eng
Выпуск #1/2013
С.Бутяйкин
NanoRam – раман-спектрометр для фармацевтической и пищевой промышленности
NanoRam – раман-спектрометр для фармацевтической и пищевой промышленности
Просмотры: 2858
Портативный прибор комбинационного рассеяния NanoRam компании B&WTek обладает чрезвычайно высокой молекулярной избирательностью. Он прекрасно подходит для разнообразных фармацевтических приложений – тестирования сырья, проверки готовой продукции, выявления поддельных лекарств. Изложены основы метрологического обеспечения измерений состава вещества спектрометром NanoRam.
Теги: matter composition measurement metrology pharmacology raw materials testing измерение состава вещества метрология тестирования сырья фармакология
Портативный спектрометр NanoRam благодаря своим аналитическим возможностям стал одним из лидеров мирового рынка портативных приборов комбинационного рассеяния. Его высокая разрешающая способность позволяет исследовать сложные соединения и различать связующие/таблетированные материалы, используемые в фармацевтической промышленности (целлюлоза, микрокристаллическая целлюлоза, гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) и т. д.).
Так сложилось исторически, что идентификация этих типов соединений была возможна только с помощью систем, обладающих высокой разрешающей способностью и высоким отношением сигнал-шум. Ключевая проблема состоит в том, что комбинационное рассеяние целлюлозных материалов и сахаридов, являющихся основой пищевых добавок, не позволяет различать эти соединения из-за их высокой флуоресценции. Трудности в использовании традиционных портативных спектрометров комбинационного рассеивания, с которыми на практике сталкиваются фармацевты, связаны с относительно низкой селективностью и очень долгим временем тестирования. А это ведет к снижению надежности и несоответствию друг другу результатов, полученных разными методами тестирования. Тем не менее, многие недостатки были преодолены благодаря последним достижениям в проектировании оптической схемы, изготовлении детекторов, в технологии термоэлектрического охлаждения и создании интеллектуальных алгоритмов программного обеспечения. Практические исследования показывают, что высокопроизводительная спектроскопия комбинационного рассеяния может быть выполнена в простом компактном устройстве, удобном для использования. Мы провели исследование с помощью портативного раман-спектрометра NanoRam, чтобы установить, способен ли он различать группы целлюлозных материалов и пищевых добавок.
Прибор NanoRam – компактный, переносной спектрометр комбинационного рассеяния с интегрированной вычислительной системой, предназначенный для идентификации материалов и соответствия их качества предъявляемым требованиям. При весе менее 1 кг он позволяет быстро разрабатывать стандартизированные и проверенные методики для приложений по определению чистоты и контроля качества. Схема устройства состоит из лазерного источника, генерирующего излучение на длине волны 785 нм, спектрографа системы Черни-Тернера и ПЗС-детектора, имеющего термоэлектрическое (TE) охлаждение, что обеспечивает стабильность сигнала с низким уровнем фонового шума. Уменьшение фонового шума достигается за счет устройства контроля температуры детектора. ТЕ-охлаждение, запатентованная технология стабилизации лазера, а также высокая скорость микропроцессора позволяют создать удобный портативный прибор с лабораторным качеством работы. Обеспечиваемое прибором высокое отношение сигнал-шум является необходимым условием для успешного тестирования различных фармацевтических целлюлозных препаратов и пищевых добавок. Характеристики спектрометра NanoRam приведены в табл.1
Исследуемые фармацевтические материалы и добавки
Для исследования были выбраны материалы, обычно используемые в качестве связующих веществ, наполнителей и добавок. Все они по внешнему виду напоминали белый порошок. Это − целлюлоза (связующие/наполнители); гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) (связующие/наполнители); лактоза (подсластитель/наполнитель); мальтодекстрин (подсластитель/пищевая добавка); кальция фосфат дигидрат моногидрофосфат (CaHPO4.H2O) (связующее/пищевая добавка).
Методика тестирования
Процедуру тестирования вещества всегда предваряет калибровка измерительного устройства. Эта процедура стандартизирована и включает в себя разработку методик тестирования, их воспроизведение в приборе, создание стандартных мер веществ и их соединений. В основе каждой инструментальной методики – не менее 20 сканирований конкретного материала, что позволяет оценить среднее значение измеряемого параметра в партии, предназначенной для измерения. Варьирование параметров связано с изменением положения образца, упаковочным материалом в партии и некоторыми другими отклонениями. В любой разработанной методике, созданной для каждого материала, есть собственный алгоритм программного обеспечения. Согласно ему проходит обработка спектра комбинационного рассеяния (КРС) и затем путем сравнения вычисляется P-величина. По значению P-величины определяют совпадение спектров тестируемого вещества и спектров стандартных образцов. Идеальным соответствием считают случай, когда P-величина равна 1,000. Методики обеспечивают точный и надежный метод тестирования, необходимый для однозначной идентификации материала (табл.2). После того, как прибор обучен методу оценки материала, сканирование и процесс принятия решения занимают около 20 секунд.
Пример результата сканирования, полученного с помощью этой процедуры, показан на рис.1. Сравнение спектра комбинационного рассеяния целлюлозного материала (синяя кривая) и спектра от стандартного образца целлюлозы, полученного от эталона (красная кривая) и хранящегося в памяти прибора, дало значение P-величины, равное 0,9982. Отметим, что для чистоты эксперимента спектр КРС стандартного образца чистой целлюлозы был автоматически уменьшен по интенсивности на 1000 единиц по сравнению с неизвестным образцом (левая и правая шкалы относительного сигнала интенсивности на рис.1). Таким образом, измеренный неизвестный образец прошел соответствие на наличие целлюлозы.
Пример с результатом сравнения КРС целлюлозы и КРС ГПМЦ иллюстрирует рис. 2. Визуально очевидно, что спектр комбинационного рассеяния для образца (синяя кривая) значительно отличается от спектра для ГПМЦ (красная кривая). При этом значение P-величины для образца низкое, составляет 2,23716-06. Поэтому измеренный неизвестный образец не прошел соответствие на ГПМЦ.
Теперь рассмотрим случай, когда прибору NanoRam не удалось идентифицировать материал. Тогда программный алгоритм оценивает вероятность идентификации материала тем стандартным образцам, спектры которых уже имеются в библиотеке методик и спектров. Эта коллизия проиллюстрирована в табл. 2, в которой показаны результаты того, как все исследуемые материалы проходили испытания с использованием методики на определение целлюлозы. Настоящей целлюлозе удалось пройти тест соответствия своего спектра эталонному спектру целлюлозы, тогда как все другие материалы с испытанием не справились. Материалы, которые не прошли тест на целлюлозу, в дальнейшем оцениваются по спектральным библиотекам прибора и определяются почти со 100%-ной точностью. Точность определения основана на индексе качества (ИК), он указан в последнем столбце табл.2. ИК используется для оценки КРС и определяется с помощью корреляционных тестов как сходство двух спектров: неизвестного спектра и спектра из библиотеки. Значение ИК, составляющее 1,00 (100%), указывает на то, что неизвестный спектр полностью совпадает со спектром из библиотеки. Когда ИК между спектром неизвестного образца и спектром из библиотеки становится меньше единицы, это говорит о том, что сравниваемые вещества становятся менее похожими друг на друга (табл.3). В самом деле, для всех материалов, которые проходили определенную методику испытаний, среднее значение ИК было более 99%, что свидетельствует об очень точном соответствии неизвестного спектра известному эталонному спектру.
Заключение
Так по результатам испытаний становится ясно, как с помощью портативного спектрометра комбинационного рассеяния NanoRam определить присутствие в образце материала сырья или добавок, используемых в фармацевтической и пищевой продукции. Отметим, что успешные испытания с высокой степенью точности занимают у исследователя менее 20 с. Кроме того, программное обеспечение, алгоритмы и бортовые спектральные библиотеки способны оценить вероятность идентификации этого соединения. Такие особенности методики испытаний идеально подходят для однозначной идентификации и проверки входящего сырья в фармацевтической или пищевой промышленности. ▪
Так сложилось исторически, что идентификация этих типов соединений была возможна только с помощью систем, обладающих высокой разрешающей способностью и высоким отношением сигнал-шум. Ключевая проблема состоит в том, что комбинационное рассеяние целлюлозных материалов и сахаридов, являющихся основой пищевых добавок, не позволяет различать эти соединения из-за их высокой флуоресценции. Трудности в использовании традиционных портативных спектрометров комбинационного рассеивания, с которыми на практике сталкиваются фармацевты, связаны с относительно низкой селективностью и очень долгим временем тестирования. А это ведет к снижению надежности и несоответствию друг другу результатов, полученных разными методами тестирования. Тем не менее, многие недостатки были преодолены благодаря последним достижениям в проектировании оптической схемы, изготовлении детекторов, в технологии термоэлектрического охлаждения и создании интеллектуальных алгоритмов программного обеспечения. Практические исследования показывают, что высокопроизводительная спектроскопия комбинационного рассеяния может быть выполнена в простом компактном устройстве, удобном для использования. Мы провели исследование с помощью портативного раман-спектрометра NanoRam, чтобы установить, способен ли он различать группы целлюлозных материалов и пищевых добавок.
Прибор NanoRam – компактный, переносной спектрометр комбинационного рассеяния с интегрированной вычислительной системой, предназначенный для идентификации материалов и соответствия их качества предъявляемым требованиям. При весе менее 1 кг он позволяет быстро разрабатывать стандартизированные и проверенные методики для приложений по определению чистоты и контроля качества. Схема устройства состоит из лазерного источника, генерирующего излучение на длине волны 785 нм, спектрографа системы Черни-Тернера и ПЗС-детектора, имеющего термоэлектрическое (TE) охлаждение, что обеспечивает стабильность сигнала с низким уровнем фонового шума. Уменьшение фонового шума достигается за счет устройства контроля температуры детектора. ТЕ-охлаждение, запатентованная технология стабилизации лазера, а также высокая скорость микропроцессора позволяют создать удобный портативный прибор с лабораторным качеством работы. Обеспечиваемое прибором высокое отношение сигнал-шум является необходимым условием для успешного тестирования различных фармацевтических целлюлозных препаратов и пищевых добавок. Характеристики спектрометра NanoRam приведены в табл.1
Исследуемые фармацевтические материалы и добавки
Для исследования были выбраны материалы, обычно используемые в качестве связующих веществ, наполнителей и добавок. Все они по внешнему виду напоминали белый порошок. Это − целлюлоза (связующие/наполнители); гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) (связующие/наполнители); лактоза (подсластитель/наполнитель); мальтодекстрин (подсластитель/пищевая добавка); кальция фосфат дигидрат моногидрофосфат (CaHPO4.H2O) (связующее/пищевая добавка).
Методика тестирования
Процедуру тестирования вещества всегда предваряет калибровка измерительного устройства. Эта процедура стандартизирована и включает в себя разработку методик тестирования, их воспроизведение в приборе, создание стандартных мер веществ и их соединений. В основе каждой инструментальной методики – не менее 20 сканирований конкретного материала, что позволяет оценить среднее значение измеряемого параметра в партии, предназначенной для измерения. Варьирование параметров связано с изменением положения образца, упаковочным материалом в партии и некоторыми другими отклонениями. В любой разработанной методике, созданной для каждого материала, есть собственный алгоритм программного обеспечения. Согласно ему проходит обработка спектра комбинационного рассеяния (КРС) и затем путем сравнения вычисляется P-величина. По значению P-величины определяют совпадение спектров тестируемого вещества и спектров стандартных образцов. Идеальным соответствием считают случай, когда P-величина равна 1,000. Методики обеспечивают точный и надежный метод тестирования, необходимый для однозначной идентификации материала (табл.2). После того, как прибор обучен методу оценки материала, сканирование и процесс принятия решения занимают около 20 секунд.
Пример результата сканирования, полученного с помощью этой процедуры, показан на рис.1. Сравнение спектра комбинационного рассеяния целлюлозного материала (синяя кривая) и спектра от стандартного образца целлюлозы, полученного от эталона (красная кривая) и хранящегося в памяти прибора, дало значение P-величины, равное 0,9982. Отметим, что для чистоты эксперимента спектр КРС стандартного образца чистой целлюлозы был автоматически уменьшен по интенсивности на 1000 единиц по сравнению с неизвестным образцом (левая и правая шкалы относительного сигнала интенсивности на рис.1). Таким образом, измеренный неизвестный образец прошел соответствие на наличие целлюлозы.
Пример с результатом сравнения КРС целлюлозы и КРС ГПМЦ иллюстрирует рис. 2. Визуально очевидно, что спектр комбинационного рассеяния для образца (синяя кривая) значительно отличается от спектра для ГПМЦ (красная кривая). При этом значение P-величины для образца низкое, составляет 2,23716-06. Поэтому измеренный неизвестный образец не прошел соответствие на ГПМЦ.
Теперь рассмотрим случай, когда прибору NanoRam не удалось идентифицировать материал. Тогда программный алгоритм оценивает вероятность идентификации материала тем стандартным образцам, спектры которых уже имеются в библиотеке методик и спектров. Эта коллизия проиллюстрирована в табл. 2, в которой показаны результаты того, как все исследуемые материалы проходили испытания с использованием методики на определение целлюлозы. Настоящей целлюлозе удалось пройти тест соответствия своего спектра эталонному спектру целлюлозы, тогда как все другие материалы с испытанием не справились. Материалы, которые не прошли тест на целлюлозу, в дальнейшем оцениваются по спектральным библиотекам прибора и определяются почти со 100%-ной точностью. Точность определения основана на индексе качества (ИК), он указан в последнем столбце табл.2. ИК используется для оценки КРС и определяется с помощью корреляционных тестов как сходство двух спектров: неизвестного спектра и спектра из библиотеки. Значение ИК, составляющее 1,00 (100%), указывает на то, что неизвестный спектр полностью совпадает со спектром из библиотеки. Когда ИК между спектром неизвестного образца и спектром из библиотеки становится меньше единицы, это говорит о том, что сравниваемые вещества становятся менее похожими друг на друга (табл.3). В самом деле, для всех материалов, которые проходили определенную методику испытаний, среднее значение ИК было более 99%, что свидетельствует об очень точном соответствии неизвестного спектра известному эталонному спектру.
Заключение
Так по результатам испытаний становится ясно, как с помощью портативного спектрометра комбинационного рассеяния NanoRam определить присутствие в образце материала сырья или добавок, используемых в фармацевтической и пищевой продукции. Отметим, что успешные испытания с высокой степенью точности занимают у исследователя менее 20 с. Кроме того, программное обеспечение, алгоритмы и бортовые спектральные библиотеки способны оценить вероятность идентификации этого соединения. Такие особенности методики испытаний идеально подходят для однозначной идентификации и проверки входящего сырья в фармацевтической или пищевой промышленности. ▪
Отзывы читателей
