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1、近红外光谱分析技术及其在药物分析中的应用National Institutes for Food and Drug Control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National Institutes for Food and Drug Control第一部分 近红外光谱分析技术概述National Institutes for Food and Drug ControlRegionInteractionsibl一、定义12,820 cm-1 (780nm)3,959 cm -1 (2526 n
2、m)Wavelength108107106105104103102101110-110-210-3(cm-1)viNIRMIRFIRESRNMR-RayX RayUltravioletInfraredMicrowaveRadio, TVWaveseNuclearTransitionsInnerShellElectronicTransitionsValanceElectronTransitionsMolecularVibrationsMolecularRotationsSpinOrientation inMagneticFieldWavelength(m)10-1010-910-810-710-
3、610-510-410-310-210-11101National Institutes for Food and Drug Control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National Institutes for Food and Drug Control振动能级水平分子能级跃迁图简谐振动非简谐振动3rd Overtone 三级倍频2nd Overtone 二级倍频1st Overtone 一级倍频Fundamental 基频振动National Institutes for Food and Drug Control振动吸收基频谱带：由基态
4、（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。National Institutes for Food and Drug Control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
5、，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=CNational Institutes for Food and Drug Control吸收度432水的近红外和中红外光谱图5O-H 伸缩振动（在 3650 cm-1）合频振动 （在5200 cm-11640 cm-1 + 3650 cm-110= 5290 cm-1）OH 伸缩振动的1倍频（在倍频（在7100 cm-12 x 3650 = 7300cm-1）H-O-H 弯曲振动（在1640 cm-1）90008000700060005000400030002
6、0001000波数(cm-1)National Institutes for Food and Drug Control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10000900080007000600050004000波数 (cm-1)National Institutes for Food and Drug Controlspeculaabsorption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scatteringreflectanceNational Institutes for Food an
7、d Drug Control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-IR Reflectance (NIR) 漫反射式检测器光源单色器样品Near-IR Trans-Reflectance (NITR) 透反射式National Institutes for Food and Drug Control近红外光谱的测量用吸光度表示近红外光谱: Lambert-Beer定律定律A = -log(I/Io) = -log T = log(1/r) = cd:消光系数 ；c: 浓度 ；d: 光程National Institutes for Food and Drug Co
8、ntrol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National Institutes for Food and Drug Control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National Institutes for Food and Drug Control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。Yb0+b1Y
9、1+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。National Institutes for Food and Drug Control0.90.80.9AbsorbanceUnits0.50.6AbsorbanceUnits0.50.60.80.70.70.40.30.20.20.30.4 鉴别结果分析过程（一）建立模型 110001000090008000700060005000110001000090008000700060005000Wavenumber cm-11. 选择代表性样品测试（二）测定未知样品1. 测定
10、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 #081897-049Component A81.55%Component B5.38%Component C13.06%3. 鉴定未知样品National Institutes for Food and Drug Control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、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
11、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。National Institutes for Food and Drug Control1.2.3.2.3.六、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
12、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%)。National Institutes for Food and Drug Control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Merck Frosst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
13、料成分的鉴别； 1995年6月，英国药物管理局批准Glaxo Wellcome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National Institutes for Food and Drug Control第二部分近红外技术在药品生产环节的应用National Institutes for Food and Drug Control一、QbD理念与过程分析技术QbD（Quality by Design，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
14、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。National Institutes for Food and Drug ControlQbD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National Institutes for Food and Drug ControlQbD中过程分析技术
15、的作用过程分析技术（ Process Analytical Technology，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：Near Infrared Spectroscopy (NIR)Raman SpectroscopySolution/cream/ointment PH and temperatureLasentec Focused Beam Reflectance Meas
16、urement(FBRM) / Particle Vision andMeasurement(PVM)National Institutes for Food and Drug Control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National Institutes for Food and Drug Control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
17、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National Institutes for Food and Drug Control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HPLCContentUniformityComposite AssayDegradatesIDAPI混合加润滑剂混合压片包衣PAT放行检测方法生产线检测NIR Compos
18、ite Assay;On-line Dosage;Uniformity by Weight生产线检测Disintegration;NIR ID;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（限度（%）超限批次平均值标准偏差（%）2007-2008246099.2-101.72100.50.42008-2009374099.3-101.41100.30.32009-2010458098.9-102.61100.80.6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
19、世界80多个国家批准。National Institutes for Food and Drug Control*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
20、剂。仪器操作简单，一般操作人员均可操作使用。National Institutes for Food and Drug Control化学药品生产过程示意图NIR定性鉴别质量定性鉴别质量粉主NIR控制过程终点控制过程终点NIR定量分析结果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National Institutes for Food and Drug ControlNIR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National Institu
21、tes for Food and Drug Control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National Institutes for Food and Drug Control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National Institutes for Fo
22、od and Drug Control欧巴代近红外导数化光谱图和滑石粉导数化光谱图National Institutes for Food and Drug Control药物多晶型(Polymorphisms)的鉴别National Institutes for Food and Drug ControlAbsorbanceinAU三、应用NIR方法在线监测混合终点Blend process end point homogeneous blendBeginning of the blend processNational Institutes for Food and Drug Contro
23、lWavelength in nmLog(1/R)四、药物存储稳定性的考察0.30.20.10-0.1-0.2-0.310001500 2000Wavelength (nm)2500National Institutes for Food and Drug ControlPC2(16.47%)15510 20 30主成份分析:片剂的稳定性测试2520测试状况1: 40 C at 70% Humidity10测试状况2: 25 C at 60% Humidity0-5-10-30-20-100National Institutes for Food and Drug ControlPC 1 (2
24、7.00%)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：3National Institutes for Food and Drug Control五、应用NIR方法对终产物进行放行检验National Institutes for Food and Drug Control六、应用于PAT的指导原则Guideline on the use of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) by the pharmaceutical industryand the data requirem
25、ents for new submissions and variations (draft),EMEA/CHMP/CVMP/QWP/17760/2009 Rev2, January 2012Guidance for Industry PAT A Framework for Innovative Pharmaceutical Development,Manufacturing, and Quality Assurance, Pharmaceutical CGMPs, September 2004Guidance for Industry Process Validation: General
26、Principles and Practices(R1), CGMP,January 2011Guidance for Industry Quality Systems Approach to Pharmaceutical CGMP Regulations,Pharmaceutical CGMPs, September 2006Guidance for Industry Q8(R2) Pharmaceutical Development, ICH, November 2009Guidance for Industry Q9 Quality Risk Management, ICH, June
27、2006Guidance for Industry Q10 Pharmaceutical Quality System, ICH, April 2009Guidance for Industry Q8, Q9, and Q10 Questions and Answers(R4), ICH November 2011Q11 Development and Manufacture of Drug Substances (draft), ICH, April 2011National Institutes for Food and Drug Control第三部分 近红外技术在药品流通领域中的应用N
28、ational Institutes for Food and Drug Control药品快速检测体系National Institutes for Food and Drug ControlNational Institutes for Food and Drug Control近红外现场筛查体系框架图National Institutes for Food and Drug Control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
29、量与药品处方明显不同National Institutes for Food and Drug Control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 （international nonproprietary names）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. Construction of identificationsystem for non-invasive analysis of macro
30、lides tablets using nearinfrared diffuse reflectance. Journal of Pharmaceutical and BiomedicalAnalysis, 2010, 51: 1217.National Institutes for Food and Drug Control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National Institutes for Food and Drug
31、Control通用性定性模型的特点2NIR鉴别两步识别流程图National Institutes for Food and Drug Control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个厂家个厂家15个厂家个厂家59个厂家个厂家5个厂家个厂家44个厂家个厂家共有批次53批批65批批60批批7批批46批批谱图总数318张张380张张358张张48张张287张张National Institutes for Food and Drug Control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1r1，如果1r0
32、，则将其表示为0，如果0r1，就以百分比表示为0100。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。National Institutes for Food and Drug Control1、应急检验用相关系数模型 谱段: 62005500 cm-1, 50004700 cm-1 and72407140 cm-1 预处理方法: second derivative(13 pointssmoothing); vector normalization 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
33、域药品的变化.中国药学杂志,2010, 45(14): 10971104.National Institutes for Food and Drug Control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-盐酸头孢甲肟盐酸头孢甲肟2-舒巴坦舒巴坦3-单硝酸异山梨酯单硝酸异山梨酯4-乙酰螺旋霉素乙酰螺旋霉素辅料中不同品种的活性成分1-辅料辅料2-辅料辅料+40%克林霉素克林霉素3-辅料辅料+40%克林霉素磷酸酯克林霉素磷酸酯结构相近的活性成分1-头孢氨苄头孢氨苄2-头孢克洛头孢克洛3-头孢羟氨苄头孢羟氨苄4-头孢拉定头孢拉定National I
34、nstitutes for Food and Drug Control2.3%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
35、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%National Institutes for Food and Drug Control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)National Institutes for Food and Drug Control实例2 感康-复方氨氛烷胺片National Institutes for Food and Drug Control实例3 21金维他-多元维生素片Nationa
36、l Institutes for Food and Drug Control实例4 降压0号-复方利血平氨苯蝶啶片National Institutes for Food and Drug Control2、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): 18251828.National Institutes
37、for Food and Drug Control实例：向壮阳类中药胶囊中添加“枸橼酸西地那非”National Institutes for Food and Drug Control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National Institutes for Food and Drug Control添加物浓度与相关系数的关系National Institutes for Food and Drug Control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
38、（%）93%光纤方法247216202088%National Institutes for Food and Drug Control三、一致性检验模型谱段:400010000cm-1预处理方法: First derivative(13 points smoothing);vector normalization可信区间:mean5 standard deviationNational Institutes for Food and Drug Control实例：利君沙（琥乙红霉素）的流向跟踪National Institutes for Food and Drug Control实例：利君
39、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。National Institutes for Food and Drug Control国家基本药物和进口药物的流通领域监测体系National Institutes for Food and Drug Control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)22
40、132396(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5581.2 6962.0 cm1；8057.48971.6 cm11st derivative,vector Normalization116248.45446.2 cm11st derivative,vector Normalization6R2RMSECV(P)98.84%1.8499.0 %1.4595.13%2.3185.53%2.16参考文献：Y.C. Feng, C.Q. Hu. Journal of Pharmaceutical and
41、 BiomedicalAnalysis, 2006, 41: 373384.National Institutes for Food and Drug Control第四部分近红外技术应用于药物分析中的指导原则National Institutes for Food and Drug Control一、药物分析对近红外光谱仪的要求 安装确认(Installation qualification，IQ)：确认所购买仪器是否与原订规格相符（包括对仪器有关的文件资料、设备配件、安装的检查），并建立书面证明材料； 运行确认(Operational qualification，OQ)：在IQ确认合格后执
42、行，主要目的是确认仪器设备各个操作单元的性能（包括各部分开关、控制器以及软件等是否可以按照标准和要求正常工作），并建立书面证明材料，确定验证周期，在规定时间内完成例行性再验证； 性能确认(Performance qualification，PQ)：确认仪器的整体性能，建立书面材料，确定验证周期，以后需要在规定时间内完成例行性再验证。 National Institutes for Food and Drug Control二、近红外用于药物分析的指导原则药典：美国药典(USP),欧洲药典(EP),英国药典(BP),中国药典(ChP)以及日本药典(JP)欧洲药物管理局(EMEA) Note fo
43、r guidance on the use of near infraredspectroscopy by the pharmaceutical industry and the data requirements fornew submissions and variations：给制药业和评审员对新认证和变更时近红外分析仪的数据要求的指导原则 (2003年制定，2009年提出新的草案)英 国 药 物 分 析 科 学 组 (PASG) Guidelines for the development andvalidation of near infrared (NIR) spectroscopy methods: 制药工业中建立和验证近红外光谱方法的指导原则(2001)荷兰公共卫生与环境国家研究院（RIVM) Verification of the identity ofpharmaceutical substances with near-infrared spectroscopy: 使用近红外进行药物鉴别的方法验证(2002)National Institutes for Food and Drug Control
