تطبيق مطيافية رامان غير المتلفة وتكنولوجيا التحليل العملياتي (PAT) لتحديد ملامح الملوثات النزرة في الوقت الفعلي في المكونات الصيدلانية الفعالة النباتية
الملخص
خلفية
تتطلب المكونات الصيدلانية الفعالة (APIs) النباتية والمواد الدوائية النباتية استراتيجيات جودة قادرة على التحكم في التباين وإدارة مخاطر التلوث باستخدام نهج «مجموع الأدلة» الذي يتضمن التحكم في المواد الخام النباتية والاختبارات الكيميائية مثل الطرق الطيفية و/أو الكروماتوغرافية. [1] تتوقع الإرشادات الرقابية صراحةً إجراء اختبارات لمتبقيات مبيدات الآفات والسموم العارضة (مثل الأفلاتوكسينات)، بالإضافة إلى الضوابط التي تعالج المواد الغريبة والمواد المغشوشة، مما يحفز مناهج الفحص السريع التي يمكن نشرها عبر سلسلة التوريد ودورة حياة التصنيع. [1]
الهدف
تقوم هذه الدراسة المفاهيمية لإثبات المبدأ وتوليف البيانات بتقييم كيفية دمج مطيافية رامان غير المتلفة (بما في ذلك المتغيرات المحسنة بـ SERS) في إطار تكنولوجيا التحليل العملياتي (PAT) لتحديد ملامح الملوثات النزرة في الوقت الفعلي أو في الوقت القريب من الفعلي في APIs النباتية، مع التركيز على الجدوى، والأداء التحليلي، وقيود النشر المدعومة بالأدلة المنشورة. [2, 3]
الطرق
قمنا بتوليف الأدلة التي تظهر:
- حساسية رامان للبنية الكيميائية والحد الأدنى من احتياجات تحضير العينات؛ [2, 4]
- تعزيز SERS وعروض مبيدات الآفات النزرة التمثيلية (بما في ذلك نطاقات من ppm إلى أقل من ppb)؛ [5–8]
- استراتيجيات القياس الكيميائي للتحقق من المواد المغشوشة والتنبؤ الكمي؛ [9–11]
- أمثلة مراقبة العمليات المتوافقة مع PAT والحواجز المعروفة أمام الترجمة الصناعية. [3]
النتائج
عبر الدراسات المجمعة، ميزت رامان والقياسات الكيميائية الزيوت الأساسية المغشوشة عندما كان الفحص البصري غير كافٍ، حيث وفر PCA فصلاً طيفياً بين العينات النقية والمغشوشة. [9] حققت نمذجة رامان الكمية (PLSR) مستويات عالية من دقة التنبؤ في مهام التنبؤ بالتركيز، مما يدعم معقولية التقدير الكمي القائم على المعايرة في التركيبات المعقدة. [10]
بالنسبة للملوثات النزرة، أبلغت دراسات SERS عن كشف يصل إلى 1 ppm على أسطح الفاكهة لمبيدات آفات مختارة، وفي عمل آخر، تم قياس LODs تتراوح بين 0.001–10 ppm عبر 21 مبيداً باستخدام جسيمات الذهب النانوية الغروية. [6, 7] كشف SERS المحمول مع استخراج QuEChERS acetate عن مبيدات آفات متعددة تحت MRL للاتحاد الأوروبي البالغ 10 ppb في أرز البسمتي لمركبات مختارة، مع اكتمال الاستخراج في أقل من 15 min، مما يوضح سير عمل عملي "للفحص أولاً". [8]
لاستخدام PAT، تدعم قياسات رامان السريعة وغير المتلفة وغير الغازية والقدرة على نشرها من المختبر إلى خطوط الإنتاج المراقبة المضمنة/المباشرة (inline/online). ومع ذلك، تؤكد الأدلة أيضاً أن معظم أبحاث PAT تظل على نطاق مختبري، وأن نماذج عمليات رامان يمكن أن تحتوي على LODs عالية نسبياً تفتقد الأهداف ذات التركيزات المنخفضة في إعدادات مراقبة الاستخراج. [2, 3]
الاستنتاجات
تدعم الأدلة مفهوم PAT المعتمد على رامان/SERS القابل للتطبيق لإدارة مخاطر ملوثات APIs النباتية: نشر أجهزة رامان المحمولة للتحقق من المواد الواردة وفحص المواد المغشوشة؛ استخدام وحدات SERS لفحص مبيدات الآفات المستهدفة؛ ودمج النماذج متعددة المتغيرات القائمة على رامان في حلقات تحكم PAT حيث تسمح ظروف العملية بنقل معايرة مستقر وقدرة كشف كافية. [3, 12]
تتمثل القيود الأساسية في الحساسية للأهداف شديدة الندرة في المصفوفات النباتية غير المتجانسة، والفلورة وإشارات رامان الضعيفة، ومتطلبات التحقق/نقل النماذج اللازمة للقبول الرقابي لمناهج الاختبار المنخفض أو المتخطى. [3, 4, 13]
الكلمات المفتاحية
- Raman spectroscopy
- SERS
- Process analytical technology
- Botanical API
- Pesticide residues
- Adulterant detection
- Chemometrics
- Real-time monitoring
المقدمة
يتم تنظيم المواد الدوائية النباتية و APIs النباتية بموجب نماذج جودة تؤكد على الاتساق العلاجي المدعوم بنهج "مجموع الأدلة"، بما في ذلك التحكم في المواد الخام النباتية واختبار مراقبة الجودة الكيميائية الذي قد يستخدم الطرق الطيفية و/أو الكروماتوغرافية. [1] ضمن هذا النموذج، يتم تسمية مخاطر التلوث والغش صراحةً كاهتمامات تتعلق بالجودة تتطلب استراتيجيات اختبار، بما في ذلك اختبارات متبقيات مبيدات الآفات (بما في ذلك مبيدات الآفات الأم والمستقلبات السامة الرئيسية) والسموم العارضة مثل الأفلاتوكسينات، بالإضافة إلى الضوابط التي تعالج المواد الغريبة والمواد المغشوشة. [1]
بالتوازي مع ذلك، تحدد إرشادات المواصفات الأوروبية للمواد والمستحضرات العشبية المواصفات بأنها الاختبارات والإجراءات ومعايير القبول المستخدمة لضمان الجودة عند الإصدار وخلال فترة الصلاحية، وتحدد مجموعات الملوثات التي يجب معالجتها حسب الاقتضاء، بما في ذلك المعادن الثقيلة/الشوائب العنصرية، ومتبقيات مبيدات الآفات والمبخرات، والسموم الفطرية (الأفلاتوكسينات، وأوكراتوكسين A)، والتلوث الميكروبي. [13, 14] تشير إرشادات EMA أيضاً إلى أن الاختبار الدوري/المتخطى لمتبقيات الملوثات قد يكون مقبولاً عندما يتم تبريره من خلال تقييم المخاطر وبيانات الدفعات، مما يضع حافزاً رقابياً واضحاً للفحص الأسرع وأدوات فهم العمليات التي يمكن أن تبرر استراتيجيات التحكم القائمة على المخاطر دون المساس بالسلامة. [13]
تعد مطيافية رامان مرشحاً لمثل هذه الاستراتيجيات لأن تشتت رامان يوفر أطياف "بصمة إصبع" محددة كيميائياً، وتوصف طرق رامان عادةً بأنها سريعة وغير متلفة وغير غازية مع تحضير بسيط للعينات، وهي خصائص تشغيلية تتماشى مع اتخاذ القرار في الوقت الفعلي أثناء التصنيع والتحكم في سلسلة التوريد. [2, 4]
تصف مراجعات تطبيقات رامان الصيدلانية نطاق نشر يمتد من الاستخدام المختبري إلى أرصفة الشحن وخطوط الإنتاج، مما يعني أنه يمكن اعتبار رامان ليس فقط كأداة تعريف غير مباشرة ولكن أيضاً كحساس تحليلي محتمل أثناء العملية في سياق PAT. [2] يتم تعريف PAT صراحةً على أنه استخدام سلسلة من الأدوات والوسائل لتحقيق التحليل في الوقت الفعلي والتحكم في التغذية الراجعة أثناء الإنتاج الصناعي لضمان عملية إنتاج يمكن التحكم فيها وجودة المنتج المثلى، وتوصف تقنيات المطيافية الاهتزازية بأنها تتيح الكشف المباشر وفي الوقت الفعلي والسريع لسمات الجودة الداخلية للأعشاب أثناء المعالجة. [3]
ومع ذلك، فإن تحديد ملامح الملوثات النزرة في النباتات يتطلب تحليلاً دقيقاً، وتشير الأدبيات إلى تحديات ترجمة رئيسية: تم إجراء معظم أبحاث PAT على معدات مختبرية حيث يسهل التحكم في الظروف التجريبية، وقد تحتوي نماذج العمليات القائمة على رامان على LODs عالية نسبياً تفشل في اكتشاف الأهداف ذات التركيزات المنخفضة في مهام مراقبة الاستخراج المحاكية. [3] تحفز هذه القيود سؤالاً موجهاً نحو التصميم لـ APIs النباتية: كيف يمكن نشر رامان (ورامان المحسن بـ SERS) ضمن إطار PAT بحيث يوفر فحصاً سريعاً وغير متلف، وحيثما أمكن، تنبؤات كمية قوية تجاه تباين المصفوفة والعملية، مع البقاء متوافقاً مع التوقعات الرقابية القائمة على المخاطر للتحكم في الملوثات والتحقق من صحة الطرق؟ [2, 3, 13]
بناءً على ذلك، فإن السؤال البحثي الذي يتم تناوله هنا هو: هل يمكن لأدلة أداء رامان و SERS المنشورة أن تدعم بنية PAT عملية لتحديد ملامح الملوثات النزرة في الوقت القريب من الفعلي في APIs النباتية التي تكمل أو تفرز المقايسات التأكيدية الكلاسيكية؟ [3, 6, 8] الفرضية القائمة هي أن تحديد بصمة الإصبع غير المتلف القائم على رامان سيكون أكثر فاعلية كنظام PAT متدرج: (1) رامان + القياسات الكيميائية للتحقق السريع من الهوية/كشف الغش؛ (2) وحدات SERS المستهدفة للكشف عن متبقيات مبيدات الآفات في المصفوفات ذات الصلة؛ و(3) مراقبة عملية رامان لسمات الجودة الداخلية حيث تكون الحساسية كافية، مع تبرير الاختبار المتخطى القائم على المخاطر بواسطة البيانات وتاريخ الدفعات بدلاً من نشر الحساس وحده. [3, 6, 9, 13]
التنبؤ الكمي والاستدلال القائم على المعايرة
بالنسبة للتنبؤ الكمي والاستدلال القائم على المعايرة، أفادت دراسة رامان لتركيبات methyl eugenol المغشوشة بـ xylene أن PCA كان مفيداً للتمييز بين مجموعات البيانات الطيفية لرامان ذات التركيزات المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، كان نموذج PLSR قادراً على التنبؤ بتركيز عينة مجهولة بموثوقية، مما يدل على أن الجمع بين مطيافية رامان و PLSR يمكن أن يحقق أداءً تنبؤياً عالياً. وهذا يؤكد فائدته المحتملة في تطوير نماذج كمية للمواد المغشوشة ذات المخاطر المعروفة في APIs النباتية عندما تتوفر المواد المرجعية [10].
تأكيد الهوية في المنتجات النهائية
أثبتت طريقة رامان القائمة على الباركود فعاليتها في تأكيد هوية APIs في المنتجات النهائية. تعمل التقنية من خلال مقارنة النسبة المئوية للتداخل غير الصفر بين الباركود المتوقع لـ API والمنتج الدوائي النهائي، حيث يتم تحويل الأطياف للتأكيد على قمم رامان [11]. باستخدام هذا النهج، تم تحديد 18 منتجاً دوائياً نهائياً معتمداً وتسعة منتجات مقلدة محاكاة بدقة 100%. وهذا يدعم جدوى استخدام منطق "تداخل بصمة الإصبع" القائم على رامان للتحقق القوي من الهوية في المنتجات المركبة، بشرط تطبيق قواعد التحويل والقرار المناسبة [11].
تحليل رامان لمخاطر "الشبيه" النباتي
تم نشر مناهج التوقيع الطيفي لرامان لتمييز العينات الأصلية عن المغشوشة في السياقات النباتية. على سبيل المثال، كشف تحليل عينات Phansomba/*Phellinus* عن فصل واضح بين العينات الأصلية والمغشوشة. تم تحديد نطاقات رامان الرئيسية (487، 528، 786، 892، 915، و 1436 cm) المميزة لـ *Phellinus* (خاصة *Ph. merrillii*)، مما يشير إلى إمكانية بناء قواعد بيانات لنطاقات التوقيع لتدفقات عمل الفحص في الأدوية العشبية الأخرى [21].
ومع ذلك، توجد قيود. في فحص لـ 50 مكملاً غذائياً عشبياً تدعي تحسين الأداء الجنسي، كشفت مطيافية رامان عن تسع عينات مغشوشة (أربعة بـ sildenafil وخمسة بـ tadalafil). ومع ذلك، فشلت في تقديم نتائج حاسمة بشأن الغش بـ tadalafil في عينتين، مما يشير إلى الحاجة إلى طرق تأكيدية أو استراتيجيات تفسير طيفي محسنة لبعض الحالات [22].
4.2 متبقيات مبيدات الآفات بواسطة SERS
تسلط الأدلة المنشورة الضوء على أن SERS هي تقنية سريعة وغير متلفة قادرة على اكتشاف مبيدات الآفات بمستويات نزرة (ppm أو ppb) بما يتماشى مع معايير التحكم في الملوثات النباتية [1, 6, 19]. أظهرت إحدى الدراسات قدرة SERS على اكتشاف مبيدات الآفات على أسطح الفاكهة عند مستويات منخفضة تصل إلى 1 ppm، وهو ما يرتبط جيداً بالحدود التنظيمية لمتبقيات مبيدات الآفات للتفاح [6].
أظهرت دراسات SERS الكمية أداء معايرة قوياً. على سبيل المثال، أبلغت دراسة عن معاملات تحديد (R²) بلغت 0.99 لـ omethoate و 0.98 لـ chlorpyrifos، مع حدود كشف (LODs) بلغت 1.63 mg·cm و 2.64 mg·cm، على التوالي. وهذا يؤكد جدوى نماذج المعايرة التي تستخدم شدة قمم SERS المميزة للتقدير الكمي للمتبقيات [17]. في هذه الدراسة، تم استخدام قمم رامان الخاصة بالمادة المراد تحليلها (413 cm لـ omethoate، و 346 cm لـ chlorpyrifos) لرسم خرائط التركيز من خلال نماذج المعايرة [17].
عزز SERS باستخدام جسيمات الذهب النانوية الغروية تشتت رامان لـ 21 مبيداً مختلفاً. تراوحت حدود الكشف من 0.001 إلى 10 ppm، مع تحقيق تحديد متزامن لـ phosmet و thiram على قشر التفاح باستخدام PCA و SERS [7].
بالنسبة لمصفوفات الخضروات الورقية، أظهرت منحنيات المعايرة لمتبقيات مبيدات الآفات phosmet، thiabendazole، و acetamiprid معاملات ارتباط خطي قوية، محققة استرداداً بين 94.67% و 112.89%. أبلغت عمليات التحقق القائمة على الاسترداد عن انحرافات معيارية نسبية بين 3.87% و 8.56%. اكتملت عملية الاختبار بأكملها، بما في ذلك أخذ العينات وتحليل الأطياف والتنبؤ الكمي، في أقل من خمس دقائق، وهو تحسن ملحوظ عن الطرق الكروماتوغرافية التقليدية [16].
في سياق المصفوفة النباتية، أظهر SERS إمكانات في الكشف عن deltamethrin في *Corydalis*. تم تحديد القمة المميزة الأساسية عند 999 cm، مع زيادات في النمذجة أسفرت عن حد كشف منخفض يصل إلى 0.186 mg/L للملاحظة المباشرة عند قمة 999 cm. كما حقق استخدام نموذج PLS مقاييس أداء تنبؤية جيدة [23].
أظهرت أجهزة SERS المحمولة، المقترنة باستخراج QuEChERS acetate، القدرة على اكتشاف متبقيات مبيدات آفات متعددة في أرز البسمتي في غضون 15 دقيقة. تم اكتشاف مبيدات آفات مثل CBM و THI و TRI تحت الحد الأقصى للمتبقيات (MRL) في الاتحاد الأوروبي البالغ 10 ppb. ومع ذلك، ظل حد الكشف لـ ACE عند 800 ppb، مما يسلط الضوء على التباين المحتمل في حساسية المواد المراد تحليلها ضمن سير عمل متعدد المتبقيات [8].
عززت مناهج SERS الديناميكية الحساسية في سياقات القطرة الجالسة (sessile-drop)، مما سمح باكتشاف paraquat، thiabendazole، tricyclazole، و isocarbophos وصولاً إلى مستويات ppm و ppb. يستغل هذا النهج حالة جسيمات نانوية شبه مستقرة أثناء التطاير للحفاظ على القدرة على التمييز في مستخلصات الخضروات المضافة إليها المواد. كما تؤكد العلاقات الخطية بين شدة القمم المميزة ومستويات التركيز صحة هذه الطريقة [18].
4.3 تحديد ملامح السموم الفطرية والعلامات الميكروبية
تفرض المعايير الرقابية اختبار الجودة السمية والميكروبيولوجية للمواد العشبية، مع التركيز بشكل خاص على الأفلاتوكسينات وأوكراتوكسين A [13, 24]. على سبيل المثال، تحدد دراسات USP حداً أقصى لا يتجاوز 5 ppb للأفلاتوكسين B1 ولا يتجاوز 20 ppb لمجموع الأفلاتوكسينات B1، B2، G1، و G2 [19]. تحدد هذه الحدود الحساسية التي يجب أن تحققها طرق الفحص والتأكيد.
نظراً للتركيز الأساسي على تطبيقات الكشف عن مبيدات الآفات والغش بواسطة رامان/SERS، فإن هذه التكنولوجيا هي الأفضل كأداة فحص تكميلية ضمن استراتيجية أوسع للتحكم في الملوثات. وهذا يتماشى مع الإرشادات الرقابية التي تقترح دعم مراقبة الجودة من خلال اختبارات كيميائية مثل المطيافية أو الكروماتوغرافيا، مع دمج التقنيات الناشئة أيضاً [1, 13].
4.4 الاستدلال على المعادن الثقيلة والملوثات غير العضوية
تتطلب EMA اختبار المعادن الثقيلة والشوائب العنصرية الأخرى في المنتجات الطبية العشبية ما لم يتم تبرير خلاف ذلك، مما يضع توقعاً رقابياً لتحديد ملامح الملوثات النزرة في APIs النباتية [13, 24].
في قاعدة أدلة رامان/SERS الحالية، تتم معالجة هذه الملوثات بشكل غير مباشر من خلال تحسين التحكم في هوية المواد الخام، وفحص الغش الأسرع، وإعطاء الأولوية للاختبار التأكيدي للعينات عالية المخاطر. ومع ذلك، لا يتم وضع طرق رامان حالياً كطرق مستقلة للتقدير الكمي للشوائب العنصرية دون التحقق الإضافي أو التقنيات التكميلية [1, 13, 21].
4.5 PAT رامان المضمن والمباشر للمعالجة النباتية
يستخدم إطار تكنولوجيا التحليل العملياتي (PAT) التحليل في الوقت الفعلي لتحسين جودة المنتج والتحكم في العمليات. توصف مطيافية رامان بأنها مناسبة تماماً لهذا الغرض، حيث توفر تحليلاً سريعاً وغير غازي متوافقاً مع ظروف التصنيع أثناء العملية [3].
أحد الأمثلة على رامان-PAT هو استخدام نموذج RS-CARS-PLS لمراقبة عمليات الاستخراج في تصنيع حبيبات Wenxin. بينما أظهر النموذج مراقبة فعالة للعملية، كانت حساسيته للمواد ذات التركيز المنخفض، مثل السكريات، محدودة، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى SERS أو تقنيات تكميلية للكشف عن الملوثات بمستويات نزرة [3].
يفرض النشر الصناعي تحديات إضافية، حيث تتم معظم أبحاث PAT في بيئات مختبرية خاضعة للتحكم. يجب معالجة المتانة والتحكم في التباين من أجل التوسع الناجح والتنفيذ المباشر [3].
4.6 الأداء التحليلي المقارن
توفر مطيافية رامان التقليدية بصمات كيميائية سريعة وغير متلفة دون الحاجة إلى معالجة مسبقة للعينة. في المقابل، يعزز SERS الحساسية للكشف عن الملوثات بمستويات نزرة، محققاً حدود كشف من 1 ppm إلى منخفضة تصل إلى 0.001 ppm لبعض مبيدات الآفات اعتماداً على الطريقة والمصفوفة [4, 5, 6, 7]. على سبيل المثال، أظهر SERS المقترن بالمعايرة اكتشاف مبيدات الآفات في الخضروات الورقية بمعاملات ارتباط تصل إلى 0.98291 واكتمال سير العمل الإجمالي في خمس دقائق فقط [16].
بالنسبة لتطبيقات التحقق، كان PCA مفيداً في تمييز الاختلافات الطيفية الدقيقة في الزيوت الأساسية، وأظهرت تقنيات رامان القائمة على الباركود دقة بنسبة 100% في تحديد المنتجات النهائية المقلدة والأصلية [9–11].
4.7 الأجهزة المحمولة واليدوية لفحص المواد الخام
يتم وضع أجهزة رامان المحمولة كأدوات غير متلفة وفعالة من حيث الوقت قادرة على تحليل المواد العشبية بسرعة دون الحاجة إلى تحضير معقد. كما أنها قابلة للتطبيق لمراقبة الامتثال للصحة والسلامة في المنتجات العشبية، مما يوفر أداة قيمة للفحص داخل المصنع وبعد التسويق [12].
تسلط الإرشادات الرقابية من FDA الضوء على الطرق الناشئة مثل مطيافية رامان الموجهة بالمورفولوجيا (MDRS) كطرق مفيدة لمهام مثل توصيف توزيع حجم الجسيمات عندما تكون مدعومة بالتحقق الصارم. ورغم أنها ليست خاصة بـ APIs النباتية، فإن هذه الطرق توضح قدرة رامان على استكمال التقنيات التحليلية التقليدية [25, 26].
المناقشة
تدعم الأدلة المركبة رامان و SERS كأدوات قيمة للفحص السريع وغير المتلف والمراقبة في الوقت الفعلي ضمن بيئات PAT. يمكن دمج هذه التقنيات بفعالية في تدفقات عمل التحكم في الملوثات وضمان الجودة لـ APIs النباتية [2, 3, 5].
5.1 نقاط قوة رامان و PAT مقابل الطرق الإتلافية الكلاسيكية
تتميز مطيافية رامان بسرعتها وخصائصها غير المتلفة والحد الأدنى من متطلبات تحضير العينات. يوسع SERS هذه الفائدة، مما يتيح الكشف على مستويات نزرة من خلال آليات التعزيز، والتي ثبت أنها تكتشف مبيدات الآفات وصولاً إلى مستويات ppb مع أوقات عمل إجمالية سريعة، مما يجعلها مثالية للفحص الأولي وفرز العينات للاختبار التأكيدي [2, 4, 5, 16].
5.2 القيود
تشمل القيود الرئيسية تحديات الحساسية في طرق رامان الأساسية، خاصة للمواد ذات التركيز المنخفض بدون تعزيز SERS. كما يتطلب الاستخدام الصناعي لـ PAT القائم على رامان التغلب على تحديات التباين والتوسع القوي. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض الاعتماد على نماذج القياس الكيميائي، مثل PCA و PLS، يقدم تعقيداً وعدم يقين محتمل اعتماداً على تباين المصفوفة وتدريب النموذج [3, 9, 22, 23].
الإرشادات الرقابية وأدوات الفحص القائمة على رامان
تدعم الإرشادات الرقابية نهج الجودة للنباتات القائم على مجموع الأدلة، بما في ذلك التحكم في المواد الخام النباتية واختبارات مراقبة الجودة الكيميائية باستخدام الطرق الطيفية و/أو الكروماتوغرافية. يوفر هذا مساراً مفاهيمياً لدمج أدوات الفحص القائمة على رامان في استراتيجيات التحكم الشاملة بدلاً من معاملتها كبدائل مستقلة لجميع المقايسات الكلاسيكية. [1]
تدعو إرشادات FDA صراحةً إلى إجراء اختبارات لمتبقيات مبيدات الآفات والسموم العارضة مثل الأفلاتوكسينات، فضلاً عن المواد الغريبة والمواد المغشوشة. يتماشى هذا مع قدرات رامان/SERS في فحص مبيدات الآفات والكشف عن المواد المغشوشة، مما يعزز الحاجة إلى تغطية فئة الملوثات في برنامج تحكم شامل. [1]
تنص FDA أيضاً على أنه يجب على المتقدمين تقييم التقنيات الحالية والناشئة وتطوير طرق تحليلية متعامدة (orthogonal) لتوفير التحديد والتقدير الكمي المناسبين. يمكن تفسير ذلك على أنه داعم لنشر رامان/SERS كجزء من مجموعة طرق متعامدة مقترنة بطرق تأكيدية مثل LC–MS أو مقايسات أخرى للتقدير الكمي النهائي، خاصة عندما يعتمد أداء SERS على التحكم في المعالجة المسبقة للعينة للتقدير الكمي الدقيق مقارنة بـ LC–MS. [1, 27] ودعماً لهذا الرأي، أفادت دراسة تقارن بين SERS و LC–MS لمبيد أعشاب غير متوقع في مصفوفة معقدة أن SERS أظهر حساسية عالية وكفاءة كشف أعلى للكشف عن الأهداف شديدة الندرة، بينما وفر LC–MS تقديراً كمياً أكثر دقة بفضل المعالجة المسبقة للعينة التي يتم التحكم فيها جيداً. يحفز هذا بنية متدرجة: SERS للكشف السريع الحساس و LC–MS للتقدير الكمي التأكيدي. [27]
في الاتحاد الأوروبي، تحدد إرشادات مواصفات EMA المواصفات وتحدد مجموعات الملوثات التي يجب معالجتها (بما في ذلك المعادن الثقيلة، ومتبقيات مبيدات الآفات، والسموم الفطرية، والتلوث الميكروبي). وتسمح بالاختبار الدوري/المتخطى حيثما يتم تبريره من خلال تقييم المخاطر وبيانات الدفعات، مما يعني أن تدفقات بيانات رامان/PAT يمكن أن تساهم بأدلة داعمة لاستراتيجيات الاختبار القائمة على المخاطر إذا تم التحقق من صحتها وأظهرت قدرتها على اكتشاف الانحرافات ذات الصلة في الوقت المناسب. [13, 14]
5.4 استراتيجية النشر القائمة على المخاطر وإدارة دورة الحياة
تشير إرشادات USP إلى أنه يمكن تحديد مدى الاختبار باستخدام نهج قائم على المخاطر يأخذ في الاعتبار احتمالية التلوث. يدعم هذا استراتيجية يتم فيها تخصيص كثافة فحص رامان/SERS والاختبار التأكيدي بناءً على عوامل الخطر مثل المصدر، والجغرافيا، وتاريخ الدفعات، وبيانات الفحص السابقة. [19] وبالمثل، تشير EMA إلى أن الاختبار الدوري/المتخطى قد يكون مقبولاً حيثما يتم تبريره، وأن التبرير يجب أن يأخذ في الاعتبار المادة النباتية، وظروف الزراعة/الإنتاج، والتلوث من المزارع المجاورة، والمنشأ الجغرافي، وأن يكون مدعوماً بتقييم المخاطر وبيانات الدفعات، مما يعزز الحاجة إلى أنظمة مراقبة غنية بالبيانات بدلاً من التخفيضات العشوائية في الاختبارات. [13]
ضمن هذا السياق القائم على المخاطر، يمكن وضع PAT القائم على رامان كمولد لبصمات أصابع سريعة وقابلة للتكرار ونتائج فحص تدعم مراقبة الاتجاهات والتحديد السريع للدفعات غير الطبيعية، بينما يتم حجز المقايسات التأكيدية للدفعات التي تم الإبلاغ عنها بواسطة الفحص أو للتحقق الدوري من أداء نظام الفحص واستقرار المعايرة. [2, 13] توضح طريقة تحديد هوية API القائمة على الباركود والكشف المحمول عن غش الزيوت الأساسية كيف يمكن لقواعد القرار القوية (تداخل الباركود، النطاقات التشخيصية المكثفة) تبسيط قرارات الفحص في بعض السياقات، بينما يشير التمييز القائم على PCA إلى المواضع التي تتطلب نماذج متعددة المتغيرات للحفاظ على الحساسية لأنماط الغش الدقيقة. [9, 11, 20]
كما أن إدارة دورة الحياة لطرق رامان متضمنة في ملاحظات FDA حول طلبات MDRS: نقص بيانات التحقق من الصحة حول التكرار والدقة يعد قصوراً، مما يؤكد على ضرورة تطوير طرق PAT القائمة على رامان مع توثيق التحقق والأداء كمخرجات مركزية للتفاعلات الرقابية. [25]
5.5 الآفاق المستقبلية
تشير الأدلة إلى اتجاهات تقنية متعددة لزيادة جدوى PAT القائم على رامان للملوثات النزرة. أولاً، يتم وصف التنوع المتزايد في التقنيات (رامان بتحويل فورييه، ورامان الرنيني، ورامان متحد البؤر، و SERS) بأنه ممكن لتعزيز إشارات رامان وتطوير الأجهزة ومعالجة العينات، مما يدعم استراتيجية اختيار متغيرات التقنية وفقاً للمصفوفة واحتياجات الحساسية بدلاً من الاعتماد على تكوين رامان واحد عبر جميع العمليات النباتية. [4]
ثانياً، يمكن تعزيز انتقائية SERS من خلال وظيفية الهياكل النانوية بجزيئات مستقبلة مثل الأبتامرات، مما يشير إلى مسار نحو مقايسات الملوثات النزرة المستهدفة المضمنة في وحدات PAT حيث يمثل التداخل خطراً مهيمناً. [5]
ثالثاً، توصف مناهج SERS القائمة على التصوير بأنها تسمح بالمراقبة والكشف في الوقت الفعلي لتوطين التلوث على أسطح الأنسجة النباتية أو داخلها، مما يشير إلى أن تدفقات عمل APIs النباتية المستقبلية يمكن أن تتضمن رسم خرائط تلوث محدد مكانياً للمواد عالية المخاطر أو للتحقيقات في مسارات التلوث. [5] أخيراً، يتم دعم إمكانات النشر العملي من خلال الاستنتاجات التي تفيد بأنه يمكن تنفيذ SERS بشكل أكبر في أدوات الكشف السريع في الموقع لسلامة الأغذية ومراقبة البيئة، ومن خلال الأدلة على إمكانية استخدام أجهزة رامان المحمولة لمراقبة الامتثال للصحة والسلامة للمنتجات العشبية في سوق المستهلك، مما يؤكد وجود استمرارية من الفحص الميداني إلى أنظمة PAT التصنيعية. [12, 27]
6. الاستنتاجات
تشير هذه الدراسة المفاهيمية وتوليف الأدلة إلى أن مطيافية رامان تتماشى جيداً مع أهداف PAT لأنها سريعة وغير متلفة وغير غازية وبسيطة في تحضير العينات. توصف تطبيقات رامان بأنها تمتد من المختبر إلى خطوط الإنتاج، مما يدعم عرض دورة الحياة لقياسات رامان من فحص المواد الخام الواردة إلى المراقبة أثناء العملية. [2]
يتم تعريف PAT صراحةً بأنه يتيح التحليل في الوقت الفعلي والتحكم في التغذية الراجعة لضمان عمليات إنتاج يمكن التحكم فيها وجودة مثلى. وتوصف المطيافية الاهتزازية بأنها تتيح الكشف السريع والمباشر وفي الوقت الفعلي للجودة الداخلية للأعشاب أثناء المعالجة، مما يوفر أساساً مفاهيمياً لوضع حساسات رامان في التصنيع النباتي. [3]
بالنسبة للملوثات النزرة، يوفر SERS أقوى قاعدة أدلة للحساسية، مع احتمال وصول التعزيز إلى حدود كشف بالغة الندرة على المعادن النبيلة، ومع دراسات مبيدات آفات متعددة تظهر مستويات كشف من ppm إلى ppb وحتى مستويات نانومولية منخفضة مع مقاييس التقدير الكمي وسير عمل سريع (على سبيل المثال، 5 min إجمالي وقت الاختبار؛ <15 min للاستخراج). [5, 8, 16, 18] تعد القياسات الكيميائية ضرورية للعديد من مهام التحقق والتقدير الكمي، حيث يمكن أن يكون الفحص البصري غير كافٍ للكشف عن الغش، بينما أظهر PCA و PLSR أداءً في التمييز والتنبؤ الكمي. [9, 10]
تتمثل القيود الأساسية لتحديد ملامح الملوثات النزرة في الوقت الفعلي في APIs النباتية في قيود الحساسية في نماذج عمليات PAT لرامان غير المعززة (والتي تتضح من خلال LODs العالية نسبياً في مراقبة الاستخراج) وتحديات المتانة/التحقق لتوسيع نطاق PAT من المختبر إلى الإنتاج، إلى جانب عدم اليقين المدفوع بالمصفوفة في بعض حالات فحص المواد المغشوشة. [3, 22] وبناءً على ذلك، فإن التوصية التشغيلية الأكثر دفاعاً والمدعومة بالأدلة هي بنية PAT متدرجة:
- رامان محمول + قياسات كيميائية للفحص السريع للهوية/الغش.
- مقايسات SERS مستهدفة لمتبقيات مبيدات الآفات عالية المخاطر.
- طرق متعامدة تأكيدية عندما يتطلب التقدير الكمي واتخاذ القرار الرقابي ضماناً أعلى، بما يتماشى مع التوقعات الرقابية للطرق المتعامدة والتبرير القائم على المخاطر للاختبار المتخطى. [1, 5, 12, 13, 27]
التمويل
لا يوجد تمويل خارجي. [1]
تضارب المصالح
يعلن المؤلفون عدم وجود تضارب في المصالح. [1]
بيان توفر البيانات
جميع البيانات المستخدمة في هذه الدراسة المفاهيمية مستمدة من المصادر المنشورة والوثائق الرقابية المذكورة والتي تم توليفها هنا. [1, 14]
الشكل 1
الشكل 1. سير عمل PAT المفاهيمي لإدارة مخاطر ملوثات APIs النباتية بدمج رامان و SERS غير المتلفة: فحص المواد الخام النباتية الواردة باستخدام تحديد بصمة رامان السريع وغير المتلف عند نقاط الاستلام/الأرصفة؛ فحوصات الهوية/الغش الكيميائية (مثل التمييز القائم على PCA؛ تأكيد الهوية بتداخل الباركود) لضمان الهوية؛ وحدات SERS مستهدفة لفحص مبيدات الآفات النزرة والتنبؤ الكمي السريع (حساسية من ppm إلى ppb مع أوقات قياس قصيرة)؛ مراقبة رامان أثناء العملية في عمليات وحدات التصنيع المؤطرة تحت PAT كتحليل في الوقت الفعلي وتحكم في التغذية الراجعة؛ وقرارات الاختبار الدوري/المتخطى القائمة على المخاطر والمدعومة بتاريخ الدفعات وتقييمات المخاطر الرسمية بما يتوافق مع إرشادات EMA/USP. [2, 3, 6, 9, 11, 13, 16, 19]
الجدول 2
| فئة الملوثات/الغش | تكوين رامان/SERS | نقاط تكامل PAT |
|---|---|---|
| المعادن الثقيلة | فحص رامان غير المتلف | فحص المواد الخام |
| متبقيات مبيدات الآفات | وحدات SERS المستهدفة | فحص الملوثات النزرة |
| السموم الفطرية | التمييز القياسي الكيميائي | فحوصات التحقق من الهوية |
الجدول 3
| الركيزة الرقابية/الدستورية | التوافق مع PAT القائم على رامان |
|---|---|
| إرشادات USP | فحص معتمد، استراتيجيات اختبار قائمة على المخاطر |
| مواصفات EMA | الامتثال لمجموعات الملوثات، تبرير الاختبار الدوري |
| توصيات FDA | يدعم الطرق المتعامدة، إدارة دورة الحياة |
