eng
Выпуск #6/2016
Т.Харрисон
Измерение общего органического углерода в современных фармацевтических системах водоподготовки
Измерение общего органического углерода в современных фармацевтических системах водоподготовки
Просмотры: 3696
Содержание общего органического углерода – один из показателей качества, который установлен в европейской, американской и российской фармакопеях для воды, использующейся на фармацевтических производствах. Современные системы очистки воды обеспечивают высокую степень чистоты, поэтому уровень общего органического углерода может быть настолько мал, что его очень трудно измерить с достаточной точностью в соответствии с руководством Международной конференции по гармонизации технических требований к регистрации медицинских лекарственных средств ICH Q2 "Валидация аналитических методик. Содержание и методология".
Теги: analyser modern water treatment systems tc tic toc анализатор современные системы водоподготовки
Гармонизированное трехстороннее руководство "Валидация аналитических методик" [4] содержит термины и определения, задача которых снять все разногласия между различными фармакопеями и нормативными актами в странах Европейского Союза, Японии и США.
В документе приведены рекомендации и советы по использованию анализаторов общего органического углерода (от англ. TOC – Total Organic Carbon) для измерения примесей, которые присутствуют в воде для фармацевтических производств.
Анализ количества ТОС в воде для фармацевтических производств не является специфическим тестом: в нем определяется общее содержание органического углерода без идентификации загрязняющих веществ. Кроме того, с его помощью нельзя узнать фактическое количество органического вещества в воде, так как число атомов углерода в разных органических молекулах отличается. Например, молекула сахарозы содержит 12 атомов углерода, в то время как молекула метанола – только один.
Когда анализатор ТОС показывает результат 100 мкг/л (ppb – частей на миллиард) ТОС, это может означать, что вода содержит много молекул органического вещества с низким содержанием или мало молекул с высоким содержанием атомов углерода.
ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ TOC
Анализаторы TOC на фармацевтических системах водоподготовки имеют общую цель – провести реакцию окисления органического вещества, которое находится в воде [5], а затем измерить образовавшийся диоксид углерода. Некоторые анализаторы определяют диоксид углерода в газовой фазе, другие – в растворе. Для окисления органических веществ используют различные методы. В фармацевтической промышленности наиболее распространены три: УФ-облучение в присутствии персульфата (рис.1а), УФ-облучение (рис.1б) и применение высоких температур горения (рис.1в).
Согласно руководству ICH Q2 вывод о правильности методики можно делать после доказательства точности, линейности и специфичности. Линейность устанавливается при измерении как минимум пяти референсных образцов с известной концентрацией.
Объединенный комитет по руководствам в метрологии (JCGM) утверждает в своем руководстве по выражению неопределенности в измерении [6], что чем сложнее эксперимент, тем выше погрешность измерения из-за большого числа приближений, заложенных в самом методе. Таким образом, метод измерения влияет на точность и способность анализатора измерять очень низкий уровень анализируемого вещества.
ПРОБЛЕМЫ СПЕЦИФИЧНОСТИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ TOC
В методическом документе ICH Q2 по валидации аналитических методик [4] подчеркнута необходимость специфичности аналитической методики, то есть "однозначной оценки анализируемого вещества в присутствии компонентов, наличие которых предполагается" [5]. Одна из главных проблем специфичности для измерения углерода из органических веществ состоит в том, что фармацевтическая вода также содержит относительно большое количество общего неорганического углерода (TIC) в виде карбонатов и растворенного углекислого газа. Повышенные концентрации растворенного углекислого газа в воде обусловлены процессом обратного осмоса, который используют для производства фармацевтической воды. Поэтому измерить TOC в воде, когда там также присутствует большое количество TIC, может быть очень сложной задачей. Особенно трудно это сделать на анализаторах TOC, которые используют несколько датчиков для измерения TC (общего углерода) и TIC, а затем вычитают один из другого, чтобы получить количество ТОС:
ТОС = TC – TIC.
Анализаторы, которые используют разницу между TC и TIC для вычисления ТОС, сталкиваются с трудностями при попытке измерить очень низкое количество TOC в присутствии относительно большого количества TIC. Даже небольшие неточности между показаниями датчиков TIC и ТС могут привести к сильно завышенным или заниженным (а иногда и отрицательным) показаниям количества TOC [7] (см. табл.).
Нет никакой уверенности в том, что вода для фармацевтического производства удовлетворяет требованиям по качеству, когда погрешности измерений в анализаторе могут привести к потенциальной неточности в отчетных показателях уровня ТОС до ±78% (см. табл.).
Для лабораторий контроля качества, которые измеряют количество ТОС в водопроводной воде, проблема еще острее. Сезонные изменения содержания TIC означают, что пользователь должен постоянно проверять уровень TIC в поступающей воде и применять дополнительное устройство для удаления TIC, когда превышен максимально допустимый уровень, рекомендованный производителем анализатора ТОС. Некоторые производители рекомендуют максимальное соотношение TIC:ТОС = 10:1 [8]. Таким образом, в пробе воды, содержащей 10 ppb TOC, количество TIC не должно превышать 100 ppb для правильной работы анализатора.
Как правило, анализаторы, использующие метод высокотемпературного окисления, пытаются обойти проблему с измерением TIC за счет предварительного удаления TIC из образца. рН пробы смещают путем добавления кислоты, при этом TIC выходит из раствора в виде углекислого газа. Для более эффективного выведения углекислого газа через образец пропускают газ-носитель, не содержащий CO2. Эти циклы газирования, как правило, имеют фиксированную продолжительность и существует опасность того, что не весь TIC будет удален. Если некоторое количество TIC останется в растворе, это помешает анализу ТОС. Поэтому пользователь должен контролировать уровень TIC в пробе воды, чтобы не было превышения максимального уровня, указанного производителем анализатора ТОС.
В качестве альтернативы можно контролировать удаление TIC, чтобы гарантировать его полное выведение перед началом анализа TOC (рис.3). Этот метод позволяет избежать проблемы специфичности TIC/TOC – правильность измерений TOC не будет зависеть от присутствующего TIC в пробе. Метод может быть дополнительно улучшен за счет использования одного датчика CO2 для измерения как TIC, так и TOC [9]. Вместо того, чтобы вычислять ТОС из TC и TIC, анализатор проводит непосредственное измерение CO2 из органических веществ (TOC) отдельно и только после того, как весь TIC полностью удален из пробы. Точность датчика ±2% теперь относится только к измеряемой величине ТОС вместо измеренных значений TC и TIC. Таким образом, используя в качестве примера данные из таблицы, где фактическое значение ТОС составляет 100 ppb, этот метод выдаст результат в диапазоне 98–102 ppb. При этом полученные величины TOC отражают фактическое количество органического углерода в воде благодаря прямому измерению, а не расчетам.
Этот альтернативный метод, конечно, зависит от способности анализатора TOC измерить полное удаление TIC. Анализатор должен определить момент, когда неорганический CO2 полностью удален из пробы, и только после этого включать ультрафиолетовый свет для окисления органических веществ до СО2.
ПРОБЛЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ
ПРЕДЕЛЬНО НИЗКИХ ЗНАЧЕНИЙ TOC
В гармонизированном трехстороннем руководстве ICH Q2 различаются три аналитические процедуры: обнаружение, тестирование примеси и анализ. Хотя в документе и предполагается, что предел количественного обнаружения анализатора может не подходить для испытаний предела детекции примеси (именно таким является анализ воды на содержание общего органического углерода), но там устанавливается, что предел обнаружения является важной характеристикой для таких испытаний.
Современные фармацевтические системы водоподготовки позволяют получить очищенную воду с содержанием TOC менее 10 ppb. Многие лабораторные технологии анализа TOC не могут давать точные показания при таких низких уровнях концентрации, и пользователь получит сообщение об ошибке, например "уровень TOC ниже предела обнаружения". Сам процесс взятия пробы из системы водоснабжения неизбежно приводит к некоторому загрязнению образца и соответственно завышению показаний ТОС, как правило, на 100 ppb. Таким образом, пользователи систем водоснабжения с очень высокой степенью очистки воды (с очень низким количеством ТОС) вполне могут измерять и давать отчет о загрязнении ТОС от процесса отбора пробы, но не о количестве TOC в самой системе водоснабжения.
Очень низкий уровень TOC является еще более сложной проблемой для анализаторов, которые используют несколько датчиков и подсчитывают количество ТОС путем вычитания измеренного TIC из TC. Анализатор может фактически сообщить предполагаемое значение TOC, но суммарная погрешность на датчиках для измерения TC и TIC приводит к точности показаний ТОС ±78% [7], как показано в таблице.
ЗНАЧЕНИЕ САМОДИАГНОСТИКИ
АНАЛИЗАТОРА TOC
Пользователь должен быть уверен, что газ-носитель и реагенты не закончились во время анализа. Для этого в партию проб воды для анализа добавляют аттестованные референсные TOC-образцы в количестве 500 ppb в начале, середине и в конце анализа. Однако, так как лабораторные TOC-анализаторы часто запускаются и используются ночью, отказ в подаче газа-носителя или реагента в это время может означать, что некорректность результатов партии проб станет известна только на следующий день, когда пользователь будет проверять анализатор перед следующим запуском.
В этот момент уже невозможно повторно тестировать партию проб воды за вчерашний день. В результате не будет доказательств того, что система водоснабжения соответствовала всем нормам изготовления партии продукции. Это может привести к серьезным последствиям для производства, вплоть до отзыва партии.
Выбрав анализатор TOC с системой мониторинга давления, потока жидкости, потока газа-носителя, интенсивности УФ-лампы, температуры и состояния детекторов, можно избежать описанной проблемы [10].
ВЫВОДЫ
При анализе очень малого количества общего органического углерода в современных фармацевтических системах водоснабжения возникает ряд проблем. Приборы с использованием нескольких датчиков для измерения TC и TIC, а затем вычисления TOC из этих значений могут выдать неточные результаты из-за ошибочных измерений ТС и TIC [7]. Анализаторы только с одним датчиком могут выдать более точный результат [6].
Специфичность TOC-анализа в присутствии неорганического углерода является проблемой для многих анализаторов. Результат анализа будет точнее, если сначала удалить TIC из пробы.
Многие модели анализаторов не в состоянии измерить очень низкие уровни ppb TOC из-за пределов обнаружения. Согласно фармакопее предел обнаружения в ТОС-анализаторах должен быть не менее 50 ppb [1–3], но этого недостаточно для анализа воды с низким количеством ТОС, полученной из современных систем водоподготовки.
При работе с TOC-анализатором, который использует комбинацию окислительных реагентов и (или) газов-носителей, следует внедрить методики, позволяющие гарантировать остановку работы анализатора в отсутствие реагентов, газа-носителя или при перегорании УФ-лампы. Можно выбрать модель анализатора с встроенной функцией постоянного отслеживания всех критических параметров и прекращения анализа в случае возникновения ошибок.
Руководство, данное в методическом пособии ICH Q2 "Валидация аналитических методик. Содержание и методология" [4], может помочь пользователям определить пригодность конструкции и работы лабораторных ТОС-анализаторов с учетом всех возможных проблем при измерении общего органического углерода в современных системах водоснабжения и станциях водоподготовки на фармацевтических предприятиях.
ЛИТЕРАТУРА
US Pharmacopeia Convention, United States Pharmacopoeia, Rockville MD, USA www.usp.org.
Council of Europe, European Directorate for the Quality of Medicines & Healthcare, European Pharmacopoeia, Strasbourg, France www.edqm.eu.
Государственная фармакопея РФ. 13-е изд. Москва, Российская Федерация. www.femb.ru/feml.
International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use, ICH Harmonised Tripartite Guideline "Validation Of Analytical Procedures: Text And Methodology" Q2(R1), November 2005.
Council of Europe, European Directorate for the Quality of Medicines & Healthcare, European Pharmacopoeia 8.0, 01/2008:20244, Total Organic Carbon in Water for Pharmaceutical Use, Strasbourg, France.
Joint Committee for Guides in Metrology, Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement ref. JCGM 100:2008 First edition, September 2008.
GE Analytical Instruments, Technical Bulletin The Sievers Inorganic Carbon Remover (ICR), Boulder, Colorado, USA.
GE Analytical Instruments, Sievers 900 Series Total Organic Carbon Analyzers, Operation and Maintenance Manual, Ref. DLM 90688-03 Rev. A, 2011, Boulder, Colorado, USA.
Beckman Coulter Life Sciences, Application Note The QbD 1200 Total Organic Carbon Analyzers Method overview, Brea, USA.
Beckman Coulter Life Sciences, QbD 1200 Total Organic Carbon Analyzer User Manual, Ref. DOC026.97.80465 Ed.2, 2014, Brea, USA.
В документе приведены рекомендации и советы по использованию анализаторов общего органического углерода (от англ. TOC – Total Organic Carbon) для измерения примесей, которые присутствуют в воде для фармацевтических производств.
Анализ количества ТОС в воде для фармацевтических производств не является специфическим тестом: в нем определяется общее содержание органического углерода без идентификации загрязняющих веществ. Кроме того, с его помощью нельзя узнать фактическое количество органического вещества в воде, так как число атомов углерода в разных органических молекулах отличается. Например, молекула сахарозы содержит 12 атомов углерода, в то время как молекула метанола – только один.
Когда анализатор ТОС показывает результат 100 мкг/л (ppb – частей на миллиард) ТОС, это может означать, что вода содержит много молекул органического вещества с низким содержанием или мало молекул с высоким содержанием атомов углерода.
ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ TOC
Анализаторы TOC на фармацевтических системах водоподготовки имеют общую цель – провести реакцию окисления органического вещества, которое находится в воде [5], а затем измерить образовавшийся диоксид углерода. Некоторые анализаторы определяют диоксид углерода в газовой фазе, другие – в растворе. Для окисления органических веществ используют различные методы. В фармацевтической промышленности наиболее распространены три: УФ-облучение в присутствии персульфата (рис.1а), УФ-облучение (рис.1б) и применение высоких температур горения (рис.1в).
Согласно руководству ICH Q2 вывод о правильности методики можно делать после доказательства точности, линейности и специфичности. Линейность устанавливается при измерении как минимум пяти референсных образцов с известной концентрацией.
Объединенный комитет по руководствам в метрологии (JCGM) утверждает в своем руководстве по выражению неопределенности в измерении [6], что чем сложнее эксперимент, тем выше погрешность измерения из-за большого числа приближений, заложенных в самом методе. Таким образом, метод измерения влияет на точность и способность анализатора измерять очень низкий уровень анализируемого вещества.
ПРОБЛЕМЫ СПЕЦИФИЧНОСТИ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ TOC
В методическом документе ICH Q2 по валидации аналитических методик [4] подчеркнута необходимость специфичности аналитической методики, то есть "однозначной оценки анализируемого вещества в присутствии компонентов, наличие которых предполагается" [5]. Одна из главных проблем специфичности для измерения углерода из органических веществ состоит в том, что фармацевтическая вода также содержит относительно большое количество общего неорганического углерода (TIC) в виде карбонатов и растворенного углекислого газа. Повышенные концентрации растворенного углекислого газа в воде обусловлены процессом обратного осмоса, который используют для производства фармацевтической воды. Поэтому измерить TOC в воде, когда там также присутствует большое количество TIC, может быть очень сложной задачей. Особенно трудно это сделать на анализаторах TOC, которые используют несколько датчиков для измерения TC (общего углерода) и TIC, а затем вычитают один из другого, чтобы получить количество ТОС:
ТОС = TC – TIC.
Анализаторы, которые используют разницу между TC и TIC для вычисления ТОС, сталкиваются с трудностями при попытке измерить очень низкое количество TOC в присутствии относительно большого количества TIC. Даже небольшие неточности между показаниями датчиков TIC и ТС могут привести к сильно завышенным или заниженным (а иногда и отрицательным) показаниям количества TOC [7] (см. табл.).
Нет никакой уверенности в том, что вода для фармацевтического производства удовлетворяет требованиям по качеству, когда погрешности измерений в анализаторе могут привести к потенциальной неточности в отчетных показателях уровня ТОС до ±78% (см. табл.).
Для лабораторий контроля качества, которые измеряют количество ТОС в водопроводной воде, проблема еще острее. Сезонные изменения содержания TIC означают, что пользователь должен постоянно проверять уровень TIC в поступающей воде и применять дополнительное устройство для удаления TIC, когда превышен максимально допустимый уровень, рекомендованный производителем анализатора ТОС. Некоторые производители рекомендуют максимальное соотношение TIC:ТОС = 10:1 [8]. Таким образом, в пробе воды, содержащей 10 ppb TOC, количество TIC не должно превышать 100 ppb для правильной работы анализатора.
Как правило, анализаторы, использующие метод высокотемпературного окисления, пытаются обойти проблему с измерением TIC за счет предварительного удаления TIC из образца. рН пробы смещают путем добавления кислоты, при этом TIC выходит из раствора в виде углекислого газа. Для более эффективного выведения углекислого газа через образец пропускают газ-носитель, не содержащий CO2. Эти циклы газирования, как правило, имеют фиксированную продолжительность и существует опасность того, что не весь TIC будет удален. Если некоторое количество TIC останется в растворе, это помешает анализу ТОС. Поэтому пользователь должен контролировать уровень TIC в пробе воды, чтобы не было превышения максимального уровня, указанного производителем анализатора ТОС.
В качестве альтернативы можно контролировать удаление TIC, чтобы гарантировать его полное выведение перед началом анализа TOC (рис.3). Этот метод позволяет избежать проблемы специфичности TIC/TOC – правильность измерений TOC не будет зависеть от присутствующего TIC в пробе. Метод может быть дополнительно улучшен за счет использования одного датчика CO2 для измерения как TIC, так и TOC [9]. Вместо того, чтобы вычислять ТОС из TC и TIC, анализатор проводит непосредственное измерение CO2 из органических веществ (TOC) отдельно и только после того, как весь TIC полностью удален из пробы. Точность датчика ±2% теперь относится только к измеряемой величине ТОС вместо измеренных значений TC и TIC. Таким образом, используя в качестве примера данные из таблицы, где фактическое значение ТОС составляет 100 ppb, этот метод выдаст результат в диапазоне 98–102 ppb. При этом полученные величины TOC отражают фактическое количество органического углерода в воде благодаря прямому измерению, а не расчетам.
Этот альтернативный метод, конечно, зависит от способности анализатора TOC измерить полное удаление TIC. Анализатор должен определить момент, когда неорганический CO2 полностью удален из пробы, и только после этого включать ультрафиолетовый свет для окисления органических веществ до СО2.
ПРОБЛЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ
ПРЕДЕЛЬНО НИЗКИХ ЗНАЧЕНИЙ TOC
В гармонизированном трехстороннем руководстве ICH Q2 различаются три аналитические процедуры: обнаружение, тестирование примеси и анализ. Хотя в документе и предполагается, что предел количественного обнаружения анализатора может не подходить для испытаний предела детекции примеси (именно таким является анализ воды на содержание общего органического углерода), но там устанавливается, что предел обнаружения является важной характеристикой для таких испытаний.
Современные фармацевтические системы водоподготовки позволяют получить очищенную воду с содержанием TOC менее 10 ppb. Многие лабораторные технологии анализа TOC не могут давать точные показания при таких низких уровнях концентрации, и пользователь получит сообщение об ошибке, например "уровень TOC ниже предела обнаружения". Сам процесс взятия пробы из системы водоснабжения неизбежно приводит к некоторому загрязнению образца и соответственно завышению показаний ТОС, как правило, на 100 ppb. Таким образом, пользователи систем водоснабжения с очень высокой степенью очистки воды (с очень низким количеством ТОС) вполне могут измерять и давать отчет о загрязнении ТОС от процесса отбора пробы, но не о количестве TOC в самой системе водоснабжения.
Очень низкий уровень TOC является еще более сложной проблемой для анализаторов, которые используют несколько датчиков и подсчитывают количество ТОС путем вычитания измеренного TIC из TC. Анализатор может фактически сообщить предполагаемое значение TOC, но суммарная погрешность на датчиках для измерения TC и TIC приводит к точности показаний ТОС ±78% [7], как показано в таблице.
ЗНАЧЕНИЕ САМОДИАГНОСТИКИ
АНАЛИЗАТОРА TOC
Пользователь должен быть уверен, что газ-носитель и реагенты не закончились во время анализа. Для этого в партию проб воды для анализа добавляют аттестованные референсные TOC-образцы в количестве 500 ppb в начале, середине и в конце анализа. Однако, так как лабораторные TOC-анализаторы часто запускаются и используются ночью, отказ в подаче газа-носителя или реагента в это время может означать, что некорректность результатов партии проб станет известна только на следующий день, когда пользователь будет проверять анализатор перед следующим запуском.
В этот момент уже невозможно повторно тестировать партию проб воды за вчерашний день. В результате не будет доказательств того, что система водоснабжения соответствовала всем нормам изготовления партии продукции. Это может привести к серьезным последствиям для производства, вплоть до отзыва партии.
Выбрав анализатор TOC с системой мониторинга давления, потока жидкости, потока газа-носителя, интенсивности УФ-лампы, температуры и состояния детекторов, можно избежать описанной проблемы [10].
ВЫВОДЫ
При анализе очень малого количества общего органического углерода в современных фармацевтических системах водоснабжения возникает ряд проблем. Приборы с использованием нескольких датчиков для измерения TC и TIC, а затем вычисления TOC из этих значений могут выдать неточные результаты из-за ошибочных измерений ТС и TIC [7]. Анализаторы только с одним датчиком могут выдать более точный результат [6].
Специфичность TOC-анализа в присутствии неорганического углерода является проблемой для многих анализаторов. Результат анализа будет точнее, если сначала удалить TIC из пробы.
Многие модели анализаторов не в состоянии измерить очень низкие уровни ppb TOC из-за пределов обнаружения. Согласно фармакопее предел обнаружения в ТОС-анализаторах должен быть не менее 50 ppb [1–3], но этого недостаточно для анализа воды с низким количеством ТОС, полученной из современных систем водоподготовки.
При работе с TOC-анализатором, который использует комбинацию окислительных реагентов и (или) газов-носителей, следует внедрить методики, позволяющие гарантировать остановку работы анализатора в отсутствие реагентов, газа-носителя или при перегорании УФ-лампы. Можно выбрать модель анализатора с встроенной функцией постоянного отслеживания всех критических параметров и прекращения анализа в случае возникновения ошибок.
Руководство, данное в методическом пособии ICH Q2 "Валидация аналитических методик. Содержание и методология" [4], может помочь пользователям определить пригодность конструкции и работы лабораторных ТОС-анализаторов с учетом всех возможных проблем при измерении общего органического углерода в современных системах водоснабжения и станциях водоподготовки на фармацевтических предприятиях.
ЛИТЕРАТУРА
US Pharmacopeia Convention, United States Pharmacopoeia, Rockville MD, USA www.usp.org.
Council of Europe, European Directorate for the Quality of Medicines & Healthcare, European Pharmacopoeia, Strasbourg, France www.edqm.eu.
Государственная фармакопея РФ. 13-е изд. Москва, Российская Федерация. www.femb.ru/feml.
International Conference on Harmonisation of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use, ICH Harmonised Tripartite Guideline "Validation Of Analytical Procedures: Text And Methodology" Q2(R1), November 2005.
Council of Europe, European Directorate for the Quality of Medicines & Healthcare, European Pharmacopoeia 8.0, 01/2008:20244, Total Organic Carbon in Water for Pharmaceutical Use, Strasbourg, France.
Joint Committee for Guides in Metrology, Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement ref. JCGM 100:2008 First edition, September 2008.
GE Analytical Instruments, Technical Bulletin The Sievers Inorganic Carbon Remover (ICR), Boulder, Colorado, USA.
GE Analytical Instruments, Sievers 900 Series Total Organic Carbon Analyzers, Operation and Maintenance Manual, Ref. DLM 90688-03 Rev. A, 2011, Boulder, Colorado, USA.
Beckman Coulter Life Sciences, Application Note The QbD 1200 Total Organic Carbon Analyzers Method overview, Brea, USA.
Beckman Coulter Life Sciences, QbD 1200 Total Organic Carbon Analyzer User Manual, Ref. DOC026.97.80465 Ed.2, 2014, Brea, USA.
Отзывы читателей
