制藥用水的TOC分析

本文通過討論總有機碳（TOC）檢測在滿足各國藥典制藥用水質量控制要求方面的幾個常見問題，展示了藥典法規制定的細節過程，使廣大制藥技術、質量工作者理解當前世界藥典對制藥用水總有機碳檢測方面的詳盡要求，從而更好地掌握和利用總有機碳檢測技術。

在過去的短短數年間，很多國家的制藥法規（藥典）都在制藥用水質量控制方面經歷了不斷修改、更新和完善的過程，同時，由美國藥典USP倡議，中國藥典CP、歐盟藥典EP、日本藥典JP等世界主要國家藥典積極推動的“世界藥典一致化進程”也取得了歷史性的突破。在世界藥典變革、完善和“一致化進程”的背后，制藥用水質量控制領域也伴隨著產生了一系列的“疑問”。

藥典法規與TOC分析技術

回溯至20世紀80年代末，TOC分析作為一種在線水質監控技術已經在半導體超純水制備領域得到廣泛的應用，但是，在當時的制藥用水質量控制領域，廣大制藥用水質量控制工作者才剛剛開始意識到大部分檢測技術手段早已落后不堪，甚至有一部分沿用20世紀50年代的方法，這些實驗室分析測試方法不僅工作強度大、結果穩定性差，而且極易受到取樣容器、取樣過程、周圍環境、樣品等待和人為操作等諸多因素的影響。這些制藥法定檢測項目以及檢測方法已不能滿足飛速發展的制藥用水制備技術以及質量控制的需求。因此，從1989年開始，美國藥典(USP)和美國藥品研究和制造商協會（PhRMA）開展了一系列調查研究，考慮采用總有機碳TOC和電導率檢測方法替代原來的制藥用水濕法化學檢測方法。在當時的制藥用水設備制造領域，TOC和電導率分析儀器已經開始被制藥用水設備制造商用于水純化設備性能的監控。

USP經過近8年的激烈討論與漫長的實踐論證過程，于1996年11月在USP 23的增補條款第五條中官方公布：TOC分析技術可以用于純化水和注射用水中有機雜質的監測和控制，對于純化水和注射用水中的有機物監測，TOC檢測和總不穩定性氧化物檢測二者可以任選其一。隨著1998年5月USP<643>總有機碳檢測章節的公布實施，TOC檢測成為USP用于制藥用水（含純化水和注射用水）質量控制的強制檢測項，同時取消總不穩定性氧化物檢測。

伴隨著USP發起的全球藥典法規“一致化”倡議，歐洲藥典EP和中國藥典也分別在2000年和2010年針對制藥行業純化水和注射用水提出了TOC的檢測要求，同時，這些藥典法規也詳細規定了純化水和注射用水TOC檢測的檢測極限值以及對TOC分析儀器的最低要求。對于制藥用水質量控制，日本藥典JP也于2007年在USP制藥用水專家委員會的幫助下完成了制藥用水質量控制改革，JP在其《制藥用水綜述》章節中規定，參照USP <643> 總有機碳檢測章節規定的TOC檢測方法，對制藥用水進行TOC檢測，同時JP推薦對于純化水和注射用水的TOC檢測采用更低的TOC檢測極限值：在線TOC測量的極限值為300 ppbC，離線TOC測量的極限值為400 ppbC。各國最新版藥典對制藥用水的TOC檢測要求見表1。

各國最新版藥典對制藥用水的TOC檢測要求

TOC和微生物檢測

制藥用水的TOC檢測項目用于檢測制藥用水中有機物的含量，而有機物含量與微生物污染水平息息相關，微生物污染可能會導致數以百萬美元計的產品損失，因此微生物檢測項是現代制藥行業中最普遍、要求最為嚴格的檢測項目之一。由于有機物和微生物之間的關系如此密切，人們很自然聯想到如下這些問題：對于注射用水質量控制，TOC檢測是否可以代替微生物檢測？TOC和微生物含量之間是否有固定的對應關系？500ppbC的TOC檢測極限值所對應的微生物活性水平是多少？

我們對于水中的微生物進行如下假設：水中的微生物密度為1 g/cm3，微生物的平均含碳量為10%，微生物為球形微生物并且半徑為5 μm。那么：

微生物體積 = (4/3)πr3 = 5.2 × 10-10 cm3，

微生物中的含碳量 = 微生物體積×微生物密度×微生物的平均含碳量 = 5.2×10-11 g C，

1 ppbC TOC = 10 × 10-9 g C/ml，

1 ppbC TOC中的微生物數量 = 10 × 10-9 g C/ml ÷5.2×10-11 g C ≈ 19 /ml，

500 ppbC TOC中的微生物數量 ≈ 10000 /ml。

如果我們進行另外一種假設：水中的微生物密度為1g/cm3，微生物的平均含碳量為10%，微生物為球形微生物并且半徑為0.5 μm。那么：

微生物體積 = (4/3)πr3 = 5.2 × 10-13 cm3

微生物中的含碳量 = 微生物體積X微生物密度X微生物的平均含碳量 = 5.2×10-14 g C

1 ppbC TOC = 10 × 10-9 g C/ml

1 ppbC TOC中的微生物數量 = 10 × 10-9 g C/ml÷5.2×10-11 g C ≈ 19000 /ml

500 ppbC TOC中的微生物數量 ≈ 10000000 /ml

通過上面兩個簡單的理想計算模型，我們很容易發現500 ppbC 的TOC濃度對于不同的微生物種類、微生物大小則意味著不同的微生物含量，因此TOC濃度檢測不能替代微生物檢測。另外，TOC和微生物之間也不存在某種確定的關聯對應關系，500 ppbC的TOC檢測極限值針對不同種類和大小的微生物可能對應不同的微生物活性水平。USP <643>總有機碳檢測章節針對上述問題也于2009年12月1日正式增加了如下內容“總有機碳檢測不可以代替內毒素或者微生物控制，作為食物來源總有機碳和微生物活性之間或許存在著某種定性關系，但并不存在直接的定量對應聯系”。

SST測試和儀器校準

當前現行的各國藥典明文規定：應用于制藥用水TOC檢測的分析儀器必須滿足如下要求：

必須采用校準過的TOC分析儀進行制藥用水TOC檢測；

TOC分析儀的最低檢測極限值必須≤50 ppbC；

TOC分析儀必須定期進行SST測試；

必須能夠區分無機碳和有機碳。

由上面的藥典對于TOC分析儀的要求可以看出：用于制藥用水TOC檢測的TOC分析儀必須定期進行系統適應性測試System Suitability testing（SST）和校準，但是，由于SST和校準過程通常都會用到相同的標準溶液，大家常常將TOC分析儀的SST過程和校準過程混為一談，認為SST過程等同于校準過程，TOC分析儀通過SST測試也就完成了校準過程。

什么是SST？確切地講，SST過程各國藥典強制要求的、用于檢測TOC分析的氧化能力的儀器驗證過程，用于確認其氧化能力是否適合用于制藥用水TOC檢測。各國藥典規定TOC分析儀的SST過程采用兩種標準物質，一種是蔗糖，蔗糖的分子結構為碳碳單鍵，化學鍵能比較小，理論上容易被氧化；另外一種標準物質是1,4-對苯醌，1,4-對苯醌的分子結構為環烷烴結構，且在1,4對位位置有兩個基團，碳碳分子間鍵能較大，理論上很難被氧化。另外，為配制一定濃度的標準溶液，還需要試劑水，藥典規定所采用的試劑水中的TOC濃度必須 ≤100ppbC。USP<643>，EP2.2.44以及2010版中國藥典對于SST過程規定如下：

檢測試劑水的TOC濃度Rw必須≤100 ppbC;

用試劑水和標準物質蔗糖及1,4-對苯醌分別配制500 ppbC的蔗糖和1,4-對苯醌溶液；

檢測500 ppbC 的蔗糖溶液的TOC濃度, 檢測結果記為Rs;

檢測500 ppbC 的1,4-對苯醌溶液的TOC濃度，檢測結果記為Rss.

將上面測量所得Rw, RS和Rss值代入下面的公式計算TOC分析儀的響應效率；

如果TOC分析儀的響應效率在85%~115%的范圍內，那么該TOC分析儀通過SST測試。

我們通過一個具體的SST測試案例來看一下為什么藥典法規要求用于制藥用水檢測的TOC分析儀既要通過SST測試又必須經過校準。假設采用Rw=20 ppbC 的試劑水分別配備500 ppbC 的蔗糖和1,4-對苯醌溶液，TOC分析儀測得的這兩種溶液分別為Rs=800 ppbC和Rss= 800 ppbC，通過上面的響應效率計算公式，算得該TOC分析儀的SST響應效率為Re = 100%，完全滿足藥典規定的85%~115%范圍要求。但是，從測量準確度方面考慮，對于500ppbC 的TOC量程應用點，該TOC儀器的測量誤差高達+300 ppbC，必須馬上進行校準。

通過上面的案例可以看到，對于制藥用水TOC分析儀器，SST過程和校準過程是兩個截然不同的儀器操作過程，SST用于檢測TOC分析儀器的氧化能力，必須根據藥典要求定期進行；而校準過程用于糾正儀器測量偏差，必須根據儀器制造商的建議，采用可追溯的校準方法、標準參比物質以及校準器具定期進行。

結語

通過本文希望能夠幫助廣大制藥客戶深入了解全球主要藥典法規（USP、EP、CP、JP）關于制藥用水TOC檢測的相關要求以及法規制定、完善的部分細節過程，以便制藥客戶更好地利用TOC檢測技術加強制藥用水質量控制同時降低制藥用水系統風險以及檢測成本。