NIR spektroszkópia / mikroszkópia: roncsolásmentes kutakodás

Átírás

1 NIR spektroszkópia / mikroszkópia: roncsolásmentes kutakodás Gergely Szilveszter Párta László Salgó András Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék A gyógyszerkutatás műszeres módszerei május 9. Herschel kísérletei a vörös alatt február 11.

2 A molekulák rezgései deformációs rezgés változás a kötésszögben szimm. vegyértékrezgés változás a kötéshosszban aszimm. vegyértékrezgés változás a kötéshosszban A spektrum a molekuláris állapotváltozások összessége: kémiai és fizikai ujjlenyomat. Jellemző NIR elnyelési sávok Murray I.: Scattered information: philosophy and practice of near infrared spectroscopy. In Near Infrared Spectroscopy: Proceedings of the 11th International Conference, Ed by Davies A.M.C., Garrido-Varo A., NIR Publications, Chichester, pp (2004).

3 Mi az az ujjlenyomat? Modell: valamely jelenség, rendszer jellemzőit, összefüggéseit kifejező, ábrázoló, jelképező logikai vagy matematikai formula, képlet csontrendszer izomrendszer keringési rendszer idegrendszer Mire jók az ujjlenyomatok A vizsgálat tárgyának jellemzésére egy sor kémiai, fizikai, fiziko-kémiai, reológiai, biokémiai, biológiai stb. paraméter alkalmas. ujjlenyomatok írisz kromoszómák

4 és mire nem? A vizsgált objektumok minősítésére azonban gyakran csak a vizsgálható jellemzők egy szűk körét használjuk elsősorban a vizsgálati költségek csökkentése miatt. kísérleti nyulak Lajka kutya teszt bábu A spektrum bonyolult intenzitás hullámhossz függvény A molekuláris környezet definiálja, ill. befolyásolja. Látszólag kicsi a változékonyság, ezért transzformáljuk.

5 Egy lehetséges transzformált: a második derivált spektrum Információgazdag, változásai a Lambert Beer-törvényt követik. Fizikai hatások eliminálhatók, kémia / fizika szétválasztása. víz víz metilén víz metilén metilén metilén Finom részletek erős közepes gyenge Pl.: a víz kötésmódjai jól megkülönböztethetők.

6 Egy más fajta transzformálás: polár minősítő rendszer (PQS) A két egymástól elkülönítendő minta log(1/r) spektruma a descartes és a polár koordináta rendszerben ( 1 minta és 2 minta) Egy más fajta transzformálás: polár minősítő rendszer (PQS) B Spektrum felismerés, távolság fogalmak: euklideszi távolság mahalanobis távolság polár távolság A B A Az euklideszi és a mahalanobis távolság csak a standard terméktől való eltérést számszerűsíti, de az eltérés okáról nem ad információt. A polár minősítő rendszerben a minőségpont a változó komponens abszorpciós csúcsa irányába tolódik el, így következtetni lehet a különbség okára. 6

7 A változékonyság leírása: PCA Méret (PC1) nagy (kapu) átlagos (ajtó) kicsi (asztal) Kulcs feje (PC2) kerek ovális sokszögű téglalap Szín (PC3) oxidált fém kék ciklámen sárga PC2 vs. PC1 Kulcs feje (PC2) sokszögű téglalap kicsi (asztal) átlagos (ajtó) nagy (kapu) Méret (PC1) ovális kerek

8 PC2 vs. PC3 Kulcs feje (PC2) sokszögű téglalap oxidált fém kék ciklámen sárga Szín (PC3) ovális kerek Klasszikus API vs. biomolekulák

9 Kikkel termeltetünk? E. coli emlőssejtek PAT (Process Analytical Technology) = a folyamat kézben tartása A PAT eszközei: hagyományos in-line érzékelők (ph, po 2, pco 2, T szondák) a folyamat monitorozó eszközeinek kibővítése egyéb real-time technikákkal (in-line NIR, ABER, on-line HPLC stb.) Korszerű és gyors at-line mérések Korszerű adatgyűjtő rendszer (SCADA) Kemometriai (MVDA) szoftverek (PCA, PLS stb.)

10 A végső cél Off-line-tól a real-time-ig

11 Az in-line eszköze a száloptika Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer

12 Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer

13 Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer

14 Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer

15 Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer

16 Fermentáció (E. coli) off-line nyomon követése: PQS módszer Fermentáció (E. coli) in-line nyomon követése: kevertetés, fizikai helyzet A = log (1/T) [l = 2 mm] A = log (1/T) [l = 2 mm] Wavelength (nm) Wavelength (nm) rpm

17 Fermentáció (E. coli) in-line nyomon követése: óránkénti spektrumok NIR FT-NIR A = log (1/T) A = log (1/T) rd Overtones 2 nd Overtones 1 st Overtones Comb. 3 rd Overtones 2 nd Overtones 1 st Overtones Comb Wavelength (nm) Wavelength (nm) h ,5 h Fermentáció (E. coli) in-line nyomon követése: főkomponens elemzés (PCA) Factor 2: 0.21% NIR Factor 1: 99.78% Factor 2: 0.11% FT-NIR Factor 1: 99.89% F_1 F_2 F_3 F_4 F_5 F_6 F_7 F_8

18 Fermentáció (E. coli) in-line nyomon követése: referencia vs. NIR adatok Ace (mmol/l) NIR Összes referencia adattal Ace = 0 mmol/l törölve : : : : :00 Time Ace (mmol/l) FT-NIR Time acetát (mmol/l) Fermentáció (E. coli) in-line nyomon követése: referencia vs. NIR adatok 10 9 NIR 4 FT-NIR Gly (gl/l) 5 4 Gly (gl/l) Összes referencia adattal Gly < 2 g/l törölve : : : : : Time Time glicerin (g/l)

19 Fermentáció (E. coli) in-line nyomon követése: referencia vs. NIR adatok 70 NIR FT-NIR NH4+ (mmol/l) NH4+ (mmol/l) : : : : : Time Time ammónium (mmol/l) Fermentáció (E. coli) in-line nyomon követése: referencia vs. NIR adatok NIR FT-NIR OD (λ = 600 nm) OD (λ = 600 nm) : : : : : Time Time optikai denzitás (λ = 600 nm)

20 Spektrumkönyvtár anyagazonosítás (analitikai IR) 65 anyag, 390 tétel Spektrumkönyvtár anyagazonosítás (analitikai IR) 65 termék, 390 tétel

21 Képalkotás elmélet és gyakorlat Spektrális hiperkocka near-infrared AND imaging AND pharma kulcsszóra történő keresés ( ) Web of Science ScienceDirect Progresszív fejlődés közlemény (db) Web of Science 43 ScienceDirect év Imaging a (N)IR képalkotásról A 16 elemből álló detektorsor a mintát 100 µm 6,25 µm vagy 400 µm 25 µm blokkokban látja 10 lépés másodpercenként, avagy 170 spektrum egy másodperc alatt (16 cm -1 mellet)

22 Képes képtelenségek lószúnyog szárnya: 18,5 mm 4,5 mm = spektrum ujjlenyomat: 20 mm 13,5 mm = spektrum Képalkotás tablettavizsgálatok Technológia nyomon követése I. bevonás bevonat (Opadry Pink): idő előrehaladtával erősödő jel 1390 nm-en korpusz: idő előrehaladtával gyengülő jel 2120 nm-en bevonás ideje Maurer L., Leuenberger H.: Terahertz pulsed imaging and near infrared imaging to monitor the coating process of pharmaceutical tablets. International Journal of Pharmaceutics 370(1-2), 8 16 (2009)

23 Képalkotás tablettavizsgálatok Technológia nyomon követése II. keverés Eredetiségvizsgálat Hamis Eredeti VIS NIR Gendrin C. et al.: Content uniformity of pharmaceutical solid dosage forms by near infrared hyperspectral imaging: A feasibility study. Talanta 73(4), (2007) Gendrin C. et al.: Pharmaceutical applications of vibrational chemical imaging and chemometrics: A review. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 48(3), (2008) Technológiai probléma vs. imaging Képalkotás NIR tartományban: nincs roncsolás µm méretű mérési tartomány, 6,25 6,25 µm méretű képpontokkal pont, azaz összesen 4096 pont, pontonként 128 spektrum átlagolásával Átlagos abszorbancia értékek alapján színezett ábrák

24 Technológiai probléma vs. imaging: korrelációs térképek (2D és 3D) Hatóanyag R 2 =0,88-0,96 Filmbevonat (Opadry ) R 2 =0,41-0,54 Eredetiségvizsgálat vs. imaging

25 Eredetiségvizsgálat vs. imaging: mikro (VIS) Eredeti homogénebb mintázat Hamis durvább mintázat Eredetiségvizsgálat vs. imaging: mikro (NIR) Eredeti kisebb, különálló csoportok, egyenletesebb eloszlás Hamis nagyobb, összefüggő csoportok, egyenetlenebb eloszlás

26 Eredetiségvizsgálat vs. imaging: makro (VIS) Eredeti Hamis Eredetiségvizsgálat vs. imaging: makro (NIR) Eredeti Hamis Abs. PCA

27 Polimorf transzformációs vizsgálat: fénymikroszkópos felvételek Forma 1 Forma 2 Forma 3 Forma 4 Forma 5 Forma µm Forma 1 Forma 5 Polimorf transzformációs vizsgálat: in-line Raman-száloptika (PCA)

28 Mit jelent ez számunkra? A vizsgált objektumok egyszerre hordoznak vagy hordozhatnak többféle, nagyon különböző tulajdonságokat. UV / VIS (N)IR Raman + IG+ IG DSC / TGA GC / HPLC MS (csatolt) látható spektrumok (N)IR és Raman + imaging (IG) kalorimetria elválasztástechnika Mit jelent ez számunkra? A mérhető jellemzők spektrumát vizsgálva könnyen belátható, hogy az egyes tulajdonság csoportok között ok-okozati összefüggések vannak, ill. lehetnek. (N)IR + IG kemometria Raman + IG UV / VIS GC / HPLC DSC / TGA MS (csatolt)

29 A NIR módszerek, technológiák előnyei Roncsolásmentes (fermentáció, anyagazonosítás, homogenitás, bevonat, hamisítás, visszáru, csomagolóanyag stb.) Gyors (jelsorozatok (másod)perces nagyságrendben képezhetők) Rengeteg rejtett információ megfejthető (adatbányászat, oknyomozások) Gyors visszacsatolás a technológiába, minőségellenőrzésbe, minőségbiztosításba FDA alternatív módszere Költséghatékony, nagy áteresztőképességű Tudásintenzív módszerek Köszönetnyilvánítás Ballagi András 1 Kiss Violetta 2, Várkonyiné Schlovicskó Erika 2, Finta Zoltán 2 Horgos József 3,4, Kóger Péter 3, Zelkó Romána 4 Lakatos László 5, Axel Rau 6 Fehér Zsuzsanna 7, Tieger Eszter 7, Lőrincz Áron 7, Kontsek Endre 7 1 Richter Gedeon Nyrt. 2 sanofi-aventis Zrt. 3 Hungaropharma Zrt. 4 SE Egyetemi Gyógyszertár, Gyógyszerügyi Szervezési Intézet 5 PER-FORM Hungária Kft., Analitikai Divízió 6 PerkinElmer, Rodgau 7 BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék