近紅外光譜學用於製藥業的水分管理
近紅外光譜學用於製藥業的水分管理
水是生命不可或缺的。它佔了我們生活的星球百分之七十，在我們的人體組成中超過了一半以上。水的獨特物理性質，尤其是與分子間氫鍵相關的性質，使地球上出現生命成為了可能。
同時，這些特性會讓保持溶劑純度在某些時候變得困難。無處不在的水因此對工業界造成了巨大的挑戰，水可能會干擾產品穩定性、化學反應以及分析準確性。甚至是濃度小於0.01%(100ppm)這樣微量的水都會影響工業生產的結果。
在製藥業中，溶劑中水的含量是受到嚴格控管的，不只是因為可能影響製造過程，還因為它會助長微生物生長。標示為「無水」的醫藥級溶劑需要符合非常嚴格的溶劑規格(根據溶劑不同會低至50ppm)。在製藥過程中需要對水分進行控制，來避免多種不良後果，包括:
• 藥物原料水解
• 敏感官能基的降解
• 來自副反應的雜質
• 結晶時出現無法預料的變化
• 未能通過良好生產規範 (GMP) 驗證，原因是殘留水份
近紅外光譜在工業製程中是個重要工具，尤其是對於需要精確、即時測量含水量的製程。利用水在近紅外區域(900~2500nm)的吸收特性，近紅外光譜能即時監控即使是微量濃度的水分。這項功能在像是製藥業等行業中都至關重要，嚴格控制含水量是防止活性成分降解、維持配方效力及確保符合法規標準的關鍵。近紅外光譜的快速、非破壞式分析讓他不只在製藥業中，在像是半導體和能源等行業中也很有用。在這些行業中控制水分對於維持產品品質和最佳化製程來說是不可或缺的。
製藥業中的溶劑
在製藥工業中，溶劑幾乎在藥物開發和製造的所有階段都扮演著重要角色。以下表格列出了對水含量有嚴格要求的常見製藥溶劑，以及它們所使用的具體製藥製程。
常見的製藥溶劑以及含水量要求
| 溶劑名稱 | 典型製程應用 | 對水敏感性與特性說明 |
| 乙腈 | 1. 高效液相層析 (作為流動相) | 是：具吸濕性。 |
| 2. 活性藥物成分結晶 | ||
| 3. 合成中的反應溶劑 | ||
| 甲醇 | 1. 活性藥物成分合成 | 中等。 |
| 2. 天然產物萃取 | ||
| 乙醇 (無水) | 1. 作為色譜法中的流動相 | 是：具吸濕性。 |
| 2. 溶解難溶性活性藥物成分 | 為了活性藥物成分穩定性或合成，必須保持無水。 | |
| 3. 口服劑型中的製粒溶劑 | ||
| 甲苯 | 1. 草本萃取物製備 | 低：水會導致相分離問題。 |
| 2. 作為活性藥物物質合成的溶劑 | ||
| 3. 中間體的重結晶 | ||
| 四氫呋喃 (THF) | 1. 萃取 / 聚合物合成 |
極高：具吸濕性，且會形成具危險性的過氧化物。 |
| 2. 開環反應 | ||
| 3. 格氏反應和有機金屬反應 |
製藥溶劑的含水量要求是根據監管機構所設定以及控制。製藥業的主要管制條例總結在下表。這些條例指定出標準以及測試方式的要求來測定含水量。卡爾費休滴定法被廣泛認可作為管制文件中能準確檢測溶劑中微量水分的主要方式。近紅外光譜也被廣泛接受，當他通過卡爾費休滴定法校準和驗證後，可以作為用於常規、高通量測試的輔助或替代技術。
在製藥業中主要含水量法規
| 法規 | 重點 | 指定標準靈敏度 | 允許含水量 |
| USP <921> | 官方水分測定方式(卡爾費休滴定法) | 使用已驗證方式測定含水量 | 通常低於 0.1% (<1000 ppm) |
| Ph. Eur. 2.5.12 | 標示為「無水」溶劑中微量水分的測定 | 含水量精確量測來保證「無水」的標示 | 通常低於0.05% (<500 ppm) |
| ICH Q6A | 要求含水量規格以及驗證過的測試方式 | 溶劑的含水量規格需要以強制性方法驗證 | 取決於產品，需要嚴格控制 |
| ICH Q3C | 涉及殘留溶劑，意指對溶劑品質的控制。 | 含水量在溶劑品質控制的廣泛框架中管理。 | 一般符合可接受限度(<1000 ppm)。 |
| GMP (EU/FDA) | 需要對製造用溶劑中的水分進行規範、驗證與控制。 | 嚴格的含水量準則來確保生產一致性與產品穩定性。 | 取決於產品，通常<0.1%(<1000 ppm) |
量測溶劑的含水量
卡爾費休滴定法以及近紅外吸收光譜法都被用在量測製藥溶劑的含水量。這兩個技術在準確性、靈敏度、速度以及監管認可上都有不同。
卡爾費休滴定法是一種濕化學法，能夠量化化學反應中的水分。它是檢測藥用溶劑中含水量的黃金標準。它具備高準確性、高靈敏度和高特異性，能夠檢測低至ppm的微量水分。卡爾費休滴定法在監管指南中被廣泛接受和指定。這個方法非常適合在有著嚴格含水量規範的批次放行和穩定性測試。線上卡爾費休滴定法可使用專業自動化設備進行連續或高頻率監測，但其即時性不如近紅外光譜等其他技術。卡爾費休滴定法通常更加複雜、試劑依賴性、以及更加適合用在需要極為準確的水分量測的重要生產階段。
近紅外光譜是個直接偵測的方法，量測水分子的氫氧鍵的泛音和組合的吸收度。它是對卡爾費休滴定法的補充，提供簡化、直接的量測，可以在生產線上實施持續的含水量監控。近紅外光譜是快速、非破壞式的方法，這讓它非常適合在製程開發與製造過程中進行線內、線上、或旁線的監控。近紅外光譜不像卡爾費休滴定法，它不需要化學試劑。這導致營運成本降低以及減輕環境影響。此外，近紅外光譜高度自動化，能夠高吞吐測試以及即時分析來支援過程分析技術(PAT)計劃。儘管卡爾費休滴定法通常是指定的方法用在精確的微量含水量量化以及合規性，近紅外光譜的速度、使用簡單以及適合較高的含水量讓它變成了高效、互補的工具。這些特性使近紅外光譜在需要即時、快速篩選與製程洞察時顯得尤為重要。
有個需要注意的是儘管卡爾費休滴定法被認定為在製藥溶劑中高準確定義含水量的黃金標準，近紅外光譜也被接受作為經過驗證的替代方案，提供更快、非破壞的分析。當近紅外光譜被證明出與卡爾費休滴定法的結果有可靠的相關性時，就能使用混和方法。這個方法會混合使用卡爾費休滴定法與近紅外光譜來建構被驗證的校正模型。近紅外光譜之後就可以做為日常的即時/在線分析，並定期使用卡爾費休滴定法進行校驗來確保準確性。下表介紹使用卡爾費休滴定法與近紅外光譜進行在線含水量量測的主要區別。
卡爾費休滴定法與近紅外光譜在在線量測的比較
| 特徵 | 卡爾費休 | 近紅外光譜 |
| 量測時間 | 幾分鐘 | 幾秒鐘 |
| 消耗品 | 需要(滴定劑、溶劑) | 不需要 |
| 複雜性 | 高 | 中 |
| 多個參數 | 無(只有水) | 有 |
| 用來持續監控 | 中等 | 絕佳 |
用NR2.2量測製藥溶劑的含水量
Ocean Optics NR2.2被用來監控兩種重要製藥溶劑¬－四氫呋喃(THF)與無水乙醇(定義為體積濃度≥99.5%的乙醇)的吸收度，來展示近紅外光譜在這種關鍵量測的優勢。它們是高度吸濕性的溶劑，在製藥應用中需要嚴格控管含水量。這兩種容易廣泛用在合成、結晶和配方過程。含水量的嚴格控制在活性藥物成分製造中是很重要的，在過程中即使是微量的水分都會干擾化學反應或是降低穩定性。常規標準指出製藥級的四氫呋喃(THF)的最大容許含水量需要小於0.05%重量百分濃度(500ppm)，而無水乙醇則為小於0.3%重量百分濃度(3000ppm)。對這些溶劑要求嚴謹的含水量控制來確保即使極少量的水也不會對溶解度、萃取效率或配方穩定性產生不利影響。
使用Ocean Optics NR2.2來量測橫跨900~2200nm波長範圍的近紅外吸收光譜。打開每個溶劑的新瓶，將其中的40毫升溶劑轉移到裝有4A分子篩的50毫升錐形管中。分子篩是有著小孔的合成沸石，能選擇性的吸收水分子。它們廣泛運用在乾燥溶劑、氣體以及其他材質來維持低濕度和避免對水敏感反應。
在空的石英比色皿(3毫升溶劑體積)中量測每種溶劑相對環境空氣(濕度50%，攝氏24度)的近紅外吸收度。圖一中的光譜是從剛開起的新瓶溶劑所收集的初始光譜。從不同溶劑間量測到的近紅外吸收光譜在近紅外區間有著明顯不同的光譜特徵。兩個溶劑在1900~1950nm區間都有著較低的吸收，這裡是水的強吸收區。這讓1900~1950nm區間成為理想的用來監控四氫呋喃(THF)與無水乙醇的含水量。在這區域的吸收度主要與水分子中的O-H伸縮震動與H-O-H彎曲震動所產生的組成頻帶相關。這個水吸收帶廣泛用在近紅外光譜中，用來偵測以及定量在各種環境的含水量，包括藥品、食物以及溶劑。
圖一: 透過NR2.2光譜儀所量測的無水乙醇與四氫呋喃(THF)近紅外吸收光譜。
對每種純溶劑進行了一系列基於時間的測量，先是在石英比色皿加蓋的情況下進行，然後將其暴露在空氣中，以觀察這些強吸濕性溶劑對水分的吸收情況。每隔五分鐘會儲存一次近紅外吸收光譜，蓋上蓋子時量測75分鐘，打開蓋子時量測4小時。比色敏蓋上蓋子時的量測數據(未顯示)在75分鐘內吸收度變化相對較小。圖二顯示打開蓋子期間量測的光譜。當蓋子移開後，在這四小時的實驗期間，兩個溶劑都顯示出至少0.3AU的劇烈增加。發生在1900nm到1950nm區間的吸收度增加是因為溶劑從空氣中吸收水分導致含水量增加所造成的。在這4小時打開比色皿的期間，藉由使用足量的純溶劑來維持量測路徑是填滿的，來將溶劑蒸發所產生的影響降到最低。在水吸收範圍外的吸收度(只有溶劑吸收度)下降非常小(下降量小於0.02AU)，這代表蒸發對結果的影響不顯著。
圖二: 藉由Ocean Optics NR2.2光譜儀量測四氫呋喃與無水乙醇從空氣中吸收水分。
四氫呋喃與無水乙醇的近紅外吸收量測也對一系列已知含水量的溶劑樣品進行。這些實驗用來評估NR光譜儀在偵測溶劑中ppm濃度含水量的性能。有著最大含水量的樣品－2500 ppm/0.25%的四氫呋喃與 9000 ppm/0.9% 的無水乙醇－是藉由加入去離子水到溶劑中來制備。稀釋過程是直接在比色皿中進行，從比色皿取走一定量的樣品後再加入等量的純溶劑來降低含水量。比色皿在實驗期間不會從支架中移開來降低變數。這模仿在連續/線上量測中不會移動流通池所增強的穩定性。水/溶劑樣品量測出的標準曲線如下表所示。所有的樣品與乾燥、空的石英比色皿做量測比較。請注意，根據溶劑隨附的分析證書，無水乙醇的含水量不超過1000 ppm/0.1%。四氫呋喃有著更低的130 ppm/0.013%初始含水量。所有報告的濃度是相對於溶劑的含水量基線。
用來量測的樣品含水量
| 四氫呋喃 (THF) 含水量 | 無水乙醇 (Anhydrous Ethanol) 含水量 |
| 2500 ppm / 0.250% | 9000 ppm / 0.900% |
| 1250 ppm / 0.125% | 4500 ppm / 0.450% |
| 625 ppm / 0.063% | 2250 ppm / 0.225% |
| 313 ppm / 0.031% | 1125 ppm / 0.113% |
| 156 ppm / 0.016% | 563 ppm / 0.056% |
| 78 ppm / 0.008% | 281 ppm / 0.028% |
| 141 ppm / 0.014% | |
| 70 ppm / 0.007% |
圖三顯示無水乙醇在1948nm的吸收度標準曲線，而四氫呋喃則是在1923nm。誤差棒代表著標準差，是對每個無水乙醇濃度進行四次重複量測，對每個四氫呋喃濃度進行三次重複量測所計算出來的。資料顯示兩個溶劑的吸收度有著絕佳線性度，且吸收度與含水量高度相關。含水量大於100ppm的四氫呋喃樣品間的間隔至少是三倍標準差，這很好的證明NR2.2光譜儀具有分辨這些濃度的能力。而在無水乙醇樣品這邊，含水量大於1000ppm的樣品能夠以三倍標準差來區別。更低的含水量樣品很難被區別開是因為重複變異性提高。要注意在1070nm進行基線校正對線性結果沒有很明顯的影響。
圖三: 使用Ocean Optics NR2.2光譜儀所量測的無水乙醇與四氫呋喃的標準曲線。
與四氫呋喃相比，在無水乙醇的溶劑重複量測中觀察到變異性上升的情況。在四氫呋喃的重複量測中，圖表中標示出的誤差棒幾乎是同個尺寸，這代表重複量測間有著非常低的變異性。這個變異性差別來自於溶劑的本身特性。四氫呋喃極性較低、親水性較弱，從大氣中吸收水分比無水乙醇還慢。相較之下，無水乙醇有著高極性、較強的親水性，以及從環境中迅速吸收水分。此外，與四氫呋喃相比，無水乙醇樣品有著更高的初始殘留含水量(含水量基線)，以及無水乙醇的光譜與水的吸收帶有著很高的重疊度，這也導致了量測變異性。
摘要
這些結果展示了Ocean Optics NR2.2光譜儀在量測製藥溶劑中ppm等級含水量的有效性。測量展示了兩個溶劑在ppm等級的含水量與吸收度有著高度線性關係。對於四氫呋喃，因為在重複量測中表現出低變異性，濃度大於100ppm能夠以高可靠度被分辨。對於無水乙醇，濃度大於1000ppm能夠以高可靠度被很好的分辨。在乙醇中，更低的含水量會提高變異性。變異性提高可能是因為有著更高的含水量殘留/基線以及無水乙醇與水的光譜特徵之間明顯重疊所導致的。藉由四氫呋喃的量測極限是100ppm，而無水乙醇則是1000ppm，Ocean Optics NR2.2光譜儀是個能夠即時確認溶劑有沒有符合常規標準－四氫呋喃需要小於0.05%重量百分濃度、無水乙醇需要小於0.3%重量百分濃度－的好選擇。
結論
這些結果強調了近紅外光譜對於快速以及有效率監控溶劑含水量的潛力。近紅外光譜在製造環境中特別有用，尤其是作為卡爾費休滴定法的補充。這些結果展示了溶劑中有著ppm等級含水量與吸收度的極佳線性度。儘管卡爾費休滴定法被推薦用來確保有符合嚴格的品質標準，但近紅外光譜能夠充當在生產中的在線監控的一種互補技術。近紅外光譜提供快速、非破壞式的方法在製程內控制，這比卡爾費休滴定法所進行的高度精確痕量檢測更適合在生產環境以及持續監控上。
監理參考
USP: Official compendium for water determination techniques, with Karl Fischer titration being the preferred method for precise moisture analysis.
Ph. Eur. 2.5.12: European Pharmacopoeia monograph focused specifically on micro-determination of water content, particularly in “anhydrous” solvents.
ICH Guidelines (Q6A & Q3C): International Conference on Harmonisation documents addressing water content specifications (Q6A) and broader solvent quality and residual solvents (Q3C).
GMP (EU/FDA): Current Good Manufacturing Practices that enforce strict control, specification, and validation processes for water content in manufacturing solvents.