Was ist Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)?
Die Nahinfrarotspektroskopie ist eine zerstörungsfreie Analysetechnik, bei der Nahinfrarotlicht genutzt wird, um chemische und physikalische Informationen über eine Probe zu gewinnen. In der pharmazeutischen Produktion kann NIRS zur Identifizierung von Produkten, zur Quantifizierung von Parametern wie Restfeuchte und zum Nachweis von Veränderungen in Lyophilisaten verwendet werden. Die Messungen können offline, at-line oder inline als Teil einer Prozessanalysetechnologie-Strategie durchgeführt werden.
Warum ist NIRS in der pharmazeutischen Produktion nützlich?
NIRS ermöglicht eine schnelle, zerstörungsfreie Analyse, ohne dass der Behälter geöffnet oder zerstört werden muss. Im Gegensatz zu herkömmlichen zerstörenden Referenzverfahren lässt es sich in automatisierte Prüfprozesse integrieren und je nach Anwendung für die Prüfung großer Mengen oder sogar für eine 100-prozentige Prüfung einsetzen. Dies macht NIRS besonders wertvoll für die Prozessanalytik und die Bewertung von gefriergetrockneten Produkten.
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.
Inwiefern unterscheidet sich NIRS von der Karl-Fischer-Titration?
Die Karl-Fischer-Titration ist ein etabliertes Referenzverfahren zur Bestimmung des Wassergehalts, allerdings muss die Probe während der Analyse geöffnet und verbraucht werden. NIRS ist zerstörungsfrei und kann daher für wiederholte, At-Line- oder Inline-Messungen eingesetzt werden. Für die quantitative Feuchtigkeitsbestimmung muss das NIR-Modell jedoch anhand eines geeigneten Referenzverfahrens, wie beispielsweise der Karl-Fischer-Titration, kalibriert werden.
Wie funktioniert NIRS?
Nahinfrarotlicht interagiert mit der Probe, und das daraus resultierende Absorptions- oder Reflexionsspektrum enthält Informationen über deren chemische Zusammensetzung und physikalischen Zustand. Anschließend werden chemometrische Modelle verwendet, um diese Spektralmuster in qualitative oder quantitative Ergebnisse umzuwandeln.
Das Funktionsprinzip 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
Was lässt sich mit NIRS in pharmazeutischen Produkten messen?
Je nach Produkt und validiertem chemometrischem Modell kann NIRS zur Produktidentifizierung, Klassifizierung, Quantifizierung der Restfeuchte, Beurteilung der Materialzusammensetzung sowie zum Nachweis physikalischer Veränderungen oder Mängel in gefriergetrockneten Produkten eingesetzt werden.
Water Activity Determination
NIRS can be used for non-destructive water activity determination when an application-specific model has been developed and validated. It can additionally provide information about moisture content and material composition, allowing several quality attributes to be assessed using the same spectral measurement.
Warum sind chemometrische Modelle für die NIRS erforderlich?
NIR-Spektren enthalten sich überschneidende chemische und physikalische Informationen und lassen sich daher in der Regel nicht allein anhand einzelner Wellenlängen interpretieren. Multivariate chemometrische Modelle werden verwendet, um Muster in den Spektren zu identifizieren und diese in Klassifizierungs- oder quantitative Ergebnisse umzusetzen.
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)
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)
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.
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.
Wann sollte NIRS eingesetzt werden?
NIRS eignet sich besonders dann, wenn chemische oder physikalische Produkteigenschaften zerstörungsfrei und schnell bewertet werden müssen. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen die Messung der Restfeuchte in gefriergetrockneten Produkten, die Produktidentifizierung, die Materialklassifizierung und die Prozessüberwachung. Das Verfahren erfordert die Entwicklung anwendungsspezifischer Modelle und geeigneter Referenzdaten, weshalb Machbarkeitsstudien und Validierungen wesentliche Bestandteile der Umsetzung sind.
Warum NIRS mit anderen Prüfverfahren kombinieren?
Verschiedene Technologien messen unterschiedliche Qualitätsmerkmale. Bei gefriergetrockneten Produkten kann beispielsweise die AVI Partikel und das Aussehen des Kuchens beurteilen, NIRS die Restfeuchte oder Produkteigenschaften bewerten und die Headspace-Analyse Gase oder den Headspace-Druck messen. Durch die Kombination dieser Methoden lässt sich im Rahmen eines einzigen Prüfvorgangs eine umfassendere Bewertung erzielen.
Vielseitige NIR-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
NIRS ist ein indirektes Analyseverfahren. Zuverlässige qualitative oder quantitative Ergebnisse hängen daher von einem produktspezifischen chemometrischen Modell ab, das auf der Grundlage repräsentativer Proben und geeigneter Referenzmessungen erstellt wurde. Modellentwicklung, Kalibrierung und Validierung sind daher für eine robuste pharmazeutische NIR-Anwendung unerlässlich. Als Referenzmethode dient das Karl-Fischer-Verfahren.
- 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)
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