近红外光谱分析技术及其在药物分析中的应用

近红外光谱分析技术及其在药物分析中的应用第1页，共70页，2023年，2月20日，星期四二三四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

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第2页，共70页，2023年，2月20日，星期四第一部分近红外光谱分析技术概述NationalInstitutesforFoodandDrugControl第3页，共70页，2023年，2月20日，星期四RegionInteractionsibl一、定义12,820cm-1(780nm)3,959cm-1(2526nm)Wavelength108107106105104103102101110-110-210-3(cm-1)viNIRMIRFIRESRNMRγ-RayX–RayUltravioletInfraredMicrowaveRadio,TV Wavese

NuclearTransitions

Inner Shell

ElectronicTransitions

Valance ElectronTransitionsMolecularVibrationsMolecularRotations

SpinOrientationin Magnetic FieldWavelength (m)10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101NationalInstitutesforFoodandDrugControl第4页，共70页，2023年，2月20日，星期四二、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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第5页，共70页，2023年，2月20日，星期四振动能级水平分子能级跃迁图简谐振动非简谐振动

3rdOvertone三级倍频2ndOvertone二级倍频1stOvertone一级倍频Fundamental基频振动NationalInstitutesforFoodandDrugControl第6页，共70页，2023年，2月20日，星期四•••振动吸收基频谱带：由基态（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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl第7页，共70页，2023年，2月20日，星期四•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，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=CNationalInstitutesforFoodandDrugControl第8页，共70页，2023年，2月20日，星期四吸收度432

水的近红外和中红外光谱图5

O-H伸缩振动 （在~3650cm-1） 合频振动（在~5200cm-1

1640cm-1+3650cm-110

=5290cm-1）OH伸缩振动的1倍频（在~7100cm-12x3650=7300cm-1）H-O-H弯曲振动（在1640cm-1）900080007000600050004000300020001000波数(cm-1)

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第9页，共70页，2023年，2月20日，星期四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)

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第10页，共70页，2023年，2月20日，星期四speculaabsorption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

scatteringreflectance

NationalInstitutesforFoodandDrugControl近红外光与物质的相互作用第11页，共70页，2023年，2月20日，星期四不同的采样方法光源单色器样品

检测器Near-IRReflectance(NIR)漫反射式

检测器光源单色器样品Near-IRTrans-Reflectance(NITR)透反射式

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第12页，共70页，2023年，2月20日，星期四近红外光谱的测量用吸光度表示近红外光谱:Lambert-Beer定律A=-log(I/Io)=-logT=log(1/r)=εcdε:消光系数；c:浓度；d:光程NationalInstitutesforFoodandDrugControl第13页，共70页，2023年，2月20日，星期四四、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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第14页，共70页，2023年，2月20日，星期四五、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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第15页，共70页，2023年，2月20日，星期四分析方法简介•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。Y＝b0+b1Y1+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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl第16页，共70页，2023年，2月20日，星期四AbsorbanceUnits0.50.6AbsorbanceUnits0.30.4••••••••••鉴别结果

分析过程（一）建立模型

••••••••••

••••••••110001000090008000700060005000110001000090008000700060005000Wavenumbercm-1

1.选择代表性样品测试（二）测定未知样品

1.测定未知样品光谱2.计算平均光谱和阈值 2.调用模型

3.建立和验正模型

Report

Sample#081897-049 ComponentA 81.55% ComponentB 5.38% ComponentC 13.06%

3.鉴定未知样品NationalInstitutesforFoodandDrugControl第17页，共70页，2023年，2月20日，星期四六、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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl第18页，共70页，2023年，2月20日，星期四.3.

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%)。

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第19页，共70页，2023年，2月20日，星期四••••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MerckFrosst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料成分的鉴别；1995年6月，英国药物管理局批准GlaxoWellcome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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第20页，共70页，2023年，2月20日，星期四第二部分近红外技术在药品生产环节的应用

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第21页，共70页，2023年，2月20日，星期四•••一、QbD理念与过程分析技术QbD（QualitybyDesign，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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl第22页，共70页，2023年，2月20日，星期四QbD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

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第23页，共70页，2023年，2月20日，星期四QbD中过程分析技术的作用过程分析技术（ProcessAnalyticalTechnology，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：•NearInfraredSpectroscopy(NIR)•RamanSpectroscopy•Solution/cream/ointmentPHandtemperature•LasentecFocusedBeamReflectanceMeasurement(FBRM)/ParticleVisionandMeasurement(PVM)NationalInstitutesforFoodandDrugControl第24页，共70页，2023年，2月20日，星期四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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第25页，共70页，2023年，2月20日，星期四••••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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第26页，共70页，2023年，2月20日，星期四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 HPLC Content Uniformity CompositeAssay Degradates ID

API混合加润滑剂混合 压片 包衣

PAT放行检测方法

生产线检测NIRCompositeAssay;On-lineDosage;UniformitybyWeight

生产线检测Disintegration;NIRID;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*

3σ限度（%）

超限批次 平均值 标准偏差（%）2007-2008 246 099.2-101.7 2 100.5 0.42008-2009 374 099.3-101.4 1 100.3 0.32009-2010 458 098.9-102.6 1 100.8 0.6

念研发、生产和申报的新 药，2006年被美国和欧盟 批准后，目前已经被全世 界80多个国家批准。NationalInstitutesforFoodandDrugControl*标准规定：95.0%-105.0%第27页，共70页，2023年，2月20日，星期四.5.6.二、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剂。仪器操作简单，一般操作人员均可操作使用。NationalInstitutesforFoodandDrugControl第28页，共70页，2023年，2月20日，星期四化学药品生产过程示意图NIR定性鉴别质量

粉 主NIR控制过程终点NIR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

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第29页，共70页，2023年，2月20日，星期四NIR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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第30页，共70页，2023年，2月20日，星期四三、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NationalInstitutesforFoodandDrugControl一次接收数个批次的物料，应当按批取样、检验、放行。第31页，共70页，2023年，2月20日，星期四化学药品辅料库的建立市场中常用的31种辅料NationalInstitutesforFoodandDrugControl第32页，共70页，2023年，2月20日，星期四欧巴代近红外导数化光谱图和滑石粉导数化光谱图NationalInstitutesforFoodandDrugControl第33页，共70页，2023年，2月20日，星期四药物多晶型(Polymorphisms)的鉴别NationalInstitutesforFoodandDrugControl第34页，共70页，2023年，2月20日，星期四AbsorbanceinAU三、应用NIR方法在线监测混合终点Blendprocess‘endpoint–homogeneousblendBeginningoftheblendprocessNationalInstitutesforFoodandDrugControlWavelengthinnm第35页，共70页，2023年，2月20日，星期四Log(1/R)四、药物存储稳定性的考察

0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2-0.3 100015002000

Wavelength(nm)2500NationalInstitutesforFoodandDrugControl第36页，共70页，2023年，2月20日，星期四PC2(16.47%)155102030

主成份分析:片剂的稳定性测试2520

测试状况1:40Cat70%Humidity10

测试状况2:25Cat60%Humidity

0 -5-10 -30-20-100NationalInstitutesforFoodandDrugControlPC1(27.00%)第37页，共70页，2023年，2月20日，星期四

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：3NationalInstitutesforFoodandDrugControl第38页，共70页，2023年，2月20日，星期四五、应用NIR方法对终产物进行放行检验NationalInstitutesforFoodandDrugControl第39页，共70页，2023年，2月20日，星期四•••••••••六、应用于PAT的指导原则GuidelineontheuseofNearInfraredSpectroscopy(NIRS)bythepharmaceuticalindustryandthedatarequirementsfornewsubmissionsandvariations(draft),EMEA/CHMP/CVMP/QWP/17760/2009Rev2,January2012GuidanceforIndustryPAT—AFrameworkforInnovativePharmaceuticalDevelopment,Manufacturing,andQualityAssurance,PharmaceuticalCGMPs,September2004GuidanceforIndustryProcessValidation:GeneralPrinciplesandPractices(R1),CGMP,January2011GuidanceforIndustryQualitySystemsApproachtoPharmaceuticalCGMPRegulations,PharmaceuticalCGMPs,September2006GuidanceforIndustryQ8(R2)PharmaceuticalDevelopment,ICH,November2009GuidanceforIndustryQ9QualityRiskManagement,ICH,June2006GuidanceforIndustryQ10PharmaceuticalQualitySystem,ICH,April2009GuidanceforIndustryQ8,Q9,andQ10QuestionsandAnswers(R4),ICHNovember2011Q11DevelopmentandManufactureofDrugSubstances(draft),ICH,April2011NationalInstitutesforFoodandDrugControl第40页，共70页，2023年，2月20日，星期四第三部分近红外技术在药品流通领域中的应用NationalInstitutesforFoodandDrugControl第41页，共70页，2023年，2月20日，星期四药品快速检测体系NationalInstitutesforFoodandDrugControl第42页，共70页，2023年，2月20日，星期四NationalInstitutesforFoodandDrugControl第43页，共70页，2023年，2月20日，星期四近红外现场筛查体系框架图NationalInstitutesforFoodandDrugControl第44页，共70页，2023年，2月20日，星期四假药的特征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.活性成分的含量与药品处方明显不同NationalInstitutesforFoodandDrugControl第45页，共70页，2023年，2月20日，星期四一、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（internationalnonproprietarynames）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.Constructionofidentificationsystemfornon-invasiveanalysisofmacrolidestabletsusingnearinfrareddiffusereflectance.JournalofPharmaceuticalandBiomedicalAnalysis,2010,51:12~17.NationalInstitutesforFoodandDrugControl第46页，共70页，2023年，2月20日，星期四

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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第47页，共70页，2023年，2月20日，星期四通用性定性模型的特点2NIR鉴别两步识别流程图NationalInstitutesforFoodandDrugControl第48页，共70页，2023年，2月20日，星期四例：β-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15个厂家59个厂家 5个厂家44个厂家共有批次

53批 65批 60批 7批 46批谱图总数

318张 380张 358张 48张 287张NationalInstitutesforFoodandDrugControl第49页，共70页，2023年，2月20日，星期四二、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－1≤r≤＋1，如果－1≤r≤0，则将其表示为0％，如果0<r≤1，就以百分比表示为0％～100％。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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl第50页，共70页，2023年，2月20日，星期四1、应急检验用相关系数模型•谱段:6200～5500cm-1,5000～4700cm-1and7240～7140cm-1•预处理方法:secondderivative(13pointssmoothing);vectornormalization•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域药品的变化.中国药学杂志,2010,45(14):1097~1104.NationalInstitutesforFoodandDrugControl第51页，共70页，2023年，2月20日，星期四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

2-舒巴坦

3-单硝酸异山梨酯

4-乙酰螺旋霉素

辅料中不同品种的活性成分1-辅料2-辅料+40%克林霉素3-辅料+40%克林霉素磷酸酯

结构相近的活性成分

1-头孢氨苄

2-头孢克洛

3-头孢羟氨苄

4-头孢拉定

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第52页，共70页，2023年，2月20日，星期四2.3%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%

NationalInstitutesforFoodandDrugControl第53页，共70页，2023年，2月20日，星期四实例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)NationalInstitutesforFoodandDrugControl第54页，共70页，2023年，2月20日，星期四实例2感康-复方氨氛烷胺片NationalInstitutesforFoodandDrugControl第55页，共70页，2023年，2月20日，星期四实例321金维他-多元维生素片NationalInstitutesforFoodandDrugControl第56页，共70页，2023年，2月20日，星期四实例4降压0号-复方利血平氨苯蝶啶片NationalInstitutesforFoodandDrugControl第57页，共70页，2023年，2月20日，星期四2、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):1825~1828.NationalInstitutesforFoodandDrugControl第58页，共70页，2023年，2月20日，星期四实例：向壮阳类中药胶囊中添加“枸橼酸西地那非”NationalInstitutesforFoodandDrugControl第59页，共70页，2023年，2月20日，星期四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NationalInstitutesforFoodandDrugControl第60页，共70页，2023年，2月20日，星期四添加物浓度与相关系数的关系NationalInstitutesforFoodandDrugControl第61页，共70页，2023年，2月20日，星期四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（%）93%光纤方法247216202088%NationalInstitutesforFoodandDrugControl第62页，共70页，2023年，2月20日，星期四三、一致性检验模型谱段:4000～10000cm-1预处理方法:Firstderivative(13pointssmoothing); vectornormalization可信区间:mean±5standarddeviationNationalInstitutesforFoodandDrugControl第63页，共70页，2023年，2月20日，星期四实例：利君沙（琥乙红霉素）的流向跟踪NationalInstitutesforFoodandDrugControl第64页，共70页，2023年，2月20日，星期四实例：利君沙（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。NationalInstitutesforFoodandDrugControl第65页，共70页，2023年，2月20日，星期四国家基本药物和进口药物的流通领域监测体系NationalInstitutesforFoodandDrugControl第66页，共70页，2023年，2月20日，星期四四、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

46 276828(46*6*3)

32 192576(32*6*3)

44 264792(44*6*3)

22 132396(22*6*3)浓度范围19.5%～7