Toepassing van niet-destructieve Raman-spectroscopie en Process Analytical Technology (PAT) voor real-time profilering van sporenverontreinigingen in botanische actieve farmaceutische ingrediënten
Abstract
Achtergrond
Botanische actieve farmaceutische ingrediënten (APIs) en botanische geneesmiddelen vereisen kwaliteitsstrategieën die in staat zijn om variabiliteit te beheersen en contaminatierisico's te managen met behulp van een "totality of the evidence"-benadering, inclusief controle van botanische grondstoffen en chemische testen zoals spectroscopische en/of chromatografische methoden. [1] Regelgevende richtlijnen verwachten expliciet testen op residuen van pesticiden en onvoorziene toxines (bijv. aflatoxines), evenals controles gericht op vreemde materialen en vervalsingen, wat motiveert tot snelle screeningsmethoden die kunnen worden ingezet in de gehele toeleveringsketen en productiecyclus. [1]
Doelstelling
Deze conceptuele proof-of-concept en data-synthesestudie evalueert hoe niet-destructieve Raman-spectroscopie (inclusief SERS-versterkte varianten) kan worden geïntegreerd in een Process Analytical Technology (PAT) raamwerk voor real-time of near-real-time profilering van sporenverontreinigingen in botanische APIs, met de nadruk op haalbaarheid, analytische prestaties en implementatiebeperkingen ondersteund door gepubliceerde bewijzen. [2, 3]
Methoden
We hebben bewijs gesynthetiseerd waaruit het volgende bleek:
- De gevoeligheid van Raman voor chemische structuren en de minimale behoefte aan monstervoorbereiding; [2, 4]
- SERS-versterking en representatieve demonstraties van sporen van pesticiden (inclusief ppm- tot sub-ppb-regimes); [5–8]
- Chemometrische strategieën voor de authenticatie van vervalsingen en kwantitatieve voorspelling; [9–11]
- Voorbeelden van procesmonitoring in lijn met PAT en bekende barrières voor industriële vertaling. [3]
Resultaten
In de samengestelde studies maakten Raman en chemometrie onderscheid tussen vervalste essentiële oliën wanneer visuele inspectie onvoldoende was, waarbij PCA zorgde voor spectrale scheiding tussen zuivere en vervalste monsters. [9] Kwantitatieve Raman-modellering (PLSR) bereikte een hoge mate van voorspellingsnauwkeurigheid in concentratie-voorspellingstaken, wat de aannemelijkheid van op kalibratie gebaseerde kwantificering in complexe formuleringen ondersteunt. [10]
Voor sporenverontreinigingen rapporteerden SERS-studies detectie tot 1 ppm op vruchtoppervlakken voor geselecteerde pesticiden en, in ander werk, gemeten LODs variërend van 0.001–10 ppm voor 21 pesticiden met gebruik van colloïdale goud-nanodeeltjes. [6, 7] Handheld SERS met QuEChERS-acetaatextractie detecteerde meerdere pesticiden onder een EU MRL van 10 ppb in basmatirijst voor geselecteerde analyten, waarbij de extractie in minder dan 15 min werd voltooid, wat een pragmatische "screen-first" workflow illustreert. [8]
Voor PAT-gebruik ondersteunen de snelle, niet-destructieve, niet-invasieve metingen van Raman en de mogelijkheid om deze in te zetten van laboratorium tot productielijnen de inline/online monitoring. Bewijs benadrukt echter ook dat het meeste PAT-onderzoek op laboratoriumschaal blijft, en dat Raman-procesmodellen relatief hoge LODs kunnen hebben die laag-geconcentreerde doelwitten missen in extractiemonitoring-settings. [2, 3]
Conclusies
Bewijs ondersteunt een haalbaar Raman/SERS-gestuurd PAT-concept voor het risicomanagement van contaminanten in botanische APIs: zet draagbare Raman in voor de authenticatie van inkomende materialen en screening op vervalsingen; gebruik SERS-modules voor gerichte pesticide-screening; en integreer op Raman gebaseerde multivariate modellen in PAT-controlloops waar procescondities stabiele kalibratie-overdracht en adequate detectiecapaciteit mogelijk maken. [3, 12]
De belangrijkste beperkingen zijn de gevoeligheid voor ultra-sporen in heterogene botanische matrices, fluorescentie en zwakke Raman-signalen, en de validatie/model-overdrachtseisen die nodig zijn voor de acceptatie door regelgevende instanties van gereduceerde of skip-testing benaderingen. [3, 4, 13]
Trefwoorden
- Raman spectroscopy
- SERS
- Process analytical technology
- Botanical API
- Pesticide residues
- Adulterant detection
- Chemometrics
- Real-time monitoring
Inleiding
Botanische geneesmiddelen en botanische APIs worden gereguleerd onder kwaliteitsparadigma's die de nadruk leggen op therapeutische consistentie, ondersteund door een "totality of the evidence"-benadering, inclusief controle van botanische grondstoffen en chemische kwaliteitscontroles waarbij gebruik kan worden gemaakt van spectroscopische en/of chromatografische methoden. [1] Binnen dit paradigma worden contaminatie- en vervalsingsrisico's expliciet genoemd als kwaliteitsaspecten die teststrategieën vereisen, waaronder testen op residuen van pesticiden (inclusief ouder-pesticiden en belangrijke toxische metabolieten) en onvoorziene toxines zoals aflatoxines, evenals controles gericht op vreemde materialen en vervalsingen. [1]
Parallel hieraan definieert de Europese richtlijn voor specificaties van kruidensubstantiies en -preparaten specificaties als de testen, procedures en acceptatiecriteria die worden gebruikt om de kwaliteit bij vrijgave en tijdens de houdbaarheidsperiode te waarborgen, en identificeert groepen contaminanten die waar nodig moeten worden geadresseerd, waaronder zware metalen/elementaire onzuiverheden, residuen van pesticiden en fumiganten, mycotoxines (aflatoxines, ochratoxine A) en microbiële contaminatie. [13, 14] EMA-richtlijnen geven ook aan dat periodieke/skip-testing van residuen van contaminanten acceptabel kan zijn wanneer dit wordt gerechtvaardigd door risicobeoordeling en batchgegevens, waarmee een duidelijke regelgevende prikkel wordt gecreëerd voor snellere screenings- en procesbegripstools die op risico gebaseerde controlestrategieën kunnen rechtvaardigen zonder de veiligheid in gevaar te brengen. [13]
Raman-spectroscopie is een kandidaat voor dergelijke strategieën omdat Raman-verstrooiing chemisch specifieke "fingerprint"-spectra oplevert, en Raman-methoden doorgaans worden gekarakteriseerd als snel, niet-destructief en niet-invasief met een eenvoudige monstervoorbereiding. Dit zijn operationele eigenschappen die aansluiten bij real-time besluitvorming tijdens productie en controle van de toeleveringsketen. [2, 4]
Reviews van farmaceutische Raman-toepassingen beschrijven een inzetgebied dat zich uitstrekt van laboratoriumgebruik tot laadperrons en productielijnen, wat impliceert dat Raman niet alleen kan worden beschouwd als een offline identificatietool, maar ook als een potentiële in-process analytische sensor in een PAT-context. [2] PAT wordt expliciet gedefinieerd als het gebruik van een reeks instrumenten en middelen om real-time analyse en feedbackcontrole te realiseren tijdens industriële productie om een beheersbaar productieproces en optimale productkwaliteit te garanderen. Vibrationele spectroscopietechnieken worden hierbij beschreven als technieken die online, real-time en snelle detectie van interne kwaliteitskenmerken van kruiden tijdens de verwerking mogelijk maken. [3]
De profilering van sporenverontreinigingen in botanische producten is echter analytisch veeleisend en de literatuur wijst op grote uitdagingen bij de vertaling naar de praktijk: het meeste PAT-onderzoek is uitgevoerd op laboratoriumapparatuur waar experimentele omstandigheden eenvoudiger te controleren zijn, en op Raman gebaseerde procesmodellen kunnen relatief hoge LODs hebben die er niet in slagen om laag-geconcentreerde doelwitten te detecteren in gesimuleerde extractiemonitoringstaken. [3] Deze beperkingen motiveren een ontwerpgerichte vraag voor botanische APIs: hoe kan Raman (en SERS-versterkte Raman) worden ingezet binnen een PAT-raamwerk zodat het snelle, niet-destructieve screening biedt en, waar haalbaar, kwantitatieve voorspellingen die robuust zijn voor matrix- en procesvariabiliteit, terwijl het compatibel blijft met op risico gebaseerde regelgevende verwachtingen voor de controle van contaminanten en methodevalidatie? [2, 3, 13]
Dienovereenkomstig is de onderzoeksvraag die hier wordt behandeld: Kunnen gepubliceerde bewijzen over de prestaties van Raman en SERS een praktische PAT-architectuur ondersteunen voor near-real-time profilering van sporenverontreinigingen in botanische APIs die klassieke bevestigingsassays aanvult of trieert? [3, 6, 8] De werkhypothese is dat op Raman gebaseerde niet-destructieve fingerprinting het meest effectief zal zijn als een gelaagd PAT-systeem: (i) Raman + chemometrie voor snelle authenticatie/vervalsingsscreening; (ii) gerichte SERS-modules voor detectie van sporen van pesticiden in relevante matrices; en (iii) proces-Raman-monitoring voor interne kwaliteitskenmerken waar de gevoeligheid adequaat is, waarbij op risico gebaseerde skip-testing wordt gerechtvaardigd door data en batchhistorie in plaats van door sensorimplementatie alleen. [3, 6, 9, 13]
Kwantitatieve voorspelling en op kalibratie gebaseerde inferentie
Voor kwantitatieve voorspelling en op kalibratie gebaseerde inferentie rapporteerde een Raman-studie van methyl eugenol formuleringen vervalst met xylene dat PCA nuttig was voor het differentiëren van Raman-spectrale datasets van verschillende concentraties. Bovendien was een PLSR-model in staat om de concentratie van een onbekend monster met betrouwbaarheid te voorspellen, wat aantoont dat de combinatie van Raman-spectroscopie en PLSR hoge voorspellende prestaties kan leveren. Dit onderstreept het potentieel nut ervan bij het ontwikkelen van kwantitatieve modellen voor bekende risicovolle vervalsingen in botanische APIs wanneer referentiematerialen beschikbaar zijn [10].
Identiteitsbevestiging in eindproducten
Een op barcodes gebaseerde Raman-methode is effectief gebleken voor het bevestigen van de identiteit van APIs in eindproducten. De techniek werkt door het percentage niet-nul overlap te vergelijken tussen de verwachte API-barcode en de barcode van het afgewerkte geneesmiddel, waarbij spectra worden getransformeerd om Raman-pieken te benadrukken [11]. Met deze aanpak werden 18 goedgekeurde afgewerkte geneesmiddelen en negen gesimuleerde vervalsingen met 100% nauwkeurigheid geïdentificeerd. Dit ondersteunt de haalbaarheid van het gebruik van Raman-gebaseerde "fingerprint overlap"-logica voor robuuste identiteitsverificatie in geformuleerde producten, mits de juiste transformatie- en beslissingsregels worden toegepast [11].
Raman-analyse voor botanische 'Look-Alike' risico's
Raman spectrale signatuurbenaderingen zijn ingezet om authentieke monsters te onderscheiden van vervalste monsters in botanische contexten. Analyse van Phansomba/Phellinus-monsters onthulde bijvoorbeeld een duidelijk onderscheid tussen authentieke en vervalste exemplaren. Belangrijke Raman-banden (487, 528, 786, 892, 915 en 1436 cm) kenmerkend voor Phellinus (vooral Ph. merrillii) werden geïdentificeerd, wat suggereert dat er mogelijkheden zijn voor het opbouwen van databases met signatuurbereiken voor inspectieworkflows in andere kruidengeneesmiddelen [21].
Er zijn echter beperkingen. In een screening van 50 kruidensupplementen met claims voor seksuele verbetering detecteerde Raman-spectroscopie negen vervalste monsters (vier met sildenafil en vijf met tadalafil). In twee monsters leverde het echter geen sluitende resultaten op met betrekking tot tadalafil-vervalsing, wat wijst op de noodzaak van bevestigingsmethoden of verbeterde spectrale interpretatiestrategieën voor bepaalde gevallen [22].
4.2 Pesticideresiduen door SERS
Gepubliceerd bewijs benadrukt dat SERS een snelle, niet-destructieve techniek is die in staat is om pesticiden op sporenniveau (ppm of ppb) te detecteren in overeenstemming met de controlenormen voor botanische contaminanten [1, 6, 19]. Eén studie demonstreerde het vermogen van SERS om pesticiden op vruchtoppervlakken te detecteren op niveaus tot 1 ppm, wat goed correleert met de wettelijke residulimieten voor pesticiden voor appels [6].
Kwantitatieve SERS-studies hebben sterke kalibratieprestaties laten zien. Een studie rapporteerde bijvoorbeeld determinatiecoëfficiënten (R²) van 0.99 voor omethoate en 0.98 voor chlorpyrifos, met detectielimieten (LODs) van respectievelijk 1.63 mg·cm en 2.64 mg·cm. Dit onderstreept de haalbaarheid van kalibratiemodellen die gebruikmaken van karakteristieke SERS-piekintensiteiten voor de kwantificering van residuen [17]. In deze studie werden analyt-specifieke Raman-pieken (413 cm voor omethoate, 346 cm voor chlorpyrifos) gebruikt voor concentratie-mapping via kalibratiemodellen [17].
SERS met colloïdale goud-nanodeeltjes heeft de Raman-verstrooiing van 21 verschillende pesticiden verder versterkt. Detectielimieten varieerden van 0.001 tot 10 ppm, waarbij gelijktijdige identificatie van phosmet en thiram op de schil van appels werd bereikt met behulp van PCA en SERS [7].
Voor bladgroentematrices vertoonden kalibratiecurves voor pesticideresiduen van phosmet, thiabendazole en acetamiprid sterke lineaire correlatiecoëfficiënten, met recoveries tussen 94.67% en 112.89%. Op recovery gebaseerde validaties rapporteerden relatieve standaarddeviaties tussen 3.87% en 8.56%. Het gehele testproces, inclusief monstername, spectrumanalyse en kwantitatieve voorspelling, werd voltooid in minder dan vijf minuten, een duidelijke verbetering ten opzichte van traditionele chromatografische methoden [16].
In een botanische matrixcontext toonde SERS potentieel bij het detecteren van deltamethrin in Corydalis. De belangrijkste karakteristieke piek werd geïdentificeerd op 999 cm, waarbij verhogingen in modellering een detectielimiet opleverden van slechts 0.186 mg/L voor directe observatie bij de 999 cm piek. Het gebruik van een PLS-model leverde eveneens goede voorspellende prestatiestatistieken op [23].
Handheld SERS-apparaten, gecombineerd met QuEChERS-acetaatextractie, demonstreerden het vermogen om meerdere pesticideresiduen in basmatirijst binnen 15 minuten te detecteren. Pesticiden zoals CBM, THI en TRI werden gedetecteerd onder de EU maximale residulimiet (MRL) van 10 ppb. De detectielimiet voor ACE bleef echter beperkt tot 800 ppb, wat wijst op potentiële variabiliteit in analytgevoeligheid binnen een multi-residue workflow [8].
Dynamische SERS-benaderingen hebben de gevoeligheid in sessile-drop contexten verbeterd, waardoor detectie van paraquat, thiabendazole, tricyclazole en isocarbophos mogelijk werd tot ppm- en ppb-niveaus. Deze benadering maakt gebruik van een metastabiele nanodeeltjestoestand tijdens vervluchtiging om onderscheidend vermogen te behouden in gespiked groente-extracten. Lineaire relaties tussen karakteristieke piekintensiteiten en concentratieniveaus valideren deze methode verder [18].
4.3 Mycotoxine- en microbiële markerprofilering
Regelgevende normen verplichten kwaliteitsonderzoek naar mycotoxines en microbiologische kwaliteit voor kruidensubstantiies, met name gericht op aflatoxines en ochratoxine A [13, 24]. USP-monografieën specificeren bijvoorbeeld een maximale limiet van NMT 5 ppb voor aflatoxin B1 en NMT 20 ppb voor de som van aflatoxines B1, B2, G1 en G2 [19]. Deze limieten definiëren de gevoeligheid die screenings- en bevestigingsmethoden moeten bereiken.
Vanwege de primaire nadruk op Raman/SERS-pesticidedetectie en toepassingen bij vervalsing, is deze technologie het best gepositioneerd als een aanvullend screeningsinstrument binnen een bredere strategie voor contaminatiecontrole. Dit sluit aan bij de richtlijnen van toezichthouders die suggereren dat kwaliteitscontrole wordt ondersteund door chemische tests zoals spectroscopie of chromatografie, terwijl ook opkomende technologieën worden opgenomen [1, 13].
4.4 Inferentie van zware metalen en anorganische contaminanten
De EMA vereist testen op zware metalen en andere elementaire onzuiverheden in kruidengeneesmiddelen, tenzij anders gerechtvaardigd, wat een regelgevende verwachting schept voor de profilering van sporenverontreinigingen in botanische APIs [13, 24].
In de huidige Raman/SERS-bewijsbasis worden deze contaminanten indirect aangepakt door verbeterde controle van de identiteit van grondstoffen, snellere screening op vervalsing en prioritering van bevestigende tests voor monsters met een hoog risico. Raman-methoden zijn momenteel echter niet gepositioneerd als zelfstandige methoden voor de kwantificering van elementaire onzuiverheden zonder aanvullende validatie of complementaire technologieën [1, 13, 21].
4.5 In-line en on-line Raman PAT voor botanische verwerking
Het Process Analytical Technology (PAT) raamwerk maakt gebruik van real-time analyse om de productkwaliteit en procesbeheersing te optimaliseren. Raman-spectroscopie wordt beschreven als zeer geschikt voor dit doel, omdat het snelle, niet-invasieve analyse biedt die compatibel is met in-process productieomstandigheden [3].
Een voorbeeld van Raman-PAT is het gebruik van een RS-CARS-PLS-model voor het monitoren van extractieprocessen bij de productie van Wenxin-granulaat. Hoewel het model effectieve procesmonitoring liet zien, was de gevoeligheid voor laag-geconcentreerde analyten, zoals sacchariden, beperkt — wat de noodzaak benadrukt voor SERS of complementaire technieken voor het detecteren van contaminanten op sporenniveau [3].
Industriële implementatie brengt extra uitdagingen met zich mee, aangevuld door het feit dat het meeste PAT-onderzoek plaatsvindt in laboratoriumgecontroleerde omgevingen. Robuustheid en beheersing van variabiliteit moeten worden aangepakt voor een succesvolle opschaling en live implementatie [3].
4.6 Vergelijkende analytische prestaties
Conventionele Raman-spectroscopie biedt snelle, niet-destructieve chemische vingerafdrukken zonder dat monstervoorbehandeling nodig is. In contrast hiermee verhoogt SERS de gevoeligheid om contaminanten op sporenniveau te detecteren, waarbij detectielimieten worden bereikt van 1 ppm tot wel 0.001 ppm voor bepaalde pesticiden, afhankelijk van de methode en matrix [4, 5, 6, 7]. Bijvoorbeeld, SERS gekoppeld aan kalibratie demonstreerde pesticidedetectie in bladgroenten met correlatiecoëfficiënten tot 0.98291 en voltooiing van de gehele workflow in slechts vijf minuten [16].
Voor authenticatietoepassingen is PCA nuttig gebleken bij het differentiëren van subtiele spectrale variaties in essentiële oliën, en op barcodes gebaseerde Raman-technieken vertoonden 100% nauwkeurigheid bij het identificeren van vervalste en authentieke eindproducten [9–11].
4.7 Draagbare en handheld instrumentatie voor grondstofscreening
Draagbare Raman-instrumenten worden gepositioneerd als tijdefficiënte, niet-destructieve hulpmiddelen die in staat zijn om kruidenmaterialen snel te analyseren zonder de noodzaak van complexe voorbereiding. Ze zijn ook toepasbaar voor het monitoren van naleving van gezondheids- en veiligheidsvoorschriften in kruidenproducten, en bieden een waardevol hulpmiddel voor zowel screening in de fabriek als na het op de markt brengen [12].
Richtlijnen van de FDA benadrukken opkomende methoden zoals morfologie-gestuurde Raman-spectroscopie (MDRS) als nuttig voor taken zoals karakterisering van de deeltjesgrootteverdeling wanneer deze wordt ondersteund door strikte validatie. Hoewel niet specifiek voor botanische APIs, tonen deze methoden het vermogen van Raman aan om traditionele analytische technieken aan te vullen [25, 26].
Discussie
Het gesynthetiseerde bewijs ondersteunt Raman en SERS als waardevolle hulpmiddelen voor niet-destructieve, snelle screening en real-time monitoring binnen PAT-omgevingen. Deze technologieën kunnen effectief worden geïntegreerd in workflows voor contaminatiecontrole en kwaliteitsborging voor botanische APIs [2, 3, 5].
5.1 Sterke punten van Raman en PAT vs klassieke destructieve methoden
Raman-spectroscopie is voordelig vanwege de snelheid, niet-destructieve eigenschappen en minimale vereisten voor monstervoorbereiding. SERS breidt dit nut uit door detectie op sporenniveau mogelijk te maken via versterkingsmechanismen, waarvan is aangetoond dat het pesticiden kan detecteren tot op ppb-niveau met snelle totale workflowtijden, waardoor het ideaal is voor initiële screening en triage van monsters voor bevestigende tests [2, 4, 5, 16].
5.2 Beperkingen
Belangrijke beperkingen zijn onder meer uitdagingen op het gebied van gevoeligheid in baseline Raman-methoden, vooral voor analyten met een lage concentratie zonder SERS-versterking. Industrieel gebruik van op Raman gebaseerde PAT vereist ook het overwinnen van uitdagingen op het gebied van variabiliteit en robuuste opschaling. Bovendien introduceert de afhankelijkheid van chemometrische modellen, zoals PCA en PLS, complexiteit en potentiële onzekerheid afhankelijk van matrixvariabiliteit en modeltraining [3, 9, 22, 23].
Regelgevende richtlijnen en op Raman gebaseerde screeningstools
Regelgevende richtlijnen ondersteunen een kwaliteitsbenadering voor botanische producten op basis van de "totality of evidence", inclusief controle van botanische grondstoffen en chemische kwaliteitscontroletests met behulp van spectroscopische en/of chromatografische methoden. Dit biedt een conceptueel pad voor de integratie van op Raman gebaseerde screeningstools in algemene controlestrategieën, in plaats van ze te behandelen als zelfstandige vervangers voor alle klassieke assays. [1]
De richtlijnen van de FDA vragen expliciet om tests voor residuen van pesticiden en onvoorziene toxines zoals aflatoxines, evenals vreemde materialen en vervalsingen. Dit sluit aan bij de mogelijkheden van Raman/SERS bij de screening van pesticiden en de detectie van vervalsingen, wat de noodzaak versterkt voor dekking van contaminantenklassen in een uitgebreid controleprogramma. [1]
De FDA stelt ook dat aanvragers de huidige en opkomende technologieën moeten evalueren en orthogonale analytische methoden moeten ontwikkelen om adequate identificatie en kwantificering te bieden. Dit kan worden geïnterpreteerd als ondersteunend voor de inzet van Raman/SERS als onderdeel van een orthogonale methodenset gekoppeld aan bevestigingsmethoden zoals LC–MS of andere assays voor definitieve kwantificering, vooral waar de SERS-prestaties afhankelijk zijn van de controle van de monstervoorbehandeling voor nauwkeurige kwantificeerbaarheid ten opzichte van LC–MS. [1, 27] Ter ondersteuning van deze visie rapporteerde een studie die SERS en LC–MS vergeleek voor een onverwacht herbicide in een complexe matrix, dat SERS een hoge gevoeligheid en een hogere detectie-efficiëntie vertoonde voor de detectie van ultra-sporen, terwijl LC–MS een nauwkeurigere kwantificeerbaarheid bood, gefaciliteerd door een goed gecontroleerde monstervoorbehandeling. Dit motiveert een gelaagde architectuur: SERS voor snelle gevoelige detectie en LC–MS voor bevestigende kwantificering. [27]
In de EU definieert de EMA-richtlijn voor specificaties de specificaties en identificeert de contaminantengroepen die moeten worden geadresseerd (waaronder zware metalen, pesticideresiduen, mycotoxines, microbiële contaminatie). Het staat periodieke/skip-testing toe wanneer dit gerechtvaardigd is door risicobeoordeling en batchgegevens, wat impliceert dat Raman/PAT-datastreams zouden kunnen bijdragen aan ondersteunend bewijs voor op risico gebaseerde teststrategieën als ze gevalideerd zijn en aangetoond is dat ze relevante afwijkingen tijdig detecteren. [13, 14]
5.4 Risicogebaseerde inzetstrategie en levenscyclusbeheer
USP-richtlijnen geven aan dat de mate van testen kan worden bepaald aan de hand van een risicogebaseerde benadering die de waarschijnlijkheid van contaminatie in overweging neemt. Dit ondersteunt een strategie waarbij de intensiteit van Raman/SERS-screening en bevestigende tests worden toegewezen op basis van risicofactoren zoals bron, geografie, batchhistorie en eerdere screeningsgegevens. [19] De EMA geeft eveneens aan dat periodieke/skip-testing acceptabel kan zijn waar dit gerechtvaardigd is, en dat bij de rechtvaardiging rekening moet worden gehouden met plantmateriaal, teelt-/productieomstandigheden, contaminatie door naburige boerderijen, geografische oorsprong, en ondersteund moet worden door risicobeoordeling en batchgegevens. Dit versterkt de noodzaak voor datarijke monitoringsystemen in plaats van ad-hoc verminderingen van testen. [13]
Binnen deze risicogebaseerde context kan op Raman gebaseerde PAT worden gepositioneerd als een generator van snelle, herhaalbare vingerafdrukken en screeningsresultaten die trendmonitoring en snelle identificatie van afwijkende batches ondersteunen, terwijl bevestigende assays gereserveerd blijven voor batches die door screening zijn gemarkeerd of voor periodieke verificatie van de prestaties van het screeningsysteem en de kalibratiestabiliteit. [2, 13] De op barcodes gebaseerde API-identiteitsmethode en handheld detectie van vervalsing van essentiële oliën illustreren hoe robuuste beslissingsregels (barcode-overlap, intense diagnostische banden) de screeningsbeslissingen in sommige contexten kunnen vereenvoudigen, terwijl op PCA gebaseerde discriminatie aangeeft waar multivariate modellen vereist zijn om de gevoeligheid voor subtiele vervalsingspatronen te behouden. [9, 11, 20]
Levenscyclusbeheer voor Raman-methoden wordt ook geïmpliceerd door FDA-observaties over MDRS-indieningen: ontbrekende validatiegegevens over reproduceerbaarheid en nauwkeurigheid is een tekortkoming, wat benadrukt dat op Raman gebaseerde PAT-methoden moeten worden ontwikkeld met validatie- en prestatiedocumentatie als centrale deliverables voor interacties met toezichthouders. [25]
5.5 Toekomstperspectief
Het bewijsmateriaal suggereert meerdere technische richtingen om de haalbaarheid van op Raman gebaseerde PAT voor sporenverontreinigingen te vergroten. Ten eerste wordt een toegenomen variëteit aan technieken (Fourier transform Raman, resonantie Raman, confocale Raman en SERS) beschreven als haalbaar voor het versterken van Raman-signalen en het evolueren van instrumenten en monsterverwerking. Dit ondersteunt een strategie van het selecteren van techniekvarianten op basis van matrix en gevoeligheidsbehoeften in plaats van te vertrouwen op een enkele Raman-configuratie voor alle botanische processen. [4]
Ten tweede kan de selectiviteit van SERS worden verbeterd door nanostructuren te functionaliseren met receptormoleculen zoals aptameren, wat wijst op een pad naar gerichte assays voor sporenverontreinigingen ingebed in PAT-modules waar interferentie een dominant risico is. [5]
Ten derde worden op beeldvorming gebaseerde SERS-benaderingen beschreven als methoden die real-time monitoring en detectie van de lokalisatie van contaminatie op of in plantenweefseloppervlakken mogelijk maken. Dit suggereert dat toekomstige botanische API-workflows ruimtelijk opgeloste contaminatie-mapping zouden kunnen bevatten voor materialen met een hoog risico of voor onderzoek naar contaminatieroutes. [5] Ten slotte wordt de praktische inzetbaarheid ondersteund door conclusies dat SERS verder zou kunnen worden geïmplementeerd in snelle en on-site detectietools voor voedselveiligheid en milieumonitoring, en door bewijs dat draagbare Raman-instrumenten kunnen worden gebruikt om de naleving van gezondheids- en veiligheidsvoorschriften van kruidenproducten op de consumentenmarkt te monitoren, wat een continuüm onderstreept van veldscreening tot industriële PAT-systemen. [12, 27]
6. Conclusies
Deze conceptuele studie naar de synthese van bewijsmateriaal geeft aan dat Raman-spectroscopie goed aansluit bij de PAT-doelstellingen omdat het snel, niet-destructief, niet-invasief en eenvoudig in monstervoorbereiding is. Raman-toepassingen worden beschreven als toepasbaar van laboratorium tot productielijnen, wat een levenscyclusvisie ondersteunt op op Raman gebaseerde metingen, van de screening van inkomende grondstoffen tot in-process monitoring. [2]
PAT wordt expliciet gedefinieerd als het mogelijk maken van real-time analyse en feedbackcontrole om beheersbare productieprocessen en optimale kwaliteit te garanderen. Vibrationele spectroscopie wordt beschreven als een methode die online real-time snelle detectie van de interne kwaliteit van kruiden tijdens de verwerking mogelijk maakt, wat een conceptuele basis biedt voor de plaatsing van Raman-sensoren in de botanische productie. [3]
Voor sporenverontreinigingen biedt SERS de sterkste bewijsbasis voor gevoeligheid, waarbij de versterking potentieel ultra-sporendetectielimieten bereikt op edelmetalen, en waarbij meerdere pesticidenstudies ppm-tot-ppb en zelfs lage nanomolaire detectieregimes aantonen met kwantificeringsstatistieken en snelle workflows (bijv. 5 min totale testtijd; <15 min extractie). [5, 8, 16, 18] Chemometrie is essentieel voor veel authenticiteits- en kwantificeringstaken, aangezien visuele inspectie onvoldoende kan zijn voor de detectie van vervalsingen, terwijl PCA en PLSR bewezen prestaties hebben geleverd op het gebied van discriminatie en kwantitatieve voorspelling. [9, 10]
De belangrijkste beperkingen voor real-time profilering van sporenverontreinigingen in botanische APIs zijn de beperkingen in gevoeligheid bij niet-versterkte Raman PAT-procesmodellen (geïllustreerd door relatief hoge LODs in extractiemonitoring) en uitdagingen op het gebied van robuustheid/validatie voor het opschalen van PAT van laboratorium naar productie, naast matrix-gedreven onzekerheid in sommige gevallen van screening op vervalsingen. [3, 22] Bijgevolg is de meest verdedigbare operationele aanbeveling ondersteund door het bewijs een gelaagde PAT-architectuur:
- Draagbare Raman + chemometrie voor snelle authenticatie/vervalsingsscreening.
- Gerichte SERS-assays voor pesticideresiduen met een hoog risico.
- Bevestigende orthogonale methoden waar kwantificeerbaarheid en regelgevende besluitvorming een hogere mate van zekerheid vereisen, consistent met de regelgevende verwachtingen voor orthogonale methoden en risicogebaseerde rechtvaardiging voor skip-testing. [1, 5, 12, 13, 27]
Financiering
Geen externe financiering. [1]
Belangenverstrengeling
De auteurs verklaren geen belangenverstrengeling te hebben. [1]
Verklaring over de beschikbaarheid van gegevens
Alle gegevens die in deze conceptuele studie zijn gebruikt, zijn afgeleid van de geciteerde gepubliceerde bronnen en regelgevende documenten die hierin zijn gesynthetiseerd. [1, 14]
Figuur 1
Figuur 1. Conceptuele PAT-workflow voor het risicomanagement van contaminanten in botanische APIs met integratie van niet-destructieve Raman en SERS: screening van inkomende botanische grondstoffen met behulp van snelle, niet-destructieve Raman-fingerprinting bij ontvangstpunten; chemometrische authenticatie/vervalsingscontroles (bijv. op PCA gebaseerde discriminatie; identiteitsbevestiging via barcode-overlap) voor identiteitsborging; gerichte SERS-modules voor screening op sporen van pesticiden en snelle kwantitatieve voorspelling (ppm-tot-ppb gevoeligheid met korte meettijden); in-process Raman-monitoring bij productie-eenheden ondergebracht bij PAT als real-time analyse en feedbackcontrole; en risicogebaseerde beslissingen voor periodieke verificatie/skip-testing ondersteund door batchhistorie en formele risicobeoordelingen consistent met EMA/USP-richtlijnen. [2, 3, 6, 9, 11, 13, 16, 19]
Tabel 2
| Categorie verontreiniging/vervalsing | Raman/SERS-configuratie | PAT-integratiepunten |
|---|---|---|
| Zware metalen | Niet-destructieve Raman-screening | Grondstofscreening |
| Pesticideresiduen | Gerichte SERS-modules | Sporenscreening |
| Mycotoxines | Chemometrische discriminatie | Authenticiteitscontroles |
Tabel 3
| Regelgevend/Compendiaal referentiepunt | Afstemming op Raman-gebaseerde PAT |
|---|---|
| USP-richtlijnen | Gevalideerde screening, risicogebaseerde teststrategieën |
| EMA-specificaties | Naleving van contaminantengroepen, rechtvaardiging van periodiek testen |
| FDA-aanbevelingen | Ondersteunt orthogonale methoden, levenscyclusbeheer |
