Идентификация добавок, используемых в фармацевтической и пищевой промышленности с помощью компактного рамановского спектрометра NanoRam Handheld

ИЮН012015

На сегодняшний день рамановские инструменты быстрые, более прочные и более дорогие по сравнению с предыдущими поколениями. Теперь, с миниатюризацией большинства компонентов, разработка высокопроизводительных и портативных устройств предоставила технологии для новых областей применения, которые ранее были недоступны при использовании старых, более громоздких устройств. Компактный спектрометр NanoRam Handheld компании BWTek превосходно зарекомендовал себя в фармацевтической сфере для таких применений, как например, тестирование сырья, проверка готовой продукции и выявление поддельных лекарств из-за крайне высокой селективности используемого метода анализа.

Существующие проблемы

Производительность портативных рамановских приборов значительно увеличилась с появлением NanoRam, поскольку он может анализировать гораздо более сложные соединения и находить отличия между смесями или таблетками, используемыми в фармацевтике, такими как целлюлоза, микрокристаллическая целлюлоза и гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ).

Исторически так сложилось, что исследование данных веществ было возможно только в больших и хорошо оснащенных лабораториях, которые предоставляли высокую разрешающую способность и давали хорошее значение отношения сигнал/шум. Но существует следующая трудность: рамановские спектры целлюлозных и сахаридных добавок мало отличаются из-за сильной флуоресценции соединений, таких как ГПМЦ. И проблема, с которой сталкивается данная отрасль, заключается в использовании портативных систем с очень низкой селективностью и крайне большим временем тестирования, что приводит к несоответствиям в методах тестирования.

Тем не менее, последние достижения в области оптического конструирования, производства детекторов, развития термоэлектрических технологий охлаждения и программных алгоритмов доказывают, что высокая производительность рамановской спектроскопии может быть объединена с простотой и удобством использования в компактном дизайне.

Чтобы проиллюстрировать это, BWTek провел исследования, используя портативный рамановский NanoRam Handheld спектрометр, чтобы увидеть, сможет ли он различить группы целлюлоз и пищевых добавок. NanoRam Handheld – это компактный портативный рамановский спектрометр в объединении с компьютерной системой для идентификации материалов и проверки на соответствие стандартам cGMP. Вес прибора меньше 1 кг; он позволяет быстро разрабатывать стандартизированные и проверенные методы для контроля чистоты и качества.

Сердцем прибора является лазер с длиной волны излучения 785 нм, спектрограф, выполненный по скрещенной оптической схеме Черни-Тернера и термоэлектрический охлаждаемый ПЗС-детектор, который обеспечивает очень стабильный сигнал с низким уровнем шума. Преимуществом охлаждаемого детектора является уменьшение темнового тока. На рисунке 1 представлен вид темнового тока для неохлаждаемого ПЗС-детектора (слева) и для охлаждаемого ПЗС-детектора до температуры 18 ˚С при времени интегрирования 30 секунд (справа). Вычисленное СКО уровня шума для охлаждаемого детектора примерно в пять раз ниже, чем для неохлаждаемого.

Рис. 1. Уровень темнового тока для неохлаждаемого (слева) и для охлаждаемого (справа) ПЗС-детекторов.

Объединяя термоэлектрическое охлаждение с запатентованной технологией стабилизации лазерного излучения и высокопроизводительным микропроцессором, данная технология предоставляет производительность научной лаборатории в удобном компактном исполнении. Данный прибор имеет возможность генерировать сигнал с высоким отношением сигнал/шум, которое требуется для успешного тестирования и подтверждения различных фармацевтических соединений из целлюлозы и пищевых добавок.

Характеристика различных материалов, используемых в фармацевтической и пищевой промышленностях

Для исследования были выбраны следующие материалы (использовались в качестве связующих агентов, наполнителей, добавок, всех видов похожих белых порошков):

• Целлюлоза (связующие, наполнитель)
• ГПМЦ (связующие, наполнитель)
• Лактоза (подсластитель, наполнитель)
• Мальтодекстрин (подсластитель, пищевая добавка)
• Дигидрат моногидрофосфата кальция (CaHPO₄∙H₂O) (связующие, пищевая добавка)

Процедура тестирования

В таблице 1 отображены стандартные рабочие параметры при проведении эксперимента.

Таблица 1. Параметры портативного рамановского спектрометра Raman Handheld.

Процедура тестирования включала в себя калибровку устройства по чистым образцам для каждой смеси, чтобы разработать и сохранить методы тестирования и охарактеризации всех остальных материалов. Каждый разрабатываемый метод включает в себя минимум 20 измерений одного и того же вещества, что позволяет пользователю снимать данный образец в различных положениях, в различной упаковке и выявлять несоответствия, связанные с неточностями в работе оператора. Записанный для каждого материала метод является собственным программным алгоритмом, в котором рамановский спектр сравнивается с получаемым спектром и выводится результат «Pass/Fail (Годен/Не годен)» с численным значением p-value.

Методы, созданные таким способом, будут не только связаны с уникальными характеристиками материала, но также будут предоставлять надежный метод тестирования, необходимый для однозначной идентификации материала. После того, как метод разработан, последующие измерения будут занимать всего около 20 секунд, чтобы получить результат «Pass/Fail». Результат сканирования с использованием данного метода показан на рисунке 2, который отображает результат сканирования целлюлозы (синяя линия) и сохраненный спектр, созданный с помощью описанного выше метода (красная линия). Получено значение р = 0,9982, которое говорит об очень хорошем совпадении исследуемого образца с опорным спектром (если р = 1.0000, то совпадение идеальное).

Рис. 2. Рамановские спектры исследуемого образца целлюлозы (синяя линия) и базового спектра целлюлозы (красная линия).

Р-значение в таблице показывает, что целлюлоза была определена именно как целлюлоза. На следующем рисунке показано сканирование целлюлозы по методу, записанному для ГПМЦ. Видно, что спектр для исследуемого образца (синяя линия) значительно отличается от базового спектра (красная линия), а значение р = 2.23716∙10^-6. Результатом исследования для данного образца по методу ГПМЦ будет «Fail».

Рис. 3. Рамановский спектр целлюлозы (синяя линия) накладывается на линию, сохраненную для базового образца ГПМЦ (красная линия).

Р-значение в таблице показывает, что целлюлоза не была определена именно как ГМПЦ. Если сканирование образца закончилось неудачей, то программа автоматически подберет из библиотеки спектр, наиболее близкий к полученному. Данная процедура отображена в таблице 2, которая показывает все материалы, которые были протестированы с использованием метода, записанного для целлюлозы. Как целлюлоза, так и микрокристаллическая целлюлоза прошли идентификацию по методу для целлюлозы, тогда как все остальные материалы не прошли идентификацию.

Спектры материалов, не прошедших идентификацию по методу для целлюлозы, были дополнительно сравнены с библиотекой и были определены как правильные почти со 100% точностью с помощью индекса показателя качества (HQI) в последнем столбце. Индекс HQI является хорошо известным для оценки рамановских спектров и определяется как сходство двух спектров при сравнении измеренного и библиотечного спектров при помощи метода корреляции. HQI равен 1.00 (100%), когда измеренный и библиотечный спектры полностью идентичны, и уменьшается, когда измеренный и библиотечный спектры начинают отличаться друг от друга. Как итог, для всех материалов, не прошедших идентификацию по методу целлюлозы, среднее значение индекса HQI было > 99%, что показывает, что совпадение измеренного и библиотечного спектров чрезвычайно точно.

Таблица 2. Результаты измерения материалов по методу для целлюлозы.

Финальной частью эксперимента было исследование всех порошков с помощью всех записанных методов для каждого материала. Результаты данных измерений приведены в таблице 3. Из таблицы видно, что NanoRam спектрометр правильно определили все материалы, совпадающие с названием метода, прошли идентификацию (данные результаты окрашены зеленым цветом). Материалы же, название которых отличалось от названия метода не прошли идентификацию (данные окрашены красными и коричневыми цветами). Цветовая шкала под таблицей отображает актуальные р-значения (чем больше отличие, тем больше отказ).

Таблица 3. Результаты измерений всех материалов всеми методами.

Цветовая шкала:

Заключение

Данное исследование ясно показало, что сырье и добавки, используемые в фармацевтической и пищевой промышленности могут быть успешно протестированы и идентифицированы с помощью компактного и портативного NanoRam спектрометра с высокой степенью уверенности и всего за 20 секунд. Измерения также показали, что даже если материал не проходит идентификацию по определенному тесту, программа автоматически сравнивает полученный спектр и подбирает ближайший спектр из библиотеки для идентификации данного материала или соединения. Эти особенности делают данный спектрометр идеальным инструментом для контроля сырья в фармацевтической и пищевой промышленности.

Подробные характеристики портативного спектрометра NanoRam