Analyse und Identifizierung von Rohstoffen (RMID) mit dem tragbaren NIR-Analysator Visum Palm™, unterstützt durch AI

Das tragbare NIR-Analysegerät Visum Palm™ ist ein eigenständiges Spektralphotometer mit integriertem Computer und Touchscreen, das im Bereich von 900-1700 nm arbeitet und für die Identifizierung, Überprüfung und Klassifizierung von pharmazeutischen Rohstoffen nützlich ist. Es verfügt über eine spektrale Auflösung von 256 Pixeln, einen Messbereich von 10 mm Durchmesser und einen Beleuchtungsbereich von 50 mm, wodurch mehr chemische Informationen aus der analysierten Probe gewonnen werden können und es weniger empfindlich als andere Spektralphotometer auf Heterogenitäten reagiert, sogar auf solche, die sich aus der Partikelgröße von sehr ähnlichen Substanzen ergeben. Das Analysegerät verfügt über ein Beleuchtungssystem, das eine große Lichtmenge auf die Probe abstrahlt, und ein Auffangsystem, das die größere Menge an Streulicht nutzt, was besonders bei der Arbeit mit pulverförmigen Substanzen wichtig ist.

Zu seinen Besonderheiten gehört, dass es das einzige NIR-Analysegerät auf dem Markt ist, das über eine KI-gestützte Software verfügt, die es jedem Benutzer ermöglicht, ohne spezielle technische Kenntnisse in der Spektroskopie oder multivariaten Datenanalyse eigene NIRS-Bibliotheken und -Methoden zu entwickeln und diese iterativ nach seinen Bedürfnissen zu bearbeiten, um beispielsweise neue Substanzen einzubeziehen oder eine Klasse mit Proben eines neuen Lieferanten zu verstärken.

Die Visum Master™ Software in ihrer GMP-Version wurde speziell in Übereinstimmung mit der „Guideline on the use of near infrared spectroscopy by the pharmaceutical industry and the data requirements for new submissions and variations“ (2014) der European Medicines Agency und dem Addendum „Defining the Scope of an NIRS Procedure“ (2023) entwickelt. Sie ist auch mit der FDA-Verordnung 21 CFR Part 11 vereinbar.

^{Abbildung 1: Visum Master™ GMP-Version der Software für pharmazeutische Anwender.}

Der Visum Palm™-Analysator ermöglicht die Identifizierung oder Verifizierungsanalyse verschiedener Substanzen in Sekundenschnelle, indem er das von der Probe erfasste Spektrum mit dem durchschnittlichen typischen Spektrum jeder Substanz in der Bibliothek vergleicht. Dieser Vergleich erfolgt auf der Grundlage eines mathematischen Ähnlichkeitskriteriums, das die Unterschiede in einen numerischen Wert umwandelt. Als Ergebnis der Rohstoffanalyse liefert das Visum Palm™-Analysegerät die Klasse mit der höchsten ermittelten Ähnlichkeit (Abbildung 2) und listet die anderen Substanzen in der Reihenfolge der höchsten bis niedrigsten Ähnlichkeit auf.

Im Gegensatz zur Identifizierungsanalyse, die unabhängig von dem zu untersuchenden Material ist, kann der Benutzer bei der Verifizierungsanalyse (Abbildung 4) eine bestimmte Substanz aus der Bibliothek auswählen, um ihre Identität zu bestätigen. Das Ergebnis ist entweder PASS oder FAIL und gibt im letzteren Fall auch die richtige und ähnlichste Substanz an.

^{Abbildung 2: Identifizierung von Rohstoffen           Abbildung 3: Überprüfung PASS/FAIL}

Im Gegensatz dazu ist die Klassifizierung (Abbildung 5) bei der Rohstoffanalyse eine Funktion, die Algorithmen des maschinellen Lernens und keine Ähnlichkeitsalgorithmen verwendet und es ermöglicht, sehr subtile spektrale Unterschiede wie die Partikelgröße oder die Konzentration eines bestimmten Analyten richtig zu unterscheiden (zu klassifizieren), selbst wenn es sich um denselben Wirkstoff oder Hilfsstoff handelt. Es ist eine sehr nützliche Funktion, um Anomalien im Rohmaterial zu identifizieren oder eine Bestätigung der Identifikationsanalyse in problematischen oder zweifelhaften Fällen durchzuführen, in denen die Substanzen spektral sehr ähnlich sind, und so die oben erwähnte Identifikations- oder Verifikationsanalyse zu ergänzen.

In allen oben genannten Fällen wird für jede Messung neben dem Ergebnis auch das Spektrum der analysierten Substanz erhalten (Abbildung 6).

^{Abbildung 4: Klassifizierungsanalyse                   Abbildung 5: Spektrum der einzelnen Messungen}

Visum Palm™ ist der einzige NIR-Analysator auf dem Markt, der es Endanwendern ermöglicht, ihre eigenen NIRS-Bibliotheken oder -Methoden zur Identifizierung, Klassifizierung und Quantifizierung zu entwickeln, ohne dass Techniker oder Spezialisten dazwischengeschaltet werden müssen. Im Folgenden wird grafisch dargestellt, wie sich die auf dem Markt vorhandene Software für die multivariate Datenanalyse – oder auch Chemometrie genannt – zur Entwicklung von NIRS-Methoden und -Kalibrierungen von der Visum Master™-Software von IRIS Technology Solutions unterscheidet.

^{Abbildung 6: (Links)  Chemometrics-Software für die Entwicklung von NIRS-Methoden und Kalibrierungen.  (Rechts)  Entwicklung von NIRS-Methoden zur Identifizierung, Klassifizierung und Quantifizierung mit Visum Master™ Software.}

Das obige grafische Beispiel verdeutlicht, wie Visum Master™ eine Vielzahl wissenschaftlicher und technologischer Aufgaben vereinfacht, die bisher von Chemometrikern oder Spezialisten während der Entwicklungsphase einer NIRS-Methode durchgeführt werden mussten. Darüber hinaus macht die Software es jedem Analytiker möglich, diese Aufgaben selbstständig durchzuführen und die erstellten Methoden bei Bedarf zu bearbeiten, wodurch das Visum Palm™ NIR-Analysegerät zu einem offenen System wird, das mit einer angemessenen Benutzerschulung verschiedene analytische Bedürfnisse abdecken kann und somit die Zugänglichkeit und Nutzbarkeit der NIR-Technik in der Industrie radikal verändert.

Die Visum Master™ Software generiert automatisch eine große Anzahl von aufeinanderfolgenden Vorhersagemodellen, indem sie jedes Mal eine bestimmte Kombination von Vorbehandlungen, Algorithmen und Parametrisierungen anwendet. In allen Fällen wird das Modell mit dem geringsten RMSE und dem geringsten Risiko einer Überanpassung ausgewählt. Es führt auch automatisch einen spektralen Qualitätstest durch, um spektrale Ausreißer zu identifizieren und zu entfernen, d. h. jene Spektren, die im Verhältnis zu einem vordefinierten Variationsbereich für jede Klasse oder jeden Wert als untypisch angesehen werden, und erstellt automatisch einen Bericht über die entwickelte NIRS-Methode mit allen technischen Informationen darüber, wie das Modell generiert wurde, ein Dokument, das besonders nützlich für die externe Validierung einer quantitativen NIRS-Methode zur Freigabe und als unterstützende Dokumentation für Audits ist.

Um eine Bibliothek oder eine Methode zur Identifizierung von Rohstoffen für die Rohstoffanalyse (analog zur Klassifizierung und Quantifizierung) zu erstellen, müssen Sie nur die erfassten Spektren jeder Substanz oder Kalibrierungsprobe importieren und ihren Referenzwert, Namen oder ihre Klasse eingeben. Am Ende des Daten-Uploads erstellt Visum Master™ automatisch die Bibliothek.

Es ist auch möglich, die Bibliothek zu bearbeiten und iterativ zu erweitern, um neue Substanzen oder Probenspektren von einem neuen Lieferanten einzubeziehen. Für jede Bearbeitung wird eine neue Version (v1, v2, …) als Sicherungskopie der vorgenommenen Änderungen erstellt. Am Ende des Prozesses werden die NIRS-Bibliothek oder -Methoden in das tragbare Analysegerät Visum Palm™ exportiert, um sie für die routinemäßige Identifizierung, Klassifizierung und Quantifizierung von Rohstoffen zu verwenden.

^{Abbildung 7: (links) Entwicklung einer NIRS-Rohstoffidentifizierungs- oder -klassifizierungsmethode oder -bibliothek. (rechts). Bearbeiten der Bibliothek zur Identifizierung oder Klassifizierung von Rohstoffen. Hinzufügen neuer Spektren zu einer bestehenden Klasse oder Hinzufügen einer neuen Klasse und ihrer Referenz (Name oder Klasse).}

Die Qualifizierung und Identifizierung von Rohstoffen ist ein wesentlicher Schritt in jeder GMP-Umgebung, und im Gegensatz zu anderen Technologien kann die NIRS-Technik Materialien oder Substanzen identifizieren und klassifizieren oder verschiedene Analyten von Interesse quantifizieren und so die Arbeitsbelastung im Labor oder im Rohmaterial-Empfangslager verringern.

Visum Palm™ bietet einen einzigartigen Wert, der sich von allen anderen Geräten auf dem Markt unterscheidet, da die Erstellung oder Bearbeitung von NIRS-Bibliotheken und -Methoden automatisiert ist und ohne spezifische Kenntnisse der Chemometrie durchgeführt werden kann, obwohl es über einen „Expertenmodus“ für fortgeschrittene Benutzer verfügt, der die Auswahl von Vorverarbeitungen und Algorithmen während der Methodenerstellungsphase ermöglicht und per Lizenz aktiviert wird. Darüber hinaus bietet es den Unterschied, dass es automatisierte Berichte anbietet, die die Arbeit eines jeden Analytikers gegenüber potenziellen Auditoren in Bezug auf die unterstützende Dokumentation und die externe Validierung der verwendeten NIRS-Methode, auch für die Freigabe, erleichtern.

Visum Palm™ bietet die folgenden Vorteile:

• Es ist nützlich für die Identifizierung und Qualifizierung von Materialien, einschließlich fluoreszierender Materialien, die nicht durch Raman-Spektroskopie analysiert werden können.
• Neben der Identifizierung von Rohstoffen kann er auch quantitative Analysen durchführen, z. B. als Ersatz für die Karl-Fischer-Analyse (LoD) von Rohstoffen.
• Es handelt sich um ein eigenständiges Analysegerät mit eingebautem Computer und Touchscreen, das keine Verbindung zu anderen elektronischen Geräten benötigt.
• Es hat eine spektrale Auflösung von 3 nm oder 256 Pixel, einen Messbereich von 10 mm Durchmesser und einen Probenbeleuchtungsbereich von 50 mm. Seine hohe spektrale Auflösung ist derjenigen von NIRS-Laborgeräten sehr ähnlich.
• Es kann als Handgerät oder Tischgerät verwendet werden.
• Es ermöglicht individuelle Berichte über die Messergebnisse in Tabellenform, den Vergleich von Spektren (bei Rohstoffen) und die Einbindung des Firmenlogos.
• Sie kann auch automatisch NIRS-Bibliotheken oder -Methoden erstellen und Berichte für jede dieser Methoden herunterladen. Die Visum Master™-Software in ihrer GMP-Version bietet auch die Möglichkeit, die Betriebsqualifikationen des Geräts mithilfe eines geführten Assistenten und eines Audit-Trail-Berichts mit allen Informationen über die Verwendung des Geräts in Übereinstimmung mit 21 CFR Part 11 zu erstellen.