杂质分析 - 中析研究所生物检测中心

杂质分析：保障物质安全与质量的关键科学

在化学、药学、食品科学及环境监测等诸多领域，“杂质”并非简单指代不需要的物质，而是指存在于目标物质（如原料药、食品添加剂、化工产品、环境样本）中，其化学结构与性质不同于目标成分的任何成分。准确识别、定量并控制这些杂质，对保障产品安全、有效、稳定及符合法规要求至关重要。杂质分析，正是为此目标服务的系统性科学活动。

一、杂质分析的使命与重要性

安全保障： 许多杂质可能具有毒性、致敏性或遗传毒性。例如，药品中微量的基因毒性杂质可能致癌，食品中的农药残留或重金属超标危害健康。通过严格的杂质分析设定合理限度并有效控制，是保护消费者的生命线。
保证效能： 特定杂质可能影响目标产品的化学稳定性、生物利用度或功能性。如药品中降解杂质可能降低疗效，电子化学品中的金属杂质影响导电性能。分析有助于理解杂质对效能的影响。
工艺优化与控制： 杂质谱（Impurity Profile）是生产工艺的“指纹”。分析原材料、中间体及终产品中的杂质种类与含量，可追溯杂质来源（如原料引入、副反应、降解、设备浸出），进而优化合成路线、纯化工艺及储存条件，实现工艺的稳健性。
法规符合性： 全球主要监管机构（如ICH, FDA, EMA, NMPA）对各类产品（尤其是药品、食品、医疗器械）中的杂质种类、水平均有严格规定。杂质分析数据是证明产品符合法规注册要求、通过审评审批的核心依据。
稳定性评估： 杂质水平常随时间及环境因素（温度、湿度、光照）而变化。定期进行稳定性研究中的杂质分析，能预测产品有效期，确保在货架期内质量符合标准。

二、杂质的来源与分类体系

理解杂质来源是分析控制的前提。主要来源包括：

工艺相关杂质：
- 起始物料与试剂引入： 原料本身含有的杂质或合成中使用的试剂、催化剂残留。
- 合成副产物： 主反应路径之外的副反应产生的化合物。
- 中间体： 未完全反应或纯化去除的中间产物。
- 异构体： 合成中产生的手性或位置异构体杂质。
- 催化剂与配体残留： 金属催化剂、有机配体等的残留（尤其关注金属催化剂）。
- 设备浸出物与相互作用物： 生产设备接触材料（如金属、橡胶、塑料、润滑剂）在工艺条件下可能浸出或反应产生的物质。
降解相关杂质：
- 化学降解： 水解、氧化、光解、脱水、聚合等反应导致目标物分解产生的化合物。
- 物理变化诱导： 如异构化（顺反异构、差向异构）。
- 相互作用： 制剂中各组分之间（如原料药与辅料）、产品与包装材料之间的化学反应。

根据化学性质，杂质通常分为：

有机杂质： 数量最多、结构最复杂多样的一类。包括起始物料、中间体、副产物、降解产物、异构体、残留溶剂（通常单列）等。是杂质分析的重点和难点。
无机杂质： 主要来源于工艺过程，如催化剂、试剂、助滤剂残留、重金属（如铅、镉、砷、汞、钯、铂）、无机盐等。
残留溶剂： 生产或纯化过程中使用但未能完全去除的有机挥发性溶剂。ICH Q3C根据其毒性制定了严格的分类和限度规定。
元素杂质： 特别关注具有显著毒性的重金属元素（如As, Cd, Hg, Pb, Co, V, Ni, Tl, Au, Pd, Pt, Ir, Rh, Ru, Os, Se, Ag, Li, Sb, Ba）。ICH Q3D专门规范其风险评估和控制。

三、杂质分析的利器：分析方法

杂质分析是一项高度依赖先进分析技术的复杂工作。常用方法包括：

分离技术 (核心)：
- 液相色谱法： 应用最为广泛，尤其擅长有机杂质分析。
  - 高效液相色谱法： 主流技术，通过不同分离模式（反相、正相、离子交换、体积排阻）和检测器（紫外/可见光、二极管阵列、荧光、示差折光、蒸发光散射）分离检测各种杂质。
  - 超高效液相色谱法： 更高的分离效率、速度和灵敏度，逐渐成为新方法开发的首选。
- 气相色谱法： 主要用于挥发性、半挥发性有机杂质（特别是残留溶剂）的分析。常用检测器包括氢火焰离子化检测器、质谱检测器等。
- 毛细管电泳法： 特别适用于分离手性异构体、离子型化合物以及生物大分子。
检测与鉴定技术：
- 质谱法： HPLC-MS/MS, GC-MS 已成为杂质结构鉴定的标配工具，提供分子量和结构碎片信息，用于杂质结构的推测或确证。
- 光谱法：
  - 紫外/可见光光谱法： 常用于HPLC检测器，提供杂质的光谱信息辅助鉴定。
  - 红外光谱法： 提供分子的官能团信息。衰减全反射技术可用于直接分析固体样品。
  - 核磁共振波谱法： 是结构确证的“金标准”，提供原子连接方式、空间构型等详细信息，但灵敏度较低，通常需要纯化制备足量杂质。
- 原子光谱法：
  - 电感耦合等离子体质谱法： 痕量、超痕量元素（特别是重金属）分析的首选方法，灵敏度高，可多元素同时分析。
  - 原子吸收光谱法： 常用于特定重金属元素的定量分析。
其他技术：
- 离子色谱法： 专门用于离子型杂质（如卤素离子、硫酸根、阴离子表面活性剂等）的分析。
- 滴定法： 用于特定杂质（如水分、酸值、碱值、特定离子）的测定。
- 理化测试： 水分测定、炽灼残渣、重金属限度试验（传统比色法）等。

方法的选择与开发需基于杂质性质（挥发性、极性、稳定性、紫外吸收等）、预期含量水平、基质复杂性以及法规要求进行。方法必须经过严格的验证，确认其特异性、准确性、精密度（重复性、中间精密度）、检测限/定量限、线性、范围、耐用性等符合要求。

四、杂质分析的实施与控制策略

这是一个严谨的流程：

风险评估： 基于工艺知识、结构特征、文献报告及初步测试，识别潜在杂质（潜在生成杂质），评估其毒性和存在的可能性。ICH Q9和ICH M7为此提供了框架。
分析方法开发与验证： 针对目标杂质（特别是那些具有较高风险或法规要求控制的杂质），开发并验证具有足够选择性和灵敏度的分析方法。
样品分析与谱图建立： 在代表性批次（如工艺验证批、稳定性研究批）上应用已验证方法进行分析，建立产品的典型杂质谱图（包含杂质种类、相对保留时间、大致含量水平）。
杂质鉴定与结构确证： 对于超出鉴定阈值的杂质（通常基于每日最大摄入量设定），需运用质谱、核磁等技术进行结构鉴定或确证。这是理解杂质来源和控制的关键。
杂质限度制定： 基于杂质的毒理学评估（依据阈值如毒理学关注阈值、化合物特异性数据）、每日最大摄入量、生产工艺能力和稳定性数据，为每个需要控制的杂质制定合理的、符合法规的接受标准。
控制策略建立与实施： 将杂质控制点贯穿于整个产品生命周期：
- 源头控制： 严格限定原材料和试剂的质量标准。
- 工艺控制： 优化反应条件、纯化步骤（结晶、萃取、层析等）以去除或减少杂质生成。
- 终点控制： 在终产品和关键中间体中设定严格的杂质质量标准，并通过已验证的方法进行批放行检验。
- 稳定性监测： 在稳定性研究中持续监测杂质水平的变化趋势。
持续改进与生命周期管理： 随着工艺变更、生产规模扩大或新的科学认知出现，需重新评估杂质谱和控制策略，更新分析方法或限度标准。

五、挑战与展望

杂质分析领域持续面临挑战：

痕量高毒性杂质分析： 如亚硝胺类、多环芳烃类、某些基因毒性杂质的检测要求达到ppt甚至ppq级，对方法的灵敏度、特异性提出极致要求。
复杂基质干扰： 样品中大量主成分和辅料对痕量杂质分析的干扰巨大，尤其对结构未知杂质。
未知杂质的识别： 工艺或降解可能产生预期之外的杂质，如何高效识别、分离和鉴定这些未知杂质是持续挑战。
复杂结构表征： 杂质结构的完全确证（尤其是立体化学）往往耗费大量时间和资源。
法规要求的动态性： 全球监管要求不断趋严和更新，需要持续跟进。

未来发展趋势清晰可见：

高通量、高灵敏度分析平台： LC-HRMS/MS（高分辨质谱）普及，结合强大数据处理软件，显著提升杂质筛查、鉴定和定量能力。
在线/过程分析技术： 在生产过程中实时监测关键杂质，实现更精准的工艺控制。
预测性工具应用： 利用人工智能、化学信息学预测潜在杂质及其毒性。
分析方法的绿色化： 减少有毒溶剂使用，发展绿色分析方法。
监管科学的融合： 强化分析方法开发和验证与临床安全性的联系。

结语

杂质分析绝非简单的成分检测，而是一项融合化学、分析科学、毒理学和法规要求的综合性前沿学科。它是保障产品质量、守护使用者安全、满足法规合规及推动工艺进步的基石。随着科技的迅猛发展和监管环境的日益严格，杂质分析技术必将不断突破瓶颈，分析方法将愈加灵敏、高效、智能化，为人类创造更安全、更可靠的产品提供不可或缺的科学支撑。其持续进步，最终服务于提升人类健康水平和环境福祉的崇高目标。