Determination of moisture content in freeze-dried materials by FT-NIR spectroscopy

Význam tématu

Stanovení zbytkové vlhkosti v lyofilizovaných (freeze-dried) farmaceutických přípravcích je klíčové pro zachování chemické a fyzikální stability produktu. Tradiční Karl Fischerova titrace je destruktivní, časově náročná a nákladná kvůli spotřebě reagencií a zničení vzorků. Rychlé, nedeštruktivní a bezreagentní metody jako FT-NIR umožňují monitorování procesu lyofilizace v reálném čase nebo při-line, což šetří materiál, čas a zlepšuje řízení procesu.

Cíle a přehled studie

Studie hodnotí použitelnost Fourierovy transformace v blízkém infračerveném oboru (FT-NIR) pro kvantifikaci vlhkosti v lyofilizované přípravě folínové kyseliny vápenaté (Leucovorin Ca). Cílem bylo vytvořit robustní kvantitativní kalibrační model, ověřit přesnost a opakovatelnost měření a porovnat výhody FT-NIR s běžnými gravimetrickými a titračními metodami.

Použitá metodika

Vzorky: Osm šarží lyofilizovaného Leucovorin Ca s vodností 2,65–8,04 % (určeno gravimetrií, loss on drying). Vzorky byly hygroskopické, proto zůstaly v originálních průhledných skleněných vials a měřily se nedeštruktivně skrze stěnu.

Sběr spekter: Difuzní reflektance pomocí Integrating Sphere modulu Antaris FT-NIR. Rozsah 12 000–4 000 cm-1, rozlišení 4 cm-1, doba akvizice 1 minuta. Jako pozadí byl použit interní zlatý „flag“ integrující koule. Z každého vzorku bylo pořízeno více spekter pro zohlednění variability měření.

Předzpracování a modelování: Protože velikost částic a složení byly podobné, nebyla nutná korekce dráhy. Pro odstranění posunu a sklonu baseline byly použity druhé derivace spekter. Pro kvantitativní kalibraci byl použit krokový více proměnný lineární regresní model (Stepwise Multiple Linear Regression, SMLR) v softwaru TQ Analyst; algoritmus automaticky vybral příslušné spektrální oblasti, zejména pásma spojená s O-H overtony a kombinacemi.

Použitá instrumentace

• FT-NIR analyzátor Thermo Scientific Antaris (Integrating Sphere modul).
• Software Thermo Scientific TQ Analyst (vývoj kalibračních modelů, SMLR).
• Pozadí: interní zlatý reflektor integrující koule (gold flag).

Hlavní výsledky a diskuse

Kalibrační model SMLR dosáhl v rozsahu 2,65–8,04 % vlhkosti výborných parametrů: korelační koeficient R2 = 0,9996 a RMSEC = 0,0610 %. Křížová validace metodou leave-one-out vykázala R2 = 0,9989 a RMSECV = 0,0987 %. To ukazuje vysokou přesnost a robustnost modelu pro kvantifikaci zbytkové vlhkosti v daném rozsahu.

Spektra ukázala výrazné změny v pásmech O-H overtonů/kombinací a zároveň posuny baseline související se změnami morfologie vzorku a rozdíly mezi vialy. Tyto faktory mohou ovlivnit absolutní intenzitu signálu, proto bylo nezbytné vícečetné snímání a předzpracování (derivace) pro odstranění baseline efektů. U vzorků se podobnou velikostí částic nebyla nutná korekce délky optické dráhy, ale při heterogennějším materiálu by byla nutná.

Přínosy a praktické využití metody

FT-NIR poskytuje několik praktických výhod oproti Karl Fischer titraci a gravimetrickým metodám:

• Nedeštruktivní analýza bez potřeby reagencií.
• Možnost měření skrze průhledné obaly (vials) bez manipulace se vzorkem.
• Rychlý čas analýzy (řádově jedna minuta), vhodné pro at-line nebo near-line monitoring.
• Vícekomponentní analýza – potenciál pro současné sledování dalších parametrů složení.
• Úspora drahého lyofilizovaného materiálu a rychlejší rozhodování o ukončení lyofilizace, optimalizace výrobního cyklu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a aplikací FT-NIR v oblasti lyofilizace a kontroly vlhkosti:

• Integrace do konceptu Process Analytical Technology (PAT) pro automatizované řízení lyofilizačních procesů.
• Přechod z benchtop řešení na inline nebo online sondy a celoplantové monitorování.
• Zlepšení hardwaru – vyšší rychlost, lepší citlivost (např. modernizované modely Antaris II a další generace).
• Pokročilé chemometrické přístupy a strojové učení pro robustnější modely, automatickou detekci odchylek a přenositelnost kalibrací mezi přístroji.
• Využití hyperspektrálního zobrazování pro prostorové mapování vlhkosti ve šaržích.
• Regulační akceptace validovaných NIR metod jako alternativy k destruktivním testům v QC procesech.

Závěr

Studie demonstruje, že FT-NIR spektroskopie je vhodná, rychlá a spolehlivá metoda pro kvantifikaci zbytkové vlhkosti v lyofilizovaném Leucovorin Ca v rozsahu ~2,7–8,0 %. Díky vysoké přesnosti kalibračního modelu (R2 ~0,9996) a nízkým chybám kalibrace a křížové validace poskytuje FT-NIR reálnou alternativu ke konvenčním metodám pro near-line/at-line kontrolu lyofilizačního procesu. Potenciál pro širší nasazení závisí na validaci, robustnosti kalibrací a implementaci nových detekčních a chemometrických nástrojů.

Reference

Thermo Fisher Scientific. Determination of moisture content in freeze-dried materials by FT-NIR spectroscopy. Application Note AN50780 0522. © 2022 Thermo Fisher Scientific Inc.