Аналіз фармацевтичної сировини за допомогою тридіапазонного інфрачервоного спектрометра Spectrum 3

Підготовлено за матеріалами Kieran Evans PerkinElmer Inc., Seer Green

Переклад та літературна редакція: Юрій Головач, хімік-методист SocTrade

Інфрачервона спектроскопія стала поширеним методом для аналізу фармацевтичної сировини, причому зазвичай для дослідження допоміжних речовин та активних фармацевтичних інгредієнтів (АФІ) використовується спектроскопія як середнього, так і ближнього інфрачервоного діапазону.

Найкраще рішення для фармацевтичного аналізу в інфрачервоному спектрі забезпечує тридіапазонний інфрачервоний спектрометр Spectrum™ 3 компанії PerkinElmer.

Спектроскопія у ближньому ІЧ-діапазоні

Спектроскопія у ближньому ІЧ-діапазоні є, мабуть, найпоширенішим спектроскопічним методом для контролю вхідної сировини. Це пов’язано з надійністю техніки та простотою аналізів, які дозволяють швидко та просто отримувати інформацію. Існує два основних способи, які можна використовувати для дослідження фармацевтичної сировини у ближньому ІЧ-діапазоні: з приставкою дифузного відбиття NIRA II та з оптоволоконним зондом.

Кожен із цих аксесуарів пропонує свої унікальні переваги. Модуль з оптоволоконним зондом дозволяє користувачу вимірювати спектр матеріалу, лише притискаючи кінчик волоконного зонду до зразка. Цей пристрій також здатний вимірювати спектри крізь поліетиленові пакети, що зменшує потребу піддавати матеріал потенційно нечистим умовам на складі. Приставка дифузного відбиття NIRA II використовує скляні віали та чашки Петрі. Велика площа аналізу зразків і обертаючий пристрій покращують збіжність вимірювань неоднорідних зразків.

Приставка дифузного відбиття NIRA II

Одним особливо корисним застосуванням спектроскопії відбиття у ближньому ІЧ-діапазоні є здатність розрізняти спектроскопічно подібні матеріали за допомогою метода головних компонент (PCA). Прикладом цього є розпізнавання різних марок мікрокристалічної целюлози Avicel®. Різні види цього матеріалу відрізняються не за хімічним складом, а за розміром частинок та вмістом вологи. Спектри дифузного відбиття у ближньому ІЧ-діапазоні дещо змінюються залежно від розміру частинок та вмісту вологи, а для розпізнавання різних видів Avicel® можна використовувати алгоритм SIMCA (Формальне незалежне моделювання аналогій класів).

ІЧ-Фур’є спектрометр Spectrum 3 з приставкою NIRA II компанії PerkinElmer

Експерименти та результати

Були зняті спектри ближнього ІЧ-діапазону для семи різних видів Avicel® з використанням спектральних параметрів, які наведені у Таблиці 1.

Таблиця 1

Параметри, які використовувались для вимірювань у ближньому ІЧ для зразків Avicel®

Параметр	Значення
Спектральний діапазон	10000 – 4000 см⁻¹
Спектральна роздільна здатність	8 см⁻¹
Тривалість сканування	40 секунд
Корекції	AVI, AVC, Корекція на стандарт та розсіяне світло

Накладення спектрів для різних видів Avicel ®

Спектри демонструють те, що існує дуже мало визначальних спектральних характеристик, які можна було б використовувати для помітного розпізнавання різних марок. У такому випадку для розмежування видів Avicel надзвичайно корисним є моделювання класифікації за алгоритмом SIMCA.

Модель SIMCA, створена з використанням спектрів Avicel®

Попередня обробка, яка була використана для створення цієї моделі, включала фільтр шуму та згладжування по дев’яти точкам.

Кожна сфера у цьому графіку відображає дані одного виду Avicel®. Чим далі сфери одна від одної (більша відстань між матеріалами), тим вища ймовірність розпізнавання. У таблиці 2 наведені відстані між матеріалами для кожного набору зразків.

Таблиця 2

Відстань між матеріалами для різних сортів Avicel ®

Матеріал	РН101	РН102	РН103	РН105	РН113	РН301	РН302
РН101	-	7.65	6.44	11.10	11.20	18.90	19.4
РН102	-	-	7.65	15.00	12.50	12.80	12.70
РН103	-	-	-	8.78	6.46	16.50	17.80
РН105	-	-	-	-	10.00	20.80	22.70
РН113	-	-	-	-	-	16.80	19.30
РН301	-	-	-	-	-	-	5.11

 

Модель змогла правильно розпізнати 100% зразків у межах кожного виду. Це, у поєднанні з великими відстанями між матеріалами, демонструє низьку ймовірність помилкової класифікації зразків.

Валідація

Для валідації моделі SIMCA провели ідентифікацію зразків з використанням тих же інструментальних параметрів, які використовувались для побудови цієї моделі. Результати валідації наведені в таблиці 3.

Таблиця 3

Результати валідації моделі SIMCA для різних марок Avicel®

ID зразка	Результат (Придатний/Хибний)	Співвідношення відстані	Межа співвідношення відстані
РН101	Придатний	0.7490	1.0000
РН102	Придатний	0.6152	1.0000
РН103	Придатний	0.6195	1.0000
РН105	Придатний	0.5669	1.0000
РН113	Придатний	0.6826	1.0000
РН301	Придатний	0.6222	1.0000
РН302	Придатний	0.5243	1.0000

 

Модуль з оптоволоконним зондом RSM

Модуль з оптоволоконним зондом, який використовується для віддаленого аналізу зразків, надає користувачу підвищену гнучкість щодо вимірювання спектрів. Він надає можливість вимірювати спектри сировини на складі без попереднього підготування зразків. Цей модуль можна легко використовувати для перевірки ідентичності вхідної сировини за допомогою простого алгоритму порівняння. Цей алгоритм обчислює кореляцію між спектром зразка та спектром відомого еталона.

ІЧ-Фур’є спектрометр Spectrum 3 з модулем із оптоволоконним зондом та пультом дистанційного керування

Експерименти та результати

Для того, щоб перевірити спектри сировини, які виміряні за допомогою оптоволоконного зонда, спектри декількох різних матеріалів вимірювали за параметрах, наведених у таблиці 4.

Таблиця 4

Спектральні параметри, які використовували для вимірювання зразків з використанням оптоволоконного зонда (RSM)

Параметр	Значення
Спектральний діапазон	10000 – 4000 см⁻¹
Спектральна роздільна здатність	16 см⁻¹
Тривалість сканування	32 секунд

 

Зразки вимірювали у тому вигляді, в якому їх отримували, простим дотиком кінчика оптоволоконного зонда до поверхні зразка та запуском сканування за допомогою клавіш безпосередньо на пристрої оптоволоконного зонда.

Після вимірювання зразків, результати можна порівняти з еталонними спектрами для підтвердження їх ідентичності. Функції алгоритму COMPARE™ програмного забезпечення Spectrum 10 дозволяють користувачу розрахувати коефіцієнт кореляції між спектром зразка та еталонним спектром, а також налаштувати різні параметри, такі, як межі визначення статусів Придатний/Хибний.

Як приклад, проводили вимірювання D-манітолу (зазвичай використовується у якості підсолоджувача для ліків), а потім результати вимірювання порівняли з базою еталонних спектрів. Отримані результати зразків та еталонні спектри наведені на графіку нижче:

Вимірюваний спектр матеріалу сировини (блакитний) та найбільш схожий еталонний спектр (D-манітол, червоний)

Спектроскопія у середньому ІЧ-діапазоні

Спектроскопія у середньому ІЧ-діапазоні, як правило, містить найбільше інформації щодо хімічної структури аналіту. Тому є особливо корисною для ідентифікації та аналізу активних інгредієнтів у фармацевтичних зразках. Функцію «Пошук» у ПЗ Spectrum 10™ можна використовувати для ідентифікації АФІ, шляхом порівняння спектрів зразків із еталонними спектрами у бібліотеці.

Як приклад, протизапальну ацетилсаліцилову кислоту (АФІ в аспірині) можна успішно ідентифікувати за допомогою бібліотеки АФІ.

Експерименти

Спектри як АФІ, так і пакувальних матеріалів вимірювали за допомогою тридіапазонного інфрачервоного спектрометру Spectrum 3 компанії PerkinElmer із приставкою порушеного повного внутрішнього відбиття (ППВВ або ATR на англ.). Параметри, що встановлювались, наведені у таблиці 5.

Таблиця 5

Спектральні параметри, які використовували для аналізу АФІ та пакувальних матеріалів

Параметр	Значення
Спектральний діапазон	4000 – 450 см⁻¹
Спектральна роздільна здатність	4 см⁻¹
Тривалість сканування	8 секунд

 

Накладені спектри з цього експерименту можна побачити на графіку:.

Накладення спектра зразка ацетилсаліцилової кислоти (червоний) та еталонного спектра аспірину (чорний)

Значення кореляції 0,998 за результатами пошуку свідчить про великий збіг між спектром зразка та еталонним спектром.

Іншою розповсюдженою частиною фармацевтичного контролю якості є ідентифікація матеріалів, які використовуються для пакування фармацевтичної продукції. Зазвичай, упаковка фармацевтичних препаратів складається з одного або декількох полімерних шарів. Аналіз упаковки має вирішальне значення для забезпечення придатності матеріалу для передбачуваного використання, згідно з ДФУ 2.0, Том 1, Розділ 3.1.

Spectrum 3 компанії PerkinElmer з універсальною приставкою порушеного повного внутрішнього відбиття (УППВВ або UATR на англ.) забезпечує ідеальну зручність для вимірювання цих матеріалів. У цієї задачі приставка ATR пропонує значну перевагу в порівнянні з вимірюванням на пропускання, обидва з них дозволено використовувати згідно з ДФУ 2.0, Том 1, Розділ 2.2.24. Головною перевагою ATR є можливість вимірювати різні сторони однієї багатошарової пакувальної плівки, і, до того, ще й отримувати індивідуальні спектри зовнішнього шару та внутрішнього шару.

ІЧ-Фур’є спектрометр Spectrum 3 з ППВВ приставкою компанії PerkinElmer

Найбільш важливі характеристики фармацевтичної упаковки пов'язані із внутрішнім та зовнішнім шарами. Внутрішній шар має бути інертним, для того, щоб він не взаємодіяв з контактуючим матеріалом. Зовнішній шар має бути стійким до зовнішнього середовища, захищаючи вміст від забруднення.

Як і під час ідентифікації активних фармацевтичних інгредієнтів, основний процес перевірки пакувальних матеріалів використовує порівняння спектрів із бібліотекою спектрів.

Нейлон-6 є неймовірно поширеним матеріалом, який використовується для пакування фармацевтичної продукції. Найчастіше він використовується у вигляді зовнішнього шару, оскільки надає упаковці бажаний рівень гнучкості. На Зображенні 9 демонструються накладені спектри зовнішнього шару багатошарового блістерної упаковки та найбільш схожий еталонний спектр.

Обидва приклади демонструють переваги застосування інфрачервоної спектроскопії у середньому ІЧ-діапазоні, як інструменту для простої ідентифікації сировини, що використовується у фармацевтичній промисловості.

Спектроскопія у дальньому ІЧ-діапазоні

Незважаючи на те, що спектроскопія у дальньому ІЧ-діапазоні мало використовується у фармацевтичній лабораторії з контролю та забезпечення якості (QA/QC), однак вона має певне застосування на фармацевтичному ринку, хоч це в основному стосується досліджень та розробок.

Спектроскопію у дальньому ІЧ-діапазоні часто називають методом дослідження великих структур, таких, як кристали. У фармацевтичному середовищі це є найбільш доречним для перевірки поліморфізму активних інгредієнтів.

Накладення спектра упаковки (чорний) та еталонного спектра (червоний)

Поліморфізм зустрічається тоді, коли матеріал має більше однієї кристалічної структури. Це явище є неймовірно важливим під час розробки лікарських засобів, оскільки воно може впливати на різні фізико-хімічні властивості, такі як: розчинність, біодоступність, ефективність і, навіть, токсичність.

Одним з активних інгредієнтів, що проявляє цю властивість, є сульфатіазол. Це лікарський засіб, який раніше застосовувався і як засіб місцевого застосування, і як пероральний протимікробний засіб. Існує 5 різних поліморфних форм сульфатіазолу з дещо різними кристалічними структурами. Двома найбільш помітно різними поліморфними модифікаціями сульфатіазолу є форми I та II.

Збільшене зображення кристалічних структур сульфатіазолу форми І (ліворуч) та форми ІІ (праворуч).

Експерименти

Сульфатіазол форми I отримали шляхом охолодження насиченого розчину сульфатіазолу в ізопропанолі від 85 ℃ до температури навколишнього середовища, як описано W.I. Higuchi. Форму II отримали шляхом охолодженням насиченого розчину сульфатіазолу в метанолі від 65 ℃ до температури навколишнього середовища, як описано M.M. Parmar.

Спектри у дальньому ІЧ-діапазоні двох поліморфних форм отримали за допомогою тридіапазонного інфрачервоного спектрометру Spectrum 3 компанії PerkinElmer із ППВВ (ATR) приставкою, який містить кристал алмазу без покриття. Параметри збору даних наведені в таблиці 6.

Таблиця 6

Параметри сканування, які використовували для вимірювання спектрів у дальньому ІЧ-діапазоні різних поліморфних форм сульфатіазолу

Параметр	Значення
Спектральний діапазон	200 – 80 см⁻¹
Спектральна роздільна здатність	4 см⁻¹
Тривалість сканування	128 секунд

 

Інфрачервоні спектри цих двох поліморфних форм також досить схожі, за винятком деяких значущих смуг у дальньому ІЧ-діапазоні спектру. Нижче 200 см⁻¹ спектри починають відхилятися один від одного.

При 97 см⁻¹ поліморфна форма I має сильне поглинання у вигляді смуги, тоді як поліморфна форма II - ні.

Між 90 см⁻¹ і 85 см⁻¹ поліморфна форма II має два сильних поглинання (на 90 см⁻¹ і 86 см⁻¹), тоді як поліморфна форма I має лише одну, відносно слабку смугу на 89 см⁻¹.

Інфрачервоні спектри у дальньому ІЧ-діапазоні двох поліморфних форм сульфатіазолу наведені на графіку:

Поліморфні форми сульфатіазолу: форма І (червоний) та форма ІІ (синя)

Резюме

Тридіапазонний інфрачервоний спектрометр Spectrum 3 компанії PerkinElmer - це найкраще рішення для інфрачервоного аналізу матеріалів, що використовуються у фармацевтичній промисловості. Програмне забезпечення Spectrum 10™ надає користувачу широкий спектр потужних функцій для обробки даних, що дозволяє проводити глибокий аналіз зразків. Окрім того, версія програмного забезпечення з підвищеною безпекою (ES) дозволяє проводити аналіз відповідно до вимог 11-тої чаcтини 21-го розділу CFR.

 

Література

1.       W.I. Higuchi, P.D. Bernardo, S.C. Mehta, Polymorphism and drug availability. II. Dissolution rate behavior of the polymorphic forms of sulfathiazole and methylprednisolone, J.Pharm. Sci., 1967, 56, 200-207

2.       M.M. Parmar, O.Khan, L. Seton, J.L. Ford, Polymorph selection with morphology control using solvents, Cryst. Growth Des., 2007, 7, 1635-1642

3.       Державна Фармакопея України 2.0