개요제약산업에서의원료검사 (Raw Material Identification) 는아주지루하고시간이많이걸리는품질보증작업이다. FT-NIR 은신속하고정확한원료검사로생산주기를단축시킬뿐아니라많은비용이드는재고관리가불필요하기때문에효율성을극대화시킬수있다. 또시료전처리가없는신속한분석 (5-10 초 ) 과분석자에무관한판별검사로잘못된원료검사에의한경제적손실을획기적으로줄여준다. NIR 은 USP 의무사항이아님에도불구하고이미제약회사실험실에서다양한응용으로널리사용되어지고있으며화학, 석유화학, 식품산업의 QA 에서도그응용이급속도로확대되고있다. NIR Solution FT-NIR 을이용한원료분석 이론근적외선 (Near IR) 은중간적외선 (mid-ir) 과가시선 (visible) 사이에존재하며 700 and 2500 nm (14286 and 4000 cm-1) 의영역에해당된다. 이영역에서분자스펙트럼은기본진동의배음 (overtone) 과중첩 (combination) 에의해발생하는데 Mid-IR 영역의기본진동보다는약하고더넓은밴드형태를나타낸다. 고체시료는일반적으로 Diffuse Reflectance( 확산반사법 ) 에의해측정된다. 액체는투과모드에서주로측정하며근적외선을응용할때는유리나얇은폴리머필름과백 (bag) 을시료용기로사용할수있어시료간의오염을방지할수있다. 분석기술 - 고체 : 일반적으로확산반사 (DR : diffuse reflectance) 기법으로측정. 표준물질의표면에서반사되는빛에대한시료의반사산란광의강도비율을측정함. NIR 은일반적으로물질을 1-3mm 정도침투하며침투깊이는입자크기, packing 상태및파장에따라다름. - 액체 : 일반적으로투과기법으로측정. 빛이시료를투과할때감소한빛의강도를측정함. NIR은유리를투과하기때문에저렴한유리용기가주로사용됨. Fiber optic의이용이가능해편리한샘플링툴을제공할뿐아니라시료와샘플링악세서리와의직접적인접촉을피하기위해얇은폴리머필름과백이사용됨. NIR로분석할수있는제품? NIR을흡수하기위해서는한개이상의수소원자를포함해야한다. 결국모든유기물을측정가능하며수화무기염도측정이가능하다. 포장물질이나필름도반사표준물질을이용하여 DR로분석가능하다. 미끈거리고투명한점성시료도녹으면투과법으로쉽게측정이가능하다. 최소 10% 의유기상을포함한다면투과로측정이가능하다. NIR 이오염물도검출할수있는가? 원료검사는주로신속한정성분석으로이용된다. 시료의스펙트럼은데이터베이스내에있는개별제품의승인기준과비교한다. 검출한계 (LOD) 는 NIR activity 와정상제품의스펙트럼과오염물질의 NIR 스펙트럼과의유사성에크게의존한다. 시료의온도변화에의한영향은? NIR 스펙트럼은온도의변화에따라영향을받으며고체보다는수용액에서특히영향을많이받는다. 수용액은온도를조절해주지않을경우물밴드의위치가많이달라지는경향이있다. 일반적으로 C-H 결합은덜그런반면수소결합이나분자간결합을일으키는분자들은온도에특히민감하다. 어떻게작업을하나? 시료의 NIR 스펙트럼이다모아지면 chemometric 을이용해개별물질을위해개발된 calibration model 을통해처리한다. 합격판정을얻으려면결과는미리정의한모든허용기준을만족시켜야한다.
또, 스펙트럼은잘못된합격판정이나중복판정을피하기위해데이터베이스에있는개별물질의모든 calibration model 을고려하여예측되어진다. Instrument configuration 원거리샘플링 : 고체분석을위한 fiber optic probe와액체를위한일회용유리 vial 악세서리가장착된다. 확산반사 Probe는폴리머백이나유리등을통해시료를측정할수있다. 고체분석을위해서는파우더전용액세서리가장착된다. Vial의유리는얇아야하며 (1mm 미만 ) 갈색병은 6,000~7,000cm-1 이상에서 NIR을상당량흡수하기때문에유리는무색이나연한색깔이어야한다. 일회용유리바이얼은시료간의오염을제거해준다. 샘플링 고체시료 1) 직접접촉 : 가장양질의스펙트럼을얻을수있지만세척이어려움 2) LDPE bags : 시료와의직접접촉을피하기위해사용. LDPE 는일부 NIR 빛 (aliphatic C-H 영역 ) 을흡수하지만 calibration 에서특정플라스틱의흡수밴드를제거하기때문에 calibration 모델은폴리머의두께, 종류및색에전혀무관함. 3) Glass vials : 스펙트럼의질은직접분석과상응. 유리는 1mm 이하로얇아야하며유리두께의변화는스펙트럼의 offset 을일으킬수도있다. 하지만 flat baseline 보정을통해쉽게보정이가능하다. 황갈색병은 6000-7000 cm-1 윗쪽에서흡수가일어나기때문에유리는투명하거나색이엷어야한다. 액체시료다양한직경의일회용유리 vial 을 Examinir 와 MB160 Pharma 와함께사용할수있다. Pathlength 보정알고리듬은유리 vial 의내부직경의차를보정할수있다. 악세서리는엄격한판별을위해필요한스펙트럼재현성을위해 ±1 C 로온도컨트롤된다.
Calibration 모델링작업 STEP1 : Family Classification ( 그룹분류 ) : 유사한물질사이의보다높은구별능력을얻기위해서는시료의형태, 기능기및체인길이나점도, 입자크기같은물리적특성에따라그룹을분류한다. STEP2 : Calibration and Validation Sample Collection (Calibration과검증시료수집 ): 모델을만들기위해서는각제품마다최소 5개의 calibration 시료를준비한다. 여기에는다른공급원, 다른 batch, packing 물질이다른시료를시료가포함되어야한다. 검증시료는각제품에대해시료의변화도를반영하는 5개이상의시료로준비한다. Calibration 시료와검증시료는모두개별적인분류방법을이용해분석되어야한다. 제조자가아주유사한원료를공급한다면잘못된 pass 판정을피하기위해이것도포함되어야한다. STEP3: Model Development( 모델만들기 ) 첫번째단계는같은그룹의 calibration 스펙트럼을선택하고판별모델에언제나동일하게적용될전처리옵션을선택한다음 PLS 알고리듬을이용하여 chemometric package로모델을만든다. 판별수준은다양한 plot을사용해쉽게볼수있다. 각가능한판별기준 (RANGE, SCORES and SPECTRAL RESIDUAL) 을위해 calibration 스펙트럼예측값의표준편차 (sigma) 를계산할수있다. 허용기준은일반적으로최소평균예측값 +/-3 sigma 로세팅한다. 이렇게함으로서잘못된 Pass 판정의가능성을아주낮게유지하는반면시료의 99% 가허용기준에적합하다는것을보증할수있다. STEP4: Initial Model Validation 예측될때스펙트럼은모든모델과판별셋팅에대해체크되기때문에자동으로다른그룹이 cross-checking된다. 만약좋은검증시료가유효판정에서실패했다면이시료를 calibration 스펙트럼에추가해모델을다시만들어고새로운허용기준을세팅하는것이바람직하다. 2개이상의 Pass 판정결과가얻어질경우이들제품을유사한그룹에통합시키고모델링을다시한다음새로운허용기준을셋팅하는것이좋다. 데이터내의다른제품의판별셋팅을모두바꿀필요는없다. 하지만다시검증해야한다. 규제기관의요구에상응하기위해서는다양한단계가입증되어야한다. STEP5 : Final Analyzer Validation 한번초기모델이만들어지고검증되면장비는일반적인작동환경 ( 하역부두또는실험실 ) 에놓이게된다. 값의신뢰성을위해수입원료를 NIR 과표준분석법으로같이분석한다. 의미있는자료를모으기위해서이작업은원료의입고횟수에따라 1~ 3 달동안지속해야한다. 검증과정의컨디션은일반적인분석컨디션 ( 다른작동자, 다른공급자등 ) 을반영해야한다.
Model Maintenance ABB의 FT-NIR 장비는따라올수없는파수재현성 (0.002 cm-1), 정확성 (0.04 cm-1) 및흡광도재현성 (0.002 A) 을제공하기때문에장비의 drift에의한모델의유지관리가없다. 모델의유지관리는공급자가바뀌거나 ( 초기모델과판정기준이정상시료의판별에실패할경우 ) 데이터베이스에새로운물질을추가할때필요하다. 하지만모델은각물질에대해개별적으로만들어지기때문에검증과정에서제품의겹침이보이지않는한같은그룹의다른물질에대해모델을다시만들필요는없다. Model transferability 모델의개발과검증은원료검사를위한 NIR 분석과정에서가장큰부분을차지한다. 따라서모델을장비와장비로전송하는것은아주중요하다. ABB는동일한샘플링시스템을사용할경우 FTLA2000 시리즈스펙트로미터사이의 calibration 전송을보증한다. Performance Example Example of discrimination of anhydrous lactose from lactose monohydrate 80 mesh and 150 mesh 4000 to 10000 cm-1 영역에서이들제품의일반적인스펙트럼은그림 5 에나타나있다. 그림 6 은 80 mesh 와 150 mesh 의 lactose monohydrate 의입자크기에의한차이를보여준다 ABB FT-NIR은 누구도따라올수없는파수반복성 (0.002cm-1), 정밀성 (0.04cm-1), 강도범위재현성 (0.002A) 을제시하는 ABB FT-NIR 장비는모델의유지. 보수가필요없다. 모델유지는새로운공급업체가추가되거나또는데이터베이스에새로운물질을넣을때만필요하다. 모델을만들고검증하는것은원료판별을위한 NIR 분석기의수행에있어서가장큰투자가이뤄져야하는부분이다. 따라서장비간, 수리전후모델전사 (transferability) 능력은가장중요하다. ABB는동일한샘플링악세서리가장착된 MB Spectrometer 간의모델전사능력을보증한다. 분석예 Lactose monohydrate 80 mesh 와 150 mesh 로부터 anhydrous lactose 의분리 Lactose monohydrate 80 mesh 와 150 mesh 의 6 개시료는입자크기에의한차이를보여준다. Factor 2 의 SCORE 는락토스 80 mesh 와락토스 anhydrous 사이의차이에매우강한차이를보인다. 위에서얻어진판별기준의통계적계산은 3 가지의표준편차의허용오차셋팅을이용하여락토스 80 mesh 와 150 mesh 를잘못판정할가능성은 10 9 의 1 보다낮다. Factor 의 score 는 lactose (80 mesh) 와 lactose anhydrous 사이의강력한차이를보여준다. 더욱이 factor 3 의 score 는 the scores 입자크기의분리를보여준다.
종합원료의 Identification 에서 NIR 분석기의사용은분석과생산주기를현저히단축시켜재고에의한손실을줄여준다. ABB FT-NIR 은높은하드웨어안정성으로모델을유지. 보정할필요가없다. 측정은 cross-contamination 을없애기위해시료와접촉이없는샘플링을사용한다. ABB 는잘못된긍정판정의가능성을최소화하기위해서모델을만드는데 PLS 알고리즘을이용한다. ABB 의 +/- 0.001cm-1 의뛰어난하드웨어재현성으로장비의보수에도불구하고장비와장비간의모델이송능력을보증한다. QA 실험실에서의 FT-NIR 이용은생산성향상을통해많은비용절감효과를가져다줄것이다.