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

Význam tématu

Kontrola zbytkové vlhkosti v lyofilizovaných (freeze-dried) farmaceutických přípravcích je kritická pro zajištění jejich chemické a fyzikální stability. Tradiční titrace Karl Fischerem je destruktivní, časově náročná a vyžaduje spotřební činidla; proto je důležité zavádět rychlé, nedestruktivní a bezreagentní metody. FT-NIR (Fourier-transform near-infrared) spektroskopie umožňuje rychlé analýzy přes průhledné obaly, poskytuje citlivost vůči O–H vazbám a je zvláště vhodná pro monitoring zbytkové vlhkosti během nebo bezprostředně po lyofilizaci.

Cíle a přehled studie

Cílem prezentované application note bylo posoudit použitelnost FT-NIR spektroskopie pro kvantifikaci vlhkosti v lyofilizované přípravě folinátu vápenatého (Leucovorin Ca). Studie testovala, zda lze pomocí difuzní reflektance a integrující sféry získat reprodukovatelné spektra přímo přes hermeticky uzavřené skleněné ampule a vyvinout kvantitativní kalibraci vhodnou pro at-line či near-line kontrolu konce lyofilizace.

Použitá metodika a instrumentace

Popis vzorků a příprava:

• Osm šarží lyofilizovaného Leucovorin Ca s gravimetricky (loss on drying) určeným obsahem vody v rozmezí 2,65–8,04 %.
• Vzhledem k hygroskopicitě vzorky zůstaly v původních průhledných skleněných lahvičkách a byly snímány přímo přes stěnu lahviček (nondestructive, in situ).

Instrumentace a akvizice spekter:

• Antaris FT-NIR Analyzer (Integrating Sphere module) – difuzní reflektance.
• Sběr spekter v oblasti 12 000–4 000 cm−1, doba akvizice 1 minuta, rozlišení 4 cm−1.
• Interní zlatý referenční „flag“ jako pozadí.

Chemometrická úprava a modelování:

• Spectra převedena na log(1/R); použity druhé derivace ke korekci posunu základní linie a sklonu.
• Pro kvantifikaci byla použita stepwise multiple linear regression (SMLR) v softwaru Thermo Scientific TQ Analyst.
• Automatický výběr dvou relevantních spektrálních regionů SMLR a opakované snímání pro zohlednění měřící variability.
• Nebyla použita korekce optické dráhy (pathlength), protože velikost částic a složení vzorků byly podobné.

Hlavní výsledky a diskuse

Spektrální pozorování:

• Spektra s různým obsahem vlhkosti vykazovala zřetelné rozdíly, nejvýrazněji v oblastech obsahujících OH první a druhé přesmyky a kombinované absorpce (overtone a combination regions).
• Byly patrné posuny základní linie, pravděpodobně způsobené morfologií vzorku a rozdíly mezi lahvičkami.

Kvantitativní výsledky kalibrace:

• Kalibrace SMLR: korelační koeficient R = 0,9996 a RMSEC = 0,0610 % pro rozsah 2,65–8,04 % vody.
• Leave-one-out křížová validace: R = 0,9989 a RMSECV = 0,0987 %.

Interpretace výsledků:

• Velmi vysoké hodnoty R a nízké chyby (RMSEC, RMSECV) ukazují na vynikající kvantifikační schopnost FT-NIR pro tento typ vzorku v daném rozsahu vlhkosti.
• Uplatněné spektrální oblasti odpovídají citlivým O–H absorpcím, což potvrzuje fyzikální zdůvodnění metody.
• Potenciální zdroje variability jsou morfologie zásob, rozdíly mezi lahvičkami a potřeba robustnosti kalibrace při změnách výrobních podmínek nebo jiných matricích.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy FT-NIR v kontextu lyofilizace:

• Nedestruktivní a bezreagentní metoda – vhodná pro drahé farmaceutické přípravky.
• Možnost analýzy přímo přes skleněné obaly – redukce manipulace se vzorky a rizika kontaminace.
• Rychlá doba analýzy (řádově jedna minuta) – užitečné pro at-line/near-line monitoring a rozhodování o ukončení procesu sušení.
• Schopnost současné multikomponentní analýzy a integrace do procesního analytického řízení (PAT).

Omezení a doporučení pro praxi:

• Kalibrační model je závislý na referenční metodě (zde gravimetrie); pro rutinní nasazení se doporučuje robustní reference (např. Karl Fischer) a dostatečné pokrytí variability vzorků.
• Nutnost sledovat stabilitu kalibrace při změnách balení, morfologie či výrobních parametrech a provádět transfer nebo aktualizaci modelu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Technologický a aplikační vývoj směřuje k těmto oblastem:

• Zrychlení a zvýšení výkonnosti FT-NIR přístrojů (zmíněn upgrade Antaris → Antaris II) a zlepšení citlivosti a stability měření.
• Rozšíření přístupu k online a inline monitoringu lyofilizace v rámci konceptu PAT.
• Využití pokročilých chemometrických metod (PLS, regularizace, strojové učení) pro zlepšení přenositelnosti a odolnosti kalibrací.
• Integrace s automatizovanými systémovými řešeními pro řízení procesu, datovou analýzu a rozhodování v reálném čase.
• Vývoj přenosných nebo vestavěných NIR senzorů pro decentralizovanou kontrolu kvality.
• Regulační akceptace a validace metod FT-NIR pro oficiální analýzy v rámci QC, včetně postupů pro udržování a ověřování kalibrace.

Závěr

Tato feasibility studie prokázala, že FT-NIR spektroskopie zaznamenaná integrující sférou na Antaris přístroji umožňuje rychlé, citlivé a nedestruktivní stanovení zbytkové vlhkosti v lyofilizovaném Leucovorin Ca. Vyvinutý SMLR model dosáhl výborných statistických parametrů v testovaném rozsahu 2,65–8,04 % vody. Pro rutinní nasazení je však nutné zajistit robustnost kalibrace vůči výrobní a balicím variabilitám a zvážit pravidelnou aktualizaci modelu nebo použití pokročilejších chemometrických přístupů.

Reference

1. Thermo Fisher Scientific. Determination of moisture content in freeze-dried materials by FT-NIR spectroscopy. Application note AN50780 0522, 2022.