Die Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) ist eine wirtschaftliche und kosteneffektive Analysemethode. Sie wird für die Erkennung oder Mengenanalyse von Lyophilisaten, Pulvern, Granulaten usw. eingesetzt. Die NIRS deckt ein sehr breites Spektrum von Anwendungen in der Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie ab. NIR-Messungen für die Prozessanalyse-Technologie (PAT) können offline, atline oder inline durchgeführt werden.

Warum NIR-Inspektion?

Die Restfeuchte von Lyophilisaten ist ein wesentliches Qualitätsmerkmal eines Arzneimittels und hat einen Einfluss auf dessen Langzeitstabilität. Deshalb muss der Feuchtegehalt überprüft werden. Eine weitverbreitete, bewährte Methode zur Bestimmung des Feuchtegehalts ist die Karl-Fischer-Titration. Die Methode erfordert jedoch eine Zerstörung der Probe, um sie zu testen, und erlaubt daher keine 100-prozentige Inspektion. Andere Mängel an Lyophilisaten wie beispielsweise ein vollständiger Kollaps des Kuchens (engl. meltback) bzw. ein zusammengefallener Kuchen können mit anderen Methoden wie einer Sichtkontrolle festgestellt werden. Diese Prüfung ist auf die Oberfläche der Lyophilisate beschränkt.

Das Wirkprinzip der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS)

Bei der Nahinfrarot-Spektroskopie, abgekürzt NIR-Spektroskopie, handelt es sich um eine Prozessanalyse-Technologie zur Bewertung und Kontrolle der pharmazeutischen Gefriertrocknung im Rahmen des Herstellungsprozesses. Dabei wird das Spektrum der gefriergetrockneten Lyokuchen analysiert.

Insbesondere im NIR-Spektralbereich können Ober- und Kombinationsschwingungen der Grundschwingungen von O-H-, N-H- und C-H-Bindungen beobachtet werden. Bei den meisten organischen Stoffen können die intensiven spektralen Eigenschaften im Spektralbereich zwischen 1.100 nm und 2.500 nm (10.000 cm-1 und 4.000 cm-1) gemessen werden, weshalb dieser Bereich in vielen Fällen verwendet wird.
 

  • Grundsätzlicher Aufbau für die Messung der NIR-Spektren im Reflexionsmodus 
  • Beleuchtung des Vials von unten mittels Wolfram-Halogenlampen
  • Das Licht wird durch das Lyophilisat im Vial reflektiert und gestreut und dann über ein Glasfaserkabel am Eintrittsspalt fokussiert.
  • Der Strahl trifft auf ein holografisches Gitter und wird auf einen Fotodioden-Array-Detektor gelenkt
  • Das Gitter zerlegt den Lichtstrahl in einzelne Wellenlängen
  • Der Detektor erzeugt ein digitalisiertes Ausgangssignal (Spektrum), das konvertiert werden soll

 

Mithilfe der NIR-Spektroskopie können Zustandsveränderungen des Kuchens mit einer höheren Empfindlichkeit als mit einem optischen System erfasst werden. Deshalb wird die NIR-Spektroskopie bevorzugt eingesetzt, um zu prüfen, ob ein vollständiger Kollaps des Kuchens vorliegt.

Die Möglichkeiten der NIR-Inspektion

Die Messungen werden ohne Datenvorbehandlungen entweder in diffuser Reflexion oder in Transmission durchgeführt. Die NIR-Spektren enthalten sowohl chemische als auch physikalische Informationen. Eine einfache und direkte Interpretation der Spektren ist unvorstellbar. Daher ist es notwendig, etwas umfangreichere chemometrische Algorithmen zur Interpretation und Auswertung der Spektren zu verwenden.

Diffuse Reflexion

Die diffuse Reflexion wird in erster Linie für die Untersuchung von Pulverproben, aber auch für Granulate oder Pasten, Lyophilisate, andere Feststoffe sowie Gele verwendet.

Die auf die Probe auftreffende NIR-Strahlung dringt in die Oberfläche ein und wird von den Partikeln gebeugt und diffus reflektiert. Die reflektierte Strahlung enthält die Spektraldaten der Probe.

Vorteile:

  • Es ist keine Probenvorbereitung erforderlich
  • Es werden chemische und physikalische Informationen erfasst

Transmission

Ein Transmissionsaufbau ist die optimale Methode für Flüssigkeiten. Die Proben werden in einer definierten Schichtdicke bestrahlt. Das ausgesandte Licht enthält die Spektraldaten.

Vorteile:

  • Gut definierte Bedingungen
  • Eine hohe Signalausbeute

Anwendungen

Es können Wirk- und Hilfsstoffe in fester und flüssiger Form erkannt und quantifiziert werden. 

Erkennung verschiedener Produkte

Die zuverlässige Erkennung verschiedener Produkte oder Rohstoffe sowie die Klassifizierung verschiedener Gruppen ist in der Pharma- und Lebensmittelindustrie unerlässlich.

Für den Produktionsprozess von Lyophilisaten bietet die NIR-Anwendung ein wesentlich höheres Niveau der Qualitätskontrolle.

Sie unterscheidet die verschiedenen Produktmischungen und Rohstoffe auf der Grundlage einer Hauptkomponentenanalyse.

Folgende chemometrische Methoden werden zur Erkennung oder Klassifizierung verwendet:

  • Clusteranalyse oder Hauptkomponentenanalyse (PCA)
  • Support Vector Machine-Klassifizierung (SVMC)
  • Lineare Diskriminanzanalyse (LDA)
  • Partielle Diskriminanzanalyse der kleinsten Quadrate (PLS-DA)
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Quantifzierungsmethoden

Die Ergebnisse der NIR-Spektroskopie werden in Echtzeit erhalten. Dies ermöglicht Feineinstellungen in den Prozessen und erhöht die Produktivität. Ein Beispiel dafür ist die Messung des Feuchtigkeitsgehalts in gefriergetrockneten Produkten.

Diese Spektren von Lyophilisaten werden mit der Karl-Fischer-Titration als Referenzmethode erfasst und kalibriert. Der Gehalt einer oder mehrerer Komponenten, basierend auf entsprechenden Kalibrierungen, wird aus dem NIR-Spektrum bestimmt. Diese wurden im Vorfeld mit Mustern bekannten Inhalts aufgezeichnet und gespeichert. Die Methode der partiellen Regression der kleinsten Quadrate (PLS) ist die Grundlage für die quantitative Analyse. Die Kalibrierung zeigt genaue Ergebnisse für den Feuchtigkeitsgehalt im Lyophilisat an.

Die NIR-Technik ist eine indirekte Methode und erfordert eine absolute Vergleichsmethode. Sie wird mit der klassischen Referenzmethode kombiniert.

Für die quantitative Auswertung wird die folgende chemometrische Methode verwendet:

  • Partielle Regression der kleinsten Quadrate (PLS)
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Hierarchische Modellierung (HM)

Die hierarchische Modellierung (HM) ist eine schrittweise Analyse für verschiedene Eigenschaften aufgrund eines gegebenen Datensatzes, im Falle der NIR eines Spektrums. Sie ist die Kombination einer Reihe von zusammengesetzten, multivariaten Modellen, um ein eindeutiges Ergebnis für verschiedene Eigenschaften zu erhalten. Mitunter reicht eine einzige Klassifikation oder ein Feuchtigkeitsvorhersagemodell nicht aus, um eine Probe oder den zugrunde liegenden Prozess vollständig zu beschreiben. Daher wird ein Modell angewandt, das aus anderen spezifischen Modellen besteht. Der Benutzer erhält dann von jedem der Modelle ein Ergebnis über eine Eigenschaft der Probe und des zugrunde liegenden Prozesses.

Beispiel einer Hierarchischen Modellierung (HM) für Produkt A

Das bei der Prozessanalyse zum Einsatz kommende hierarchische Modell umfasst folgende Schritte:

1. Identifizierung des Produkts
Zur Identifizierung des Produkts wird eine qualitative Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt. Mithilfe der Hauptkomponentenanalyse können die verschiedenen Grundgesamtheiten der Probenklassen unterschieden werden.

2. Ermittlung des Feuchtegehalts
Zur Bestimmung des Wassergehalts im Kuchen wird eine quantitative Analyse mittels Partial-Least-Squares-Verfahren (PLS-Verfahren) durchgeführt. Die Korrelation zwischen den Spektraldaten und den entsprechenden Wassergehalt-Werten (Referenzanalyse mittels Karl-Fischer-Verfahren) der einzelnen Bestandteile wird mithilfe von PLS-Algorithmen hergestellt.

3. Klassifierung der Mängel am Kuchen
Für die Einstufung in die verschiedenen Klassen, beispielsweise die Unterscheidung zwischen guten und schlechten Klassen je nach den Mängeln am Kuchen kommt ein SVM-Algorithmus zum Einsatz.

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Kombination mit anderen Prüftechnologien

Wird die Prüfung mittels NIR-Spektroskopie mit verschiedenen anderen Prüftechnologien kombiniert, kann die Zuverlässigkeit des Prozesses erheblich gesteigert werden. Eine Kombination mit unserer Headspace-Analyse (HSA), einer Differenzdruckmessung oder der visuellen Inspektion ist problemlos möglich.

Vielseitige Lösungen

Das halbautomatische Laborsystem kann für die Modellentwicklung verwendet werden. Vollautomatische Inline-Lösungen können im Rahmen der Herstellung bis zu 600 Produkte pro Minute verarbeiten. Die NIR-Lösung kann auch als einzelnes Modul bereitgestellt werden, das leicht in andere Fertigungsstrassen integriert werden kann.

Methodenentwicklung und -validierung als Schlüssel zum Erfolg

Während der Methodenentwicklung werden die produktspezifischen Spektren analysiert und als Grundlage für das chemometrische Modell herangezogen. Jedes Modell wird perfekt auf das jeweilige Produkt zugeschnitten. Auf diese Weise kann eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden. Als Referenzmethode dient das Karl-Fischer-Verfahren.

Vorteile der NIR-Inspektionslösungen

  • Sehr kurze Messzeiten – zerstörungsfrei
  • Genaue und validierbare Messwerte (datengestützte Prozessanalyse-Technologie)
  • Umweltfreundlich – keine Probenvorbereitung, keine chemischen Abfälle
  • Sicher – keine chemischen Reaktionen
  • Vielseitig einsetzbar – gleichzeitige Bestimmung mehrerer Parameter
  • Online-App zur Prozesssteuerung
  • Leicht zu verwenden – benutzerfreundliche Anwendung
  • Ersetzt in Kombination mit einer chemometrischen Auswertung zahlreiche zeitraubende nasschemische Analysemethoden.
  • Die Verlässlichkeit der mittels NIR-Spektroskopie ermittelten Daten ist vergleichbar mit den Referenzanalyse-Methoden (z. B. Karl-Fischer-Titration, Hochleistungsflüssigkeitschromatographie)