NIR實現藥品的快速、無損分析

近紅外光譜法（NIR）是一種快速、無損的分析技術，它能夠提供樣品的化學和物理信息。近紅外技術與多元數據分析結合起來為定性和定量分析開創了很多新的前景。本文主要闡述了基本的近紅外原理及近紅外技術在制藥行業的應用，包括在制藥行業的規章規程符合、原料鑒定、各種劑型的無損分析和過程監控等。

最近十幾年，在制藥行業中，近紅外分析在原料鑒定，產品品質控制和過程監測方面已經得到了廣泛的接受，這主要得益于近紅外分析技術與其他技術相比有許多獨特的優點。例如，樣品幾乎不需要預處理；光纖的廣泛使用可以實現遠程分析樣品；一張簡單的光譜圖可以得到多種化學和物理參數等等。

近紅外光譜的基本原理

近紅外區域按美國材料與試驗學會（ASTM）定義是指在780~2526nm范圍內的電磁波。該譜區的吸收譜帶都是中紅外基頻吸收的倍頻與合頻吸收，在近紅外光譜區產生吸收的官能團主要是含氫基團，包括C-H、O-H、S-H和N-H等。近紅外光譜的吸收譜帶比相應基頻振動的中紅外譜帶要弱10~100倍，譜區相對比較寬，互相重疊。然后，較低的吸收系數使得近紅外譜區對樣品有更深的穿透深度。這是該分析技術的一個優勢，因為這樣可以直接分析吸收較強甚至發生高散射的樣品，例如對混濁液體和固體樣品無需任何前處理進行透射和反射方式的直接采樣。

制藥行業的法定規章

無論是在學術上還是在工業應用上，關于近紅外技術已經有大量的研究論文發表。然而，在極度規范的制藥領域中，每項技術都是在權威認證機構的認可下，僅僅從事一些簡單的常規分析。實際上，大部分藥典已經收載了近紅外技術。歐洲和美國藥典都包含了關于近紅外技術的章節，當然，這些部分的內容主要是關于儀器性能指標的要求，包括波長范圍、重現性，吸光度線性、信噪比等，而關于建立和驗證應用方法的指導說明則非常有限。

cGMP指導方針中的21 CFR part 2 11對儀器資質驗證過程的法定要求有詳細描述，分別是設計確認（DQ）、安裝確認（IQ）、操作確認（OQ）、性能確認（PQ）。為了實現這些要求，ASTM提供了對關于建立NIR光譜儀器性能測試方法的明確說明，包括合適的標準物質和多變量校正方法。英國皇家化學會分析方法委員會在一篇專門的報告中也提供了評價NIR光譜儀器的指導方針。

圖2.  近紅外漫透射分析片劑和膠囊。

很多制藥企業已經成功地將近紅外方法作為原料鑒定分析的常規方法，這主要是基于大部分藥典允許藥廠可以使用不同于藥典的方法，只要這些方法能夠滿足必須的驗證參數，例如專一性、線性、范圍、準確度、精密度、重現性、檢出限等等。這些內容在USP第1225章節和ICH指導規范Q2A和Q2B中有詳細說明。但是目前的情況是，只有很少的NIR定量分析方法獲得了規章認可。這主要是因為“非分離”多變量的近紅外方法，與傳統的分離檢測單變量的色譜分析方法有很大的不同。Moffat等人針對這些方面做了比較深入的討論，并在2000年發表了一篇非常優秀的論文。作者以近紅外方法分析撲熱息痛片劑為例，談到了如何使NIR方法能夠最好地滿足ICH的要求。2001年PASG（UK Pharmaceutical Analytical Science Group）發表了關于“制藥行業中建立和驗證近紅外方法的指導規范”，里面即涵蓋了近紅外方法的獨特性和專屬性，同時也保持了與ICH Q2A和Q2B中關于傳統方法驗證要求的互補性。PASG中的指導規范針對硬件和軟件均給予了詳細的說明，給制藥行業和藥品規范管理部門在近紅外定量分析方法認證方面提供了極大的幫助。（PASG指導規范見www.pasg.org.uk/NIRmay01.pdf）

制藥行業通過采取質量建構（制定標準操作程序SOP、制定法規、細化標準）、頒發質量合格證書或質量認證（試運行、IQ、OQ、PQ）和質量檢驗（在生產過程中或產品最后發布時）等方法的綜合運用來確保一種藥品能夠符合原定的外觀和藥效。但是這些實際上都是基本建立于離線檢測，僅適用于證明小部分、隨機樣品的產品合格性。美國FDA逐漸認識到傳統的質量管理方法可能是藥品問題潛在的主要原因，并于2002年頒布了經過修改完善的cGMP指導文件，其中包括支持過程分析技術（PAT）的采用。PAT被定義為是通過對原材料和處于加工中的材料的關鍵性質量品質和性能特征進行實時監測，設計、分析和控制加工制造，來確保最終產品品質。由于近紅外光譜分析技術非常適合在線測量，因此是一個非常重要的PAT工具。目前要將近紅外在過程控制中的優勢完全發揮出來，還面臨許多挑戰，包括硬件的設計，各種藥品管理規范的認可等等。但相信，不久的將來，NIR一定會作為重要的PAT工具，廣泛應用于制藥行業。

原料及中間體的鑒別和鑒定

近紅外光譜法可以用于原料藥和輔料的分析。早在1988年，Rostaing等就應用傅立葉變換紅外光譜和近紅外漫反射光譜對制藥原料進行了快速鑒別。1995年，Van等首先建立了各種原料的標準指紋近紅外譜庫，對來源不同、在化學或物理性狀方面只具有微小差異的原料，實現了正確判別。Smola等也報道了近紅外在原料藥判別分析上的應用。使用近紅外光譜法對原料進行化學鑒定通常采用建立該原料的光譜庫。如果該原料的譜圖庫建立的比較好，也就是這種原料的近紅外光譜圖同時包含了其化學和物理信息，因此可以用來作為原料品質分析。在1990年早期，Viels等用NIR建立一個新的定性方法，稱作“一致性（conformity）”方法，并且引入了一個新的品質參數——一致性指數（Conformity Index, CI）。他們成功用這個方法替代了藥典方法對氨芐青霉素三水合物的鑒別。值得一提的是，這是首個被美國FDA認可的用于測試大批用于人類藥品的近紅外方法。

各種劑型的無損分析

近紅外光譜技術在藥物制劑的分析方面應用已有了很大的發展。在早期，近紅外光譜法與傳統分析方法一樣，需要用溶劑提取制劑樣品中的待測成分后進行測定。隨著近紅外方法的發展，計算機科學和化學計量學的進步，可以用近紅外光譜法對制劑樣品進行無損分析。

圖3.  近紅外在線監控流化床干燥過程。

片劑

最早使用近紅外光譜對片劑藥物進行含量測定的是FAD的Sherken，他用近紅外法測定一系列的甲丙氨脂標準溶液，建立了計算甲丙氨脂含量的校正方程。另外近紅外在透過包裝材料快速無損鑒別片劑的活性成分或輔料是一大優勢。Dempster等人成功地用近紅外技術透過包裝材料鑒別了不同劑量的安慰劑（2、5、10和20% w/w）。目前已經有很多關于近紅外技術快速測定片劑中活性成分的報道。

膠囊

硬膠囊是一種非常多樣化的劑型，它里面可以填充各種配方形式的藥物，活性成分含量、水分含量和溶出度是控制膠囊質量的重要指標。近紅外法可以通過一張譜圖得到所有這些信息。1987年Lodder等利用近紅外光譜鑒別了摻雜和沒有摻雜的膠囊，這是首次使用近紅外方法無損分析膠囊的報道。在最近幾年里，Reich等通過了大量的數據說明了近紅外透射和反射法在控制膠囊質量方面有非常大的潛力。

軟膠囊與硬膠囊相比，它們一般是完全被填充成型的封裝成一個連續的整體。囊殼厚度一般為500μm左右。關于用近紅外分析軟膠囊的報道相對較少，主要是由于以下原因：1）囊殼的顏色在近紅外區有很強的吸收。2）光譜的采集受形狀的影響比較大，例如囊殼的厚度、接縫的影響等。3）囊殼的水分跟外界環境有很大的關系。Reich等使用近紅外光譜同樣在軟膠囊上做了很多的工作。他們的實驗數據表明了解軟凝膠殼的水分和可塑性變化對近紅外光譜的影響是將近紅外技術用于軟膠囊品質分析的先決條件。（如文字多先刪）

凍干產品

凍干制劑通常是針對一些易水解的藥物，用于提高其穩定性。因此水分的含量是凍干制劑一個非常重要的指標。傳統測水分的方法非常耗時，例如Karl Fischer滴定。而采用近紅外光譜法不僅快速而且可以直接透過玻璃瓶進行無損分析。Derksen等已使用過近紅外光譜法測定藥品的穩定性，將水分含量和活性藥物的含量進行關聯來確定藥品的有效期。Lin和Hsu用五種不同的蛋白質來評估近紅外光譜法在不同的算法下測量水分的準確度。雖然使用近紅外光譜法在分析凍干產品上還有很多的問題需要克服，但是可以預見在不久的將來這種方法在這種類型產品中的應用會越來越成熟。

過程監測和過程控制

近紅外光譜法分析的最大特點是操作簡便、快速，可不破壞樣品進行原位測定，可不使用化學試劑，不必對樣品進行預處理，可以直接對顆粒狀、固體狀、糊狀、不透明的樣品進行分析。這些特點為制藥行業生產過程中的監測和控制提供了一個非常好的平臺，也是PAT在實時測量和“質量來源于設計”理念中的應用。

混合過程

混合是固體制劑或半固體制劑生產中的一個重要環節，混合的最終目的是為了讓所有的組分達到均勻的分布。傳統的方法是取樣后進行UV或HPLC分析。這種方法比較耗時，并且往往只是測量活性成分而忽視了其他的組分分布情況。而近紅外光譜不僅同時獲取了各種組分的化學信息同時也包含了樣品的物理特性。Sekulic等最早報道了采用近紅外光導纖維在線監測混合過程。Berntsson等在混合過程中采用近紅外光譜法實時監測做了比較詳細的研究。他指出采用色散型儀器測量移動的非單一成分樣品會導致“虛假”光譜，而傅立葉型近紅外光譜對這類樣品比較合適。

干燥

因為水的O-H的吸收振動在近紅外區比較強，因此采用近紅外光導纖維技術在線優化控制干燥的時間終點是一個很好的選擇。White在微波真空干燥過程中使用了近紅外在線技術控制過程的終點，他主要使用1410、1930和1630nm的吸收值來建立模型。當樣品水分少于6%的情況下，預測樣品的SEP為0.6%。并且該論文指出水分預測值跟樣品本身沒有關系，因此該模型的適用性非常好。Morris等使用近紅外在線監測流動床干燥過程，并將整個過程的不同的階段通過可視化的形式反映出來。其實目前已經有很多文章描述了近紅外在不同干燥過程的應用，包括微波真空干燥、流動床和冷凍干燥等。此外，近紅外光譜法對整個干燥過程還提供了很多新的信息，例如解析速率和干燥過程完成的穩定狀態值。這些結果均清晰地展現了干燥過程中的產品狀態。

制粒過程

片劑的生產過程中通常需要制粒工藝來改善粉末的流動性和可壓性，這個過程對后期的壓片至關重要。使用近紅外光譜法可在線監控并確定過程終點，可以為制粒過程提供顆粒粒徑和水分含量的實時數據。List和Steffens在1996年發表了一篇關于近紅外光譜法在線監控濕法制粒的過程。整個濕法制粒工藝會按一定的時間間隔停止后，用近紅外光纖采集光譜。最后用PLS算法建立了安慰劑混合物的水分定量模型。Watano等最早報道了使用近紅外光譜法在線監控流化床制粒過程中的水分含量，他們還考察了液體流動速率和過程中空氣溫度的影響。Goebel和Steffens使用傅立葉近紅外光譜儀在流化床制粒過程中在線檢測顆粒大小和濕度，并采用Karl Fischer滴定法和激光衍射法分別作為水分和粒徑的參考數據。然后用PLS算法建立了一個這兩種指標的定量模型，結果表明采用近紅外光譜法測量粒徑要比測定濕度具有更大的挑戰性。

包衣

包衣在制藥行業中是為了改變藥片的口味而易于服用，或者是控制藥物的溶出速率。包衣的好壞與厚度和均勻性密不可分。目前包衣厚度和均勻性的評估主要是通過稱重和間接的溶出測試。對于PAT而言，這種方法有兩個主要的缺點：第一，增重法的測量沒有考慮到包衣過程中藥片質量的損失，這樣將會導致該方法的準確性；第二，溶出測試屬于間接，耗時的分析方法。近紅外在線監測包衣過程同樣具有很大的優勢。Kirsch等發現片劑樣品的近紅外光譜的變化和包衣的厚度之間存在相關性。他們對近紅外光譜法在包衣監測中的應用做了進一步的考察。在用乙基纖維素（EC）或羥丙基纖維素（HPMC）進行包衣的過程中，按一定的時間間隔取樣，測定片劑樣品的近紅外光譜。采用二階導數和多元散射校正兩種方法進行處理，然后用主成分回歸建立包衣厚度的模型。為了控制藥物活性成分的釋放，研究人員采用了一種以包衣技術為核心的制劑新工藝，即在緩釋藥物片心外包上一層含有快速釋放藥物的包衣。這需要使用一種能夠對外層包衣中藥物活性成分進行快速、非破壞的定量分析方法，對這種高精度的包衣過程進行監控。Buchanan等選擇了近紅外光譜法，所得結果與HPLC測試結果一致，這表明能夠用近紅外光譜法更加快速有效地對新的包衣工藝進行質量評價。