning_______

Mängden magnesium g kvar på ett spannmål som väger 1000 g när det väts med bischofit Mängden klor g som finns kvar på ett spannmål som väger 1000 g när det blötts med bischofit

2 % 4 % 10 % 2 % 4 % 10 %

Vetekorn 2,4 5,0 11,2 7,1 14,8 33,2

Kornkorn 2,0 4,2 10,6 6,1 12,6 31,6

Havrekorn 4,8 9,8 21,2 14,2 29,2 62,8

För att bestämma mängden magnesiumkatjoner och kloranjoner av spannmål (vete, korn, havre) behandlade med bischofitlösning (2%, 4%, 10%) användes kapillärelektroforesmetoden (CEP). Studierna utfördes på en Kapel 105 analysator, med metoden för att bestämma katjoner i foder M 04-65-2010 utvecklat (LUMEX LLC), metoden för att bestämma anjoner i foder M 04-73-2011 utvecklare (LUMEX LLC). Vi studerade spannmål (vete, korn, havre) fuktad med en bischofitlösning (2%, 4%, 10%). Forskningsresultaten visas i tabell 3.

Tabell 3 - Innehåll av katjoner och anjoner i spannmål (vete, korn, havre).

Mängd magnesium, g Mängd klor, g

i 1000 g spannmål i 1000 g spannmål

Utan bischofit Bischofite 2% o4 4 t och & o sh och B Bischofite 10% Utan bischofit o4 2 t och & o sh och B o4 4 t och & o sh och B Bischofite 10%

Vetekorn 2,8 4,5 6,7 11,4 3,3 8,5 12,G 22,7

Kornkorn 2,4 3,9 5,6 16,G 4,5 5,6 1G,4 26,G

Havrekorn 2,3 6,2 11,6 36,G 4,1 1G.G 26.G 44.G

1. Traditionellt är det vanligt att vid bedömning av kvaliteten på vatten och foder beakta förekomsten av mängden av ett visst mineral i vatten och foder, i det här fallet kom vi i kontakt med kvaliteten på mineralens inverkan på den fysiska och kemiska egenskaper hos vatten och eventuellt på foderblandningen.

2. En jämförelse av två kalibreringsmodeller (lösningar av natriumklorid och magnesiumklorid) visade att kalibreringsmodellen för natriumklorid är baserad på spektralområdet från 10400 till 10900 cm-1 och för bischofit (magnesiumklorid) från 10100 till 10600 cm-1. Det är känt från litteraturen att saltlösningar är direkt inaktiva i NIR-regionen och signalregistrering baseras på förändringar i vätebindningar mellan salter.

Därför skiljer sig effekten av natriumklorid på vätebindningar i ett saltvattensystem från effekten av magnesiumklorid på vätebindningar i samma system.

3. I ett enda koordinatsystem fördelades organiska och oorganiska komponenter i en viss sekvens, utan blandning.

4. Den beräknade mängden magnesium som borde ha blivit kvar på spannmålen (vete, korn, havre) sammanfaller nästan helt med den faktiska mängden magnesium som bestämts med Capel-105 kapillärelektroforessystemet.

Mängden klor är betydligt mindre än beräknat.

5. Analys av tabell 3 visar att de data som erhållits med användning av kalibreringar av NIR-metoden bekräftas av CEF-studier.

6. Som ett resultat av forskningen testades prestandan för de konstruerade kalibreringarna med en modellblandning av "korn - bischofit" för att kvantitativt bedöma mineralsammansättningen i biologiska prover. Resultaten visar att kalibreringsdata kan användas för att bedöma mineralsammansättningen i foderblandningar.

Bibliografi

1. Georgievsky, V.I. Magnesiumnivåns inverkan i kosten på tillväxt och utveckling av slaktkycklingar [Text] / V.I. Georgievsky, A.K. Osmanyan, I. Tsitskiev // Kemi inom jordbruket. - 1973. - Nr 10. - S. 68-71.

2. Sheptun, V.L. Introduktion till metoden för spektroskopi i det nära-infraröda området [Text]: metodologisk manual / V.L. Viskare. - Kiev: Center for Infrared Spectroscopy Methods LLC "Analit-Standard", 2005. - 85 sid.

3. Schmidt, V. Optisk spektroskopi för kemister och biologer [Text] /V. Schmidt. -M.: Tekhnosphere, 2007. - 368 sid.

VAD ÄR NÄRA IR?

Den nära infraröda (NIR) regionen av det elektromagnetiska spektrumet sträcker sig från 800 nm till 2500 nm (12500 till 4000 cm)-1 ) och ligger mellan mitt-IR-området med längre våglängder och det synliga området med kortare våglängder. Mellan- och närområdet kan användas för vibrationsspektroskopi. Medan mitt-IR-spektra främst registrerar atomvibrationer i de individuella kemiska bindningarna av de flesta molekyler, visar motsvarande NIR-spektra så kallade övertoner och Raman-band.

På vågtalsskalan (se-1 ) dessa övertoner framstår som något mindre än grundvibrationernas ingående frekvenser. Till exempel sker huvudvibrationen av CH-bindningen (n) i triklormetanmolekylen (CHCl3) vid 3040 cm-1 , de tre första övertonerna (2n, 3n och 4n) observeras vid 5907 cm-1, 8666cm -1 och 11338cm -1 respektive.

Samtidigt minskar absorptionskapaciteten med ökande övertonsnummer, till exempel är en serie av dessa värden för CHCl3 25000, 1620, 48,

1,7 cm-1 /mol respektive.

På grund av den kraftiga minskningen av intensiteten hos högre övertoner undertrycks NIR-spektra vanligtvis av överlappande övertoner och Raman-band av strukturellt lättare grupper (t.ex. CH, N-H och O-H). Inom dessa NIR-spektra finns betydande information om molekylstrukturen hos provet som studeras, och denna information kan extraheras med moderna databearbetningsmetoder.

Fördelar med NIR-spektroskopi

Hastighet (vanligtvis 5 – 10 s)

Ingen provberedning krävs

Lätt att mäta

Hög noggrannhet och reproducerbarhet av analys

Inga föroreningar

Processkontroll

Möjlighet att göra mätningar via glas- och plastförpackningar

Automatisering av mätningar

Överföra en metod från en enhet till en annan

Analys av fysikaliska och kemiska egenskaper

Jämfört med vätskebaserade kemiska analysmetoder är NIR-spektroskopianalys snabbare, enklare och mer exakt. Mätningar kan utföras mycket snabbt, vanligtvis är analystiden endast 5-10 sekunder. Ingen preliminär provförberedelse eller särskild utbildning av personal krävs. Dessa spektra kan innehålla information om materialets fysikaliska egenskaper, såsom partikelstorlek, termisk och mekanisk förbehandling, viskositet, densitet, etc.

JÄMFÖRELSE AV IR-SPEKTROSKOPI

nära och mellan intervall

Att minska provberedningstiden är en av de största fördelarna med nära-IR jämfört med mid-IR. Detta beror främst på den relativt låga absorptionskoefficienten för de flesta material i NIR-området. Mellanklassmätningar av pulveriserade prover utförs traditionellt antingen genom diffus reflektans eller genom att komprimera prover till tabletter och mäta spektra i transmissionsläge. I båda fallen måste proverna först malas till ett fint pulver och sedan blandas med ett icke-absorberande ämne som KBr. Pulvren, krossad och blandad med KBr, placeras i en form och pressas till tabletter vid högt tryck med hjälp av en hydraulisk eller manuell press. För diffusa reflektionsmätningar placeras det krossade provet blandat med KBr direkt i provkoppen, ytan på provet jämnas till och införs sedan i den diffusa reflektionsfästet för mätningar. Dessa provberedningsmetoder används i stor utsträckning och framgångsrikt, men har nackdelar som längre provberedningstider, högre risk för provkontamination, möjlig minskad prov-till-prov och användare-till-användare reproducerbarhet på grund av variationer som uppstår under provberedningen och ytterligare kostnad för KBr-spädningsmedel.

Dessutom är fördelen med NIR-spektroskopi att den använder ganska billig optisk fiber för att mäta fasta och flytande prover. Jämförbara mid-IR-tillbehör är antingen begränsade av sin fysiska räckvidd eller av att de är ömtåliga och svåra att hantera. Allt detta gör NIR-spektroskopi mycket mer attraktivt att använda i produktionsprocessen.

JÄMFÖRELSE AV BIR spektroskopi

och spridningsanordningar

Fourierspektrometrar i nära-IR-området skiljer sig signifikant från dispersiva spektrometrar i nära-IR-området i metoden för att erhålla spektrumet. Dispersiva anordningar använder en smal slits och ett spridningselement, såsom ett galler, för att omvandla ljus till ett spektrum. Detta spektrum projiceras på en sensor eller uppsättning av sensorer, där ljusintensiteten vid varje våglängd bestäms. Den spektrala upplösningen för dispersiva enheter bestäms av en fast slitsbredd, vanligtvis 6-10 nm (från 15 cm-1 till 25 cm -1 vid 2000 nm). Upplösning kan inte väljas i programvaran, och ökad upplösning kräver en smalare slits och dämpning av den resulterande signalen. För alla dispersiva anordningar finns det således ett problem med att välja mellan upplösning och signal-brusförhållande.

En Fourier-transformspektrometer, däremot, använder en interferometer för att skanna kombinationer av våglängder av ljus som kommer från en bred sträcka av en nära-infraröd källa och skickar dessa kombinationer till en enda detektor.

I varje interferometerskanning samlas data in i form av ett interferogram, där signalintensiteten är korrelerad med förskjutningen av den rörliga delen av interferometern. Denna interferometerförskjutning är direkt relaterad till våglängden, och en matematisk transformation (Fourier-transformation) tillämpas för att plotta signalintensiteten som en funktion av våglängden, från vilken ett mått på spektralabsorption eller spektraltransmittans beräknas.

Samtidigt passerar en HeNe-laserstråle genom interferometern och riktas till sin egen detektor. Förskjutningen av interferometern resulterar i signalmaxima och -minima vid denna laserdetektor, vilka inträffar vid exakt definierade intervall som är multiplar av laservåglängden. Där denna signal passerar genom noll används som uppsamlingspunkter för digitalisering av NIR-detektorsignalen. På grund av styrningen av digital omvandling har FTIR-spektrometern således betydligt högre våglängdsnoggrannhet än något annat dispersivt instrument. Denna längdnoggrannhet har en direkt inverkan på stabilitetsförhållandena för kalibreringsmodeller utvecklade på Fourier-system, såväl som på förmågan att överföra kalibreringsmodellen till andra Fourier-instrument, vilket kommer att beskrivas nedan.

Den spektrala upplösningen för Fourier-spektrometrar bestäms av interferometerns rörlighetsgrad, som styrs av mjukvara, vilket gör det möjligt att avsevärt öka upplösningen jämfört med en dispersiv spektrometer, och, med hjälp av mjukvara, välja upplösning under forskning. Dessutom riktas FTIR:s bredbandiga nära-infraröda stråle genom stora cirkulära öppningar istället för den smala rektangulära slitsen som används i det dispersiva dokumentet, vilket belyser ett större område av provet och ökar ljusintensiteten vid detektorn. Denna prestandafördel resulterar i ett högre signal-brusförhållande för FTIR-spektrometrar jämfört med dispersiva instrument. Ett bättre signal-brusförhållande leder till en avsevärd minskning av detektionstiden och, som en konsekvens, till att erhålla spektra av högre kvalitet på Fourier-instrumentet vid vilken spektral upplösning som helst.

FOURIER - NEAR IR SPEKTROSKOPI för kvalitativ och kvantitativ analys

Idag strävar många tillverkare inte bara efter att leverera slutprodukten av högsta kvalitet, utan också att förbättra produktionseffektiviteten genom laboratorieanalys och användning av de resulterande resultaten i produktionen. Genom att få hårdare kontroll över tekniken är det möjligt att optimera användningen av ämnen genom att lägga till eller eliminera dem för att producera specifika produkter, och därigenom minimera distributions- eller bearbetningskostnaderna.

NIR är en spektroskopisk teknik idealisk för mätbehandling på grund av dess förmåga att snabbt utföra fjärrmätningar genom högpresterande optisk kvartsfiber. Signaldämpningen inom sådana fibrer är mycket låg (t.ex. 0,1 dB/km), och NIR fiberoptiska kablar och sensorer är robusta, relativt billiga och allmänt tillgängliga. Bearbetningssensorer kan placeras hundratals meter från spektrometern, och flera sensorer kan anslutas till en enda spektrometer.

NIR-MÄTMETODER

NIR-provtagningsmetoder för fasta ämnen är baserade på antingen diffus reflektans eller enkla transmissionsmätningar. Mätningar av diffus reflektans görs huvudsakligen med hjälp av en fiberoptisk sensor eller en integrerande sfär.

I fig. Figur 2 visar Fourier NIR-spektrometern MPA (tillverkad av Bruker Optik GmbH, Tyskland), som har 2 fiberoptiska sensorportar och ett separat provfack, som tillåter användning av direktöverföringsmetoden.

Detta foto visar en vanlig reflektanssensor som används för att analysera pulverprover i provrör.

Proverna analyseras genom att sensorn bringas i kontakt med provmaterialet. Slutförandet av analysen indikeras av upplysta lysdioder.

Den integrerande sfären (fig. 3) låter dig samla in spektraldata från inhomogena ämnen, till exempel blandade pulver, korn, polymergranuler, etc. De resulterande spektra representerar det rumsliga medelvärdet av allt material som finns i ett cirkulärt mätfönster (diameter 25 mm).

För bättre medelvärde kan en roterande kopp och automatiska provtagare användas.

BIC REVOLUTION

I LÄKEMEDEL

INDUSTRI.

KVALITETSBEDÖMNINGSFRÅGOR

Läkemedelsindustrin är känd som en av de mest reglerade industrierna i världen och Bruker tillverkar kvalitetstestinstrument för läkemedelskonsumenter som gör det möjligt för konsumenter att kontrollera om deras läkemedel uppfyller kraven. OPUS mjukvarupaket styr alla funktioner i spektrometern. Detta mjukvarupaket innehåller ett omfattande test av mjukvaran och hårdvaran. OPUS kommer att kontrollera att den fungerar korrekt genom att trycka på en tangent. Detta inkluderar testning av den interna testenheten som är inbyggd i spektrometern.

Programvaran kan köras i lösenordsskyddat "GLP"-läge, med full administratörskontroll över användarens tillgång till menyer, inställningar och anpassade makroprogram. Datablocket ger fullständig och automatisk kontroll av alla åtgärder som utförs med spektra. Ett ikonbaserat programmeringsspråk är inbyggt i programvaran för att automatisera komplexa procedurer. Som ett resultat ökar repeterbarheten och potentiella fel minskar.

Bruker är ett ISO9000-företag och all mjukvara och hårdvara är föremål för strikt kvalitetskontroll, flera steg av sluttestning och verifiering innan leverans till kund. Installation av enheten på kundens plats utförs av våra erfarna tekniska ingenjörer som förser kunden med en fungerande enhet vid leverans och därefter kontinuerligt under hela enhetens livslängd.

RÅMATERIALIDENTIFIKATION

Ett av de första stegen i tillverkningen av en läkemedelsprodukt är att identifiera och verifiera att de olika inkommande råvarorna uppfyller de nödvändiga kraven. NIR-spektroskopi genom fiberoptiska sensorer håller snabbt på att bli standardmetoden för att utföra denna överensstämmelsekontroll, vilket ger oöverträffad hastighet i identifieringen av både fasta ämnen och vätskor.

För att utföra denna typ av analys måste en kalibreringsmodell skapas som involverar ämnena av intresse. Först är det nödvändigt att erhålla flera spektra för varje råvara, med hänsyn till eventuella variationer som kan uppstå. Detta innefattar vanligtvis typer av råvaror som erhållits från olika säljare, från olika platser osv. När spektra väl har mätts genereras ett medelspektrum för varje material, och ett bibliotek av alla sådana medelspektra skapas, tillsammans med statistiskt bestämda acceptabla kriterier (eller trösklar) för alla substanser i biblioteket.

Biblioteket bekräftar då att allt material är unikt identifierat. Biblioteket kan nu användas för att identifiera nya okända ämnen genom att jämföra deras spektra med bibliotekets, och bestämma kvaliteten på träffen för varje ämne i biblioteket. Om denna träffkvalitet är lägre än tröskelvärdet för ett ämne och högre än tröskelvärdet för alla andra ämnen, identifieras det okända ämnet.

Vätskorna som ska identifieras kan mätas antingen genom transmissionsmätning i provfacket (som visas i figur 1) eller genom att använda en fiberdoppningssond. I vilket fall som helst tillåter de lägre absorptionskoefficienterna för NIR (jämfört med mid-IR) användningen av mycket längre provvägslängder (dvs. 1 - 10 mm). På grund av denna skillnad i väglängd blir mätningar i provfacket mer fördelaktiga, eftersom det tillåter användning av billiga standardglasrör istället för precisionsceller, vilket minskar kostnaden och varaktigheten för mätningarna.

KVANTITATIV ANALYS AV AKTIVA INGREDIENSER

En annan viktig del av kvalitativ/kvantitativ analys inom läkemedelsindustrin är den kvantitativa analysen av koncentrerade aktiva ingredienser. Denna typ av analys kräver ofta omfattande laboratorietester av testutskrifter av prover som förstörs under testning. Däremot ger FTIR ett tidsbesparande och oförstörande sätt att utföra kvantitativ analys av koncentrat i blandningar av pulver eller flytande ämnen, såväl som i redan tillverkade farmaceutiska tabletter och kapslar.

EFFEKTIV PROVTAGNING

En nyckelfaktor för framgången för FTIR för kvantitativ analys är valet av provtagningsmetod, ofta en kombination av automatiserad och manuell provtagning. Bruker tillverkar provtagningstillbehör speciellt för läkemedelsindustrin. Till exempel kan en automatisk provtagare (Fig. 5) installeras i provfacket på vilken Bruker FTIR-spektrometer som helst.

Detta tillbehör har en anpassningsbar provskiva som kan innehålla upp till 30 prover. Användaren bearbetar surfplattans kortplatser och rörelsen av skivan med OPUS-mjukvara eller ett användardefinierat makrokommando och/eller kommunikation med ett centraliserat distribuerat styrsystem inom tillverkningsanläggningen.

EXEMPEL PÅ ANALYS AV AKTIV INGREDIENS

Ett exempel på den kvantitativa analysen av ett koncentrat av aktiv ingrediens i en färdig läkemedelsprodukt genom Fourier Transform Infrared (NIR) är bestämning av koncentrationen av acetylsalicylsyra (ASA) i aspirintabletter. För att utföra denna analys användes minsta kvadratmetoden (OLS) för att bearbeta spektra erhållna från aspirintabletter med en känd koncentration av ASA. Koncentrationen av ASA i proverna varierade från 85 % till 90 %. Förutom ASA innehöll tabletterna två typer av stärkelse i intervallet 0%-10%.

För att installera OLS-modellen för detta flerkomponentsystem, med en upplösning på endast 8 cm-1 44 spektra registrerades. Det optimala intervallet för ASA bestämdes med hjälp av mjukvarupaketet OPUS-Quant/2 (ömsesidig validering). Rotmedelvärdet för kvadratfelet var 0,35 % och diskrepansen R 2 - 93,8 %. Detta fel låg inom de gränser som kunden angett. En kurva över sanna och beräknade koncentrationer visas i figur 6.

PROVTAGNING GENOM FÖRPACKNING

Dessutom demonstrerades bestämningen av koncentrationen av den aktiva ingrediensen i aspirintabletter genom plastmaterialen i den klara förpackningen med användning av en fiberoptisk diffus reflektanssensor, som visas i figur 7. De resulterande spektra visade konvexa intervall från polymermaterialet av den genomskinliga förpackningen, men två distinkta regioner (6070-5900 cm-1 och 4730-4580cm -1 ) innehållande toppar från aspirin är fortfarande synliga och användes för att skapa kalibreringsmodellen.

En graf över sanna och funna koncentrationer visas i figur 8). Rotmedelvärdet för kvadratfelet var 0,46 % och diskrepansen R 2 - 91,30%, dessa värden ligger återigen inom de gränser som kunden angett. De spektra som erhålls i detta exempel visas i figur 9.

FÖRDELAR MED ÖKAD UPPLÖSNING

I SPEKTRALANALYS

Fram till nyligen erhölls de flesta publicerade resultaten inom NIR-spektroskopi med lågupplösta dispersiva instrument, med spektral upplösning mellan 6 och 10 nm (från 15 cm-1 till 25 cm -1 vid 2000 nm). Tillkomsten av FT-NIR-spektrometrar har lett till betydande framsteg i högupplösta kapaciteter (bättre än 2 cm-1 ) NIR-spektroskopi.

NIR-spektra kännetecknas vanligtvis av hög spektral absorption, vilket inte kräver hög upplösning. Då finns det ofta situationer där den önskade kalibreringsmodellen från lågupplösta spektra inte kan skapas. Dessutom påverkar hög upplösning direkt instrumentets våglängdsnoggrannhet och följaktligen resultatens stabilitet och kalibreringsmodellernas "transporterbarhet".

Experimentellt, för att demonstrera värdet av ökande upplösning vid spektralanalys, mättes NIR-spektra av 5 tabletter med olika låga koncentrationer av den aktiva ingrediensen. Spektran mättes med en upplösning på 8 cm-1 och 2 cm -1 , varefter en identifieringsmodell för surfplattorna skapades med OPUS. Med en upplösning på 2 cm-1 , modellen kunde bara skilja mellan placebo och tabletter med aktiva ingredienser, medan den hade en högre upplösning på 8 cm-1 , är alla koncentrationer tydligt urskiljbara.

Figur 10a visar spektra och plot som erhållits för de två första huvudkomponenterna av mätningarna vid 8 cm-1 . Figur 10b visar spektra och plot som erhållits för de två första huvudkomponenterna av mätningar vid 2 cm-1 . De 5 områdena i den sista grafen indikerar att modellen med högre upplösning tydligt kan särskilja de 5 koncentrationsnivåerna av den aktiva ingrediensen.

BESTÄMNING AV TÄCKLAGETS tjocklek

FTIR-spektroskopi har också framgångsrikt använts för att bestämma skikttjocklek på farmaceutiska tabletter. Flera tester utfördes i denna studie, inklusive experiment med icke-linjära samband mellan ljusabsorptionsmåttet och skikttjockleken, likheten mellan kärnan och beläggningsmaterialets sammansättning och avsaknaden av tillräckliga kalibreringsprover för standard LSM-kalibrering. Toppen på 7184 cm-1 , som skiljer kärnmaterialet från beläggningsmaterialet, identifierades när högupplösta NIR-spektra samlades in (2 cm-1, 0,4 nm vid 7184 cm-1 ) på en Fourier-NIR-spektrometer IFS-28/N från Bruker (se figur 11).

Forskning visar att skikttjockleken kan modelleras som en polynompassning till toppområdet för den provtoppen (se fig. 12), medan minsta kvadratkalibrering av samma data inte är möjlig på grund av bristen på tillräckliga kalibreringsprover. Denna kalibrering har också framgångsrikt använts för ett antal pellets, men är oacceptabel för fiberoptiska diffusa reflektansmätningar på grund av otillräcklig penetrering av fibern i kärnan.

ÖVERFÖRINGSKALIBRERING

Att ta fram en stabil och tillförlitlig kalibreringsmodell är en mycket arbetskrävande, resurskrävande uppgift som innebär att förbereda och analysera ett stort antal prover med en standardmetod och sedan analysera dem med Fourier-NIR-metoden. Det är därför viktigt att det tas fram en kalibreringsmodell som kan användas över tid, och för vilken det inte spelar någon roll vilken typ av instrument, typ av källor, detektorer, sensorer etc. som används.

Dessutom påverkar flera faktorer överföringen av kalibrering från ett instrument till ett annat. Detta inkluderar till exempel våglängden och fotometrisk noggrannhet för olika instrument. Därför, för alla kalibreringsmodeller som överförs från ett instrument till ett annat, är det nödvändigt att mäta om åtminstone den ursprungliga uppsättningen av kalibreringar (eller hela uppsättningen av kalibreringar) på det nya instrumentet för att fastställa de korrektionsfaktorer som gör att modellen kan arbeta med det nya instrumentet.

Ibland leder detta till svårigheter att överföra kalibreringsmodellen, och ibland, vid sällsynta eller föränderliga kalibreringsprover, är sådan överföring inte alls möjlig.

Vanligtvis är svårigheten att överföra kalibreringsmodellen våglängdsnoggrannheten hos dessa två instrument. Avsaknaden av en stabil våglängdsaxel är en faktor som kraftigt begränsar möjligheten att överföra kalibreringsmodellen mellan dispersiva instrument. Därför har Brookers högupplösta instrumentering FT-NIR spektrometer produktionslinje den stora fördelen att använda våglängdsaxeln som en kalibreringsmetod.

För att göra detta övervägs ett smalt område i spektrumet av atmosfärisk vattenånga med en känd konstant våglängd, som används som en våglängdsstandard. Detta gör att FT-NIR-spektrometrar (tillverkade av Bruker Optik GmbH, Tyskland) kan ge mycket högre våglängdsnoggrannhet än något dispersivt instrument. Som ett resultat är direkt överföring av kalibrering från ett Fourier-NIR-instrument till ett annat möjligt. Fördelarna med denna funktion, som undviker kostsam omkalibrering samtidigt som den sparar tid, pengar och ansträngning, kan inte underskattas.

Ett sådant exempel på överföring av en kalibreringsmodell för att kvantifiera alkoholhalten i sprit visas i tabell 1. Kalibreringen utfördes på en IFS-28/N Brooker-spektrometer med nedsänkningssond A, och överfördes därefter till en Vector 22/N Brooker-spektrometer med nedsänkningssond B. Efter överföring, jämförelse R 2 och standardavvikelsefel visade framgången med direkt kalibreringsöverföring. Ytterligare tester har visat framgången med direkt överföring av andra kalibreringsmodeller från instrument till instrument, såväl som direkt överföring av modeller på ett instrument, efter att ha ersatt alla större systemkomponenter, inklusive NIR-källan, HeNe-laser, detektor, sensorer och elektronik.

KONFORMITETSTEST

Det är ofta nödvändigt att avgöra om slutprodukten uppfyller en viss standard. Detta är lätt att göra på Bruker spektrometrar, använder efterlevnadstest . En serie spektra mäts för ett fåtal utvalda prover av varje ämne och kommer att kontrolleras mot de spektra som bestäms oberoende av en standardmetod. För varje ämne, tillsammans med standardavvikelsens spektrum, genereras ett medelspektrum. Därefter analyseras nya prover av ämnet, deras spektra jämförs med det lagrade medelspektrumet och en bedömning görs av om det nya spektrumet ligger inom de acceptabla gränser som definieras av standardavvikelsens spektrum och den kundjusterbara faktorn. En typisk överensstämmelsetestrapport visas i figur 13.

BLANDNINGSANALYS

I många farmaceutiska processer är analys av blandningsprocessen av två eller flera komponenter ofta nödvändig. Blandningsanalys spelar en viktig roll vid blandning av pulver, där prover kännetecknas av heterogenitet. Det optimala förhållandet i blandningen avgör slutprodukten. Blandningsprocessen måste verifieras i realtid med FTIR-spektroskopi. Spektra tas från de korrekta referensblandningarna och sedan beräknas medelspektrum och standardavvikelsespektrum. Därefter tas spektra under blandning, bearbetas och jämförs med medelspektrumet. Blandningsprocessen stoppas om det resulterande spektrumet faller under ett användardefinierat tröskelvärde för medelspektrumet för den önskade blandningen.

SLUTSATS

FT-NIR spektroskopi är ett snabbt, lättanvänt och pålitligt verktyg för kvalitetssäkring och kvalitetskontroll inom läkemedelsindustrin. Fourier-transformteknikens avancerade prestanda möjliggör mer komplexa studier och gör att kalibrering kan överföras direkt. Dessutom är metoder som råvaruidentifiering och kvalitetstestning, bestämning av aktiv ingredienskoncentration, överensstämmelsetestning av slutprodukter och blandningsanalys av produkter vanliga bland konsumenter inom läkemedelsindustrin.

Som ett manuskript

DOLBNEV DMITRY VLADIMIROVICH

IDENTIFIERING AV LÄKEMEDEL GENOM NÄRA INFRARÖD SPEKTROSKOPI

04/14/02 – farmaceutisk kemi, farmakognosi

avhandlingar för en akademisk examen

kandidat för farmaceutiska vetenskaper

Moskva – 2010

Arbetet utfördes vid State Educational Institution of Higher Professional Education First Moscow State Medical University uppkallat efter

Vetenskapliga handledare:

Doktor i farmaceutiska vetenskaper, akademiker vid Ryska akademin för medicinska vetenskaper, professor

Doktor i läkemedelsvetenskap, professor

Officiella motståndare:

Ledande organisation:

Helryskt vetenskapligt centrum för säkerheten för biologiskt aktiva ämnen (VSC BAV)

Försvaret kommer att äga rum "___"____________________2010 klockan ____ vid ett möte i avhandlingsrådet (D 208.040.09) vid First Moscow State Medical University uppkallat efter Moskva, Nikitsky Boulevard, 13.

Avhandlingen finns i biblioteket vid Moscow State Medical University uppkallat efter. Moskva, Nakhimovsky prospekt, 49.

Vetenskaplig sekreterare för avhandlingen

fullmäktige D 208.040.09

doktor i farmaceutisk vetenskap,

Professor

Forskningsämnets relevans. Under de senaste 15 åren har nära-infraröd (NIR) spektroskopi utvecklats snabbt och har funnits i många olika branscher. NIR-spektroskopi är känd som en effektiv metod för kvalitativ och kvantitativ analys. Denna metod används i stor utsträckning inom jordbruket (för att bestämma kvaliteten på jordar, innehållet av protein, fett, etc. i livsmedelsprodukter), inom industrin (för att bestämma sammansättningen av petroleumprodukter, kvaliteten på textilprodukter, etc.), inom medicin (för att bestämma fett, syre i blodet, studier av tumörutveckling). För närvarande håller NIR-spektroskopi på att bli en av processkontrollmetoderna inom läkemedelsindustrin i Europa och USA.

Den används för att kontrollera ingående råvaror, blandningslikformighet, bestämning av granuleringsslutpunkt, torkningsfuktighet, tabletteringslikformighet, beläggningstjockleksmätning.

NIR-spektroskopimetoden beskrivs i den europeiska farmakopén och den amerikanska farmakopén, men den används fortfarande relativt sällan vid farmakopéanalys: främst vid bestämning av vattenhalten i preparat erhållna från blod.

I detta avseende är utvecklingen av enhetliga metoder för analys av farmaceutiska substanser och läkemedel för deras vidare användning i farmakopéanalys av stor betydelse.

Denna fråga är av särskild betydelse i samband med publiceringen av den 12:e upplagan av Ryska federationens statliga farmakopé.

Det är också nödvändigt att notera det pågående problemet med förfalskade läkemedel, ett av sätten att lösa det är utvecklingen av snabba analysmetoder.

Med hänsyn till ovanstående är ett akut problem utvecklingen av enhetliga metoder för att analysera substanser och preparat och identifiera förfalskade läkemedel med hjälp av NIR-spektroskopimetoden.

Syfte och mål med studien. Syftet med studien var att utveckla enhetliga metoder för att analysera substanser och preparat och identifiera förfalskade läkemedel med hjälp av NIR-spektroskopimetoden.

För att uppnå detta mål löstes följande uppgifter:

– att studera möjligheten att erhålla NIR-spektra av ämnen, tabletter och kapslar med hjälp av en fiberoptisk sensor och en integrerande sfär;

– jämföra NIR-spektra av ämnen och läkemedel;

– jämföra NIR-spektra för läkemedel med olika innehåll av den aktiva substansen;

– Undersöka möjligheten att använda NIR-spektroskopi för att fastställa äktheten av ämnen och preparat från specifika tillverkare, samt för att identifiera förfalskade läkemedel.

– utveckla ett elektroniskt bibliotek med NIR-spektra av substanser och läkemedel.

Vetenskaplig nyhet av forskningsresultaten. För första gången har det visat sig att NIR-spektroskopimetoden kan användas både för att fastställa äktheten av läkemedelssubstanser och färdiga läkemedel (tabletter och kapslar). Det har visat sig att NIR-spektra av substanser och läkemedel i allmänhet skiljer sig åt. Spectra kan erhållas med en fiberoptisk sensor och en integrerande sfär. Det har visat sig att om kapselhöljet eller tablettförpackningen (blister) är transparent kan ett spektrum erhållas utan att ta bort kapslarna eller ta bort tabletterna från förpackningen. Det har visat sig att NIR-spektroskopimetoden kan användas för att identifiera förfalskade läkemedel, förutsatt att spektra av original- och testläkemedel jämförs. Spektra av substanser och läkemedel kan lagras som ett elektroniskt bibliotek. Det har konstaterats att för en mer tillförlitlig jämförelse av testläkemedlets spektrum och standardspektrumet krävs användning av matematisk databehandling.

Arbetets praktiska betydelse. Utvecklade metoder för att analysera läkemedel med hjälp av NIR-spektroskopi föreslås för att fastställa äktheten av farmaceutiska substanser, läkemedel i form av tabletter och kapslar. Teknikerna tillåter användning av en integrerande sfär och en fiberoptisk sensor ("pistol").

De utvecklade metoderna kan även användas för uttrycklig identifiering av förfalskade läkemedel och för inkommande och utgående kontroll av läkemedelssubstanser och intermediärer på läkemedelsföretag. Metoderna tillåter i vissa fall att utföra oförstörande kvalitetskontroll utan att öppna primärförpackningen.

Det utvecklade biblioteket med NIR-spektra kan användas för att identifiera substanser, tabletter och kapslar med hjälp av en fiberoptisk sensor ("pistol") och en integrerande sfär.

Resultaten av arbetet har testats och använts på kvalitetskontrollavdelningen.

Godkännande av arbete. Huvudbestämmelserna i avhandlingsarbetet rapporterades och diskuterades vid XII Russian National Congress "Man and Medicine" (Moskva, 2005), International Congress on Analytical Chemistry ICAS (Moskva, 2006) och XIV Russian National Congress "Man and Medicine" ” (Moskva, 2007). Arbetet testades vid ett vetenskapligt och praktiskt möte vid Institutionen för farmaceutisk kemi med kursen i toxikologisk kemi vid fakulteten för farmaceutiska vetenskaper vid Moscow State Medical University. 22 mars 2010

Publikationer. 5 tryckta verk har publicerats på ämnet för avhandlingen.

Koppla forskning till läkemedelsvetenskapens problemdesign. Avhandlingsarbetet utfördes inom ramen för ett komplext ämne vid Institutionen för farmaceutisk kemi vid Moscow State Medical University uppkallad efter. ”Förbättra kvalitetskontrollen av läkemedel (läkemedels- och miljöaspekter)” (statlig registreringsnr. 01.200.110.54.5).

Avhandlingens struktur och omfattning. Avhandlingen presenteras på 110 sidor maskinskriven text, består av en introduktion, en litteraturöversikt, 5 kapitel av experimentella studier, allmänna slutsatser, en referenslista och innehåller även separat 1 bilaga. Avhandlingsarbetet illustreras med 3 tabeller och 54 figurer. I referenslistan finns 153 källor, varav 42 är utländska.

Bestämmelser för försvar:

– Resultat av att studera möjligheten att erhålla NIR-spektra av ämnen, tabletter och kapslar med hjälp av en fiberoptisk sensor och en integrerande sfär;

– Resultat av en jämförande studie av NIR-spektra av substanser och läkemedel, samt NIR-spektra av läkemedel med olika innehåll av den aktiva substansen;

– Resultat av att studera möjligheten att använda NIR-spektroskopi för att fastställa äktheten av substanser och preparat från specifika tillverkare, samt för att identifiera förfalskade läkemedel.

1. Studieobjekt

Ämnen och preparat av ett antal läkemedel har studerats. Totalt användes 35 substanser i studien: aluminiumhydroxid, amikacinsulfat, askorbinsyra, natriumaskorbat, warfarinnatrium, vitamin B12, gemfibrozil, magnesiumhydroxid, glurenorm, D-biotin, järnglukonat, zopiklon, kalcium D pantenoat, klindamycin fosfat, lidokainhydroklorid, metoprololtartrat, nikotinamid, paracetamol, pyridoxinhydroklorid, piperacillin, ranitidinhydroklorid, riboflavin, tiaminmononitrat, tyrotricin, famotidin, folsyra, cefadroxil,, cefazolinatriumhydroxiklorid, cefazolinatriumhydroxiklorid, coblamine, olika tillverkare och 59 läkemedel från olika tillverkare innehållande: isoniazid, meloxikam, omeprazol, ranitidinhydroklorid, rifampicin, famotidin, ciprofloxacin, esomeprazol, etambutol, samt 2 förfalskade prover (OMEZ 20 mg, Dr. Reddy`s Lab. 150 mg,) .

2. Utrustning och testförhållanden

En MPA-enhet användes i arbetet - en nära-infraröd Fourier-spektrometer (Bruker Optics GmbH, Tyskland). Inspelningsparametrar: spektralområde från 800 nm till 2500 nm (cm-1 till 4000 cm-1), antal skanningar 16, spektral upplösning 4 cm-1. Instrumentet kontrollerades och de erhållna spektra bearbetades med användning av OPUS 6.0 mjukvarupaketet (Bruker Optics GmbH, Tyskland). NIR-spektra erhölls på två sätt:

1) använda en fiberoptisk sensor ("pistol"),

2)

Båda metoderna användes för att erhålla NIR-spektra av substanser, tabletter och kapslar.

Den fiberoptiska sensorn ("pistolen") tillåter endast reflektionsmätningar, medan den integrerande sfären tillåter både reflektions- och transmissionsmätningar. I detta arbete erhölls NIR-reflektansspektra.

2.1. Metoder för att erhålla NIR-spektra:

med hjälp av en fiberoptisk sensor ("pistol").

2.1.1. Ämnen . Pulversubstansen hälldes i en transparent kyvett med en skikttjocklek på 1 till 3 cm. Därefter pressades den fiberoptiska sensorn vinkelrätt mot pulvrets yta. Spektrumregistreringsproceduren startade genom att trycka på en knapp på den fiberoptiska sensorn. Mätningen av spektrat upprepades 3–5 gånger från olika områden för att få statistiskt tillförlitliga analysresultat.

2.1.2. Tabletter borttagna från blisterförpackningen . Den fiberoptiska sensorn pressades vinkelrätt mot tabletten. Spektrumregistreringsproceduren startade genom att trycka på en knapp på den fiberoptiska sensorn. Mätningen av spektra upprepades 3–5 gånger från olika områden av tabletten för att få statistiskt tillförlitliga analysresultat.

2.1.3. Tabletter i blister . Om blistern är genomskinlig, utfördes mätningen enligt följande, den fiberoptiska sensorn pressades vinkelrätt mot ytan av tabletten i blistern. Spektrumregistreringsproceduren startade genom att trycka på en knapp på den fiberoptiska sensorn. Mätningen av spektra upprepades 3–5 gånger från olika områden av tabletten i blistern för att få statistiskt tillförlitliga analysresultat. Om blistern var ogenomskinlig eller aluminium togs tabletten först bort från blistern och sedan erhölls NIR-spektrumet.

2.1.4. Kapslar . Om kapselhöljet är genomskinligt, utfördes mätningen enligt följande: den fiberoptiska sensorn pressades vinkelrätt mot ytan av kapseln i blistern. Spektrumregistreringsproceduren startade genom att trycka på en knapp på den fiberoptiska sensorn. Mätningen av spektra upprepades 3 - 5 gånger från olika delar av kapseln i blistern för att erhålla statistiskt tillförlitliga analysresultat. Om kapselhöljet inte var genomskinligt, öppnades först kapseln och sedan mättes innehållets spektrum i en glaskyvett.

2.2. Metoder för att erhålla NIR-spektra:

med hjälp av en integrerande sfär.

Erhålla NIR-spektra i reflektionsläge

2.2.1. Ämnen . Pulversubstansen hälldes i en transparent kyvett med en skikttjocklek av 1 till 3 cm. Därefter placerades kyvetten ovanpå det optiska fönstret i den integrerande sfären. Mätningsprocessen startade på en dator med OPUS-programmet eller direkt på själva enheten (“Start”-knappen). Mätningen av spektra upprepades 3–5 gånger för att få statistiskt tillförlitliga analysresultat.

2.2.2. Tabletter borttagna från blisterförpackningen . Tabletten placerades i en speciell hållare. En hållare med en surfplatta installerades ovanpå det optiska fönstret på den integrerande sfären. Mätningsprocessen startade på en dator med OPUS-programmet eller direkt på själva enheten (“Start”-knappen). Mätningen av spektra upprepades 3–5 gånger från olika områden av tabletten för att få statistiskt tillförlitliga analysresultat.

2.2.3. Kapslar . Om kapselskalet är genomskinligt, utfördes mätningen enligt följande: kapseln placerades i en speciell hållare. En hållare med en kapsel installerades ovanpå det optiska fönstret i den integrerande sfären. Mätningsprocessen startade på en dator med OPUS-programmet eller direkt på själva enheten (“Start”-knappen). Mätningen av spektra upprepades 3–5 gånger från olika delar av kapseln för att få statistiskt tillförlitliga analysresultat. Om kapselhöljet inte var genomskinligt, öppnades kapseln först, och sedan mättes spektrumet av innehållet i en glascell genom att placera cellen ovanpå det optiska fönstret i den integrerande sfären.

3. Matematisk bearbetning av NIR-spektra.

Matematisk bearbetning av de erhållna spektra utfördes med hjälp av OPUS IDENT-programmet, inkluderat i OPUS 6.0 mjukvarupaketet (Bruker Optics GmbH, Tyskland). Det okända spektrumet jämfördes med referensbibliotekets spektrum genom att beräkna det spektrala avståndet. IDENT identifierar de jämförelsespektra som ligger närmast det analyserade spektrumet och bestämmer avvikelserna mellan dessa spektra och det analyserade spektrumet. Detta gör att IDENT kan identifiera okända ämnen och bedöma i vilken grad ämnet uppfyller referensstandarden.

Vi använde två metoder för matematisk bearbetning av NIR-spektra: 1) Ident-analys, som korrelerar spektrumet och en specifik substans, och 2) klusteranalys, som korrelerar spektrumet och en grupp av ämnen.

När spektra väl har mätts genereras ett medelspektrum för varje material och ett bibliotek av alla sådana medelspektra skapas, tillsammans med statistiskt bestämda acceptanskriterier (eller trösklar) för alla substanser i biblioteket. Testspektrumet jämfördes med alla referensspektra som finns i det elektroniska biblioteket. Resultatet av jämförelsen mellan spektra A och B slutar med utmatningen av det spektrala avståndet D, som kallas "match quality factor" i IDENT-programmet. Spektralt avstånd indikerar graden av spektral likhet. Två spektra med ett spektralavstånd lika med noll är helt identiska. Ju större avståndet är mellan två spektra, desto större spektralavstånd. Om det spektrala avståndet är mindre än tröskeln för ett ämne och större än tröskeln för alla andra ämnen, identifieras det okända ämnet.

Klusteranalys låter dig undersöka NIR-spektra för likhet och dela upp liknande spektra i grupper. Dessa grupper kallas klasser eller kluster. Denna typ av analys utfördes för en mer bekväm presentation av data i grafisk form.

Hierarkiska klusteralgoritmer utförs enligt följande schema:

Beräkna först de spektrala avstånden mellan alla spektra,

· sedan slås de två spektra med högst likhet samman till ett kluster,

· beräkna avstånden mellan detta kluster och alla andra spektra,

· två spektra med det kortaste avståndet smälter samman igen till ett nytt kluster,

· beräkna avstånden mellan detta nya kluster och alla andra spektra,

· två spektra smälter samman till ett nytt kluster

Denna procedur upprepas tills endast ett stort kluster återstår.

4 . Forskningsresultat

Möjligheten att använda NIR-spektroskopimetoden för att identifiera substanser och läkemedel från ett antal inhemska och utländska tillverkare har studerats.

Som ett resultat av forskningen skapades sex olika elektroniska bibliotek av NIR-spektra:

1) NIR-spektra för kapselinnehåll erhållet med en fiberoptisk sensor ("pistol"),

2) NIR-spektra för kapselinnehåll erhållet med hjälp av en integrerande sfär,

3) NIR-spektra av tabletter erhållna med en fiberoptisk sensor ("pistol"),

4) NIR-spektra av tabletter erhållna med hjälp av en integrerande sfär,

5) NIR-spektra av ämnen erhållna med en fiberoptisk sensor ("pistol"),

6) NIR-spektra av ämnen erhållna med användning av en integrerande sfär.

4.1. Beroende av NIR-spektra av ämnen och preparat på beredningsmetoden (med en "pistol" och en integrerande sfär).

I fig. Figur 1 visar NIR-spektra för ranitidinhydrokloridsubstans från Vera Laboratories (Indien), erhållna med hjälp av en "pistol" och en integrerande sfär. Figuren visar att spektra skiljer sig i intensiteten hos absorptionsbanden, men själva absorptionsbanden sammanfaller i vågnummervärden.

Den största skillnaden mellan NIR-spektroskopi och IR-spektroskopi i mellanregister är att spektra inte kan jämföras visuellt. Faktum är att det i allmänhet finns ett otillräckligt antal band i NIR-spektrumet, och intensiteten för många band är låg (särskilt den andra och tredje övertonen), så matematisk bearbetning av spektra krävs.

https://pandia.ru/text/78/375/images/image003_173.jpg" width="624" height="388">

Ris. 2. Resultat av IDENT-analys av NIR-spektrumet för Ulfamid 40 mg tabletter, KRKA (Slovenien), erhållet med hjälp av en "pistol" med användning av ett elektroniskt bibliotek av NIR-spektra erhållna med hjälp av en integrerande sfär.

Ris. 3. Resultat av IDENT-analys av NIR-spektrumet för Ulfamid 40 mg tabletter, KRKA (Slovenien), erhållet med hjälp av en integrerande sfär med användning av ett elektroniskt bibliotek av NIR-spektra erhållna med en "pistol".

4.2. Identifiering av den aktiva substansen genom NIR-spektrumet av preparat som innehåller detta ämne.

https://pandia.ru/text/78/375/images/image008_152.gif" width="648" height="234"> .gif" width="648" height="244">.jpg" width="649" height="235 src=">

Ris. 7. Resultat av IDENT-analys av NIR-spektrumet för Ciprofloxacin 250 mg tabletter, Cypress Pharmaceutical Inc. (USA), med hjälp av ett bibliotek bestående av NIR-spektra av olika ämnen.

Sålunda har vi konstaterat att med ett högt innehåll av den aktiva substansen (minst 40%) i läkemedlet är det möjligt att fastställa läkemedlets äkthet genom ämnets NIR-spektrum.

4.3. Identifiering av läkemedel med olika doser med hjälp av NIR-spektra.

I den tredje delen av studien fann vi att NIR-spektroskopimetoden kan användas för att bestämma olika doser av ett visst läkemedel, om de finns tillgängliga i det elektroniska biblioteket av NIR-spektra. För detta ändamål skapades ett elektroniskt bibliotek av NIR-spektra från läkemedel innehållande famotidin som en aktiv ingrediens, vilket inkluderade 27 prover från 7 olika tillverkare i doser på 10 mg, 20 mg och 40 mg (Fig. 8).

https://pandia.ru/text/78/375/images/image016_63.jpg" width="648" height="216 src=">

https://pandia.ru/text/78/375/images/image018_70.jpg" width="648" height="223 src=">

Ris. 9. Resultat av IDENT-analys, quamamg-tabletter, 20 mg och 40 mg, Gedeon Richter Plc. (Ungern) med hjälp av ett bibliotek bestående av NIR-spektra av olika läkemedel i olika doser.

4.4. Identifiering av läkemedel genom blistern.

För att fastställa möjligheten att identifiera läkemedel med hjälp av NIR-spektroskopi genom en blister, skapades ytterligare två bibliotek med NIR-spektra nr 7 och nr 8:

7) NIR-spektra av kapslar erhållna med en fiberoptisk sensor ("pistol") direkt genom blistern,

8) NIR-spektra av tabletter erhållna med en fiberoptisk sensor ("pistol") direkt genom blistern.

Under analysen jämfördes NIR-spektra för läkemedlen erhållna genom blistern med NIR-spektra erhållna från ytan av tabletter eller kapslar utan blister. I fig. Figur 10 visar en sådan jämförelse av spektra för rifampicinkapslar.

https://pandia.ru/text/78/375/images/image020_58.jpg" width="624" height="268 src=">

Ris. 11. Resultatet av IDENT-analys av NIR-spektrumet för rifampicin 150 mg kapslar, (Ryssland), erhållet med en "pistol" direkt genom blistern med hjälp av ett elektroniskt bibliotek som erhållits genom blistern.

https://pandia.ru/text/78/375/images/image013_124.gif" width="14" height="136">

Ris. 13 NIR-spektra av innehållet i omeprazol 20 mg kapslar från 14 olika tillverkare i jämförelse med ett förfalskat prov, erhållet med hjälp av en integrerande sfär.

Från de erhållna uppgifterna är det tydligt att utan matematisk bearbetning kan endast spektrat av förfalskning på ett tillförlitligt sätt urskiljas.

Genom att använda programvaran "OPUS IDENT" för en tredimensionell modell av statistisk bearbetning av spektra ("klusteranalys"), erhöll vi fördelningen av NIR-spektra av generiska omeprazol 20 mg kapslar, som kan presenteras i form av ett dendrogram ( Fig. 14).

Ris. 14. Klusteranalys av de studerade proverna tagna i tre exemplar från 14 olika tillverkare.

Som ett resultat av klusteranalysen var alla läkemedel väl uppdelade i sina klasser och enligt deras tillverkare (Fig. 14).

Matematisk bearbetning av resultaten som erhållits med IDENT-analys visade närvaron av ett förfalskat läkemedel. OPUS-programmet fastställde att detta prov X verkligen är förfalskat och att dess "matchningskvalitetskoefficient" (spektralt avstånd) är mycket högre än tröskeln för alla läkemedel i denna grupp (omeprazol, 20 mg kapslar) från 14 olika tillverkare, från vilka en elektronisk bibliotek skapades (Fig. 15).

Ris. 15. Resultat av IDENT-analys för ett förfalskat prov av OMEZ 20 mg, Dr. Reddy's Lab. (Indien).

Som ett resultat av IDENT-analysen identifierades en serie av alla originalprover av omeprazol 20 mg kapslar unikt, och vi sammanställde en sammanfattande tabell över resultat för alla prover, inklusive det förfalskade provet (tabell 1).

Tabell 1. Sammanfattningstabell över IDENT-analysresultat i omeprazolgruppen, 20 mg kapslar.

Provnamn	Spektralt avstånd
Förfalskat prov
Prov från KRKA
Prov från Akrikhin company
Prov från Ranbaxy Laboratories
Prov från Dr. Reddy's Lab.
Prov från M. J. Boipharm
Exempel på företag
Exempel på företag
Exempel på företag
Exempel på företaget "Pharma"
Exempel på Obolenskoye-företaget"
Exempel på företag. vit. fabrik"

Som ett resultat av den forskning som utfördes för att identifiera läkemedel av omeprazol från olika tillverkare med hjälp av NIR-spektroskopi, kunde vi få resultat för att identifiera förfalskade produkter för det förfalskade läkemedlet OMEZ 20 mg, Dr. Reddy's Lab. (Indien), och också unikt identifiera varje generika enligt dess tillverkare. Vi fick också positiva IDENT-analysresultat för alla tabletter som innehåller ranitidinhydroklorid (12 prover) och famotidin (9 prover), vilket gör att vi kan identifiera tillverkaren av varje prov unikt.

ALLMÄNNA SLUTSATSER

1. Det visades att NIR-spektra av substanser, tabletter och kapslar kan erhållas med en fiberoptisk sensor och en integrerande sfär. I det här fallet, för att fastställa äktheten, bör du använda ett elektroniskt bibliotek som erhållits på samma sätt som används för att ta NIR-spektrumet för testprovet.

2. Det har visat sig att med ett högt innehåll (minst 40%) av den aktiva substansen i läkemedlet är det möjligt att fastställa läkemedlets äkthet baserat på ämnets spektrum. För att identifiera läkemedel bör man dock generellt använda ett elektroniskt bibliotek sammanställt på basis av NIR-spektra för motsvarande läkemedel.

3. Det har konstaterats att NIR-spektroskopimetoden kan användas för att skilja läkemedel från en specifik tillverkare som innehåller samma aktiva substans i olika doser. Samtidigt är det i vissa fall svårt att kvantitativt bestämma den aktiva substansen i läkemedel från olika tillverkare med hjälp av NIR-spektroskopimetoden.

4. Det har visat sig att NIR-spektroskopimetoden kan användas för att identifiera tillverkaren av ett ämne eller ett läkemedel. I detta fall bör en parallell analys av den testade produkten i en specifik serie och en känd produkt i samma serie utföras.

5. Ett elektroniskt bibliotek med NIR-spektra av ämnen och preparat som innehåller olika aktiva ingredienser och tillverkade av olika tillverkare har utvecklats.

1. , Jämförande bedömning av läkemedels kvalitet med hjälp av nära-infraröd spektroskopi // Abstracts. Rapportera XII rysk medborgare kongr. ”Människa och medicin.” – M., 18-22 april. 2005.– S. 780.

2. , Detektering av förfalskade läkemedel med hjälp av NIR-spektroskopi // Proc. Rapportera XIV rysk medborgare kongr. ”Människa och medicin.” – M., 16-20 april. 2007.– S. 17.

3. , Metoden för nära-infraröd spektroskopi som en lovande riktning för att bedöma kvaliteten på läkemedel // Frågor om biologisk, medicinsk och farmaceutisk kemi.– 2008. – Nr 4. – S. 7-9.

4. , Tillämpning av metoden för nära-infraröd spektroskopi för identifiering av läkemedel // Frågor om biologisk, medicinsk och farmaceutisk kemi.– 2008. – Nr 6. – S. 27-30.

5. Arzamastsev A.P., Dorofeyev V.L., Dolbnev D.V., Houmoller L., Rodionova O. Ye. Analytiska metoder för snabb upptäckt av förfalskade läkemedel. International Congress on Analytical Sciences (ICAS-2006), Moskva, 2006. Book of abstracts. V. 1. S. 108.

Moderna metoder för att bedöma kvaliteten på medicinska råvaror och färdiga produkter inkluderar nära-infraröd spektrometri. Metoden har ett antal betydande fördelar, inklusive:

Enkelhet av provberedning eller fullständig frånvaro av dess behov. Genom att eliminera detta steg kan du spara upp till 80 % av tiden som spenderas på provundersökning. Hög analyshastighet. När man använder den senaste generationens analysatorer, som till exempel PT IM100 NIR-spektrometern, tar hela processen bara 15 minuter. Möjlighet att studera läkemedlet utan att öppna förpackningen. Denna egenskap hos NIR-spektrometri är särskilt värdefull vid analys av dyra läkemedel, giftiga ämnen (till exempel kemoterapiläkemedel), etc. Läkemedel i genomskinlig plast- eller glasförpackning kan undersökas utan att öppnas.

• Samtidig analys av olika komponenter i komplexa blandningar, inklusive information om deras koncentrationer. Med denna metod är det till exempel möjligt att analysera procentandelen vatten, organiska lösningsmedel och andra komponenter i mikroheterogena system, såsom olja-i-vatten eller vatten-i-olja emulsioner.
• Möjlighet att organisera fjärrstyrning av prover i realtid direkt i processflödet (fjärrstyrning). För dessa ändamål används stationära eller bärbara spektrometrar. Stationära enheter installeras i produktionsanläggningar för läkemedelsföretag, där de är integrerade direkt i produktionslinjer, montering av sensorer ovanför transportband, i kemiska reaktorer och blandningskammare. Detta gör att du kan ta emot information online och använda mottagna data i det automatiserade kontrollsystemet. Mobila laboratorier för kontroll av läkemedelskvalitet är oftast utrustade med bärbara batteridrivna NIR-spektrometrar.

Metoder för att erhålla spektra i NIR-regionen

I det nära-infraröda området erhålls spektra med användning av transmission eller diffus reflektion.

Transmissionsmetoden kan användas för att analysera både flytande och fasta ämnen. I detta fall placeras vätskor i kyvetter eller andra specialiserade behållare som levereras med enheten. Sådana mätkärl kan vara gjorda av vanligt glas eller kvartsglas. För transmissionstestning av fasta prover kan en sond eller sfär användas.

Sondbaserad diffus reflektansanalys har dock ett antal betydande fördelar, eftersom den ger ett mer detaljerat spektrum och mer exakta resultat. Detta uppnås på grund av det faktum att det lutande planet på spetsen av den fiberoptiska sonden minimerar den spegelbildande effekten, vilket gör att mer ljus kan spridas. Dessutom kan en modul integreras i fiberoptiken för att läsa streckkoder från provförpackningar. Det bör också noteras att endast med hjälp av en sond är det möjligt att identifiera prover på avstånd från själva enheten.

För att testa prover med låg spridning och reflektivitet används en kombinerad transmissions-reflektionsmetod. Detta kräver kyvetter och sensorer av en speciell design, tack vare vilka strålflödet passerar genom det analyserade provet två gånger.

Dessutom kan "interaktions"-spektra erhållas i det nära-infraröda området.

Problem med NIR-spektrometri och sätt att lösa dem

Huvudproblemen med denna analysmetod inom läkemedelsindustrin har under lång tid varit svårigheten att analysera spektrumet, kännetecknat av mindre intensiva och relativt bredare absorptionsband jämfört med de fundamentala banden i det mellaninfraröda området.

Kombinationen av matematiska metoder för databehandling (kemometri) med resultaten av instrumentell analys gjorde det möjligt att eliminera denna nackdel. För dessa ändamål är moderna analysatorer utrustade med speciella mjukvarupaket baserade på ett kluster eller diskriminerande metod för att bearbeta resultat.

För att kunna ta hänsyn till olika möjliga källor till förändringar i spektrumet i kemometrisk analys skapas speciella bibliotek av spektra på läkemedelsföretag, med hänsyn till tillverkaren av råvaror, den tekniska processen för dess produktion, homogeniteten av materialet från olika partier, temperatur, sätt att erhålla spektrum och andra faktorer.

Enligt europeiska regulatoriska krav, för att sammanställa bibliotek, är det nödvändigt att studera minst 3 prover av läkemedelssubstansen för att få 3 eller fler spektra.

Ett annat möjligt problem - möjligheten till en förändring i spektrumet på grund av designegenskaperna hos NIR-spektrometern - löses genom att kvalificera enheten i enlighet med farmakopékraven.

Saker att komma ihåg när du bedriver forskning

Vid NIR-spektroskopi av vätskeprover och andra termiskt labila prover beror spektrats natur på graden av dess uppvärmning. En skillnad på bara några grader kan ändra spektrumet avsevärt. Denna punkt måste beaktas när man utvecklar receptet och testar tekniken. Till exempel, när man skapar ett nytt läkemedel eller kosmetisk produkt med hjälp av en pilotlaboratoriehomogenisator, är det ofta nödvändigt att värma den homogeniserade blandningen. Ett prov av emulsionen som erhållits på detta sätt måste kylas innan undersökning i en NIR-spektrometer.

När man studerar pulverråvaror kan förekomsten av restmängder av lösningsmedel (vatten etc.) påverka analysresultaten. Därför indikerar farmakopémonografier behovet och teknologin för att torka sådana prover. Resultaten av nära-infraröd spektroskopi påverkas av pulverskiktets tjocklek, vilket direkt påverkar graden av transmittans. Ju tjockare skikt, desto högre absorption. Därför, om testuppgiften är att jämföra olika prover med hjälp av transmissionsmetoden, är det nödvändigt att förbereda prover med samma skikttjocklek eller ta hänsyn till denna indikator när man jämför de erhållna resultaten. Om graden av reflektion analyseras, kan skiktets tjocklek vara vilken som helst (men inte mindre än strålens penetrationsdjup). För att analysera ett pulverprov med hjälp av metoden för diffus reflektion, vars skikttjocklek är mindre än strålens penetrationsdjup, måste provet avskärmas. Dessutom beror spektrumets egenskaper på de optiska egenskaperna, densiteten och polymorfismen hos materialen som studeras.

Fördelar med NIR-spektroskopi

• Lätt att mäta
• Hög noggrannhet och reproducerbarhet av analysen (noggrannheten i analysen bestäms av kvaliteten på spektrumbearbetning, glapp och noggrannhet vid kalibrering av mekaniska delar, kalibrering av strålningskällan)
• Inga föroreningar
• Möjlighet att ta mått genom glas- och plastförpackningar
• Automatisering av mätningar. OPUS-programmet används. Att arbeta med detta program kräver en mycket kvalificerad användare
• Överföra en metod från en enhet till en annan
• Analys av fysikaliska och kemiska egenskaper

Fördelar med Raman-spektroskopi

• Ingen provberedning krävs
• På grund av frånvaron av mekaniska delar och mer definierade spektrala egenskaper är mätningar av Raman-spektra betydligt enklare än NIR
• Raman-spektroskopi-mätningar anses vara kemiska fingeravtryck (dvs de mest exakta som finns tillgängliga idag). Frånvaron av rörliga delar och Raman-spektrumets oberoende från fluktuationer i sändarens frekvens och intensitet ger ultrahög repeterbarhet av mätningar.
• Inga föroreningar
• Det är möjligt att utföra mätningar genom glas (inklusive färgat glas) och plastförpackningar, och identifieringen av enskilda element (förpackningar och läkemedel) är mycket mer tillförlitlig än i NIR-metoden
• Automatisering av mätningar. Ett användargränssnitt har skapats som gör att en otränad användare kan använda enheten. Programmet anpassas enkelt till slutanvändaren. Denna punkt är mycket viktig för farmaceuters och läkares arbete
• Raman-spektra inspelade på två olika instrument med samma spektrala upplösning sammanfaller alltid. Därför finns det inga problem med metodöverföring
• En mer exakt analys av de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos ämnena som studeras är möjlig, eftersom NIR-tekniken mäter övertoner av fundamentala vibrationer, vars direkta erhållande av fysisk information från energin och spridningstvärsnitt är mycket svårt, för att inte säga omöjligt. . Raman-spektroskopi analyserar de mycket grundläggande vibrationerna hos kemiska molekyler, fullständig information om vilka antingen redan finns tillgänglig eller kan erhållas med enkla experimentella och teoretiska metoder

Enhetens egenskaper

BIC

• Hastighet (vanligtvis 5 – 10 s)
• Kompakta mått
• Upplösning bestäms av bredden på de studerade linjerna (ca 100 cm-1)
• Minsta mängd ämne för analys är cirka 0,1 mg
• Det finns ingen databas. Metoden har dykt upp nyligen och det finns extremt få kalibrerade NIR-spektra. Detta innebär att en enorm mängd arbete måste göras (utförs av kvalificerad personal) för att skapa en lämplig läkemedelsdatabas

InSpektr

• Snabbt (vanligtvis mindre än 1 s)
• Det bärbara Ramankomplexet InSpectr har betydligt mindre dimensioner och vikt än NIR-spektrometern
• Upplösningen bestäms av bredden på de studerade linjerna (cirka 6 cm-1). Det gör att ett betydligt större antal ämnen kan identifieras
• Minsta mängd ämne för analys är cirka 0,001 mg (dvs. 100 gånger mindre). Detta beror på den bättre känsligheten hos mottagningssystemet i det synliga området
• Metoden är väl utvecklad. En databas med kalibrerade spektra av ett stort antal läkemedel och kemikalier har samlats