Tillämpning av icke-förstörande ramanspektroskopi och procesanalytisk teknologi (PAT) för realtidsövervakning av spårföroreningar i botaniska aktiva farmaceutiska substanser
Abstract
Bakgrund
Botaniska aktiva farmaceutiska substanser (APIs) och botaniska läkemedelssubstanser kräver kvalitetsstrategier som kan kontrollera variabilitet och hantera föroreningsrisker med hjälp av en ”totality of the evidence”-metod, vilket 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 förfalskningar, vilket motiverar snabba screeningmetoder som kan användas i hela leveranskedjan och tillverkningslivscykeln. [1]
Mål
Denna konceptuella proof-of-concept- och datasyntesstudie utvärderar hur icke-förstörande ramanspektroskopi (inklusive SERS-förstärkta varianter) kan integreras i ett ramverk för procesanalytisk teknologi (PAT) för realtids- eller nära-realtidsövervakning av spårföroreningar 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 spårämnen av bekämpningsmedel (inklusive ppm- till sub-ppb-nivåer); [5–8]
- Kemometriska strategier för autentisering av förfalskningar och kvantitativ prediktion; [9–11]
- PAT-anpassade exempel på processövervakning och kända barriärer för industriell implementering. [3]
Resultat
I de sammanställda studierna särskilde raman och kemometri förfalskade eteriska oljor när visuell inspektion var otillräcklig, där PCA gav spektral separation mellan rena och förfalskade prover. [9] Kvantitativ ramanmodellering (PLSR) uppnådde höga nivåer av prediktionsnoggrannhet i koncentrationsprediktionsuppgifter, vilket stöder rimligheten i kalibreringsbaserad kvantifiering i komplexa formuleringar. [10]
För spårföroreningar rapporterade SERS-studier detektion ner till 1 ppm på fruktytor för utvalda bekämpningsmedel och, i annat arbete, uppmätta LODs som sträckte sig från 0,001–10 ppm över 21 bekämpningsmedel med användning av kolloidala guldnanopartiklar. [6, 7] Handhållen SERS med QuEChERS-acetat-extraktion detekterade flera bekämpningsmedel under EU:s 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. Evidens understryker dock också att den mesta PAT-forskningen förblir i laboratorieskala, och att ramanprocessmodeller kan ha relativt höga LODs som missar målsubstanser med låg koncentration i miljöer för extraktionsövervakning. [2, 3]
Slutsatser
Evidens stöder ett genomförbart Raman/SERS-aktiverat PAT-koncept för riskhantering av föroreningar i botaniska APIs: använd bärbar raman för autentisering av inkommande material och screening av förfalskningar; använd SERS-moduler för riktad screening av bekämpningsmedel; och integrera raman-baserade multivariata modeller i PAT-kontrollslingor där processförhållanden tillåter stabil kalibreringsöverföring och adekvat detektionsförmåga. [3, 12]
De primära begränsningarna är känslighet för ultraspårmål i heterogena botaniska matriser, fluorescens och svaga ramansignaler, samt validerings- och modellöverföringskrav som behövs för regulatoriskt godkännande av reducerade testnings- eller skip-testing-metoder. [3, 4, 13]
Nyckelord
- Raman spectroscopy
- SERS
- Process analytical technology
- Botanical API
- Pesticide residues
- Adulterant detection
- Chemometrics
- Real-time monitoring
Introduktion
Botaniska läkemedelssubstanser och botaniska APIs regleras under kvalitetsparadigm som betonar terapeutisk konsistens stödd av en ”totality of the evidence”-metod, inklusive kontroll av botaniskt råmaterial och kemisk kvalitetskontrolltestning som kan använda spektroskopiska och/eller kromatografiska metoder. [1] Inom detta paradigm nämns risker för kontaminering och förfalskning uttryckligen som kvalitetsaspekter som kräver teststrategier, inklusive tester för resthalter av bekämpningsmedel (inklusive modersubstanser och toxiska huvudmetaboliter) och tillfälliga toxiner såsom aflatoxiner, såväl som kontroller som adresserar främmande material och förfalskningar. [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 föroreningar som bör adresseras vid behov, inklusive tungmetaller/elementära orenheter, rester av bekämpningsmedel och fumeringsmedel, mykotoxiner (aflatoxiner, ochratoxin A) och mikrobiell kontaminering. [13, 14] EMA-riktlinjer indikerar också att periodisk testning/skip-testing av kontamineringsrester kan vara acceptabelt när det motiveras genom riskbedömning och batchdata, vilket skapar ett tydligt regulatoriskt incitament för snabbare screening och verktyg för processförståelse 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 ramanmetoder beskrivs ofta som snabba, icke-förstörande och icke-invasiva med enkel provförberedelse, vilket är operativa egenskaper i linje med realtidsbeslutsfattande under tillverkning och kontroll av leveranskedjan. [2, 4]
Översikter av farmaceutiska ramantillämpningar beskriver ett användningsområde som sträcker sig från laboratorieanvändning till lastkajer och produktionslinjer, vilket innebär att raman kan betraktas inte bara som ett off-line-identifieringsverktyg utan också som en potentiell analytisk sensor i processen 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 detektering av interna kvalitetsattribut hos örter under bearbetning. [3]
Profilering av spårföroreningar i botaniska produkter är dock analytiskt krävande, och litteraturen indikerar betydande utmaningar för 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 med låg koncentration 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 föroreningskontroll och metodvalidering? [2, 3, 13]
Följaktligen är forskningsfrågan som adresseras här: Kan publicerad evidens för Raman- och SERS-prestanda stödja en praktisk PAT-arkitektur för nära-realtidsövervakning av spårföroreningar i botaniska APIs som kompletterar eller triagerar klassiska bekräftande analyser? [3, 6, 8] Arbetshypotesen är att raman-baserad icke-förstörande fingeravtrycksidentifiering kommer att vara mest effektiv som ett nivåindelat PAT-system: (i) Raman + kemometri för snabb autentisering/screening av förfalskningar; (ii) riktade SERS-moduler för detektering av spårämnen av bekämpningsmedel i relevanta matriser; och (iii) raman-processövervakning för interna kvalitetsattribut där känsligheten är adekvat, med riskbaserad skip-testing motiverad av data och batchhistorik snarare än av enbart sensoranvändning. [3, 6, 9, 13]
Kvantitativ prediktion och kalibreringsbaserad slutledning
För kvantitativ prediktion och kalibreringsbaserad slutledning rapporterade en ramanstudie av methyl eugenol-formuleringar förfalskade med xylene att PCA var användbart för att differentiera ramanspektrala dataset med olika koncentrationer. Dessutom kunde en PLSR-modell förutsäga koncentrationen i ett okänt prov med tillförlitlighet, vilket visar att kombinationen av ramanspektroskopi och PLSR kunde uppnå hög prediktiv prestanda. Detta understryker dess potentiella nytta vid utveckling av kvantitativa modeller för kända riskförfalskningar i botaniska APIs när referensmaterial finns tillgängliga [10].
Identitetsbekräftelse i färdiga produkter
En streckkodsbaserad ramanmetod har visat sig vara effektiv för att bekräfta identiteten hos APIs i färdiga produkter. Tekniken fungerar genom att jämföra procentandelen icke-noll-överlappning mellan förväntade API- och färdiga läkemedelsproduktstreckkoder, där spektra transformeras för att betona ramantoppar [11]. Med 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 transformerings- och beslutregler tillämpas [11].
Ramananalys för risker med botaniska ”look-alikes”
Metoder med ramanspektrala signaturer har använts för att skilja äkta prover från förfalskade i botaniska sammanhang. Till exempel avslöjade analys av Phansomba/Phellinus-prover en tydlig separation mellan äkta och förfalskade exemplar. Viktiga ramanband (487, 528, 786, 892, 915 och 1436 cm) karakteristiska för Phellinus (särskilt Ph. merrillii) identifierades, vilket tyder på potentialen att bygga databaser med signaturintervall för inspektionsarbetsflöden i andra örtmediciner [21].
Det finns dock begränsningar. I en screening av 50 växtbaserade kosttillskott med påstådd sexuell prestationshöjande effekt detekterade ramanspektroskopi nio förfalskade prover (fyra med sildenafil och fem med tadalafil). Den misslyckades dock med att ge avgörande resultat angående tadalafil-förfalskning i två prover, vilket indikerar behovet av bekräftande metoder eller förbättrade strategier för spektraltolkning i vissa fall [22].
4.2 Bekämpningsmedelsrester med SERS
Publicerad evidens belyser att SERS är en snabb, icke-förstörande teknik som kan detektera bekämpningsmedel på spårnivå (ppm eller ppb) i linje med standarder för botanisk föroreningskontroll [1, 6, 19]. En studie visade SERS förmåga att detektera bekämpningsmedel på fruktytor vid nivåer så låga som 1 ppm, vilket korrelerade väl med regulatoriska gränsvärden för bekämpningsmedelsrester i äpplen [6].
Kvantitativa SERS-studier har visat stark kalibreringsprestanda. Till exempel rapporterade en studie determinationskoefficienter (R²) på 0,99 för omethoate och 0,98 for chlorpyrifos, med detektionsgränser (LODs) på 1,63 mg·cm och 2,64 mg·cm respektive. Detta understryker genomförbarheten av kalibreringsmodeller som använder karakteristiska SERS-toppintensiteter för kvantifiering av rester [17]. I denna studie användes analytspecifika ramantoppar (413 cm för omethoate, 346 cm för chlorpyrifos) för koncentrationskartläggning via kalibreringsmodeller [17].
SERS med kolloidala guldnanopartiklar har ytterligare förstärkt ramanspridningen från 21 olika bekämpningsmedel. Detektionsgränserna sträckte sig från 0,001 till 10 ppm, och samtidig identifiering av phosmet och thiram uppnåddes på äppelskal med hjälp av PCA och SERS [7].
För bladgrönsaksmatriser uppvisade kalibreringskurvor för bekämpningsmedelsrester av phosmet, thiabendazole och acetamiprid starka linjära korrelationskoefficienter, med återfinningar mellan 94,67% och 112,89%. Valideringar baserade på återfinning 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 matrissammanhang visade SERS potential för att detektera deltamethrin i Corydalis. Den primära 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-enheter, parade med QuEChERS-acetat-extraktion, visade förmågan 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 detektering av paraquat, thiabendazole, tricyclazole och isocarbophos ner till ppm- och ppb-nivåer. Detta tillvägagångssätt utnyttjar ett metastabilt nanopartikeltillstånd under luftning för att bibehålla diskrimineringsförmåga i spetsade grönsaksextrakt. Linjära samband mellan karakteristiska toppintensiteter och koncentrationsnivåer validerar ytterligare denna metod [18].
4.3 Mykotoxin- och mikrobiell markörprofilering
Regulatoriska standarder föreskriver 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 bekräftelsemetoder måste uppnå.
På grund av den primära betoningen på Raman/SERS-detektering av bekämpningsmedel och förfalskningsapplikationer, är denna teknologi bäst positionerad som ett komplementärt screeningverktyg inom en bredare strategi för föroreningskontroll. Detta är i linje med regulatoriska riktlinjer som föreslår att kvalitetskontroll stöds av kemiska tester såsom spektroskopi eller kromatografi, samtidigt som man införlivar framväxande teknologier [1, 13].
4.4 Slutsatser om tungmetaller och oorganiska föroreningar
EMA kräver testning för tungmetaller och andra elementära orenheter i växtbaserade läkemedel om inte annat motiveras, vilket skapar en regulatorisk förväntan på profilering av spårföroreningar i botaniska APIs [13, 24].
I den nuvarande Raman/SERS-evidensbasen adresseras dessa föroreningar indirekt genom förbättrad kontroll av råmaterialidentitet, snabbare screening av förfalskningar och prioritering av bekräftande tester för högriskprover. Ramanmetoder är dock för närvarande inte positionerade som fristående metoder för kvantifiering av elementära orenheter utan ytterligare validering eller kompletterande teknologier [1, 13, 21].
4.5 In-Line och On-Line Raman PAT för botanisk bearbetning
Ramverket för procesanalytisk teknologi (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 processen [3].
Ett exempel på Raman-PAT är användningen av en RS-CARS-PLS-modell för att övervaka extraktionsprocesser vid tillverkning av Wenxin-granulat. Även om modellen visade effektiv processövervakning, var dess känslighet för analyter med låg koncentration, såsom sackarider, begränsad — vilket belyser behovet av SERS eller kompletterande tekniker för att detektera föroreningar 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 drift [3].
4.6 Jämförande analytisk prestanda
Konventionell ramanspektroskopi ger snabba, icke-förstörande kemiska fingeravtryck utan krav på förbehandling av prover. Däremot förbättrar SERS känsligheten för att detektera föroreningar på spårnivå, och uppnår detektionsgränser från 1 ppm till så lågt som 0,001 ppm för vissa bekämpningsmedel beroende på metod och matris [4, 5, 6, 7]. Till exempel visade SERS kopplat till kalibrering detektering av bekämpningsmedel i bladgrönsaker med korrelationskoefficienter upp till 0,98291 och ett fullständigt arbetsflöde på bara fem minuter [16].
För autentiseringsapplikationer har PCA varit användbart för att differentiera subtila spektrala variationer i eteriska oljor, och streckkodsbaserade ramantekniker visade 100% noggrannhet i att identifiera förfalskade och äkta färdiga produkter [9–11].
4.7 Bärbara och handhållna instrument för screening av råmaterial
Bärbara ramaninstrument positioneras som tidseffektiva, icke-förstörande verktyg som snabbt kan analysera växtmaterial utan behov av komplexa förberedelser. De är också tillämpliga för övervakning av efterlevnad av hälsa och säkerhet i växtbaserade produkter, och erbjuder ett värdefullt verktyg för både screening i fabrik och efter marknadsföring [12].
Regulatoriska riktlinjer från FDA lyfter fram framväxande metoder som morfologistyrd ramanspektroskopi (MDRS) som användbara för uppgifter som karakterisering av partikelstorleksfördelning när de stöds av rigorös validering. Även om de inte är specifika för botaniska APIs, visar dessa metoder ramanteknikens förmåga 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 föroreningskontroll och kvalitetssäkring för botaniska APIs [2, 3, 5].
5.1 Styrkor hos Raman och PAT jämfört med klassiska förstörande metoder
Ramanspektroskopi är fördelaktig för sin hastighet, sina icke-förstörande egenskaper och minimala krav på provförberedelse. SERS utökar denna nytta genom att möjliggöra detektering på spårnivå genom förstärkningsmekanismer, vilket har visats detektera bekämpningsmedel ner till ppb-nivåer med snabba totala arbetsflödestider, vilket gör det idealiskt för initial screening och triagering av prover för bekräftande testning [2, 4, 5, 16].
5.2 Begränsningar
Viktiga begränsningar inkluderar utmaningar med känslighet i baslinje-ramanmetoder, 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].
Regulatorisk vägledning och raman-baserade screeningverktyg
Regulatorisk vägledning stöder en kvalitetsmetod för botaniska produkter baserad 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-vägledning kräver uttryckligen tester för resthalter av bekämpningsmedel och tillfälliga toxiner såsom aflatoxiner, såväl som främmande material och förfalskningar. Detta stämmer väl överens med Raman/SERS-kapacitet för screening av bekämpningsmedel och detektering av förfalskningar, vilket förstärker behovet av täckning av föroreningsklasser 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 användning av Raman/SERS som en del av en ortogonal metoduppsättning parad 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 herbiicid i en komplicerad matris att SERS uppvisade hög känslighet och högre detektionseffektivitet för detektering av ultraspårmål, medan LC–MS gav mer exakt kvantifiering underlättad av välkontrollerad provförbehandling. Detta motiverar en nivåindelad arkitektur: SERS för snabb känslig detektering och LC–MS för bekräftande kvantifiering. [27]
Inom EU definierar EMA:s specifikationsvägledning specifikationer och identifierar föroreningsgrupper som bör adresseras (inklusive tungmetaller, bekämpningsmedelsrester, mykotoxiner, mikrobiell kontaminering). Den 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 kunna detektera relevanta avvikelser i rätt tid. [13, 14]
5.4 Riskbaserad implementeringsstrategi och livscykelhantering
USP-vägledning indikerar att omfattningen av testning kan fastställas med hjälp av ett riskbaserat tillvägagångssätt som tar hänsyn till sannolikheten för kontaminering. Detta stöder en strategi där intensiteten för Raman/SERS-screening och bekräftande testning fördelas baserat på riskfaktorer som 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 jordbruk, geografiskt ursprung, och stödjas av riskbedömning och batchdata, vilket förstärker behovet av datarika övervakningssystem snarare än ad hoc-testreduktioner. [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 detektering av förfalskning av eteriska oljor illustrerar hur robusta beslutregler (streckkodsöverlappning, intensiva diagnostiska band) kan förenkla beslut vid screening i vissa sammanhang, medan PCA-baserad diskriminering indikerar var multivariata modeller krävs för att bibehålla känslighet för subtila förfalskningsmönster. [9, 11, 20]
Livscykelhantering för ramanmetoder antyds också av FDA:s observationer om MDRS-ansökningar: saknade valideringsdata om reproducerbarhet och noggrannhet är en brist, vilket understryker att raman-baserade PAT-metoder måste utvecklas med validering och prestandadokumentation som centrala leverabler för regulatorisk interaktion. [25]
5.5 Framtidsutsikter
Evidensen tyder på flera tekniska riktningar för att öka genomförbarheten av raman-baserad PAT för spårföroreningar. För det första beskrivs en ökad variation av tekniker (Fourier-transform-raman, resonansraman, konfokal raman och SERS) som genomförbar för att förstärka ramansignaler och utveckla instrument och provbearbetning, vilket stöder en strategi att välja teknikvarianter enligt matris- och känslighetsbehov snarare än att förlita sig på en enda ramankonfiguration för 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 analyser av spårföroreningar inbäddade i PAT-moduler där interferens är en dominerande risk. [5]
För det tredje beskrivs bildbaserade SERS-metoder som möjliggörare för realtidsövervakning och detektering 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 slutsatser att SERS skulle kunna implementeras ytterligare i verktyg för snabb detektering på plats för livsmedelssäkerhet och miljöövervakning, och av bevis för att bärbara ramaninstrument kan användas för att övervaka efterlevnad av hälsa och säkerhet för örtbaserade produkter på konsumentmarknaden, vilket understryker ett kontinuum från fält-screening till PAT-system i tillverkningen. [12, 27]
6. Slutsatser
Denna konceptuella evidenssyntesstudie indikerar att ramanspektroskopi är väl anpassad till PAT-målen eftersom den är snabb, icke-förstörande, icke-invasiv och enkel i provförberedelsen. Ramantillämpningar beskrivs sträcka sig från laboratorium till produktionslinjer, vilket stöder en livscykelvy 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 möjliggöra online-realtids snabb detektering av örters interna kvalitet under bearbetning, vilket ger en konceptuell grund för placering av ramansensorer i botanisk tillverkning. [3]
För spårföroreningar ger SERS den starkaste evidensbasen för känslighet, med förstärkning som potentiellt kan nå detektionsgränser för ultraspår på ädelmetaller, och med flera bekämpningsmedelsstudier som visar ppm-till-ppb och till och med 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 detektering av förfalskningar, medan PCA och PLSR har visat prestanda för diskriminering och kvantitativ prediktion. [9, 10]
De primära begränsningarna för profilering av spårföroreningar i realtid i botaniska APIs är känslighetsbegränsningar i icke-förstärkta Raman-PAT-processmodeller (illustrerat av relativt höga LODs vid extraktionsövervakning) och utmaningar med robusthet/validering för att skala PAT från laboratorium till produktion, tillsammans med matrisdriven osäkerhet i vissa fall av screening för förfalskningar. [3, 22] Följaktligen är den mest försvarbara operativa rekommendationen som stöds av evidensen en nivåindelad PAT-arkitektur:
- Bärbar raman + kemometri för snabb autentisering/screening av förfalskningar.
- Riktade SERS-analyser för högriskrester av bekämpningsmedel.
- Bekräftande ortogonala metoder där kvantifierbarhet och regulatoriskt beslutsfattande kräver högre säkerhet, i linje med regulatoriska förväntningar på ortogonala metoder och riskbaserad motivering för skip-testing. [1, 5, 12, 13, 27]
Finansiering
Ingen extern finansiering. [1]
Intressekonflikter
Författarna deklarerar inga intressekonflikter. [1]
Datatillgänglighet
All data som används i denna konceptuella studie härrör från de citerade publicerade källorna och regulatoriska dokument som sammanställts häri. [1, 14]
Figur 1
Figur 1. Konceptuellt PAT-arbetsflöde för riskhantering av föroreningar i botaniska APIs som integrerar icke-förstörande Raman och SERS: screening av inkommande botaniskt råmaterial med snabb, icke-förstörande raman-fingeravtrycksidentifiering vid mottagningspunkter/lastkajer; kemometriska autentiserings-/förfalskningskontroller (t.ex. PCA-baserad diskriminering; identitetsbekräftelse via streckkodsöverlappning) för identitetssäkring; riktade SERS-moduler för screening av bekämpningsmedelsrester och snabb kvantitativ prediktion (ppm-till-ppb känslighet med korta mättider); ramanövervakning under processen vid tillverkningsenheter inom ramen för PAT som realtidsanalys och feedbackkontroll; samt beslut om riskbaserad periodisk verifiering/skip-testing som stöds av batchhistorik och formella riskbedömningar i enlighet med EMA/USP-vägledning. [2, 3, 6, 9, 11, 13, 16, 19]
Tabell 2
| Förorenings-/Förfalskningsklass | Raman/SERS-konfiguration | PAT-integrationspunkter |
|---|---|---|
| Tungmetaller | Icke-förstörande raman-screening | Råmaterialscreening |
| Bekämpningsmedelsrester | Riktade SERS-moduler | Spårscreening |
| Mykotoxiner | Kemometrisk diskriminering | Autentiseringskontroller |
Tabell 3
| Regulatoriskt/Kompendialt ankare | Raman-baserad PAT-anpassning |
|---|---|
| USP-vägledning | Validerad screening, riskbaserade teststrategier |
| EMA-specifikationer | Efterlevnad av föroreningsgrupper, motivering för periodisk testning |
| FDA-rekommendationer | Stöder ortogonala metoder, livscykelhantering |
