近红外光谱分析技术及其在药物分析中的应用（精品ＰＰＴ） .ppt

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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol region interaction s i b l 一 定义 12 820cm 1 780nm 3 959cm 1 2526nm wavelength 108 107 106 105 104 103 102 101 1 10 1 10 2 10 3 cm 1 vi nir mir fir esr nmr ray x ray ultraviolet infrared microwave radio tvwaves e nucleartransitions innershellelectronictransitions valanceelectrontransitions molecularvibrations molecularrotations spinorientationinmagneticfield wavelength m 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 1 101 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 c nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 吸收度 4 3 2 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 1 10 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 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 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 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 波数 cm 1 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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scatteringreflectance nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol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 cd 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 0 9 0 8 0 9 absorbanceunits 0 5 0 6 absorbanceunits 0 5 0 6 0 8 0 7 0 7 0 4 0 3 0 2 0 2 0 3 0 4 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 wavenumbercm 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol qbd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hplccontentuniformitycompositeassaydegradatesid 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 2008246099 2 101 72100 50 4 2008 2009374099 3 101 41100 30 3 2009 2010458098 9 102 61100 80 6 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 欧巴代近红外导数化光谱图和滑石粉导数化光谱图 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 药物多晶型 polymorphisms 的鉴别 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol absorbancein au 三 应用nir方法在线监测混合终点 blendprocess endpoint homogeneousblend beginningoftheblendprocess nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol wavelengthinnm log 1 r 四 药物存储稳定性的考察0 30 20 10 0 1 0 2 0 31000 15002000wavelength nm 2500 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol pc2 16 47 15 5 102030 主成份分析 片剂的稳定性测试2520测试状况1 40cat70 humidity10测试状况2 25cat60 humidity0 5 10 30 20 10 0 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol pc1 27 00 美洛西林对照品nir监测方法的建立谱段 6441 34 6495 34cm 1 光谱预处理方法 二阶导数 25点平滑 阈值 3 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 五 应用nir方法对终产物进行放行检验 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 六 应用于pat的指导原则 guidelineontheuseofnearinfraredspectroscopy nirs bythepharmaceuticalindustryandthedatarequirementsfornewsubmissionsandvariations draft emea chmp cvmp qwp 17760 2009rev2 january2012 guidanceforindustrypat aframeworkforinnovativepharmaceuticaldevelopment manufacturing andqualityassurance pharmaceuticalcgmps september2004 guidanceforindustryprocessvalidation generalprinciplesandpractices r1 cgmp january2011 guidanceforindustryqualitysystemsapproachtopharmaceuticalcgmpregulations pharmaceuticalcgmps september2006 guidanceforindustryq8 r2 pharmaceuticaldevelopment ich november2009guidanceforindustryq9qualityriskmanagement ich june2006guidanceforindustryq10pharmaceuticalqualitysystem ich april2009 guidanceforindustryq8 q9 andq10questionsandanswers r4 ichnovember2011q11developmentandmanufactureofdrugsubstances draft ich april2011 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 第三部分近红外技术在药品流通领域中的应用 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 药品快速检测体系 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 近红外现场筛查体系框架图 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 internationalnonproprietarynames 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 constructionofidentification systemfornon invasiveanalysisofmacrolidestabletsusingnearinfrareddiffusereflectance journalofpharmaceuticalandbiomedicalanalysis 2010 51 12 17 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 通用性定性模型的特点2 nir鉴别两步识别流程图 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 1 r 1 如果 1 r 0 则将其表示为0 如果0 r 1 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 1 应急检验用相关系数模型 谱段 6200 5500cm 1 5000 4700cm 1and 7240 7140cm 1 预处理方法 secondderivative 13points smoothing vectornormalization 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 1097 1104 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 实例2感康 复方氨氛烷胺片 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 实例321金维他 多元维生素片 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 实例4降压0号 复方利血平氨苯蝶啶片 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 1825 1828 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 实例 向壮阳类中药胶囊中添加 枸橼酸西地那非 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 添加物浓度与相关系数的关系 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 三 一致性检验模型 谱段 4000 10000cm 1 预处理方法 firstderivative 13pointssmoothing vectornormalization 可信区间 mean 5standarddeviation nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 实例 利君沙 琥乙红霉素 的流向跟踪 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 国家基本药物和进口药物的流通领域监测体系 nationalinstitutesforfoodanddrugcontrol 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 46276828 46 6 3 32192576 32 6 3 44264792 44 6 3 22132396 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