Бик анализ. Применение спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона. Ревалидация или повторная валидация
На правах рукописи
ДОЛБНЕВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ МЕТОДОМ БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
14.04.02 – фармацевтическая химия, фармакогнозия
диссертации на соискание ученой степени
кандидата фармацевтических наук
Москва – 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО Первый Московский государственный медицинский университет имени
Научные руководители:
доктор фармацевтических наук, академик РАМН, профессор
доктор фармацевтических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
Всероссийский научный центр по безопасности биологически активных веществ (ВНЦ БАВ)
Защита состоится «___»____________________2010 г. в ____ часов на заседании Диссертационного совета (Д 208.040.09) при Первом Московском государственном медицинском университете имени Москва, Никитский бульвар, 13.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГМУ им. Москва, Нахимовский проспект, 49.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 208.040.09
доктор фармацевтических наук,
профессор
Актуальность темы исследования. В последние 15 лет метод ближней инфракрасной (БИК) спектроскопии бурно развивается и нашёл применение в самых разнообразных отраслях. БИК-спектроскопия известна как эффективный метод качественного и количественного анализа. Этот метод широко применяется в сельском хозяйстве (для определения качества почв, содержания белка, жира и др. в пищевых продуктах), в промышленности (для определения состава нефтепродуктов, качества текстильных продуктов и т. д.), в медицине (для определения жира, кислорода в крови, исследования развития опухолей). В настоящее время БИК-спектроскопия становится одним из методов внутрипроизводственного контроля в фармацевтической промышленности в Европе и США.
Она используется для проверки входного сырья, однородности смешивания, определения конечной точки грануляции, содержания влаги при сушке, однородности таблетирования, измерения толщины покрытий.
Метод БИК-спектроскопии описан в Европейской фармакопее и Фармакопее США, однако в фармакопейном анализе используется пока относительно редко: в основном при определении содержания воды в препаратах, полученных из крови.
В этой связи большое значение имеет разработка унифицированных методик анализа фармацевтических субстанций и лекарственных препаратов для их дальнейшего использования в фармакопейном анализе.
Особую значимость этот вопрос приобретает в связи с выходом 12 издания Государственной фармакопеи РФ.
Необходимо также отметить сохраняющуюся проблему фальсифицированных лекарственных средств, одним из путей решения которой является разработка экспресс-методов анализа.
Учитывая вышесказанное, актуальной проблемой является разработка унифицированных методов анализа субстанций и препаратов и выявления фальсифицированных лекарственных средств с использованием метода БИК-спектроскопии.
Цель и задачи исследования. Целью исследования явилась разработка унифицированных методов анализа субстанций и препаратов и выявления фальсифицированных лекарственных средств с использованием метода БИК-спектроскопии.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
– изучить возможность получения БИК-спектров субстанций, таблеток и капсул с использованием оптоволоконного датчика и интегрирующей сферы;
– провести сравнение БИК-спектров субстанций и препаратов;
– провести сравнение БИК-спектров препаратов с различным содержанием действующего вещества;
– изучить возможность использования БИК-спектроскопии для установления подлинности субстанций и препаратов конкретных производителей, а также для выявления фальсифицированных лекарственных средств;
– разработать электронную библиотеку БИК-спектров субстанций и препаратов.
Научная новизна результатов исследования. Впервые показано, что метод БИК-спектроскопии можно использовать как для установления подлинности фармацевтических субстанций, так и для готовых лекарственных препаратов (таблетки и капсулы). Показано, что в общем случае БИК-спектры субстанций и препаратов различаются. Спектры можно получать с использованием оптоволоконного датчика и интегрирующей сферы. Показано, что если оболочка капсулы или упаковка таблеток (блистер) прозрачные, получать спектр можно без извлечения капсул или извлечения таблеток из упаковки. Показано, что метод БИК-спектроскопии можно использовать для выявления фальсифицированных лекарственных средств при условии сравнения спектров оригинального и испытуемого препаратов. Спектры субстанций и препаратов можно хранить в виде электронной библиотеки. Установлено, что для более надежного сравнения спектра испытуемого препарата и стандартного спектра требуется использование математической отработки данных.
Практическая значимость работы. Разработанные методики анализа лекарственных средств с использованием метода БИК-спектроскопии предлагаются для установления подлинности фармацевтических субстанций, препаратов в форме таблеток и капсул. Методики позволяют использовать интегрирующую сферу и оптоволоконный датчик («пистолет»).
Разработанные методики также могут применяться для экспресс-идентификации фальсифицированных лекарственных средств и для входного и выходного контроля фармацевтических субстанций и полупродуктов на фармацевтических предприятиях. Методики позволяют в ряде случаев проводить неразрушающий контроль качества без вскрытия первичной упаковки.
Разработанная библиотека БИК-спектров может быть использована при идентификации субстанций, таблеток и капсул с использованием оптоволоконного датчика («пистолета») и интегрирующей сферы.
Результаты работы апробированы и используются в отделе контроля качества.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на XII Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 2005 г.), Международном конгрессе по аналитической химии ICAS (Москва, 2006 г.) и XIV Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 2007 г.). Апробация работы проведена на научно-практическом заседании кафедры фармацевтической химии с курсом токсикологической химии фармацевтического факультета МГМУ им. 22 марта 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Связь исследований с проблемным планом фармацевтических наук. Диссертационная работа выполнена в рамках комплексной темы кафедры фармацевтической химии МГМУ им. «Совершенствование контроля качества лекарственных средств (фармацевтические и экологические аспекты)» (гос. рег. № 01.200.110.54.5).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, 5 глав экспериментальных исследований, общих выводов, списка литературы, а также отдельно включает 1 приложение. Диссертационная работа иллюстрирована 3 таблицами и 54 рисунками. Список литературы включает 153 источника, из них – 42 иностранные.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты изучения возможности получения БИК-спектров субстанций, таблеток и капсул с использованием оптоволоконного датчика и интегрирующей сферы;
– результаты сравнительного исследования БИК-спектров субстанций и препаратов, а также БИК-спектров препаратов с различным содержанием действующего вещества;
– результаты изучения возможности использования БИК-спектроскопии для установления подлинности субстанций и препаратов конкретных производителей, а также для выявления фальсифицированных лекарственных средств.
1. Объекты исследования
Исследованы субстанции и препараты ряда лекарственных средств. Всего в исследовании использовано 35 субстанций: алюминия гидроксид, амикацина сульфат, аскорбиновая кислота, аскорбат натрия, варфарин натрия, витамин В12, гемфиброзил, гидроксид магния, глюренорм, Д-биотин, железа глюконат, зопиклон, кальция Д пантеноат, клиндамицина фосфат, лидокаина гидрохлорид, метопролола тартрат, никотинамид, парацетамол, пиридоксина гидрохлорид, пиперациллин, ранитидина гидрохлорид, рибофлавин, тиамина мононитрат, тиротрицин, фамотидин, фолиевая кислота, цефадроксил, цефазолина натриевая соль, цефтизоксима натриевая соль, ципрофлоксацина гидрохлорид, цианкобламин, различных производителей и 59 препаратов различных производителей, содержащих: изониазид, мелоксикам, омепразол, ранитидина гидрохлорид, рифампицин, фамотидин, ципрофлоксацин, эзомепразол, этамбутол, а также 2 фальсифицированных образца (ОМЕЗ 20 мг, Dr. Reddy`s Lab. и Рифампицин 150 мг,).
2. Оборудование и условия испытаний
В работе использовали прибор МРА - Фурье-спектрометр ближнего ИК-диапазона (Bruker Optics GmbH, Германия). Параметры записи: спектральный диапазон от 800 нм до 2500 нм (отсм-1 до 4000 см-1), количество сканов 16, спектральное разрешение 4 см-1. Управление прибором и обработку полученных спектров проводили с использованием пакета программ OPUS 6.0 (Bruker Optics GmbH, Германия). БИК-спектры получали двумя способами:
1) с помощью оптоволоконного датчика («пистолет»),
2)
Оба способа использовали для получения БИК-спектров субстанций, таблеток и капсул.
Оптоволоконный датчик («пистолет») позволяет проводить измерение только на отражение, интегрирующая сфера – как на отражение, так и на пропускание. В работе получали БИК-спектры отражения.
2.1. Методики получения БИК-спектров:
с помощью оптоволоконного датчика («пистолета»).
2.1.1. Субстанции . Субстанцию-порошок пересыпали в прозрачную кювету, толщиной слоя от 1 до 3 см. Затем оптоволоконный датчик прижимали перпендикулярно к поверхности порошка. Процедуру регистрации спектра запускали нажатием кнопки на оптоволоконном датчике. Измерение спектров повторяли 3 - 5 раз от разных участков для получения статистически достоверных результатов анализа.
2.1.2. Таблетки, извлеченные из блистера . Оптоволоконный датчик прижимали перпендикулярно таблетке. Процедуру регистрации спектра запускали нажатием кнопки на оптоволоконном датчике. Измерение спектров повторяли 3 - 5 раз от разных участков таблетки для получения статистически достоверных результатов анализа.
2.1.3. Таблетки в блистере . Если блистер прозрачный, измерение проводили следующим образом, оптоволоконный датчик прижимали перпендикулярно поверхности таблетки в блистере. Процедуру регистрации спектра запускали нажатием кнопки на оптоволоконном датчике. Измерение спектров повторяли 3 - 5 раз от разных участков таблетки в блистере для получения статистически достоверных результатов анализа. Если блистер непрозрачный или алюминиевый, сначала извлекали таблетку из блистера и затем получали БИК-спектр.
2.1.4. Капсулы . Если оболочка капсулы прозрачная, то измерение проводили следующим образом, оптоволоконный датчик прижимали перпендикулярно поверхности капсулы в блистере. Процедуру регистрации спектра запускали нажатием кнопки на оптоволоконном датчике. Измерение спектров повторяли 3 - 5 раз от разных участков капсулы в блистере для получения статистически достоверных результатов анализа. Если оболочка капсулы не прозрачная, то сначала вскрывали капсулу, а затем измеряли спектр содержимого в стеклянной кювете.
2.2. Методики получения БИК-спектров:
с помощью интегрирующей сферы.
Получение БИК-спектров в режиме отражения
2.2.1. Субстанции . Субстанцию-порошок пересыпали в прозрачную кювету, толщиной слоя от 1 до 3 см. Затем устанавливали кювету сверху оптического окна интегрирующей сферы. Процесс измерения запускали на компьютере с помощью программы OPUS либо непосредственно на самом приборе (кнопка ″Start″). Измерение спектров повторяли 3 - 5 раз для получения статистически достоверных результатов анализа.
2.2.2. Таблетки, извлеченные из блистера . Таблетку помещали в специальный держатель. Устанавливали держатель с таблеткой сверху оптического окна интегрирующей сферы. Процесс измерения запускали на компьютере с помощью программы OPUS либо непосредственно на самом приборе (кнопка ″Start″). Измерение спектров повторяли 3 - 5 раз от разных участков таблетки для получения статистически достоверных результатов анализа.
2.2.3. Капсулы . Если оболочка капсулы прозрачная, то измерение проводили следующим образом, капсулу помещали в специальный держатель. Устанавливали держатель с капсулой сверху оптического окна интегрирующей сферы. Процесс измерения запускали на компьютере с помощью программы OPUS либо непосредственно на самом приборе (кнопка ″Start″). Измерение спектров повторяли 3 - 5 раз от разных участков капсулы для получения статистически достоверных результатов анализа. Если оболочка капсулы не прозрачная, то сначала вскрывали капсулу, а затем измеряли спектр содержимого в стеклянной кювете, помещая кювету сверху оптического окна интегрирующей сферы.
3. Математическая обработка БИК-спектров.
Математическую обработку полученных спектров проводили с использованием программы «OPUS IDENT», входящей в пакет программ OPUS 6.0 (Bruker Optics GmbH, Германия). Неизвестный спектр сравнивали с библиотечным спектром сравнения путем расчета спектрального расстояния. IDENT идентифицирует те спектры сравнения, которые являются самыми близкими к анализируемому спектру, и определяет отклонения между этими спектрами и анализируемым спектром. Это позволяет IDENT идентифицировать неизвестные вещества и оценивать степень соответствия вещества стандарту сравнения.
Нами было использовано два способа математической обработки БИК-спектров: 1) Ident-анализ, который соотносит спектр и конкретное вещество и 2) кластерный анализ, который соотносит спектр и группу веществ.
Как только спектры измерены, генерируется средний спектр каждого материала и создается библиотека всех таких средних спектров, куда вносятся и статистически определенные приемлемые критерии (или пороги) для всех веществ в библиотеке. Испытуемый спектр сравнивали со всеми спектрами сравнения, находящимися в электронной библиотеке. Результат сравнения между спектром А и В заканчивается выдачей спектрального расстояния D, которое в программе IDENT называется «коэффициентом качества совпадения». Спектральное расстояние указывает степень спектрального подобия. Два спектра со спектральным расстоянием равным нулю полностью идентичны. Чем больше расстояние между двумя спектрами, тем больше спектральное расстояние. Если спектральное расстояние меньше, чем порог для одного вещества, и больше, чем порог для всех других веществ, неизвестное вещество идентифицировано.
Кластерный анализ позволяет исследовать БИК-спектры на подобие и поделить подобные спектры на группы. Эти группы называют классами или кластерами. Данный вид анализа проводился для более удобного представления данных в графической форме.
Иерархические кластерные алгоритмы выполняются по следующей схеме:
· сначала, рассчитывают спектральные расстояния между всеми спектрами,
· затем два спектра с самым высоким подобием сливают в кластер,
· вычисляют расстояния между этим кластером и всеми другими спектрами,
· два спектра с наименьшим расстоянием сливаются снова в новый кластер,
· рассчитывают расстояния между этим новым кластером и всеми другими спектрами,
· два спектра сливаются в новый кластер
Эта процедура повторяется до тех пор, пока не останется только один большой кластер.
4 . Результаты исследования
Изучена возможность использования метода БИК-спектроскопии для идентификации субстанций и лекарственных препаратов ряда отечественных и зарубежных производителей.
В результате исследования было создано шесть различных электронных библиотек БИК-спектров:
1) БИК-спектры содержимого капсул, полученные с использованием оптоволоконного датчика («пистолета»),
2) БИК-спектры содержимого капсул, полученные с использованием интегрирующей сферы,
3) БИК-спектры таблеток, полученные с использованием оптоволоконного датчика («пистолета»),
4) БИК-спектры таблеток, полученные с использованием интегрирующей сферы,
5) БИК-спектры субстанций, полученные с использованием оптоволоконного датчика («пистолета»),
6) БИК-спектры субстанций, полученные с использованием интегрирующей сферы.
4.1. Зависимость БИК-спектров субстанций и препаратов от способа получения (с помощью «пистолета» и интегрирующей сферы).
На рис. 1 представлены БИК-спектры субстанции ранитидина гидрохлорида Vera Laboratories (Индия), полученные с использованием «пистолета» и интегрирующей сферы. На рисунке видно, что спектры различаются по интенсивности полос поглощения, но сами полосы поглощения совпадают по значениям волновых чисел.
Основным отличием БИК-спектроскопии от ИК-спектроскопии средней области является то, что спектры между собой нельзя сравнивать визуально. Дело в том, что в целом на БИК-спектре наблюдается недостаточное количество полос, а интенсивность многих полос низкая (особенно вторых и третьих обертонов), поэтому требуется проводить математическую обработку спектров.
https://pandia.ru/text/78/375/images/image003_173.jpg" width="624" height="388">
Рис. 2. Результат IDENT анализа БИК-спектра таблеток Ульфамид 40 мг, KRKA (Словения), полученного с использованием «пистолета» при использовании электронной библиотеки БИК-спектров, полученной с использованием интегрирующей сферы.
Рис. 3. Результат IDENT анализа БИК-спектра таблеток Ульфамид 40 мг, KRKA (Словения), полученного с использованием интегрирующей сферы при использовании электронной библиотеки БИК-спектров, полученной с использованием «пистолета».
4.2. Идентификация активной субстанции по БИК-спектру препаратов, содержащих данную субстанцию.
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=">
Рис. 7. Результат IDENT-анализа БИК-спектра таблеток Ципрофлоксацин 250 мг, Cypress Pharmaceutical Inc. (США), при использовании библиотеки, состоящей из БИК-спектров различных субстанций.
Таким образом, нами было установлено, что при высоком содержании действующего вещества (не менее 40 %) в препарате возможно установление подлинности препарата по БИК-спектру субстанции.
4.3. Идентификация препаратов с различной дозировкой по БИК-спектрам.
В третьей части исследования нами было установлено, что метод БИК-спектроскопии можно использовать для определения различных дозировок того или иного препарата, если они есть в электронной библиотеке БИК-спектров. Для этого из препаратов, содержащих в своем составе фамотидин в качестве действующего вещества, была создана электронная библиотека БИК-спектров, в которую вошло 27 образцов от 7 различных производителей в дозировках 10 мг, 20 мг и 40 мг (рис. 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=">
Рис. 9. Результаты IDENT-анализа, таблеток квамамг, 20 мг и 40 мг, Gedeon Richter Plc. (Венгрия) при использовании библиотеки, состоящей из БИК-спектров различных препаратов в различных дозировках.
4.4. Идентификация лекарственных препаратов через блистер.
Для установления возможности идентификации лекарственных препаратов методом БИК-спектроскопии через блистер, дополнительно были созданы две библиотеки БИК-спектров № 7 и № 8:
7) БИК-спектры капсул, полученные с использованием оптоволоконного датчика («пистолета») непосредственно через блистер,
8) БИК-спектры таблеток, полученные с использованием оптоволоконного датчика («пистолета») непосредственно через блистер.
В процессе анализа БИК-спектры препаратов, полученные через блистер, сравнивали с БИК-спектрами, полученными с поверхности таблеток или капсул без блистера. На рис. 10 представлено такое сравнение спектров для капсул рифампицина.
https://pandia.ru/text/78/375/images/image020_58.jpg" width="624" height="268 src=">
Рис. 11. Результат IDENT-анализа БИК-спектра капсул рифампицин 150 мг, (Россия), полученного с использованием «пистолета» непосредственно через блистер при использовании электронной библиотеки, полученной через блистер.
https://pandia.ru/text/78/375/images/image013_124.gif" width="14" height="136">
Рис. 13 БИК-спектры содержимого капсул омепразола 20 мг 14 различных производителей в сравнении с фальсифицированным образцом, полученные с использованием интегрирующей сферы.
Из полученных данных видно, что без математической обработки достоверно отличить можно только спектр фальсификата.
Используя программное обеспечение «OPUS IDENT» для трехмерной модели статистической обработки спектров («кластерный анализ») нами было получено распределение БИК-спектров дженериков капсул омепразол 20 мг, которые можно представить в виде дендрограммы (рис. 14).
Рис. 14. Кластерный анализ исследуемых образцов, снятых в трёхкратной повторности от 14 различных производителей.
В результате проведенного кластерного анализа все препараты хорошо разделились по своим классам и согласно своему производителю (рис. 14).
Математическая обработка полученных результатов IDENT-анализом показала наличие фальсифицированного лекарственного средства. Программа OPUS определила, что данный образец Х действительно является фальсифицированным и его «коэффициент качества совпадения» (спектральное расстояние) много выше порога для всех препаратов данной группы (омепразол, капсулы 20 мг) 14 различных производителей, из которых была создана электронная библиотека (рис. 15).
Рис. 15. Результат IDENT-анализа для фальсифицированного образца ОМЕЗ 20 мг, Dr. Reddy`s Lab. (Индия).
В результате проведенного IDENT-анализа серии всех оригинальных образцов капсул омепразол 20 мг были уникально идентифицированы, и нами была составлена сводная таблица результатов для всех образцов, включая фальсифицированных образец (табл. 1).
Табл. 1. Сводная таблица результатов IDENT анализа в группе омепразол, капсулы 20 мг.
Наименование образца | Спектральное расстояние | ||
Фальсифицированный образец | |||
Образец фирмы KRKA | |||
Образец фирмы Акрихин | |||
Образец фирмы Ranbaxy Laboratories | |||
Образец фирмы Dr. Reddy`s Lab. | |||
Образец фирмы M. J. Boipharm | |||
Образец фирмы | |||
Образец фирмы | |||
Образец фирмы | |||
Образец фирмы -Фарма» | |||
Образец фирмы Оболенское» | |||
Образец фирмы. вит. завод» |
Таким образом, в результате проведенных исследований по идентификации лекарственных препаратов омепразола различных производителей методом БИК-спектроскопии нам удалось получить результаты по выявлению контрафактной продукции для фальсифицированного препарата ОМЕЗ 20 мг, Dr. Reddy`s Lab. (Индия), а также уникально определить каждый дженерик согласно своему производителю. Также нами были получены положительные результаты IDENT-анализа для всех таблеток, содержащих ранитидина гидрохлорид (12 образцов) и фамотидин (9 образцов) позволяющие уникально определить производителя каждого образца.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Показано, что БИК-спектры субстанций, таблеток и капсул можно получать с использованием оптоволоконного датчика и интегрирующей сферы. При этом для установления подлинности следует использовать электронную библиотеку, полученную тем же способом, который применяется для снятия БИК-спектра испытуемого образца.
2. Показано, что при высоком содержании (не менее 40 %) действующего вещества в препарате возможно установление подлинности препарата по спектру субстанции. Однако в общем случае для идентификации препаратов следует использовать электронную библиотеку, составленную на основе БИК-спектров соответствующих препаратов.
3. Установлено, что метод БИК-спектроскопии может быть использован для дифференцирования препаратов конкретного производителя, содержащих одно действующее вещество в разных дозировках. При этом проводить количественное определение действующего вещества в препаратах разных производителей с использованием метода БИК-спектроскопии в ряде случаев затруднительно.
4. Показано, что метод БИК-спектроскопии может быть использован для идентификации производителя субстанции или препарата. При этом следует проводить параллельный анализ испытуемого средства конкретной серии и известного средства той же серии.
5. Разработана электронная библиотека БИК-спектров субстанций и препаратов, содержащих различные действующие вещества и изготовленные разными производителями.
1. , Сравнительна оценка качества препаратов методом ближней инфракрасной спектроскопии // Тез. докл. XII Российский нац. конгр. «Человек и лекарство».– М., 18-22 апр. 2005.– С. 780.
2. , Выявление фальсифицированных лекарственных средств методом БИК-спектроскопии // Тез. докл. XIV Российский нац. конгр. «Человек и лекарство».– М., 16-20 апр. 2007.– С. 17.
3. , Метод ближней инфракрасной спектроскопии как перспективное направление в оценке качества лекарственных средств // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии.– 2008.– №4.– С. 7-9.
4. , Применение метода ближней инфракрасной спектроскопии для идентификации лекарственных средств // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии.– 2008.– №6.– С. 27-30.
5. Arzamastsev A. P., Dorofeyev V. L., Dolbnev D. V., Houmoller L., Rodionova O. Ye. Analytical methods for rapid counterfeit drug detection. International Congress on Analytical Sciences (ICAS-2006), Moscow, 2006. Book of abstracts. V. 1. P. 108.
Спектрометр MicroNIR™ Pro - это сверхкомпактный, сверхлегкий и доступный по цене БИК-спектрометр, сочетающий в себе высокопрецизионные оптические компоненты Viavi OSP и самые передовые технологии миниатюризации оптической схемы и прибора в целом. Спектрометр MicroNIR™ Pro - это идеальное решение для различных применений, сочетающее в себе хороший показатель цены и качества, а также простоту использования. Благодаря самому компактном размеру и легкой массе из всех коммерчески доступных решений, БИК-спектрометр MicroNIR™ Pro можно легко и напрямую встроить в большинство аппаратов производственных линий, таких как сушилки псевдокипящего слоя, смесители, роликовые уплотнители, таблетировочные машины для контроля за уровнем влажности или наблюдением за окончанием технологической операции. Сверхкомпактный форм-фактор спектрометра также позволяет применять его в полевых криминалистических исследованиях для идентификации взрывчатых и наркотических веществ.
Обзор технологий
Мобильные и встраиваемые решения для спектрального анализа в ближней ИК-области в настоящее время применяются для качественного и количественного анализа твердых веществ, жидкостей и газов, и идеально подходят для пищевой промышлености и сельского хозяйства, фармацевтической и химической промышенности, а также для экологических исследований. При этом, компактный размер БИК-спектрометра весьма востребован, поскольку именно такие приборы удобно применять в полевых условиях, а также встраивать в промышленные реакторы и машины.
Для изготовления оптического модуля спектрометров MicroNIR применяется запатентованная технология напыления тонкопленочных линейно-перестраиваемых фильтров (LVF). Даные фильтры выступают в роли диспергирующего элемента спектрометра и представляют собой особое тонкое клиновидное одностороннее покрытие. Поскольку длина волны максимума полосы поглощения зависит от толщины покрытия 
светофильтра, клиновидная форма LVF-фильтра позволяет пропускать длины волн света последовательно. Таким образом, все оптические решения компании Viavi представляют собой LVF-фильтры, непосредственно совмещеные с диодно-матричным детектором.
Линейно-перестраиваемый фильтр с диодно-матричным детектором, источники света, вспомогательные оптические компоненты и электроника находятся в едином и очень компактном корпусе, обеспечивая непревзойденную гибкость встраиваемых решений и мобильность при полевых работах.
В зависимости от режима измерения и типа образцов спектрометры MicroNIR TM 1700 ES могут комплектоваться различными аксессуарами:
- Держатель виал для анализа порошков и некоторых жидкостей
- Манжета (включена в стандартную комплектацию) необходима для защиты оптики спектрометра и установки оптимального фокусного расстояния
- Манжета с дополнительным защитным окошком служит для анализа порошков, запакованных в пластиковые пакеты.
- Модуль для измерения пропускания необходим для анализа жидкостей и тонких пленок.
 |
БИК-спектрометр MicroNIR™ OnSite
БИК-спектрометр MicroNIRTM OnSite - это специальная защищенная версия спектрометра MicroNIR™ 1700 ES, изготовленная в соответствии со стандартом безопасности IP65.Этот спектрометр рекомендуется использовать в экспедиционных условиях, а также при работе в складских помещениях и при криминалистических исследованиях - во всех случаях, где необходима надежная защита от влажности и пыли.
Для еще более безопасной эксплуатации рекомендуется использовать этот спектрометр совместно с защищенными по стандарту IP65 планшетными компьютерами или ноутбуками. Специальная мобильная версия программного обеспечения служит для быстрого и точного количественного анализа и идентификации неизвестных веществ.
БИК-спектрометры MicroNIR™ PAT USB / USB Extended
MicroNIR™ PAT USB и MicroNIR™ PAT USB Extended - это БИК-спектрометры в индустриальном исполнении, предназначенные для установки в промышленное оборудование любого размера. Эти приборы поставляются в защищенном корпусе (в соответствии с IP65), изготовлены из нержавеющей стали марки SS316 для легкой процедуры очистки, и практически не требуют сервисного обслуживания.
 |
БИК-спектрометр MicroNIR™ PAT WE
БИК-спектрометр MicroNIR™ PAT WE - это самое мобильное решение в области портативных промышленных БИК-анализаторов. Для обеспечения быстрых и точных результатов измерений в компактном алюминиевом корпусе расположен спектрометр (с измерительным портом из нержавеющей стали SS316), литий-ионная батарея питания, WiFi-модуль и акселерометрические датчики. Данный прибор можно установить на подвижные части промышленых аппаратов.
Ключевые особенности:
- В конструкции спектрометра отсутствуют подвижные компоненты.
- Для работы не используются дорогостоящие оптоволоконные кабели.
- Корпус анализатора изготовлен из алюминия и нержавеющей стали SS316 и защищен от влаги и пыли в соответстви с IP65.
- Сменная литий-ионная аккумуляторная батарея обеспечивает до 8 часов непрерывной работы.
- 9-осная система ориентации, включающая в себя акселерометр, магнетометр и гироскоп позволяет полностью скомпенсировать измерения в том случае, если прибор установлен на движущемся или вращающемся аппарате.
 |
Обзор программного обеспечения
Программное обеспечение MicroNIR™ Pro представляет собой интуитвно-понятный пользовательский интерфейс, адаптированный к современным персональным и мобильным компьютерам, в том числе и снабженных тачскринами. Данное ПО позволяет не только управлять спектрометрами, но и осуществлять разработку методов измерения и построение калибровочных моделей для качественного и количественного анализа. Программное обеспечение полностью соответствует 21 CFR Часть 11, имеет многоуровневую структуру организации доступа и снабжено всеми необходимыми инструментами для хранения большого числа данных и проведения аудита.
 |
 |
Данные, полученные с помощью ПО MicroNIR™ PRO, можно легко импортировать в мощный программный пакет Unscrambler X компании САМО (данный продукт входит в комплект ПО, поставляемого со спектрометрами MicroNIR™) и выполнить пакетную предварительную обработку спектров, а затем построение классификационных и регрессионных хемометрических моделей. Для качественного анализа доступны алгоритмы моделирования РСА, PLS-DA и SVM, а для количественного PLS, PCR и SVM-R.
 |
Одним из методов, получивших широкое распространение в мире для идентификации контрафакта, стал метод спектроскопии ближней инфракрасной области с Фурье преобразованием (БИК-спектроскопии). Его главными преимуществами являются: скорость анализа, отсутствие или минимальная пробоподготовка (возможность анализа без вскрытия упаковки), получение характеристик как физических, так и химических свойств препарата (идентификация компонентов, определение кристалличности, количественный анализ действующего вещества). Дополнительные различные методы исследования позволяют исследовать образцы разного физического состояния (методы на пропускание, диффузное отражение). Все эти преимущества дают возможность достоверно идентифицировать контрафакт, а так же идентифицировать его производителя. К тому же, БИК-анализаторы благодаря совей конструкции портативны и могут успешно использоваться в мобильных лабораториях.
Изначально БИК-спектрометры использовались для контроля производства лекарственных препаратов на всех уровнях его производства: контроль качества входного сырья, контроль всех производственных процессов (сушка, смешивание) и контроль качества выходной продукции (контроль качества и количественный анализ активных компонентов в готовой продукции). В дальнейшем данный метод получил свое распространение для идентификации контрафакта. С 2000 года были получены и опубликованы результаты проведения идентификации контрафактной продукции на примере лекарств различных производителей. В этих же работах рассматривались различные особенности, влияющие на точность анализа. Основываясь на полученном опыте международные организации по контролю над фальсифицированными препаратами стали внедрять этот метод для идентификации контрафакта как в отдельности, так и в комплексе с другими методами.
Существуют методики, в которых метод БИК используется для качественного и количественного анализа наркотических препаратов. Метод позволяет не только идентифицировать подозрительный образец как наркотик, но и количественно определить содержание действующего вещества.
Это указывает на предпочтение в использование метода Фурье-спектрометра ближней инфракрасной области, как одного из методов для качественного и количественного анализа наркотических препаратов. Для точной идентификации контрафакта, количественного определения активного компонента в препарате, а так же возможность отследить производителя фальсифицированных лекарственных средств либо наркотических препаратов .
На момент приобретения БИК-анализатора НИИЭКЦ при ГУ МВД Украины в Донецкой области, в стране стояла серьезная проблема с производством и распространением трамадола, поэтому первой задачей для БИК было построение методики для идентификации трамадола и его производителя, что позволило бы определить его источник. Впоследствии данный метод был дополнен методикой на решение еще одной задачи - идентификации фальсифицированных лекарственных средств.
Для разработки методов идентификации использовался спектрометр ближней инфракрасной области с Фурье преобразованием Antaris II производства компании Thermo Fisher Scientific. Внешний вид прибора изображен на рис. 1.4.1.
Рис. 1.4.1. БИК-спектрометр Antaris II.
Конструкция спектрометра позволяет укомплектовать один прибор различными приспособлениями для анализа различных типов образцов.
Спектрометр Antaris II оснащен:
· модулем на пропускания для анализа жидких образцов и пластинок;
· детектором на пропускание для анализа твердых образцов (таблеток, капсул, порошков);
· интегрирующей сферой;
· внешним оптоволоконным зондом.
Детектор для твердых образцов устанавливается над интегрирующей сферой, что позволяет одновременно проводить анализ образца как на пропускание, что дает характеристику всего образца в целом, так и на интегрирующей сфере методом диффузного отражения, что позволяет характеризовать поверхностную область образца. Внешний зонд используется для анализа методом диффузного отражения образцов в нестандартной упаковке, без вскрытия упаковки, а так же жидких образцов. Все вышеперечисленные методы не требуют пробоподготовки или требуют минимальной подготовки и позволяют получить результат в течение 3 минут, не требуют финансовых затрат на реактивы и расходные материалы, и, главное, являются неразрушающими, что позволяет сохранить образец для дальнейшего подтверждения результатов другим методами .
В число современных методов оценки качества лекарственного сырья и готовых препаратов входит спектрометрия в ближней инфракрасной области. Метод обладает рядом существенных преимуществ, среди которых:
|
- Единовременный анализ различных компонентов сложных смесей, включая информацию об их концентрации. Так, например, с помощью данного метода можно проанализировать процентное содержание воды, органических растворителей и иных составляющих в микрогетерогенных системах, таких как эмульсии типа «масло в воде» или «вода в масле».
- Возможность организации дистанционного контроля образцов в режиме реального времени непосредственно в технологическом потоке (дистанционный контроль). Для этих целей используются стационарные или переносные спектрометры. Стационарные приборы устанавливаются в производственных помещениях фармацевтических предприятиях, где их интегрируют непосредственно в технологические линии, монтируя датчики над лентами транспортеров, в химических ректорах, смесительных камерах. Это позволяет получать информацию в режиме онлайн и использовать полученные данные в АСУ. Переносными БИК-спектрометрами на аккумуляторах чаще всего оснащаются передвижные лаборатории контроля качества ЛС.
Способы получения спектров в БИК-области
В ближней инфракрасной области спектры получают с помощью пропускания или диффузного отражения.
Метод пропускания может быть использован для анализа как жидких, так и твердых веществ. При этом жидкости помещаются в кюветы или другие специализированные емкости, которыми комплектуется прибор. Такие измерительные сосуды могут выполняться из обычного или кварцевого стекла. Для исследования методом пропускания твердых образцов может применяться щуп или сфера.
Однако анализ по методу диффузного отражения с помощью зонда имеет ряд существенных преимуществ, так как дает возможность получить более детальный спектр и более точные результаты. Обеспечивается это за счет того, что наклонная плоскость наконечника оптоволоконного зонда сводит к минимуму зеркальный эффект, позволяя рассеивать большее количество света. Кроме того, в оптоволоконную оптику можно интегрировать модуль для считывания штрих-кодов с упаковки образца. Также необходимо отметить, что только с помощью щупа возможна идентификация проб, дистанционированных от самого прибора.
Для тестирования образцов с низкой рассеивающей и отражающей способностью используется комбинированный метод «пропускания-отражения». Для этого необходимы кюветы и датчики специальной конструкции, благодаря которым поток лучей проходит через анализируемый образец дважды.
Кроме того, в ближней инфракрасной области можно получить спектры «взаимодействия».
Проблемы БИК-спектрометрии и способы их устранения
К основным проблемам данного аналитического метода в фармацевтической отрасли в течение длительного времени относилась сложность анализа спектра, отличающегося менее интенсивными и относительно более широкими полосами поглощения по сравнению с фундаментальными полосами в средней части инфракрасной области.
Объединение математических методов обработки данных (хемометрии) с результатами инструментального анализа позволило нивелировать данный недостаток. Для этих целей современные анализаторы оснащаются специальными пакетами программ, основанных на кластерном или дискриминантном способе обработки результатов.
Для того чтобы в хемометрическом анализе можно было учитывать различные возможные источники изменения спектра, на фармацевтических предприятиях создаются специальные библиотеки спектров с учетом производителя сырья, технологического процесса его изготовления, однородности материала из различных серий, температуры, режима получения спектра и иных факторов.
Согласно европейским нормативным требованиям, для составления библиотек необходимо исследование не менее 3-х образцов лекарственной субстанции с получением 3-х и более спектров.
Еще одна возможная проблема – вероятность изменения спектра вследствие конструктивных особенностей БИК-спектрометра – решается с помощью квалификации прибора в соответствии с фармакопейными требованиями.
О чем необходимо помнить при проведении исследования
 |
|
 |
|
Спектрометрия в ближней инфракрасной области (БИК спектрометрия, англ. NIR) – метод, основанный на способности веществ поглощать электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 780 до 2500 нм (от 12500 до 4000 см -1).
Поглощение в БИК-диапазоне связано, как правило, с обертонами основных колебательных частот связей C-H, N-H, O-H и S-H и их комбинациями. Наиболее информативным диапазоном является область от 1700 до 2500 нм (от 6000 до 4000 см -1).
Анализ информации, извлекаемой из БИК-спектров, проводится с применением хемометрических алгоритмов, которые требуют создания первичного массива данных.
В рамках применимости метода, БИК-спектрометрия позволяет прямо или косвенно проводить качественную и количественную оценку химических, физических и физико-химических характеристик анализируемого объекта, в том числе оценивать следующие характеристики:
– гидроксильное и йодное число, степень гидроксилирования;
– кристаллическую форму и степень кристалличности;
– полиморфную форму или псевдополиморфную форму;
– степень дисперсности частиц и другие.
БИК-спектрометрия обладает следующими возможностями:
– простота подготовки проб или отсутствие подготовки;
– быстрота измерений;
– неразрушающий характер анализа;
– возможность одновременной оценки нескольких параметров (показателей);
– возможность проведения дистанционного контроля, в том числе в технологических потоках в режиме реального времени.
Приборы. Используют как специализированные БИК-спектрофотометры, так и другие спектрофотометры, способные работать в ближней ИК-области спектра.
БИК-спектрофотометры состоят из:
– источника излучения, например, кварцевой лампы (лампы накаливания) или ее аналога;
– монохроматора (дифракционная решетка, призма, оптико-акустический фильтр) или интерферометра (спектрофотометры с Фурье-преобразованием);
– регистрирующего устройства – детектора (на основе кремния, сульфида свинца, арсенида индия, арсенида индия-галлия, теллурида ртути-кадмия, дейтерированного триглицина сульфата и др.);
– устройства размещения образца и/или дистанционного оптоволоконного датчика.
Для размещения образцов используют стеклянные или кварцевые кюветы, флаконы, стеклянные стаканы, держатели капсул или таблеток и другие приспособления.
Спектрофотометры могут быть оснащены кюветным отделением, интегрирующей сферой (интегрирующая сфера представляет собой оптический компонент, состоящий из сферической полости с покрытием из хорошо отражающего материала, сфера предназначена для получения спектров неоднородных образцов), внешними модулями для измерения пропускания сильно рассеивающих образцов, устройствами автоматической подачи образцов, оптоволоконными зондами. Выбор того или иного приспособления для анализа зависит от типа образца и выбранного способа измерения. Поэтому рекомендованы к использованию приборы, реализующие несколько подходов к измерению.
Обработка данных и анализ полученных результатов проводится с использованием специального программного обеспечения.
Для каждого режима измерения (пропускание, диффузное отражение и их комбинация) должна быть предусмотрена своя методика поверки, включающая проверку правильности установки длин волн и поверку фотометрического шума.
Проверка правильности установки длин волн. Для проверки правильности установки длин волн регистрируют спектр стандартного образца, имеющего характеристические максимумы и минимумы поглощения и сравнивают полученные значения длин волн с заявленными характеристиками.
Для режимов пропускания и отражения для определения правильности установки длин волн наиболее распространено в качестве стандартных образцов использовать оксиды редкоземельных элементов, пары воды в атмосфере, метиленхлорид и другие.
В приборах с Фурье-преобразованием шкала волновых чисел линейна во всем рабочем диапазоне и для проверки точности установки достаточно использования одного стандартного образца с контролем заявленных характеристик по одной полосе поглощения. Приборы других типов могут иметь нелинейный характер шкалы волновых чисел и требуют проверки заявленных метрологических характеристик не менее чем по трем пикам (один или несколько стандартных образцов) с охватом всего рабочего диапазона.
Погрешность при установке длин волн должна быть не более ±1 нм (или эквивалентная ему величина волнового числа) в диапазоне длин волн до 1900 нм и не более ±1,5 нм для диапазона длин волн ≥1900 нм.
Воспроизводимость установки длины волны должна соответствовать требованиям завода-изготовителя или требованиям нормативных документов, действующих на территории Российской Федерации.
Проверка фотометрической линейности. Для проверки фотометрической линейности регистрируют БИК-спектры стандартных образцов с известными значениями пропускания/отражения и строят графическую зависимость полученных значений пропускания/отражения от известных значений. Результатом построения такой зависимости должна являться прямая линии с пересечением в центре координат (0,00 ± 0,05) и тангенсом угла наклона прямой (1,00 ± 0,05). Для проверки фотометрической линейности в режиме отражения в качестве стандартных образцов используются полимеры, допированные углеродом или аналоги в количестве не менее 4 образцов в диапазоне значений отражения 10–90 %. Для проверки фотометрической линейности в режиме пропускания в качестве стандартных образцов используют фильтры в количестве 3 образцов со значениями пропускания 10–90 % и линию 100 % пропускания (регистрируют спектр пропускания пустого канала).
Проверка фотометрического шума. Для оценки фотометрического шума при измерении пропускания записывают линию 100 % по воздуху; при измерении отражения регистрируют линию 100 % с применением подходящих стандартных образцов с отражающей способностью не менее 99 %. При этом под линией 100 % подразумевается измерение, при котором стандартный образец является измеряемым образцом и фоном одновременно. При высоких значениях поглощения проводят оценку фотометрического шума с применением стандартных образцов со значениями пропускания или отражения около 10 %.
Фотометрический шум должен соответствовать требованиям спецификации производителя.
Способы измерения. БИК-спектр представляет собой зависимость соответствующей фотометрической величины (оптической плотности (А ), пропускания (Т ), коэффициента отражения (R ) и производных величин) от длины волны или частоты излучения. При измерениях в БИК-области реализуются следующие способы:
– измерение поглощения (или пропускания) при прохождении излучения через образец;
– измерение излучения, отраженного или рассеянного от образца;
– комбинация вышеуказанных способов.
Измерения всегда проводят относительно фона.
Измерение пропускания. Пропускание является мерой снижения интенсивности излучения при прохождении через образец. Этот принцип реализован в большинстве используемых спектрофотометров, и результат может быть представлен непосредственно в единицах пропускания (T ) и/или оптической плотности (A ).
Способ применим для твердых и жидких проб, в том числе для дисперсных систем.
Специальной подготовки проб при измерении пропускания, как правило, не требуется. Для измерения спектра жидких образцов используют флаконы или кюветы с подходящей длиной оптического пути (обычно 0,5–22 мм), а также оптоволоконные датчики на пропускание.
Диффузное отражение. В методе диффузного отражения измеряют коэффициент отражения (R ), представляющий отношение интенсивности света, отраженного от образца (I ), к интенсивности света, отраженного от фона (I r ):
или обратную логарифмическую величину этого отношения (А R ):
.
В качестве фона используют поверхность с высокой величиной R : пластины из золота, перфторированных насыщенных полимеров, керамические пластины и другие подходящие материалы.
Способ используется для анализа твердых образцов с применением интегрирующей сферы или оптоволоконных датчиков, работающих в режиме отражения. В последнем случае, для воспроизводимости получаемых результатов, необходимо обеспечить стабильность условий проведения измерений, в частности относительную неподвижность датчика, степень нажатия и другие условия.
Способ пропускания-отражения . Данный способ является комбинацией пропускания и отражения благодаря специальной конструкции кювет и датчиков, в которых излучение дважды проходит через образец, что позволяет анализировать образцы с низкой поглощающей и рассеивающей способностью.
В качестве фотометрической величины используют коэффициент двойного пропускания (Т *):
,
где: I T – интенсивность излучения после двойного пропускания, без образца;
I – интенсивность пропущенного и отраженного излучения, измеренная с образцом;
и величину, аналогичную оптической плотности (А *):
.
В качестве фона используют спектр воздуха или среды сравнения.
Способ применим для жидких, в том числе негомогенных проб.
Для регистрации спектра исследуемый образец помещают в кювету с зеркалом или другим диффузным отражателем. Возможно использование оптоволоконного датчика, который погружают в образец.