Icke-förstörande ramanspektroskopi för PAT-baserad detektion av botaniska föroreningar

Tillämpning av icke-förstörande Ramanspektroskopi och Process Analytical Technology (PAT) för realtidsanalys av spårkontaminanter i botaniska aktiva läkemedelssubstanser

Sammanfattning

Bakgrund

Botaniska aktiva läkemedelssubstanser (APIs) och botaniska drogsubstanser kräver kvalitetsstrategier som kan kontrollera variabilitet och hantera kontamineringsrisker genom ett tillvägagångssätt baserat på ”totality of the evidence”. Detta inkluderar kontroll av botaniskt råmaterial och kemiska tester såsom spektroskopiska och/eller kromatografiska metoder. [1] Regulatoriska riktlinjer förväntar sig uttryckligen tester för resthalter av bekämpningsmedel och tillfälliga toxiner (t.ex. aflatoxiner), såväl som kontroller som adresserar främmande material och adulteranter, vilket motiverar snabba screeningmetoder som kan användas i hela försörjningskedjan och tillverkningslivscykeln. [1]

Målsättning

Denna konceptuella proof-of-concept- och datasyntesstudie utvärderar hur icke-förstörande Ramanspektroskopi (inklusive SERS-förstärkta varianter) kan integreras i ett ramverk för Process Analytical Technology (PAT) för spårkontaminantprofilering i realtid eller nära realtid i botaniska APIs, med tonvikt på genomförbarhet, analytisk prestanda och implementeringsbegränsningar stödda av publicerad evidens. [2, 3]

Metoder

Vi sammanställde evidens som visar:

• Ramans känslighet för kemisk struktur och minimala behov av provförberedelse; [2, 4]
• SERS-förstärkning och representativa demonstrationer av spår av bekämpningsmedel (inklusive ppm- till sub-ppb-nivåer); [5–8]
• Kemometriska strategier för autentisering av adulteranter och kvantitativ prediktion; [9–11]
• PAT-anpassade procesövervakningsexempel och kända barriärer för industriell tillämpning. [3]

Resultat

Genom de sammanställda studierna kunde Raman och kemometri särskilja adultererade eteriska oljor när visuell inspektion var otillräcklig, där PCA gav spektral separation mellan rena och adultererade prover. [9] Kvantitativ Raman-modellering (PLSR) uppnådde höga nivåer av prediktionsnoggrannhet i koncentrationsprediktionsuppgifter, vilket stöder rimligheten i kalibreringsbaserad kvantifiering i komplexa formuleringar. [10]

För spårkontaminanter rapporterade SERS-studier detektion ner till 1 ppm på fruktytor för utvalda bekämpningsmedel och, i annat arbete, mätta LODs som sträckte sig från 0.001–10 ppm över 21 bekämpningsmedel med användning av kolloidala guldnanopartiklar. [6, 7] Handhållen SERS med QuEChERS-acetatextraktion detekterade flera bekämpningsmedel under ett EU-MRL på 10 ppb i basmatiris för utvalda analyter, med extraktion slutförd på mindre än 15 min, vilket illustrerar ett pragmatiskt ”screen-first”-arbetsflöde. [8]

För PAT-användning stöder Ramans snabba, icke-förstörande, icke-invasiva mätningar och förmåga att distribueras från laboratorium till produktionslinjer inline/online-övervakning. Evidensen betonar dock också att den mesta PAT-forskningen förblir i laboratorieskala, och att Raman-processmodeller kan ha relativt höga LODs som missar målsubstanser med låg koncentration i inställningar för extraktionsövervakning. [2, 3]

Slutsatser

Evidensen stöder ett genomförbart Raman/SERS-aktiverat PAT-koncept för riskhantering av kontaminanter i botaniska APIs: använd bärbar Raman för autentisering av inkommande material och screening av adulteranter; använd SERS-moduler för riktad screening av bekämpningsmedel; och integrera Raman-baserade multivariata modeller i PAT-kontrollprogram där processförhållanden tillåter stabil kalibreringsöverföring och adekvat detektionsförmåga. [3, 12]

De primära begränsningarna är känslighet för ultraspårämnen i heterogena botaniska matriser, fluorescens och svaga Raman-signaler, samt krav på validering och modellöverföring som behövs för regulatoriskt godkännande av reducerade tester eller ”skip-testing”. [3, 4, 13]

Nyckelord

• Ramanspektroskopi
• SERS
• Process analytical technology
• Botanisk API
• Bekämpningsmedelsrester
• Detektion av adulteranter
• Kemometri
• Realtidsövervakning

Introduktion

Botaniska drogsubstanser och botaniska APIs regleras under kvalitetsparadigm som betonar terapeutisk konsistens stödd av ett tillvägagångssätt baserat på ”totality of the evidence”, inklusive kontroll av botaniskt råmaterial och kemisk kvalitetskontrolltestning som kan använda spektroskopiska och/eller kromatografiska metoder. [1] Inom detta paradigm nämns kontaminerings- och adultereringsrisker uttryckligen som kvalitetsfrågor som kräver teststrategier, inklusive tester för resthalter av bekämpningsmedel (inklusive modersubstanser och toxiska huvudmetaboliter) och tillfälliga toxiner såsom aflatoxiner, samt kontroller som adresserar främmande material och adulteranter. [1]

Parallellt definierar europeiska riktlinjer för specifikationer för växtbaserade substanser och beredningar specifikationer som de tester, procedurer och acceptanskriterier som används för att säkerställa kvalitet vid frisättning och under hållbarhetstid, och identifierar grupper av kontaminanter som bör adresseras vid behov, inklusive tungmetaller/elementära orenheter, resthalter av bekämpningsmedel och gasningsmedel, mykotoxiner (aflatoxiner, ochratoxin A) och mikrobiell kontaminering. [13, 14] EMA-riktlinjer indikerar också att periodisk testning/skip-testing av kontaminantrester kan vara acceptabelt när det motiveras genom riskbedömning och batchdata, vilket skapar ett tydligt regulatoriskt incitament för snabbare screening- och processförståelseverktyg som kan motivera riskbaserade kontrollstrategier utan att kompromissa med säkerheten. [13]

Ramanspektroskopi är en kandidat för sådana strategier eftersom Ramanspridning ger kemiskt specifika ”fingeravtrycksspektra”, och Raman-metoder beskrivs ofta som snabba, icke-förstörande och icke-invasiva med enkel provförberedelse, vilket är operativa egenskaper i linje med beslutsfattande i realtid under tillverkning och kontroll av försörjningskedjan. [2, 4]

Genomgångar av farmaceutiska Raman-tillämpningar beskriver ett användningsområde som sträcker sig från laboratorieanvändning till lastkajer och produktionslinjer, vilket innebär att Raman kan betraktas inte bara som ett off-line-verktyg för identifiering utan också som en potentiell in-process analytisk sensor i ett PAT-sammanhang. [2] PAT definieras uttryckligen som användningen av en serie verktyg och medel för att realisera realtidsanalys och feedbackkontroll under industriell produktion för att säkerställa en kontrollerbar produktionsprocess och optimal produktkvalitet, och vibrationella spektroskopitekniker beskrivs som möjliggörare för online, realtids- och snabb detektion av interna kvalitetsattribut hos örter under bearbetning. [3]

Spårkontaminantprofilering i botaniska substanser är dock analytiskt krävande, och litteraturen indikerar betydande utmaningar vid implementering: den mesta PAT-forskningen har utförts på utrustning i laboratorieskala där experimentella förhållanden är lättare att kontrollera, och Raman-baserade processmodeller kan ha relativt höga LODs som misslyckas med att detektera målsubstanser i låga koncentrationer i simulerade extraktionsövervakningsuppgifter. [3] Dessa begränsningar motiverar en designorienterad fråga för botaniska APIs: hur kan Raman (och SERS-förstärkt Raman) användas inom ett PAT-ramverk så att det ger snabb, icke-förstörande screening och, där det är möjligt, kvantitativa prediktioner som är robusta mot matris- och processvariabilitet, samtidigt som de förblir kompatibla med riskbaserade regulatoriska förväntningar på kontaminantkontroll och metodvalidering? [2, 3, 13]

Följaktligen är den forskningsfråga som adresseras här: Kan publicerad evidens för Raman- och SERS-prestanda stödja en praktisk PAT-arkitektur för spårkontaminantprofilering i nära realtid i botaniska APIs som kompletterar eller triagerar klassiska bekräftande analyser? [3, 6, 8] Arbetshypotesen är att Raman-baserad icke-förstörande identifiering kommer att vara mest effektiv som ett nivåindelat PAT-system: (i) Raman + kemometri för snabb autentisering/adultereringsscreening; (ii) riktade SERS-moduler för spårdetektion av bekämpningsmedel i relevanta matriser; och (iii) process-Raman-övervakning för interna kvalitetsattribut där känsligheten är adekvat, med riskbaserad skip-testing motiverad av data och batchhistorik snarare än av sensoranvändning enbart. [3, 6, 9, 13]

Kvantitativ prediktion och kalibreringsbaserad inferens

För kvantitativ prediktion och kalibreringsbaserad inferens rapporterade en Raman-studie av methyl eugenol-formuleringar adultererade med xylene att PCA var användbart för att differentiera Raman-spektraldata för olika koncentrationer. Dessutom kunde en PLSR-modell förutsäga koncentrationen av ett okänt prov med tillförlitlighet, vilket demonstrerar att kombinationen av Ramanspektroskopi och PLSR kunde uppnå hög prediktiv prestanda. Detta understryker dess potentiella nytta vid utveckling av kvantitativa modeller för kända riskadulteranter i botaniska APIs när referensmaterial finns tillgängliga [10].

Identifieringsbekräftelse i färdiga produkter

En streckkodsbaserad Raman-metod har visat sig vara effektiv för att bekräfta identiteten hos APIs i färdiga produkter. Tekniken fungerar genom att jämföra procentandelen av icke-noll-överlappning mellan förväntade API- och färdiga läkemedelsprodukt-streckkoder, där spektra transformeras för att betona Raman-toppar [11]. Genom att använda detta tillvägagångssätt identifierades 18 godkända färdiga läkemedelsprodukter och nio simulerade förfalskningar med 100% noggrannhet. Detta stöder genomförbarheten av att använda Raman-baserad ”fingerprint overlap”-logik för robust identitetsverifiering i formulerade produkter, förutsatt att lämpliga transformations- och beslutskrav tillämpas [11].

Raman-analys för botaniska 'Look-Alike'-risker

Metoder med Raman-spektrala signaturer har använts för att skilja äkta prover från adultererade i botaniska sammanhang. Till exempel visade analys av Phansomba/Phellinus-prover en tydlig separation mellan äkta och adultererade exemplar. Centrala Raman-band (487, 528, 786, 892, 915 och 1436 cm) karakteristiska för Phellinus (särskilt Ph. merrillii) identifierades, vilket tyder på potentialen för att bygga databaser med signaturintervall för inspektionsarbetsflöden i andra örtbaserade läkemedel [21].

Det finns dock begränsningar. I en screening av 50 örtbaserade kosttillskott med påstådd sexuell prestationshöjande effekt detekterade Ramanspektroskopi nio adultererade prover (fyra med sildenafil och fem med tadalafil). Den lyckades dock inte ge avgörande resultat gällande tadalafil-adulterering i två prover, vilket indikerar behovet av bekräftande metoder eller förbättrade strategier för spektraltolkning i vissa fall [22].

4.2 Bekämpningsmedelsrester genom SERS

Publicerad evidens betonar att SERS är en snabb, icke-förstörande teknik som kan detektera bekämpningsmedel på spårnivå (ppm eller ppb) i enlighet med botaniska kontaminantkontrollstandarder [1, 6, 19]. En studie demonstrerade SERS förmåga att detektera bekämpningsmedel på fruktytor vid nivåer så låga som 1 ppm, vilket korrelerade väl med regulatoriska gränsvärden för bekämpningsmedelsrester för äpplen [6].

Kvantitativa SERS-studier har visat stark kalibreringsprestanda. Till exempel rapporterade en studie determinationskoefficienter (R²) på 0.99 för omethoate och 0.98 för chlorpyrifos, med detektionsgränser (LODs) på 1.63 mg·cm och 2.64 mg·cm respektive. Detta understryker genomförbarheten av kalibreringsmodeller som utnyttjar karakteristiska SERS-toppintensiteter för kvantifiering av rester [17]. I denna studie användes analytspecifika Raman-toppar (413 cm för omethoate, 346 cm för chlorpyrifos) för koncentrationskartläggning genom kalibreringsmodeller [17].

SERS med kolloidala guldnanopartiklar har ytterligare förstärkt Ramanspridning från 21 olika bekämpningsmedel. Detektionsgränserna sträckte sig från 0.001 till 10 ppm, med samtidig identifiering av phosmet och thiram på äppelskal uppnådd med PCA och SERS [7].

För matriser av bladgrönsaker uppvisade kalibreringskurvor för bekämpningsmedelsrester av phosmet, thiabendazole och acetamiprid starka linjära korrelationskoefficienter, med återvinningar mellan 94.67% och 112.89%. Återvinningsbaserade valideringar rapporterade relativa standardavvikelser mellan 3.87% och 8.56%. Hela testprocessen, inklusive provtagning, spektrumanalys och kvantitativ prediktion, slutfördes på under fem minuter, en markant förbättring jämfört med traditionella kromatografiska metoder [16].

I ett botaniskt matris-sammanhang visade SERS potential för att detektera deltamethrin i Corydalis. Den främsta karakteristiska toppen identifierades vid 999 cm, där ökningar i modellering gav en detektionsgräns så låg som 0.186 mg/L för direkt observation vid 999 cm-toppen. Användningen av en PLS-modell uppnådde också goda mått på prediktiv prestanda [23].

Handhållna SERS-instrument, parat med QuEChERS-acetatextraktion, visade förmåga att detektera flera bekämpningsmedelsrester i basmatiris inom 15 minuter. Bekämpningsmedel som CBM, THI och TRI detekterades under EU:s högsta tillåtna resthalt (MRL) på 10 ppb. Detektionsgränsen för ACE förblev dock begränsad till 800 ppb, vilket belyser potentiell variabilitet i analytkänslighet inom ett arbetsflöde för flera rester [8].

Dynamiska SERS-metoder har förbättrat känsligheten i sessile-drop-sammanhang, vilket möjliggör detektion av paraquat, thiabendazole, tricyclazole och isocarbophos ner till ppm- och ppb-nivåer. Detta tillvägagångssätt utnyttjar ett metastabilt nanopartikeltillstånd under flyktiggörande för att bibehålla diskrimineringsförmåga i spetsade grönsaksextrakt. Linjära samband mellan karakteristiska toppintensiteter och koncentrationsnivåer validerar ytterligare denna metod [18].

4.3 Profilering av mykotoxiner och mikrobiella markörer

Regulatoriska standarder kräver testning av mykotoxiner och mikrobiologisk kvalitet för växtbaserade substanser, med särskilt fokus på aflatoxiner och ochratoxin A [13, 24]. Till exempel specificerar USP-monografier en maxgräns på NMT 5 ppb för aflatoxin B1 och NMT 20 ppb för summan av aflatoxiner B1, B2, G1 och G2 [19]. Dessa gränser definierar den känslighet som screening- och bekräftande metoder måste uppnå.

På grund av den primära tonvikten på Raman/SERS-detektion av bekämpningsmedel och adultereringstillämpningar, är denna teknologi bäst positionerad som ett komplementärt screeningverktyg inom en bredare kontaminantkontrollstrategi. Detta är i linje med regulatoriska riktlinjer som föreslår att kvalitetskontroll stöds av kemiska tester som spektroskopi eller kromatografi, samtidigt som man inkluderar framväxande teknologier [1, 13].

4.4 Inferens av tungmetaller och oorganiska kontaminanter

EMA kräver testning för tungmetaller och andra elementära orenheter i växtbaserade läkemedel om inte annat motiveras, vilket skapar en regulatorisk förväntan på spårkontaminantprofilering i botaniska APIs [13, 24].

I den nuvarande Raman/SERS-evidensbasen adresseras dessa kontaminanter indirekt genom förbättrad kontroll av råmaterialidentitet, snabbare screening för adulterering och prioritering av bekräftande tester för högriskprover. Raman-metoder är dock för närvarande inte positionerade som fristående metoder för kvantifiering av elementära orenheter utan ytterligare validering eller komplementära teknologier [1, 13, 21].

4.5 In-Line och On-Line Raman PAT för botanisk bearbetning

Ramverket för Process Analytical Technology (PAT) använder realtidsanalys för att optimera produktkvalitet och processkontroll. Ramanspektroskopi beskrivs som väl lämpad för detta ändamål, då den erbjuder snabb, icke-invasiv analys kompatibel med tillverkningsförhållanden under processens gång [3].

Ett exempel på Raman-PAT är användningen av en RS-CARS-PLS-modell för övervakning av extraktionsprocesser vid tillverkning av Wenxin-granulat. Även om modellen uppvisade effektiv processövervakning, var dess känslighet för analyter i låg koncentration, såsom sackarider, begränsad – vilket belyser behovet av SERS eller komplementära tekniker för att detektera kontaminanter på spårnivå [3].

Industriell implementering innebär ytterligare utmaningar, eftersom den mesta PAT-forskningen sker i laboratoriekontrollerade miljöer. Robusthet och kontroll av variabilitet måste adresseras för framgångsrik uppskalning och implementering i skarp miljö [3].

4.6 Jämförande analytisk prestanda

Konventionell Ramanspektroskopi ger snabba, icke-förstörande kemiska fingeravtryck utan krav på förbehandling av prover. Däremot ökar SERS känsligheten för att detektera kontaminanter på spårnivå, med detektionsgränser från 1 ppm ner till 0.001 ppm för vissa bekämpningsmedel beroende på metod och matris [4, 5, 6, 7]. Till exempel visade SERS kopplat med kalibrering bekämpningsmedelsdetektion i bladgrönsaker med korrelationskoefficienter upp till 0.98291 och ett slutförande av hela arbetsflödet på bara fem minuter [16].

För autentiseringstillämpningar har PCA varit användbart för att särskilja subtila spektrala variationer i eteriska oljor, och streckkodsbaserade Raman-tekniker visade 100% noggrannhet vid identifiering av förfalskade och äkta färdiga produkter [9–11].

4.7 Bärbar och handhållen instrumentering för screening av råmaterial

Bärbara Raman-instrument positioneras som tidseffektiva, icke-förstörande verktyg som snabbt kan analysera växtbaserade material utan behov av komplex förberedelse. De är också tillämpliga för övervakning av efterlevnad av hälso- och säkerhetskrav i växtbaserade produkter, vilket erbjuder ett värdefullt verktyg för screening både i fabrik och efter marknadsintroduktion [12].

Regulatoriska riktlinjer från FDA lyfter fram framväxande metoder som morfologistyrd Ramanspektroskopi (MDRS) som användbara för uppgifter som karakterisering av partikelstorleksdistribution när de stöds av rigorös validering. Även om dessa inte är specifika för botaniska APIs, demonstrerar de förmågan hos Raman att komplettera traditionella analytiska tekniker [25, 26].

Diskussion

Den sammanställda evidensen stöder Raman och SERS som värdefulla verktyg för icke-förstörande, snabb screening och realtidsövervakning inom PAT-miljöer. Dessa teknologier kan effektivt integreras i arbetsflöden för kontaminantkontroll och kvalitetssäkring för botaniska APIs [2, 3, 5].

5.1 Fördelar med Raman och PAT jämfört med klassiska förstörande metoder

Ramanspektroskopi är fördelaktigt för sin snabbhet, sina icke-förstörande egenskaper och minimala krav på provförberedelse. SERS utökar denna nytta genom att möjliggöra detektion på spårnivå genom förstärkningsmekanismer, vilket har visat sig kunna detektera bekämpningsmedel ner till ppb-nivåer med snabba totala tider för arbetsflödet, vilket gör det idealiskt för initial screening och triage av prover för bekräftande tester [2, 4, 5, 16].

5.2 Begränsningar

Viktiga begränsningar inkluderar utmaningar med känslighet i grundläggande Raman-metoder, särskilt för analyter med låg koncentration utan SERS-förstärkning. Industriell användning av Raman-baserad PAT kräver också att man övervinner utmaningar med variabilitet och robust uppskalning. Dessutom introducerar visst beroende av kemometriska modeller, såsom PCA och PLS, komplexitet och potentiell osäkerhet beroende på matrisvariabilitet och modellträning [3, 9, 22, 23].

Regulatoriska riktlinjer och Raman-baserade screeningverktyg

Regulatoriska riktlinjer stöder ett kvalitetstillvägagångssätt för botaniska substanser baserat på ”totality of evidence”, inklusive kontroll av botaniskt råmaterial och kemiska kvalitetskontrolltester med spektroskopiska och/eller kromatografiska metoder. Detta ger en konceptuell väg för Raman-baserade screeningverktyg att integreras i övergripande kontrollstrategier snarare än att behandlas som fristående ersättningar för alla klassiska analyser. [1]

FDA:s riktlinjer kräver uttryckligen tester för resthalter av bekämpningsmedel och tillfälliga toxiner såsom aflatoxiner, samt främmande material och adulteranter. Detta överensstämmer med Raman/SERS-kapaciteten inom bekämpningsmedelsscreening och detektion av adulteranter, vilket förstärker behovet av täckning av kontaminantklasser i ett omfattande kontrollprogram. [1]

FDA anger också att sökande bör utvärdera nuvarande och framväxande teknologier och utveckla ortogonala analytiska metoder för att ge adekvat identifiering och kvantifiering. Detta kan tolkas som stöd för implementering av Raman/SERS som en del av en ortogonal metoduppsättning parat med bekräftande metoder såsom LC–MS eller andra analyser för definitiv kvantifiering, särskilt där SERS-prestanda beror på kontroll av provförbehandling för noggrann kvantifiering i förhållande till LC–MS. [1, 27] Som stöd för denna uppfattning rapporterade en studie som jämförde SERS och LC–MS för en oväntad herbicid i en komplicerad matris att SERS uppvisade hög känslighet och högre detektionseffektivitet för detektion av målsubstanser i ultraspårnivåer, medan LC–MS gav mer exakt kvantifiering underlättad av välkontrollerad provförbehandling. Detta motiverar en nivåindelad arkitektur: SERS för snabb känslig detektion och LC–MS för bekräftande kvantifiering. [27]

Inom EU definierar EMA:s specifikationsriktlinjer specifikationer och identifierar kontaminantgrupper som bör adresseras (inklusive tungmetaller, bekämpningsmedelsrester, mykotoxiner, mikrobiell kontaminering). Det tillåter periodisk testning/skip-testing där det motiveras av riskbedömning och batchdata, vilket innebär att Raman/PAT-dataströmmar kan bidra med stödjande bevis för riskbaserade teststrategier om de valideras och visas detektera relevanta avvikelser i rätt tid. [13, 14]

5.4 Riskbaserad implementeringsstrategi och livscykelhantering

USP-riktlinjer indikerar att omfattningen av testning kan fastställas med ett riskbaserat tillvägagångssätt som tar hänsyn till sannolikheten för kontaminering. Detta stöder en strategi där intensiteten i Raman/SERS-screening och bekräftande tester fördelas baserat på riskfaktorer såsom källa, geografi, batchhistorik och tidigare screeningdata. [19] EMA indikerar på liknande sätt att periodisk testning/skip-testing kan vara acceptabelt där det är motiverat, och att motiveringen bör ta hänsyn till växtmaterial, odlings-/produktionsförhållanden, kontaminering från närliggande gårdar, geografiskt ursprung, samt stödjas av riskbedömning och batchdata, vilket förstärker behovet av datarika övervakningssystem snarare än ad hoc-testereduceringar. [13]

Inom detta riskbaserade sammanhang kan Raman-baserad PAT positioneras som en generator av snabba, repeterbara fingeravtryck och screeningresultat som stöder trendövervakning och snabb identifiering av onormala batcher, medan bekräftande analyser reserveras för batcher som flaggats av screening eller för periodisk verifiering av screeningsystemets prestanda och kalibreringsstabilitet. [2, 13] Den streckkodsbaserade API-identitetsmetoden och handhållen detektion av adulterering i eteriska oljor illustrerar hur robusta beslutskrav (streckkodsöverlappning, intensiva diagnostiska band) kan förenkla screeningbeslut i vissa sammanhang, medan PCA-baserad diskriminering indikerar var multivariata modeller krävs för att bibehålla känslighet mot subtila adultereringsmönster. [9, 11, 20]

Livscykelhantering för Raman-metoder antyds också av FDA:s observationer om MDRS-inlämningar: saknade valideringsdata om reproducerbarhet och noggrannhet är en brist, vilket betonar att Raman-baserade PAT-metoder måste utvecklas med validering och prestandadokumentation som centrala leveranser för regulatoriska interaktioner. [25]

5.5 Framtidsutsikter

Evidensen tyder på flera tekniska inriktningar för att öka genomförbarheten av Raman-baserad PAT för spårkontaminanter. För det första beskrivs en ökad variation av tekniker (Fourier transform Raman, resonans-Raman, konfokal Raman och SERS) som genomförbar för att förstärka Raman-signaler och utveckla instrument och provbearbetning, vilket stöder en strategi att välja teknikvarianter enligt matris- och känslighetsbehov snarare än att förlita sig på en enda Raman-konfiguration över alla botaniska processer. [4]

För det andra kan SERS-selektivitet förbättras genom att funktionalisera nanostrukturer med receptormolekyler såsom aptamerer, vilket indikerar en väg mot riktade spårkontaminantanalyser inbäddade i PAT-moduler där interferens är en dominerande risk. [5]

För det tredje beskrivs bildbaserade SERS-metoder som möjliggörare för realtidsövervakning och detektion av kontamineringslokalisering på eller inuti växtvävnadsytor, vilket tyder på att framtida arbetsflöden för botaniska APIs skulle kunna inkludera spatialt upplöst kontamineringskartläggning för högriskmaterial eller för undersökningar av kontamineringsvägar. [5] Slutligen stöds den praktiska implementeringspotentialen av slutsatserna att SERS ytterligare skulle kunna implementeras i verktyg för snabb detektion på plats för livsmedelssäkerhet och miljöövervakning, samt av evidens för att bärbara Raman-instrument kan användas för att övervaka efterlevnaden av hälso- och säkerhetskrav för örtbaserade produkter på konsumentmarknaden, vilket understryker ett kontinuum från fältscreening till PAT-system i tillverkningen. [12, 27]

6. Slutsatser

Denna konceptuella evidenssyntesstudie indikerar att Ramanspektroskopi är väl i linje med PAT-målsättningar eftersom den är snabb, icke-förstörande, icke-invasiv och enkel i provförberedelsen. Raman-tillämpningar beskrivs spänna från laboratorium till produktionslinjer, vilket stöder en livscykelsyn på Raman-baserad mätning från screening av inkommande råmaterial till övervakning under processen. [2]

PAT definieras uttryckligen som att möjliggöra realtidsanalys och feedbackkontroll för att säkerställa kontrollerbara produktionsprocesser och optimal kvalitet. Vibrationell spektroskopi beskrivs som att möjliggöra online realtids- och snabb detektion av örters interna kvalitet under bearbetning, vilket ger en konceptuell grund för placering av Raman-sensorer i botanisk tillverkning. [3]

För spårkontaminanter ger SERS den starkaste evidensbasen för känslighet, med förstärkning som potentiellt når detektionsgränser för ultraspår på ädelmetaller, och med flera bekämpningsmedelsstudier som demonstrerar ppm-till-ppb och även låga nanomolära detektionsregimer med kvantifieringsmått och snabba arbetsflöden (t.ex. 5 min total testtid; <15 min extraktion). [5, 8, 16, 18] Kemometri är avgörande för många autentiserings- och kvantifieringsuppgifter, eftersom visuell inspektion kan vara otillräcklig för detektion av adulterering, medan PCA och PLSR har visat prestanda för diskriminering och kvantitativ prediktion. [9, 10]

De primära begränsningarna för spårkontaminantprofilering i realtid i botaniska APIs är känslighetsbegränsningar i icke-förstärkta Raman PAT-processmodeller (illustrerat av relativt höga LODs vid extraktionsövervakning) och utmaningar gällande robusthet/validering för att skala PAT från laboratorium till produktion, tillsammans med matrisdriven osäkerhet i vissa fall av adultereringsscreening. [3, 22] Följaktligen är den mest försvarbara operativa rekommendationen som stöds av evidensen en nivåindelad PAT-arkitektur:

1. Bärbar Raman + kemometri för snabb autentisering/adultereringsscreening.
2. Riktade SERS-analyser för högriskrester av bekämpningsmedel.
3. Bekräftande ortogonala metoder där kvantifiering och regulatoriskt beslutsfattande kräver högre säkerhet, i enlighet med regulatoriska förväntningar på ortogonala metoder och riskbaserad motivering för skip-testing. [1, 5, 12, 13, 27]

Finansiering

Ingen extern finansiering. [1]

Intressekonflikter

Författarna förklarar inga intressekonflikter. [1]

Data Availability Statement

All data som används i denna konceptuella studie härrör från de citerade publicerade källorna och regulatoriska dokumenten som syntetiserats häri. [1, 14]

Figur 1

Figur 1. Konceptuellt PAT-arbetsflöde för riskhantering av kontaminanter i botaniska APIs som integrerar icke-förstörande Raman och SERS: screening av inkommande botaniskt råmaterial med snabb, icke-förstörande Raman-identifiering vid mottagnings-/kajplatser; kemometriska autentiserings-/adultereringskontroller (t.ex. PCA-baserad diskriminering; streckkodsöverlappning för identitetsbekräftelse) för identitetssäkring; riktade SERS-moduler för screening av spår av bekämpningsmedel och snabb kvantitativ prediktion (ppm-till-ppb känslighet med korta mättider); in-process Raman-övervakning vid tillverkningsenhetsoperationer inramade under PAT som realtidsanalys och feedbackkontroll; samt riskbaserade beslut om periodisk verifiering/skip-testing som stöds av batchhistorik och formella riskbedömningar i enlighet med EMA/USP-riktlinjer. [2, 3, 6, 9, 11, 13, 16, 19]

Tabell 2

Tabell 3