Industry-4-0-de 5 April 2023

Rohstoffidentifizierung und -analyse (RMID) mit dem KI-gestützten tragbaren NIR-Analysator Visum Palm™

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Rohstoffidentifizierung und -analyse (RMID) mit dem KI-gestützten tragbaren NIR-Analysator Visum Palm™

Die Identifizierung und Rohstoffanalyse (RMID) ist ein kritischer Prozess in der pharmazeutischen Industrie, denn sie garantiert die Identität und Qualität aller Materialien und Substanzen, die im Herstellungsprozess verwendet werden, um sicherzustellen, dass sie den Spezifikationen entsprechen, die die Endprodukte erfüllen müssen, damit sie den Verbraucher mit den pharmakologischen Eigenschaften erreichen, für die sie entwickelt wurden.

Bei der Rohstoffanalyse sind sowohl Raman- als auch NIR-Techniken komplementär, und keine von beiden stellt eine endgültige oder definitive Lösung dar, da eine große Anzahl von Materialien, Stoffen und Kasuistiken betroffen ist. Beispielsweise sind tragbare Raman-Analysatoren empfindlich gegenüber bestimmten Substanzen, die Fluoreszenz emittieren, und sie sind nicht die geeignete Technik für die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts (LoD), um die Karl-Fischer-Methode zu ersetzen, oder für die Bestimmung der durchschnittlichen Partikelgröße, wo die NIR-Spektroskopie wirksam und kostengünstiger ist.

Rohstoffanalyse von pharmazeutischen

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Zu seinen Besonderheiten gehört, dass es das einzige NIR-Analysegerät auf dem Markt ist, das über eine KI-gestützte Software verfügt, die es jedem Benutzer ermöglicht, ohne spezielle technische Kenntnisse in der Spektroskopie oder multivariaten Datenanalyse eigene NIRS-Bibliotheken und -Methoden zu entwickeln und diese iterativ nach seinen Bedürfnissen zu bearbeiten, um beispielsweise neue Substanzen einzubeziehen oder eine Klasse mit Proben eines neuen Lieferanten zu verstärken.

Die Visum Master™ Software in ihrer GMP-Version wurde speziell in Übereinstimmung mit der „Guideline on the use of near infrared spectroscopy by the pharmaceutical industry and the data requirements for new submissions and variations“ (2014) der European Medicines Agency und dem Addendum „Defining the Scope of an NIRS Procedure“ (2023) entwickelt. Sie ist auch mit der FDA-Verordnung 21 CFR Part 11 vereinbar.

Abbildung 1: Visum Master™ GMP-Version der Software für pharmazeutische Anwender.

Identifizierung, Überprüfung und Klassifizierung

Der Visum Palm™-Analysator ermöglicht die Identifizierung oder Verifizierungsanalyse verschiedener Substanzen in Sekundenschnelle, indem er das von der Probe erfasste Spektrum mit dem durchschnittlichen typischen Spektrum jeder Substanz in der Bibliothek vergleicht. Dieser Vergleich erfolgt auf der Grundlage eines mathematischen Ähnlichkeitskriteriums, das die Unterschiede in einen numerischen Wert umwandelt. Als Ergebnis der Rohstoffanalyse liefert das Visum Palm™-Analysegerät die Klasse mit der höchsten ermittelten Ähnlichkeit (Abbildung 2) und listet die anderen Substanzen in der Reihenfolge der höchsten bis niedrigsten Ähnlichkeit auf.

 

Im Gegensatz zur Identifizierungsanalyse, die unabhängig von dem zu untersuchenden Material ist, kann der Benutzer bei der Verifizierungsanalyse (Abbildung 3) eine bestimmte Substanz aus der Bibliothek auswählen, um ihre Identität zu bestätigen. Das Ergebnis ist entweder PASS oder FAIL und gibt im letzteren Fall auch die richtige und ähnlichste Substanz an.

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Abbildung 2: Identifizierung           Abbildung 3: Überprüfung PASS/FAIL

Analyse der Klassifizierung

Im Gegensatz dazu ist die Klassifizierung (Abbildung 4) bei der Rohstoffanalyse eine Funktion, die auf Algorithmen des maschinellen Lernens und nicht auf Ähnlichkeit beruht und es ermöglicht, sehr feine spektrale Unterschiede, wie z. B. die Partikelgröße oder die Konzentration eines bestimmten Analyten, richtig zu unterscheiden (zu klassifizieren), selbst wenn es sich um denselben Wirkstoff oder Hilfsstoff handelt. Es ist eine sehr nützliche Funktion, um Anomalien im Rohmaterial zu identifizieren oder eine Bestätigung der Identifizierungsanalyse in problematischen oder zweifelhaften Fällen durchzuführen, in denen die Substanzen spektral sehr ähnlich sind, und somit die oben erwähnte Identifizierungs- oder Verifizierungsanalyse zu ergänzen.

 

In allen oben genannten Fällen wird für jede Messung neben dem Ergebnis auch das Spektrum der analysierten Substanz erhalten (Abbildung 5).

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Abbildung 4: Klassifizierungsanalyse                   Abbildung 5: Spektrum der einzelnen Messungen

NIRS-Methodenentwicklung: Vorteile der Automatisierung für die Rohstoffanalyse

Visum Palm™ ist der einzige NIR-Analysator auf dem Markt, der es Endanwendern ermöglicht, ihre eigenen NIRS-Bibliotheken oder -Methoden zur Identifizierung, Klassifizierung und Quantifizierung zu entwickeln, ohne dass Techniker oder Spezialisten dazwischengeschaltet werden müssen. Im Folgenden wird grafisch dargestellt, wie sich die auf dem Markt vorhandene Software für die multivariate Datenanalyse – oder auch Chemometrie genannt – zur Entwicklung von NIRS-Methoden und -Kalibrierungen von der Visum Master™-Software von IRIS Technology Solutions unterscheidet.

Abbildung 6: (Links)  Chemometrics-Software für die Entwicklung von NIRS-Methoden und Kalibrierungen.  (Rechts)  Entwicklung von NIRS-Methoden zur Identifizierung, Klassifizierung und Quantifizierung mit Visum Master™ Software.

Das obige grafische Beispiel verdeutlicht, wie Visum Master™ eine Vielzahl wissenschaftlicher und technologischer Aufgaben vereinfacht, die bisher von Chemometrikern oder Spezialisten während der Entwicklungsphase einer NIRS-Methode durchgeführt werden mussten. Darüber hinaus macht diese Software es jedem Analytiker möglich, diese Aufgaben selbständig durchzuführen und die erstellten Methoden bei Bedarf zu bearbeiten, wodurch das Visum Palm™ NIR-Analysegerät zu einem offenen System wird, das mit einer angemessenen Benutzerschulung verschiedene analytische Bedürfnisse abdecken kann, was die Zugänglichkeit und Nutzbarkeit der NIR-Technik radikal verändert.

 

Die Visum Master™ Software generiert automatisch eine große Anzahl von aufeinanderfolgenden Vorhersagemodellen, indem sie jedes Mal eine bestimmte Kombination von Vorbehandlungen, Algorithmen und Parametrisierungen anwendet. In allen Fällen wird das Modell mit dem geringsten RMSE und dem geringsten Risiko einer Überanpassung ausgewählt. Es führt auch automatisch einen spektralen Qualitätstest durch, um spektrale Ausreißer zu identifizieren und zu entfernen, d.h. jene Spektren, die als Ausreißer in Bezug auf einen vordefinierten Variationsbereich für jede Klasse oder jeden Wert angesehen werden, und erstellt automatisch einen Bericht der entwickelten NIRS-Methode mit allen Informationen darüber, wie das Modell generiert wurde, ein Dokument, das besonders nützlich für die externe Validierung einer quantitativen NIRS-Methode zur Freigabe ist.

Entwicklung und Herausgabe einer Identifikations- oder Klassifikationsbibliothek für die Rohstoffanalyse

Um eine Bibliothek oder eine Identifizierungsmethode (analog zur Klassifizierung und Quantifizierung) zu erstellen, müssen Sie nur die erfassten Spektren jeder Substanz oder Kalibrierungsprobe importieren und ihren Referenzwert, Namen oder ihre Klasse eingeben. Am Ende des Daten-Uploads erstellt Visum Master™ die Bibliothek automatisch.

Es ist auch möglich, es iterativ zu bearbeiten und zu erweitern, um neue Substanzen oder Probenspektren von einem neuen Lieferanten einzubeziehen. Für jede Ausgabe wird eine neue Version (v1, v2, …) als Sicherungskopie der vorgenommenen Änderungen erstellt. Am Ende des Prozesses werden die NIRS-Bibliothek oder -Methoden für die routinemäßige Rohstoffanalyse in das Visum Palm™ Handheld-Analysegerät exportiert.

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Abbildung 7: Entwicklung einer NIRS-Identifizierungs- oder Klassifizierungsmethode oder -bibliothek

Schlussfolgerungen

Die Identifizierung und Qualifizierung von Materialien ist ein wesentlicher Schritt in jeder GMP-Umgebung, und im Gegensatz zu anderen Technologien kann die NIR-Technik Materialien oder Substanzen identifizieren und klassifizieren oder verschiedene Analyten von Interesse quantifizieren und so die Arbeitsbelastung im Labor oder im Rohmaterial-Empfangslager verringern.

Visum Palm™ bietet im Gegensatz zu anderen Geräten auf dem Markt einen einzigartigen Wert, da die Erstellung oder Bearbeitung von NIRS-Bibliotheken und -Methoden automatisiert ist und ohne spezifische Spektroskopiekenntnisse erfolgen kann, obwohl es über einen „Expertenmodus“ für fortgeschrittene Benutzer verfügt, der die Auswahl von Vorverarbeitungen und Algorithmen während der Methodenerstellungsphase ermöglicht, die durch eine Lizenz aktiviert wird. Es bietet auch den Unterschied, dass es automatisierte Berichte anbietet, die die Arbeit eines jeden Analytikers vor potentiellen Prüfern im Hinblick auf die externe Validierung der NIRS-Methode, auch für die Freigabe, erleichtern.

 

Visum Palm™ hat die folgenden Vorteile:

  • Es ist nützlich für die Identifizierung und Qualifizierung von Materialien, einschließlich fluoreszierender Materialien, die nicht durch Raman-Spektroskopie analysiert werden können.
  • Es ist ein self-contained Analysegerät mit integriertem Computer und Touchscreen.
  • Es hat eine spektrale Auflösung von 3 nm oder 256 Pixel und einen Messbereich von 10 mm Durchmesser.
  • Es ist auch in der Lage, automatisch NIRS-Bibliotheken oder -Methoden zu erstellen und Berichte für jede dieser Methoden herunterzuladen. Die Visum Master™-Software in ihrer GMP-Version bietet auch die Möglichkeit, die Betriebsqualifikationen des Geräts durch einen geführten Assistenten und einen Audit-Trail-Bericht mit allen Informationen über die Verwendung des Geräts in Übereinstimmung mit 21 CFR Part 11 zu erstellen.
Von IRIS Technology Solutions