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Swissmedic • Schweizerisches Heilmittelinstitut • Hallerstrasse 7 • CH-3000 Bern • www.swissmedic.ch
NIR und Raman-Spektroskopie
für Qualitätskontrolle, PAT und Fälschungsanalytik
Daniel Glauser Philippe Girard
OMCL Swissmedic
2
Inhaltsverzeichnis
•
Einleitung•
Grundlagen•
NIR
•
Raman•
Chemometrie
•
Anwendungen•
Qualitätskontrolle
•
Process
Analytical
Technology (PAT)•
Fälschungsanalytik
•
Fragen
3
Grundlagen
•
Near
Infrared
Spektroskopie (NIR)•
Raman
Spektroskopie
•
Chemometrie
4
Near
Infrared
Spectroscopy
(NIR)•Schwingungen
•
Anregung von kovalenten
Molekülbindungen•
Oberton-
und Kombinationsschwingungen
•Detektion•
760–2500
nm (Nahes Infrarot)•
4000 –
10000 cm-1
•Spektren•
Werden nicht direkt interpretiert, sondern mit Hilfe von statistischen Verfahren ausgewertet
5
Near
Infrared
Spectroscopy
(NIR) III•Vorteile
•
Sekunden-schnelle Messung•
Tiefe Kosten•
Nicht destruktiv•
Messung durch transparente Verpackung
•
Minimale Probenvorbereitung•
Grosse Eindringtiefe in Probe•
Spezifisches Fingerprinting•
Lichtleitertechnologie ermöglicht ausgelagerte Messung
•
Modelle für ca. 1000 „Apotheken-Substanzen“
zur Identifikation erhältlich
•
Nahezu ideales Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalte
•Nachteile•
Aufwendige Kalibrier-
und Validierungsmuster
Beschaffung•
Aufwendige Modelentwicklung•
Kalibriermuster mit bekannten Eigenschaften, welche den Scope
der Prüfmuster abdecken•
Unterhalt vom Modell•
Einfluss von Wasser (wenn nicht Analyt)
•
Empfindlichkeit
6
Raman Spectroskopie
I•
Anregung mit einer monochromatische Laser-Strahlung: 99,99 % des Laserlichtes durchstrahlt die Probe, ein sehr kleiner Anteil streut in alle Raumrichtungen (Rayleigh-Streuung) und nur ca. 10-6
% entfällt auf die Raman-Streuung•
103
bis 104
weniger intensiv als Rayleigh Streunung•
Anregung-
und Emissions
Wellenlängen sind verschieden (Raman-Verschiebung)•
Aus den Spektrum lassen sich Rückschlüsse auf die untersuchte Substanz ziehen
Sir Chandrasekhara
Raman
Referenz: http://de.wikipedia.org
7
Raman•Vorteile
•
Sekunden-schnelle Messung•
Nicht destruktiv•
Messung durch transparente Verpackung
•
Minimale Probenvorbereitung•
Kommerzielle Datenbanken•
Direkt Interpretierbar•
Modelentwicklung einfacher als bei NIR
•
Analyse auch in wässrigen Systemen
•Nachteile•
Ramaneffekt
ist sehr schwach d.H. eine hohe Konzentration an Molekülen oder eine hohe Laserintensität wird benötigt
•
Empfindlichkeit•
Erwärmung der Probe (Minimierung mit modernen Lasern)
•
Fluoreszenz der Proben
8
Vergleich
Raman und
NIR
Referenz: H.W. Siesler
u.a.; Near-Infrared
Spectroscopy, Principles, Instruments, Applications; 1. Auflage, Weinheim 2002
9
Vergleiche•NIR vs. Raman
•
NIR
eher für quantitative Analysen , galenische
Parameter (Details) •
Raman:
eher für qualitative Bestimmungen (Ws)
•
Raman:
einfacherer Aufbau, benötigt mehr Laserenergie (Stress für Probenmaterial)
•
Raman:
einfachere Modellbildung (kleineres Kalibrierset, 1 batch
kann reichen)
•Laborgerät vs. Mobil•
Mobile Geräte:
i.d.R
ohne Fourier-Transformation
–
S/N•
Grossartiges „PR tool“•
Einfachere Bedienung•
Limitierungen bei Auswertung und Modellbildung –
Falschnegative•
Erreichen teilweise Ph.Eur. Anforderungen nicht
•
Laborgeräte benötigen kleinere Mustermengen
10
Chemometrie
•
Extrahieren und Nutzbarmachen von Informationen aus grossen Datensätzen mit Hilfe von mathematischen und statistischen Methoden
•
Mathematische Vorbehandlung der Daten (i.e. Messbereich, Ableitungen)
•
Clusterbildung: Modellierung der Daten (PCA)
•
Regressionsmethoden
11
Chemometrie
Referenz: Yves Roggo
u.a.; A review of near infrared spectroscopy and chemometrics
in pharmaceutical technologies; Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 44 (2007) 683–700
12
Einfluss der mathematische Vorbehandlung
•Messungen•
Wasser, 0.2% und 1% Natriumsalicylatlösung
•
Messungen mittels NIRFlex
N-
500, Büchi
AG•
Liquids
Messoption mit 1 mm Messküvette
•mathematische Vorbehandlung•
1. Ableitung•
2. Ableitung•
3. Ableitung
Referenz: S., Meyer, Projekte im OMCL Swissmedic, 2010
13
Rot: Wasser MilliQ
Blau: Natriumsalicylat
2 mg/mLGrün: Natriumsalicylat
10 mg/mL
OriginalspektrenPretreated Spectra
All Spectra
1/cm
Tra
ns
mit
tan
ce
400050006000700080009000100000
0.2
0.4
0.6
0.8
User SpectraCalibration SpectraValidation Spectra
Referenz: S., Meyer, Projekte im OMCL Swissmedic, 2010
14
Pretreated SpectraAll Spectra
1/cm
Tra
ns
mit
tan
ce
(d
b1
)
40005000600070008000900010000
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
User SpectraCalibration SpectraValidation Spectra
Rot: Wasser MilliQ
Blau: Natriumsalicylat
2 mg/mLGrün: Natriumsalicylat
10 mg/mL
1. Ableitung
Referenz: S., Meyer, Projekte im OMCL Swissmedic, 2010
15
Pretreated SpectraAll Spectra
1/cm
Tra
ns
mit
tan
ce
(d
s2
)
40005000600070008000900010000
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1 User SpectraCalibration SpectraValidation Spectra
Rot: Wasser MilliQ
Blau: Natriumsalicylat
2 mg/mLGrün: Natriumsalicylat
10 mg/mL
2. Ableitung
Referenz: S., Meyer, Projekte im OMCL Swissmedic, 2010
16
Pretreated SpectraAll Spectra
1/cm
Tra
ns
mit
tan
ce
(d
s2
)
550060006500
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
User SpectraCalibration SpectraValidation Spectra
Rot: Wasser MilliQ
Blau: Natriumsalicylat
2 mg/mLGrün: Natriumsalicylat
10 mg/mL
2. Ableitung (Ausschnitt)
Referenz: S., Meyer, Projekte im OMCL Swissmedic, 2010
17
Pretreated SpectraAll Spectra
1/cm
Tra
ns
mit
tan
ce
(d
t3)
40005000600070008000900010000
-0.0003
-0.0002
-0.0001
0
0.0001
0.0002 User SpectraCalibration SpectraValidation Spectra
Rot: Wasser MilliQ
Blau: Natriumsalicylat
2 mg/mLGrün: Natriumsalicylat
10 mg/mL
3. Ableitung
Referenz: S., Meyer, Projekte im OMCL Swissmedic, 2010
18
Principal
component
analysis
(PCA)
1.
N dimensionaler Raum•
3 Messpunkten
•
Ca. 40 Spektren•
Festlegung auf 3 dimensionaler Raum (λ
1-3)
λ1 λ2 λ3
19
2.Koordinatensystem•
Mittelwert aller Messpunkte•
Neuer Ursprung Koordinatensystem
3.Hauptkomopnenten
(PC)•
1. PC wird so gelegt, dass sie die grösste Streuung abbildet
•
2. PC liegt orthogonal dazu und erfasst die zweit grösste
Streuung usw.
Hauptkomponentenanalyse II
20
4.
Neues Koordinatensystem•
Aus den PC•
Neuer Ursprung Koordinatensystem
5.
Reduktion der Dimensionen•
Trennung Punktewolke mit 1 PC
•
Reduktion um 2 Dimensionen (vom 3 auf 1)
Hauptkomponentenanalyse III
21
Anwendungen
•
Qualitätskontrolle•
Process
Analytical
Technology (PAT)
•
Fälschungsanalytik
22
Qualitätskontrolle•Messung
•
Noninvasiv•
Keine Probenahme•
Durch die Primärverpackung•
Sehr schnell (innert Sekunden)•
Wenig Schulungsaufwand•
Einfache Dokumentation
•Anwendungen •
Identifikation in der Eingangskontrolle•
Identifikation bei der Herstellung•
Uniformity
of dosage•
Konzentration•
Filmdicke•
Feuchtigkeit
23
Qualitätskontrolle (Entwicklung)•Anwendungen
•
Chemical
Imaging•
Uniformity
of dosage
unit•
Prozess
Stabilitätsanalyse•
Konzentration•
Filmdicke•
Feuchtigkeit•
…
24
Process
Analytical
Technology (PAT)•Messung
•
Online oder Atline•
Bis 100%•
Sehr schnell (innert Sekunden)•
Noninvasiv
•Anwendungen (Beispiele)•
Wirkstoff Konzentration•
Filmdicke (im Coater)•
Härte•
Feuchte (Feuchtgranulation)•
Prozesssteuerung•
Reaktionsfortschritt•
Uniformity
of dosage
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Fälschungsanalytik•Messung
•
Noninvasiv•
Ohne Probenvorbereitung•
Sehr schnell (innert Sekunden)
•Anwendungen (Beispiele)•
Analytik vor Ort (i.e. Zoll)•
Identifikation•
Fingerprinting•
Wirkstoff Konzentration•
Clustering
(i.e. Ursprung, Synthese)
•
Zusammensetzung
26
Original SpectraAll Spectra
Wavelengths
Ref
lect
ance
40005000600070008000900010000
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
NIR
Cal
: T
able
tten
1 09
.03.
2010
16:
38:1
2 m
es
Zyban 150mgViagra alle DosierungenCialis alle DosierungenLevitra alle Dosierungen (Reflexion)Diane - 35 ReflexionCo-Diovan 160/25 ReflexionCo-Diovan 160/12.5 ReflexionFinasterid-Mepha 5mg RefelxionPlavix 300mgPlavix 75mg
B
Scores vs. ScoresAll Spectra
PC 2
PC 3
-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
NIR
Cal
: T
able
tten
1 09
.03.
2010
16:
38:4
3 m
es
Zyban 150mgViagra alle DosierungenCialis alle DosierungenLevitra alle Dosierungen (Reflexion)Diane - 35 ReflexionCo-Diovan 160/25 ReflexionCo-Diovan 160/12.5 ReflexionFinasterid-Mepha 5mg RefelxionPlavix 300mgPlavix 75mg
B
Präparate-
Identifikation•Beispiel
•
> 1500 Datenpunkte pro Spektrum•
10 Präparate•
Nur 3 Hauptkomponenten notwendig
Referenz: S., Meyer, verschiedene Projekte im OMCL Swissmedic, 2010
27
Identifikation von Fälschungen•Beispiel
•
> 1500 Datenpunkte pro Spektrum•
3 Präparate•
3 Hauptkomponenten notwendig
Original SpectraAll Spectra
Wavelengths
Ref
lect
ance
40005000600070008000900010000
0.2
0.4
0.6
0.8
1 Viagra alle DosierungenCialis alle DosierungenLevitra alle Dosierungen (Reflexion)
Scores vs. ScoresAll Spectra
PC 1
PC 2
-0.1 -0.05 0 0.05
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1 Viagra alle DosierungenCialis alle DosierungenLevitra alle Dosierungen (Reflexion)
Referenz: S., Meyer, verschiedene Projekte im OMCL Swissmedic, 2011
28
Raman-Spektroskopie: Vergleich
Original / potentielle
Fälschung
Schwarz: Original Tabletterot: Unbekannte
Tablette
Fälschung
29
Raman-Spektroskopie: Nachweis
von APIs
blau: Verdachtsproberot: Tadalafil
(API)
enthält
kein
Tadalafil Fälschung
30
Ausblick•QC / PAT / ICP
•
Weitere Verbreitung zur Stoff-
und Präparate-Identifikation•
Kontrolle der Verblindung
bei klinischen Versuchen•
100% Kontrollen•
Echtzeit Freigabe (Realtime
Release)
•Fälschungsanalytik•
Ausbau von Präparate Datenbanken, c.f. Stoffdatenbanken
•
NIR in der Gehaltsabschätzung von illegalen Arzneimittel
•
Auslagerung der Erstanalysen an die Vollzugsbehörden. i.e. Zoll, Polizei
