前言

與許多其他生物制藥工藝一樣，緩沖液制備需要液體化學(xué)品濃度和溫度監(jiān)控，以確保Z 佳工藝性能。混合的準(zhǔn)確性、成分濃度的精確監(jiān)測(cè)以及實(shí)現(xiàn)可重復(fù)、控制產(chǎn)品的一致的對(duì)于緩沖液制備中的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

混合不當(dāng)?shù)木彌_液可能會(huì)對(duì)許多上游和下游緩沖液應(yīng)用產(chǎn)生廣泛的影響。在上游，緩沖液的質(zhì)量控制對(duì)于維持 pH 值和穩(wěn)定的細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境至關(guān)重要。由于大多數(shù)生物制品只能在有限的 pH 范圍內(nèi)茁壯成長(zhǎng)，因此 pH 值超出該特定范圍會(huì)導(dǎo)致酶減慢、停止工作或變性。在下游，混合不當(dāng)?shù)木彌_液會(huì)對(duì)分離和純化條件產(chǎn)生負(fù)面影響。上游或下游的總體影響包括產(chǎn)品損失、收入損失以及質(zhì)量和產(chǎn)量受損。

目前，有許多方法用于測(cè)量化學(xué)濃度，包括折射率、電導(dǎo)率、pH 值和滲透壓。本應(yīng)用說(shuō)明將介紹用于緩沖液制備質(zhì)量控制的折射率技術(shù)。并討論電導(dǎo)率、pH 值和滲透壓——所有這些用于過(guò)程分析技術(shù) (PAT) 在動(dòng)態(tài)范圍、線性、精度、檢測(cè)限 (LOD) 和定量限 (LOQ) 方面面臨的限制。

緩沖液制備的折射率

緩沖液的質(zhì)量控制需要可靠、精確、易于使用且響應(yīng)時(shí)間快。利用折射率——一種直接測(cè)量溶液濃度的光學(xué)技術(shù)——這種 IoR 技術(shù)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的濃度監(jiān)測(cè)。

利用微型光學(xué)傳感器，發(fā)光二極管 (LED) 將光照射到與被測(cè)液體接觸的光學(xué)窗口上。來(lái)自 LED 的光從光學(xué)窗口反射到光電二極管陣列 (PDA) 檢測(cè)器中，臨界角 (θc) 是在光折射到流體中而不是反射回 PDA 檢測(cè)器時(shí)測(cè)量的。液體的折射率由等式 1 確定2，其中 nb 是樣品的折射率，na 是折射計(jì)光學(xué)元件的折射率。然后通過(guò)將 IoR 校準(zhǔn)為液體的濃度來(lái)確定濃度。

隨著液體濃度的變化，θc也隨之變化。

IOR技術(shù)快速(100毫秒)、準(zhǔn)確(優(yōu)于±0.2wt%)測(cè)量θc中的這些變化。它使用100毫秒數(shù)據(jù)速率的內(nèi)部平均值來(lái)提高分辨率，每1秒報(bào)告一次IOR(或濃度)。

此外，由于IOR取決于液體的溫度，因此使用熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)溫度，并自動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)充液體的IOR(從而補(bǔ)償液體的濃度)。

折射率技術(shù)為在線和離線監(jiān)測(cè)工藝液體提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和可重復(fù)的濃度和溫度測(cè)量，并提供必要的監(jiān)測(cè)，以避免緩沖液制備應(yīng)用中的pH漂移和產(chǎn)品變化。在線功能提供實(shí)時(shí)信息，允許對(duì)流程變化做出快速響應(yīng)，而其占用空間較小，能夠在流程中的幾乎任何點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。此外，折射率測(cè)量較pH和電導(dǎo)率更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镮OR是化學(xué)濃度的直接測(cè)量，而pH和電導(dǎo)率取決于流體的電子性質(zhì)，因此從定義上講是對(duì)化學(xué)濃度的間接或推斷測(cè)量3。

測(cè)試和結(jié)果

為了確定常規(guī)液體化學(xué)濃度測(cè)量的Z 佳方法進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，其中包括測(cè)量常用緩沖成分和細(xì)胞培養(yǎng)基組分在水相中的已知濃度。將測(cè)量的折射率與電導(dǎo)率、pH和滲透壓進(jìn)行比較。IOR、電導(dǎo)率和pH值的測(cè)量都是在線實(shí)時(shí)進(jìn)行的，滲透濃度的測(cè)量是使用GRAB樣本離線進(jìn)行的4。

將生物制藥制造中常用的各種緩沖成分連續(xù)添加到溶液中，并進(jìn)行測(cè)量以比較準(zhǔn)確度、精密度和線性度。為了提供所發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集的示例，圖 1 顯示了使用 Entegris IoR 濃度監(jiān)測(cè)器以及電導(dǎo)率和 pH 監(jiān)測(cè)器對(duì)緩沖液 4-(2-羥乙基)-1-哌嗪乙磺酸 (HEPES)5 進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。

圖 1：顯示 pH、電導(dǎo)率和 Entegris IoR 輸出與以 mM 為單位的 HEPES 濃度。將六個(gè) 20 mM 的 HEPES 濃度加標(biāo)添加到氯化鈉溶液中，使 NaCl 中的 HEPES 總濃度為 120 mM。

pH 值和電導(dǎo)率都無(wú)法有效監(jiān)測(cè) HEPES 濃度。電導(dǎo)率確實(shí)隨 HEPES 濃度而變化，但斜率為負(fù)——HEPES 濃度的增加應(yīng)提供增加的電導(dǎo)率測(cè)量。pH 測(cè)量是非線性的，具有變化的負(fù)斜率。HEPES 是一種弱離子有機(jī)緩沖液，這也是電導(dǎo)率測(cè)量性能不佳的原因。Entegris IoR 濃度監(jiān)測(cè)儀顯示出優(yōu)于其他測(cè)量技術(shù)的高分辨率和高線性度6。

使用許多其他常見(jiàn)緩沖液重復(fù)此測(cè)試；表 A 顯示了所測(cè)緩沖溶液的 Entegris IoR 和電導(dǎo)率結(jié)果摘要。

表 A：緩沖液濃度測(cè)量的 IOR 和電導(dǎo)率結(jié)果總結(jié)

在所有七種緩沖液中，折射率都顯示出高線性，并且能夠測(cè)量整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，而在七種緩沖液中的五種中，電導(dǎo)率無(wú)法提供測(cè)量結(jié)果。此外，IoR 的測(cè)量精度通常優(yōu)于 ±10 ppm，而電導(dǎo)率的精度為 ±100 ppm8。

每種測(cè)量技術(shù)的 LOD 和 LOQ 見(jiàn)圖 6。數(shù)據(jù)顯示 IoR 優(yōu)于其他測(cè)量方法， Entegris IoR 提供更強(qiáng)的檢測(cè)能力和定量水平——分別比電導(dǎo)率、滲透壓和 pH 高 2.5、4.2 和 28.6 倍。

圖 2：pH 值、電導(dǎo)率、折射率和滲透壓濃度測(cè)量的檢測(cè)限 (LOD) 和定量限 (LOQ)。9

結(jié)論/總結(jié)

對(duì)于緩沖液的許多關(guān)鍵接觸點(diǎn)，緩沖液制備需要強(qiáng)有力的質(zhì)量控制措施，以確保準(zhǔn)確和精確地保持所需的緩沖液特性。另一個(gè)挑戰(zhàn)是確保過(guò)程的可重復(fù)性。這些測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，與電導(dǎo)率、pH 和滲透壓相比，使用 IoR 測(cè)量在準(zhǔn)確度、精密度、線性、LOD 和 LOQ 方面提供了更好的結(jié)果。Entegris IoR 技術(shù)的在線功能可實(shí)時(shí)提供信息，從而能夠?qū)に囎兓龀隹焖夙憫?yīng)。此外，它將從實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展到全面生產(chǎn)，其占地面積小，能夠在生物制藥過(guò)程中的幾乎任何點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。

參考資料

1.  Schreiber, B., Wacinski, C. and Chiarello, Dr. R., “Index of Refraction as a Quality Control Metric for Liquids in Pharmaceutical Manufacturing,” Pharmaceutical Engineering, 2013. Print.

2.  Halliday, D. and Resnick, R., Fundamentals of Physics, John Wiley and Sons, New York, 1981, pp 693.

3.  Schreiber, B., Wacinski, C. and Chiarello, Dr. R., op. cit.

4.  Schreiber, B., Wacinski, C. and Chiarello, Dr. R., op. cit.

5. HEPES Molecular Formula:  C8H18N2O4S 

6.  Tison, S., “A New Innovation in Chemical Measurement,” Production Insight, VWR International, October 2014.

7.  Lundblad, Roger L., and Macdonald, Fiona.

Handbook of Biochemistry and Molecular Biology. CRC Press, 2010. 4th Ed., illustrated, revised.

8. Tison, S., op. cit.

9.  Schreiber, B., Wacinski, C. and Chiarello, Dr. R., op. cit.