Mark J. Perkins¹，Vaughan S. Langford²

¹ Element，英国剑桥
² Syft Technologies Ltd，新西兰基督城

本应用说明介绍了选择离子流动管质谱（SIFT-MS）技术作为美国药典（USP）通则 <467>《残留溶剂》（USP<467>）替代分析方法的成功验证。验证工作依据 USP 指南 <1467>《残留溶剂—药典方法的确认与替代方法的验证》（USP<1467>）开展。经验证，SIFT-MS 方法符合 USP<1467>规定的验收标准，其样品分析通量可提高至原方法的 17 倍，能够有效缓解当前制药行业在扩大残留溶剂检测规模时面临的通量瓶颈。此外，SIFT-MS 采用简化的直接进样分析，无需色谱分离，因此还可用于连续制造过程中残留溶剂的在线监测。

重要说明：

本应用说明中的结果与讨论基于发表于Pharmacopeial Forum（《药典论坛》）第 47 卷第 6 期“修订程序促进文章"（Stimuli to the Revision Process）的研究成果：High-throughput residual solvent analysis using selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS)（《采用选择离子流动管质谱（SIFT-MS）进行高通量残留溶剂分析》）（Biba 等，2021）。*

* 本文相较原文所作的任何删减均非由美国药典委员会（USP）决定。

引 言

残留溶剂是指“在原料药或辅料的生产过程中，或在药品制剂的制备过程中使用或产生，且无法通过实际可行的生产工艺完全去除的挥发性有机化学物质"（国际人用药品注册技术协调会〔ICH〕，2021，第 1 页）。根据毒性，残留溶剂可进一步分为以下三类：

• 第 1 类：已知具有不可接受毒性、应避免使用的溶剂。1,1,1-三氯乙烷是其中的例外，其被归入此类是因为会造成环境危害。

• 第 2 类：毒性相对较低的溶剂。为保障患者安全，应限制其使用及残留水平。

• 第 3 类：潜在毒性较低的溶剂，在实际可行的情况下可使用。

药品中第 1 类和第 2 类残留溶剂的含量必须受到限制，以确保其低于每日允许暴露量（permitted daily exposure，PDE）（ICH，2021；USP<467>）。

ICH Q3C 指南（ICH，2021）并未将残留溶剂检测限定于特定分析方法。该指南指出：“在可行的情况下，应采用药典中规定的任何协调统一的残留溶剂含量测定方法"（第 4 页）。美国USP<467>则规定了三种分析方法。这些方法采用气相色谱-火焰离子检测法（GC-FID），可对所有第 1 类及大多数第 2 类残留溶剂的含量进行评估。

对于正在扩大生产规模的制药企业而言，若采用 USP<467>方法，残留溶剂检测能力也必须相应大幅提升。这不仅需要增加对专业人员、实验室空间、方法验证和设备维护的投入，还会推高仪器购置及日常运行的总体成本。选择离子流动管质谱（SIFT-MS）为 GC-FID 提供了一种替代方案，其每日样品分析通量可达到 GC-FID 的 17 倍，同时还能显著缩短样品分析时间（图 1）。由于 SIFT-MS 采用无需色谱分离的直接分析方式，可省去前端分离环节及其相关操作问题，从而能够更加便捷地获得稳定可靠的分析结果，并减少对专业分析人员的需求。因此，仅需一台全自动 SIFT-MS 仪器，即可大幅提升检测能力。

图 1.采用气相色谱和 SIFT-MS 分析第 2 类残留溶剂时的每日样品分析安排。图中所示的 SIFT-MS 分析安排适用于任何顶空样品。

在 SIFT-MS 中，通过快速切换试剂离子，并结合多种反应机制，可在单次分析中同时区分多种化合物，从而最大限度提高实时分析的特异性。质谱检测与数据库记录相结合，可实现目标化合物的可靠定量。SIFT-MS 对常规分析的适用性已在广泛的应用领域中得到证实（Perkins 和 Langford，2021a、2021b）。

依据 USP<1467>，研究人员对 SIFT-MS 作为 USP<467>残留溶剂替代分析方法进行了验证。本应用说明总结了第 2 类残留溶剂方法验证研究的成功结果，并介绍了针对第 1 类残留溶剂开展的可行性评估。有关这些研究的完整内容，请参阅发表于Pharmacopeial Forum（《药典论坛》）的修订程序促进文章（Biba 等，2021）。

方 法

1. SIFT-MS 自动化分析

本研究采用以氦气为载气的 Syft科技Voice200ultra SIFT-MS 仪器。SIFT-MS（图 2）利用软化学电离（CI）生成经质量筛选的试剂离子（Smith 等，2020），这些离子可与挥发性有机化合物（VOC）快速反应，并对其进行定量，检测浓度可低至万亿分之一体积比（pptV）。目前，商用 SIFT-MS 仪器最多可使用八种由空气微波放电产生的试剂离子：H₃O⁺、NO⁺、O₂⁺、O⁻、OH⁻、O₂⁻、NO₂⁻和 NO₃⁻（Hera 等，2017）。这些试剂离子可在严格控制的条件下与 VOC 及其他痕量分析物发生离子–分子反应，但不会与空气中的主要组分（N₂、O₂ 和 Ar）发生反应。因此，无需预浓缩即可对空气样品中的痕量及超痕量物质进行直接、实时分析。通过在不同试剂离子之间快速切换，利用多种反应机制对每种分析物进行相互独立的测量，可获得较高的分析选择性。在含有多种分析物的混合物中，使用多种试剂离子通常还可消除等质量数信号重叠带来的不确定性。

SIFT-MS 仪器配备 GERSTEL MPS 自动进样器（Robotic Pro；德国米尔海姆）。进样前，样品先在 GERSTEL 虚拟十二位振荡器中进行孵育，该装置由两个实体六位振荡器组成；随后抽取顶空气体，并通过 GERSTEL 无隔垫进样头注入 SIFT-MS 仪器。

本应用说明所涉及的残留溶剂采用修订程序促进文章表 1 中汇总的定量离子进行分析（Biba 等，2021）。由于 SIFT-MS 可在不同试剂离子之间快速切换，因此本方法使用了全部正试剂离子，以实现特异性与灵敏度的最佳组合。

所有分析均采用以下顶空条件：在 20 mL 顶空瓶中加入 6 mL 溶液，于 60 °C 下孵育 45 min。使用加热至 150 °C 的进样针抽取 2.5 mL 顶空气体，并以 50 μL·s⁻¹的流速注入 SIFT-MS；同时通过进样口补充零空气，确保进入仪器的总流量为 25 mL·min⁻¹。进样完成后，以 200 mL·min⁻¹的流量使用零级空气对进样针吹扫 1 min。

2. 样品

本验证研究采用美国药典委员会（USP；美国马里兰州贝塞斯达）的官方对照品，包括 USP 第 1 类残留溶剂混合对照品、USP 第 2 类残留溶剂混合对照品 A，以及 USP 第 2 类残留溶剂混合对照品 B。第 2 类混合对照品 A 溶液和第 2 类混合对照品 B 溶液按照 USP<467>方法 C（定量检测）的规定配制。第 1 类对照品储备液和第 1 类系统适用性溶液则按照 USP<467>方法 A 和方法 B（限度检测）的规定配制。

修订程序促进文章（Biba 等，2021）介绍了可行性研究所用样品的制备方法及获得的结果。该研究考察了多种第 1 类和第 2 类化合物的线性动态范围，其中仅 N,N-二甲基甲酰胺、甲酰胺、吡啶、以及环丁砜的线性回归决定系数（R²）低于 0.99，但均处于 0.931～0.986 范围内。图 3 展示了其中的几个示例。本应用说明重点介绍方法验证阶段。

图 2. SIFT-MS 工作原理示意图——一种采用化学电离的直接进样分析技术。

3. 第 2 类残留溶剂定量方法的验证

依据 USP<1467>，采用上述官方对照品配制标准溶液和加标样品溶液，对基于 SIFT-MS 的 USP<467>替代方法进行了验证。USP<467>规定：“加标样品溶液应使用样品基质配制，并加入各种[可能存在的]溶剂，在涵盖目标范围的[不少于]5 个浓度水平进行加标。"本研究分别按照各溶剂每日允许暴露量（PDE）所规定控制限度的 50%、75%、100%、120% 和 150% 配制加标样品溶液。

定量检测（方法 C）替代方法的验收标准及 SIFT-MS 获得的验证结果汇总于表 1，完整数据详见修订程序促进文章（Biba 等，2021）。除表中列出的少数例外情况外，第 2 类混合物 A 和第 2 类混合物 B 替代方法的验证结果均符合方法 C 的全部验收标准。

4. 第 1 类残留溶剂限度检测方法 B 的可行性评估

依据 USP<467>限度检测方法 B，对 SIFT-MS 分析第 1 类残留溶剂的性能进行了评估。该方法还可用于确认 SIFT-MS 能否满足 USP<467>系统适用性试验的要求，即苯的信噪比（S/N）不得低于 5。若要完成全面验证，还需证明方法的线性，并评估另一浓度水平加标溶液的回收率；预计这两项要求均可顺利达到。

图 3.可行性研究获得的线性动态范围数据示例，显示该方法在较宽浓度范围内具有良好的线性（R²）。

表 2列出了按照 USP<1467>配制的第 1 类系统适用性溶液的检出限（LOD）和重复性测试结果。各离子的检出限均以其信噪比（S/N）表示。对于 SIFT-MS，信噪比通过分析进样阶段获得的信号除以进样结束后的信号计算得出，如图 4 所示。关键系统适用性化合物苯的信噪比达到 S/N ≥ 13；混合溶液中其他化合物的信噪比通常高于苯。该方法的精密度（重复性）同样十分优异：经过 6 次平行分析，所有定量离子的相对标准偏差（%RSD）均低于 4%。

表 1. USP<467>定量检测（方法 C）替代方法的 USP<1467>验证要求及 SIFT-MS 验证结果汇总。

准确度（%RSD）结果

回收率结果

* 对于 SIFT-MS，无法采用色谱方法所使用的方式证明信噪比（S/N）。此处采用的方法见系统适用性试验部分。
† 在北美以外地区，acetaminophen 通常称为 paracetamol，中文均称“对乙酰氨基酚"。

表 2.第 1 类系统适用性溶液的重复性（仪器精密度）和信噪比数据

图 4. 第 1 类系统适用性溶液的重复性（仪器精密度）和信噪比数

结  论

·       本研究证明，SIFT-MS 可作为 USP<467>所述药品残留溶剂定量分析方法的替代方案。

·       对于定量检测（方法 C）涉及的全部第 2 类混合物 A 和第 2 类混合物 B 残留溶剂，SIFT-MS 均满足 USP<1467>针对残留溶剂替代分析方法验证所建议的分析性能要求。

·       在第 1 类残留溶剂限度检测（方法 B）中，SIFT-MS 充分满足色谱方法规定的验收标准，其中苯的系统适用性测试结果达到 S/N ≥ 13。

·       SIFT-MS 本身是一种快速检测技术，可在约 1 min 内同时完成每份样品中所有组分的分析。因此，经验证的方法适用于有高通量检测需求的机构，每日样品分析通量可达到 GC-FID 的 17 倍。

·       SIFT-MS 无需色谱分离，可显著减少高通量分析所需的操作投入，并降低对专业人员资质和经验的要求。

·       本研究采用的验证方法同样适用于使用 SIFT-MS 对残留溶剂进行在线监测。

参考文献

1. Biba E, Perkins MJ, Langford VS (2021). Stimuli to the Revision Process: High-throughput residual solvent analysis using selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS). United States Pharmacopeia. Pharm. Forum 47(6). https://online.usppf.com/usppf/document/GUID-2EE1BF6B-C82B-4F11-8E0B-C5520A4E8C3D_10101_en-US.

2. Hera D, Langford VS, McEwan MJ, McKellar TI, Milligan DB (2017). Negative reagent ions for real time detection using SIFT-MS. Environments 4, 16. https://doi.org/10.3390/environments4010016.

3. International Council for Harmonization of Technical Requirements for Pharmaceuticals for Human Use (ICH) (2021). Impurities: Guideline for Residual Solvents Q3C(R8).

4.  Perkins MJ, Langford VS (2021a). Application of routine analysis procedures to a direct mass spectrometry technique: Selected ion flow tube mass spectrometry. Rev. Sep. Sci. 3(2), e21003. https://doi.org/10.17145/rss.21.003.

5. Perkins MJ, Langford VS (2021b). Standard validation protocol for selected ion flow tube mass spectrometry methods applied to direct headspace analysis of aqueous volatile organic compounds. Anal. Chem. 93, 8386–8392. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c01310

.

6. Smith D, McEwan MJ, Španěl P (2020). Understanding gas phase ion chemistry is the key to reliable selected ion flow tube-mass spectrometry analyses. Anal. Chem. 92, 12750–12762. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03050.

7. United States Pharmacopeia. Residual Solvents<467>.

8. United States Pharmacopeia. Residual Solvents—Verification of Compendial Procedures and Validation of Alternative Procedures<1467>.