缓冲液制备：通过折射率改进生物制药制造中的过程分析技术 (PAT)

前言

与许多其他生物制药工艺一样，缓冲液制备需要液体化学品浓度和温度监控，以确保最 佳工艺性能。混合的准确性、成分浓度的精确监测以及实现可重复、控制产品的一致的对于缓冲液制备中的质量控制至关重要。

混合不当的缓冲液可能会对许多上游和下游缓冲液应用产生广泛的影响。在上游，缓冲液的质量控制对于维持 pH 值和稳定的细胞生长环境至关重要。由于大多数生物制品只能在有限的 pH 范围内茁壮成长，因此 pH 值超出该特定范围会导致酶减慢、停止工作或变性。在下游，混合不当的缓冲液会对分离和纯化条件产生负面影响。上游或下游的总体影响包括产品损失、收入损失以及质量和产量受损。

目前，有许多方法用于测量化学浓度，包括折射率、电导率、pH 值和渗透压。本应用说明将介绍用于缓冲液制备质量控制的折射率技术。并讨论电导率、pH 值和渗透压——所有这些用于过程分析技术 (PAT) 在动态范围、线性、精度、检测限 (LOD) 和定量限 (LOQ) 方面面临的限制。

缓冲液制备的折射率

缓冲液的质量控制需要可靠、精确、易于使用且响应时间快。利用折射率——一种直接测量溶液浓度的光学技术——这种 IoR 技术提供实时、准确的浓度监测。

利用微型光学传感器，发光二极管 (LED) 将光照射到与被测液体接触的光学窗口上。来自 LED 的光从光学窗口反射到光电二极管阵列 (PDA) 检测器中，临界角 (θc) 是在光折射到流体中而不是反射回 PDA 检测器时测量的。液体的折射率由等式 1 确定2，其中 nb 是样品的折射率，na 是折射计光学元件的折射率。然后通过将 IoR 校准为液体的浓度来确定浓度。

随着液体浓度的变化，θc也随之变化。

IOR技术快速(100毫秒)、准确(优于±0.2wt%)测量θc中的这些变化。它使用100毫秒数据速率的内部平均值来提高分辨率，每1秒报告一次IOR(或浓度)。

此外，由于IOR取决于液体的温度，因此使用热敏电阻来监测温度，并自动实时补充液体的IOR(从而补偿液体的浓度)。

折射率技术为在线和离线监测工艺液体提供实时、准确和可重复的浓度和温度测量，并提供必要的监测，以避免缓冲液制备应用中的pH漂移和产品变化。在线功能提供实时信息，允许对流程变化做出快速响应，而其占用空间较小，能够在流程中的几乎任何点进行监控。此外，折射率测量较pH和电导率更具优势，因为IOR是化学浓度的直接测量，而pH和电导率取决于流体的电子性质，因此从定义上讲是对化学浓度的间接或推断测量3。

测试和结果

为了确定常规液体化学浓度测量的最 佳方法进行了相关测试，其中包括测量常用缓冲成分和细胞培养基组分在水相中的已知浓度。将测量的折射率与电导率、pH和渗透压进行比较。IOR、电导率和pH值的测量都是在线实时进行的，渗透浓度的测量是使用GRAB样本离线进行的4。

将生物制药制造中常用的各种缓冲成分连续添加到溶液中，并进行测量以比较准确度、精密度和线性度。为了提供所发现数据集的示例，图 1 显示了使用 Entegris IoR 浓度监测器以及电导率和 pH 监测器对缓冲液 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸 (HEPES)5 进行测试的结果。

图 1：显示 pH、电导率和 Entegris IoR 输出与以 mM 为单位的 HEPES 浓度。将六个 20 mM 的 HEPES 浓度加标添加到氯化钠溶液中，使 NaCl 中的 HEPES 总浓度为 120 mM。

pH 值和电导率都无法有效监测 HEPES 浓度。电导率确实随 HEPES 浓度而变化，但斜率为负——HEPES 浓度的增加应提供增加的电导率测量。pH 测量是非线性的，具有变化的负斜率。HEPES 是一种弱离子有机缓冲液，这也是电导率测量性能不佳的原因。Entegris IoR 浓度监测仪显示出优于其他测量技术的高分辨率和高线性度6。

使用许多其他常见缓冲液重复此测试；表 A 显示了所测缓冲溶液的 Entegris IoR 和电导率结果摘要。

表 A：缓冲液浓度测量的 IOR 和电导率结果总结

在所有七种缓冲液中，折射率都显示出高线性，并且能够测量整个动态范围，而在七种缓冲液中的五种中，电导率无法提供测量结果。此外，IoR 的测量精度通常优于 ±10 ppm，而电导率的精度为 ±100 ppm8。

每种测量技术的 LOD 和 LOQ 见图 6。数据显示 IoR 优于其他测量方法， Entegris IoR 提供更强的检测能力和定量水平——分别比电导率、渗透压和 pH 高 2.5、4.2 和 28.6 倍。

图 2：pH 值、电导率、折射率和渗透压浓度测量的检测限 (LOD) 和定量限 (LOQ)。9

结论/总结

对于缓冲液的许多关键接触点，缓冲液制备需要强有力的质量控制措施，以确保准确和精确地保持所需的缓冲液特性。另一个挑战是确保过程的可重复性。这些测试的数据表明，与电导率、pH 和渗透压相比，使用 IoR 测量在准确度、精密度、线性、LOD 和 LOQ 方面提供了更好的结果。Entegris IoR 技术的在线功能可实时提供信息，从而能够对工艺变化做出快速响应。此外，它将从实验室扩展到全面生产，其占地面积小，能够在生物制药过程中的几乎任何点进行监控。

参考资料

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.