凍干過(guò)程在線氣體質(zhì)譜的研究

唐樹(shù)培，李保國(guó)，李俊奇，郭柏松

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2上海東富龍科技股份有限公司，上海 201109）

凍干過(guò)程在線氣體質(zhì)譜的研究

唐樹(shù)培1，李保國(guó)1，李俊奇1，郭柏松2

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2上海東富龍科技股份有限公司，上海 201109）

為了探索檢測(cè)生化藥品真空冷凍干燥過(guò)程中凍干室內(nèi)發(fā)生微量漏油和判斷升華干燥結(jié)束點(diǎn)的有效方法，采用質(zhì)譜儀對(duì)凍干機(jī)內(nèi)硅油泄漏和一次升華干燥過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，質(zhì)譜儀能檢測(cè)到凍干室內(nèi)本底硅油量為1×10-12，當(dāng)硅油泄漏量為1×10-6時(shí)，采用質(zhì)譜儀可在15min內(nèi)檢測(cè)到；當(dāng)凍干機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，采用質(zhì)譜儀檢測(cè)N2、O2、H2O、Ar占?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)分別為82.31%、15.68%、1.37%、0.64%，藥品在一次升華干燥過(guò)程后期，4種氣體占?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)分別為82.47%、14.9%、1.75%、0.88%，可用空載凍干室內(nèi)空氣各組分所占比重判斷藥品一次升華干燥過(guò)程的結(jié)束。本研究為凍干機(jī)內(nèi)硅油泄漏和生化藥品凍干進(jìn)程的判斷提供了新方法。

凍干過(guò)程；質(zhì)譜儀；生化藥品；硅油

真空冷凍干燥是生化藥品干燥保存的重要方法，經(jīng)凍干的藥物制劑可以保持原有的理化性質(zhì)和生理活性，有效成分損失少、復(fù)水性強(qiáng)、含水量低，易長(zhǎng)期穩(wěn)定保存［1-3］。但在對(duì)生化藥品凍干過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)凍干產(chǎn)品中被混入雜質(zhì)而影響產(chǎn)品品質(zhì)的情況。若藥品在凍干過(guò)程中混入了雜質(zhì)，尤其是微量雜質(zhì)不宜被發(fā)現(xiàn)，而作為合格產(chǎn)品應(yīng)用于人體內(nèi)，將會(huì)帶來(lái)極大的危害。凍干過(guò)程雜質(zhì)的來(lái)源主要是凍干機(jī)所處環(huán)境空氣中所含有的有害氣體和凍干機(jī)內(nèi)微量硅油泄漏所產(chǎn)生，凍干機(jī)所處操作環(huán)境在生化藥廠凍干車間，通常是嚴(yán)格按照GMP無(wú)菌要求設(shè)計(jì)，產(chǎn)生污染的可能性較小，凍干機(jī)內(nèi)用于導(dǎo)熱的硅油泄漏則是影響凍干產(chǎn)品品質(zhì)的主要因素。因此，檢測(cè)凍干機(jī)內(nèi)是否有硅油等雜質(zhì)的泄漏，對(duì)保證凍干藥品的品質(zhì)具有重要意義［4］。

另外，藥品真空冷凍干燥要依次經(jīng)過(guò)一次干燥和二次干燥階段：一次干燥（primary drying）是在真空低溫下加熱，加熱量主要用于冰升華，樣品中90%以上的水分在一次干燥階段經(jīng)升華除去；二次干燥是對(duì)吸附水的解吸過(guò)程，是在真空下對(duì)已升華干燥的物料進(jìn)行升溫加熱，二次干燥結(jié)束后，樣品剩余水分含量在5%以下［5-8］。因此，判斷一次干燥結(jié)束和二次干燥開(kāi)始的時(shí)間尤為重要。過(guò)早進(jìn)入二次干燥，將會(huì)導(dǎo)致藥品中的殘余冰融化，導(dǎo)致藥品凍干失?。贿^(guò)晚開(kāi)始二次干燥，則會(huì)造成一次干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，既耗時(shí)又耗能［9］。

本文采用質(zhì)譜儀對(duì)凍干過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，檢測(cè)凍干室內(nèi)的氣體成分和油污情況，并用質(zhì)譜儀對(duì)藥品凍干過(guò)程進(jìn)行了在線氣體質(zhì)譜研究，分析樣品凍干過(guò)程主要?dú)怏w成分的變化規(guī)律，探索氣體質(zhì)譜法用于凍干機(jī)內(nèi)硅油微量泄漏和一次升華干燥過(guò)程結(jié)束點(diǎn)判斷的可能性。

1　實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

Lyo-0.5型凍干機(jī)，上海東富龍科技股份有限公司；GZLY-6真空冷凍干燥機(jī)，上海遠(yuǎn)東制藥機(jī)械總廠；Transpector2 CPM質(zhì)譜儀，美國(guó)INFICON公司；二甲基硅油，美國(guó)Dow Corning公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1質(zhì)譜儀檢測(cè)凍干機(jī)內(nèi)漏油實(shí)驗(yàn)

由于凍干機(jī)長(zhǎng)期使用，管道密封性能會(huì)下降，在凍干室內(nèi)可能存在影響凍干產(chǎn)品品質(zhì)的雜質(zhì)主要為硅油。二甲基硅油的分子式為（C2H6SiO）n，其單體的相對(duì)分子質(zhì)量為73，因此可以假定，除去本底和噪聲的影響，若采用質(zhì)譜儀檢測(cè)到凍干室內(nèi)有相對(duì)分子質(zhì)量為73的物質(zhì)存在，即說(shuō)明該凍干機(jī)有硅油泄漏。

在相同工況運(yùn)行條件下，分別對(duì)凍干機(jī)內(nèi)無(wú)硅油和有硅油的情況，采用質(zhì)譜儀對(duì)凍干室內(nèi)氣體進(jìn)行掃描。質(zhì)譜儀掃描抽樣前，進(jìn)行預(yù)熱過(guò)程，以盡可能除去質(zhì)譜儀內(nèi)部的殘留成分，便于實(shí)際掃描結(jié)果的觀察分析［10］。

1.2.2質(zhì)譜儀在線監(jiān)測(cè)凍干機(jī)內(nèi)氣體實(shí)驗(yàn)

采用Lyo-0.5型凍干機(jī)上進(jìn)行凍干實(shí)驗(yàn)，用質(zhì)譜儀對(duì)藥品一次干燥過(guò)程進(jìn)行在線檢測(cè)，分析樣品凍干過(guò)程主要?dú)怏w成分（水蒸氣、氮?dú)?、氧氣等）隨時(shí)間的變化關(guān)系。系統(tǒng)檢測(cè)構(gòu)成如圖1所示。

2　結(jié)果與分析

2.1凍干機(jī)內(nèi)漏油的質(zhì)譜儀檢測(cè)

2.1.1凍干機(jī)內(nèi)無(wú)硅油質(zhì)譜掃描

將性能良好、不存在漏油的凍干機(jī)，在常溫條件下，空載運(yùn)行，設(shè)置凍干室內(nèi)壓力值為0Pa，抽真空，用質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)譜掃描結(jié)果如圖2所示。

從圖2可看到，在檢測(cè)進(jìn)行到一半約11∶18時(shí)，出現(xiàn)各組分含量急劇變化的明顯分界點(diǎn)。在該點(diǎn)左側(cè)為質(zhì)譜儀的預(yù)熱過(guò)程，此時(shí)質(zhì)譜儀與干燥室連接的進(jìn)樣閥未開(kāi)啟，所測(cè)的組分含量為質(zhì)譜儀內(nèi)部殘留的氣體成分，即為“本底”。在該點(diǎn)右側(cè)表示進(jìn)樣閥開(kāi)啟掃描的過(guò)程，此時(shí)，所測(cè)的各氣體成分即為從凍干機(jī)中進(jìn)樣的氣體成分，反映了被測(cè)系統(tǒng)中的情況。未注明的曲線為相對(duì)分子質(zhì)量為73的硅油，采集的各成分含量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1　檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2　無(wú)硅油泄漏凍干機(jī)干燥室質(zhì)譜儀掃描結(jié)果

從表1中可看出，經(jīng)歷預(yù)熱過(guò)程，質(zhì)譜儀內(nèi)各氣體成分含量O2下降約40%，其他氣體均下降80%左右。對(duì)凍干室的氣體進(jìn)行采樣掃描，各氣體成分由剛開(kāi)始進(jìn)樣到檢測(cè)達(dá)到基本穩(wěn)定，含量均有所下降。對(duì)表1中數(shù)據(jù)結(jié)合質(zhì)譜圖進(jìn)行分析得到以下結(jié)果。

表1　凍干機(jī)干燥室質(zhì)譜儀掃描氣體成分含量表

（1）隨預(yù)熱的進(jìn)行，質(zhì)譜儀內(nèi)氣體被真空泵抽走，含量不斷下降。進(jìn)樣開(kāi)始后，質(zhì)譜儀對(duì)凍干機(jī)干燥室內(nèi)氣體進(jìn)行掃描，由于凍干機(jī)自身密封性的原因，開(kāi)始掃描時(shí)系統(tǒng)內(nèi)壓力約為15Pa，而凍干機(jī)設(shè)定運(yùn)行條件為壓力0，常溫。隨著掃描和凍干機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，凍干室內(nèi)壓力不斷下降，各氣體成分含量也不斷下降。

（2）檢測(cè)到相對(duì)分子質(zhì)量為73的物質(zhì)含量進(jìn)樣前后未有變化，且有下降趨勢(shì)，檢測(cè)含量極少，這是由掃描過(guò)程存在的“本底”和“噪音”所造成的，故判斷凍干室內(nèi)沒(méi)有該物質(zhì)存在。

2.1.2凍干機(jī)內(nèi)有硅油質(zhì)譜掃描

在凍干室內(nèi)噴灑200mL二甲基硅油（C2H6SiO）n，設(shè)置凍干機(jī)運(yùn)行條件0Pa，抽真空，常溫，空載運(yùn)行。采用質(zhì)譜儀掃描得到的結(jié)果如圖3和表2所示。

表2　掃描所得凍干機(jī)干燥室氣體成分含量表

由表2結(jié)合圖3可看出，隨質(zhì)譜儀預(yù)熱過(guò)程的進(jìn)行，各氣體成分含量亦有所下降。對(duì)凍干室氣體進(jìn)行采樣掃描，凍干室掃描結(jié)束前后多數(shù)氣體含量均有所下降，唯有分子量為73物質(zhì)成分含量增長(zhǎng)了10倍多。對(duì)表2中數(shù)據(jù)結(jié)合質(zhì)譜圖進(jìn)行分析得到以下結(jié)果。

（1）隨預(yù)熱的進(jìn)行，檢測(cè)到質(zhì)譜儀內(nèi)各氣體含量下降，預(yù)熱13min時(shí)，各氣體成分含量降低。

（2）隨凍干機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，干燥室內(nèi)壓力降低，氧氣、氮?dú)獾榷鄶?shù)氣體含量降低。而由于凍干室內(nèi)噴灑有硅油以模擬實(shí)際的漏油情況，隨著分子擴(kuò)散，質(zhì)譜儀檢測(cè)到的各氣體趨于平穩(wěn)，所檢測(cè)到的硅油量比未進(jìn)樣時(shí)增加了10倍多，故由此可判斷凍干室內(nèi)存在漏油。

圖3　凍干機(jī)干燥室噴灑硅油掃描結(jié)果圖

2.2凍干過(guò)程在線氣體質(zhì)譜監(jiān)測(cè)

采用維庫(kù)溴銨藥液在Lyo-0.5型凍干機(jī)進(jìn)行凍干實(shí)驗(yàn)，設(shè)置一次干燥條件為干燥溫度-5℃、壓力50Pa，凍干結(jié)束后凍干藥品質(zhì)量良好。對(duì)其一次干燥過(guò)程的質(zhì)譜掃描結(jié)果如圖4所示。

表3　維庫(kù)溴銨一次干燥前期掃描氣體含量表

表4　維庫(kù)溴銨一次干燥后期掃描氣體含量表

表5　凍干機(jī)空載運(yùn)行掃描氣體含量表

圖4　維庫(kù)溴銨凍干過(guò)程掃描圖

由圖4可看出，由于該一次干燥過(guò)程設(shè)置凍干室內(nèi)壓力為50Pa，存在不斷的摻氣和排氣過(guò)程，故所得掃描圖中氣體含量隨時(shí)間波動(dòng)較大。為對(duì)氣體含量變化進(jìn)行分析，以圖4中水與氮?dú)?、氧氣明顯交叉的區(qū)域?yàn)榉纸琰c(diǎn)，分別在該交叉區(qū)域兩側(cè)接近端點(diǎn)的部位隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，求平均值來(lái)表示一次干燥前期和后期的氣體含量大小，具體數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

采用同一臺(tái)Lyo-0.5型凍干機(jī)，空載運(yùn)行，并對(duì)該過(guò)程進(jìn)行質(zhì)譜掃描。設(shè)置條件為：溫度-5℃，壓力50Pa。采用質(zhì)譜儀掃描得到的結(jié)果如圖5和表5所示。

由表3、表4結(jié)合圖4可看出，隨著一次升華干燥的進(jìn)行，水蒸氣的含量逐漸下降，由明顯高于氮?dú)夂脱鯕猓℉2O＞N2＞O2＞Ar）逐漸降低至氮?dú)夂脱鯕庖韵拢∟2＞O2＞H2O＞Ar）。在升華干燥開(kāi)始階段N2，O2，H2O，Ar占該4種氣體總量的體積分?jǐn)?shù)分別為：43.29%，9.39%，46.83%，0.49%；升華干燥后期占該4種氣體總量的百分比分別為：82.47%，14.9%，1.75%，0.88%。

圖5　Lyo-0.5凍干機(jī)掃描結(jié)果圖

由表5結(jié)合圖5可看出，對(duì)凍干機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，凍干室內(nèi)空氣的各組分含量大?。篘2＞O2＞H2O＞Ar，N2、O2、H2O、Ar占該4種氣體總量的體積分?jǐn)?shù)分別為82.31%、15.68%、1.37%、0.64%。

對(duì)表3～表5中數(shù)據(jù)結(jié)合質(zhì)譜圖進(jìn)行分析得到以下結(jié)果：隨著藥品一次升華干燥的進(jìn)行，質(zhì)譜儀監(jiān)測(cè)到的藥品中水蒸氣所占比例逐漸下降，氮?dú)?、氧氣所占比重逐漸上升。水蒸氣的含量由開(kāi)始時(shí)的最高逐漸降低，直至低于氮?dú)夂脱鯕獾暮?，回歸到相同工況下空載運(yùn)行的凍干室內(nèi)空氣各組分所占比重的水平，這標(biāo)志著藥品一次升華干燥過(guò)程的結(jié)束。

3　結(jié) 論

為了探索質(zhì)譜儀用于判斷凍干機(jī)內(nèi)硅油微量泄漏及凍干過(guò)程一次升華干燥結(jié)束點(diǎn)的新方法，在相同工況下，分別對(duì)凍干機(jī)內(nèi)無(wú)硅油和有硅油泄漏，采用質(zhì)譜儀對(duì)凍干室內(nèi)進(jìn)行掃描。并用質(zhì)譜儀對(duì)藥品一次升華干燥過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，分析樣品凍干過(guò)程主要?dú)怏w成分（水蒸氣、氮?dú)?、氧氣等）隨時(shí)間的變化關(guān)系，得到如下結(jié)論。

（1）若凍干室內(nèi)存在硅油泄漏，采用質(zhì)譜儀對(duì)凍干室內(nèi)氣體成分檢測(cè)，相對(duì)分子質(zhì)量為73的成分（C2H6SiO）n有明顯上升，則可以斷定凍干室內(nèi)存在有硅油泄漏。

（2）隨生化藥品升華干燥的進(jìn)行，水蒸氣的含量由開(kāi)始時(shí)的最高逐漸降低，直至低于氮?dú)夂脱鯕獾暮?，若監(jiān)測(cè)到凍干室內(nèi)各氣體組分所占比例與空載運(yùn)行時(shí)水平相當(dāng)，則判斷一次升華干燥結(jié)束，質(zhì)譜法可在線判斷凍干進(jìn)程。

［1］ KASPER J C，WINTER G，F(xiàn)RIESS W. Recent advances and further challenges in lyophilization［J］. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，2013，85：162-169.

［2］ 劉建華. 探討冷凍干燥技術(shù)在藥品生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］. 醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2013，34（4）：25-27.

［3］ 李俊奇，李保國(guó). 藥品真空冷凍干燥過(guò)程監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 化工進(jìn)展，2015，34（8）：3128-3132.

［4］ 肖宏偉，黃傳偉，馮雁峰，等. 真空冷凍干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展［J］. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（7）：30-32.

［5］ 華澤釗，劉寶林，左建國(guó). 藥品和食品的冷凍干燥［M］. 北京：科學(xué)出版社，2006.

［6］ 華澤釗. 冷凍干燥新技術(shù)［M］. 北京：科學(xué)出版社，2005.

［7］ VELARDI S A，RASETTO V，BARRESI A A. Dynamic parameters estimation method：advanced manometric temperature measurement approach for freeze-drying monitoring of pharmaceutical solutions ［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research，2008，47：8445-8457.

［8］ 蘇樹(shù)強(qiáng)，丁志華，華澤釗. 凍干過(guò)程中升華界面溫度測(cè)量方法的研究［J］. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（5）：852-854.

［9］ 華澤釗，劉寶林，左建國(guó). 藥品和食品的冷凍干燥［M］. 北京：科學(xué)出版社，2006.

［10］ 陳暉. 四極質(zhì)譜在 CVD CLEAN 中的應(yīng)用［D］. 上海：上海交通大學(xué)微電子學(xué)院，2010.

Study of online gas mass spectrometry for freeze-drying process

TANG Shupei1，LI Baoguo1，LI Junqi1，GUO Baisong2
（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2Shanghai Tofflon Science and Technology Limited Company，Shanghai 201109，China）

In order to find an effective way to test the micro oil leakage and judge the end point of sublimation drying during the biochemical medicine vacuum freeze-drying process，the leakage of silicone oil in the lyophilizer and primary sublimation drying process online were monitored by mass spectrometer. The results showed that the original silicone oil quantity was 1×10-12in the freeze-drying chamber tested by mass spectrometer. The mass spectrometer could test the leakage of silicone oil when the concentration was 1×10-6in 15 minutes. With the lyophilizer no-load running，N2、O2、H2O、and Ar gas accounted for 82.31%、15.68%、1.37%、0.64% respectively. In the late period of medicine primary sublimation drying process，the four gases accounted for 82.47%、14.9%、1.75%、0.88% respectively. Each gas can be used to judge the end of the medicine sublimation drying progress in a no-load freeze-drying chamber. The present study provides a new method for the judgement of silicone oil leakage and biochemical medicine primary freeze - drying progress.

freeze-drying process；mass spectrometer；biochemical medicine；silicone oil

TB 773

A

1000-6613（2016）11-3454-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.010

2016-04-18；修改稿日期：2016-06-22。

上海市教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（14ZZ133）及上海市聯(lián)盟計(jì)劃（LM2014191）項(xiàng)目。

唐樹(shù)培（1990—），男，碩士研究生。E-mail 18516607942@163.com。聯(lián)系人：李保國(guó)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭称泛娃r(nóng)產(chǎn)品加工新技術(shù)（冷卻、保鮮、干燥）。E-mail lbaoguo@126.com。