——《制藥用水系統(tǒng)》

本期介紹三種儀器，pH分析儀、臭氧分析儀、在線微生物檢測儀：

1. pH分析儀——重點(diǎn)介紹了pH電極玻璃敏感膜的優(yōu)點(diǎn)。還介紹了使用的注意事項(xiàng)及校驗(yàn)的注意事項(xiàng)。

2. 臭氧分析儀——介紹了臭氧傳感器的原理。同樣臭氧分析儀也需要校準(zhǔn)，書中介紹了校準(zhǔn)的注意事項(xiàng)。

3. 在線微生物檢測儀——首先介紹了傳統(tǒng)的微生物檢測方法，然后介紹在線微生物檢測儀所采用的測量原理（激光誘導(dǎo)熒光光譜 (LIF) 測量原理）及其優(yōu)勢，最后介紹其校驗(yàn)注意事項(xiàng)。

一、pH分析儀

pH是用來衡量溶液中的酸性或者堿性物質(zhì)的活度，間接反應(yīng)水溶液的腐蝕性程度。在水處理過程中，調(diào)節(jié)pH值可以防止結(jié)垢，或者優(yōu)化離子和反滲透膜的排斥反應(yīng)。pH影響溶液中的酸堿平衡，例如，在低pH值時(shí)，二氧化碳以非離子狀態(tài)的氣體或者碳酸形態(tài)存在并能透過反滲透膜，在高pH值時(shí)，二氧化碳以碳酸根或者碳酸氫根形態(tài)存在，他們會(huì)與膜體發(fā)生排斥反應(yīng)。

pH測量通常使用玻璃復(fù)合電極，包括pH玻璃敏感膜 (測量電極)、參比系統(tǒng)和溫度電極。玻璃敏感膜產(chǎn)生毫伏 (mV) 信號(hào)，信號(hào)的大小和pH值成比例關(guān)系，參比電極通過隔膜孔或鹽橋與樣品導(dǎo)通，并和測量電極形成回路, 進(jìn)行pH值的mV信號(hào)測量。測量電極的mV信號(hào)除了受到pH值的影響還會(huì)受到溫度的影響。基于能斯特方程的pH分析儀，通過溫度補(bǔ)償功能可消除該影響。

pH電極玻璃敏感膜具有高阻抗，其測量電路、電纜和絕緣必須精密設(shè)計(jì)防止信號(hào)衰減，一些測量儀器將測量回路內(nèi)置于電極頭部，最大程度減少pH信號(hào)的衰減并避免外界干擾。電極可以傳輸穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)至變送器，傳輸距離更遠(yuǎn)，同時(shí)，該電極可以存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這樣可以先在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)電極，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電極內(nèi)部的芯片中，然后再把電極安裝到工藝現(xiàn)場，操作更簡單。而且，這種電極能夠進(jìn)行自診斷，幫助使用者制定預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃。

雖然pH電極對酸堿性溶液具有很好的線性響應(yīng)，但在極端堿性溶液中，如pH>12時(shí)，可能導(dǎo)致負(fù)誤差，俗稱堿差。此外，長期接觸強(qiáng)堿溶液，特別是高溫情況下，會(huì)加速玻璃敏感膜的老化，響應(yīng)效率會(huì)快速下降。因此，電導(dǎo)率更適合堿性溶液的測量，用于監(jiān)測堿性化學(xué)物質(zhì)的濃度。

pH緩沖液應(yīng)使用可追溯到國家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行pH電極校準(zhǔn)。校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)溶液范圍應(yīng)該包括pH測量范圍，一點(diǎn)校準(zhǔn)用于修正pH測量系統(tǒng)的參比漂移，可視為零點(diǎn)校準(zhǔn)；兩點(diǎn)校準(zhǔn)用于參比漂移零點(diǎn)和影響能斯特方程響應(yīng)偏移的斜率校準(zhǔn)。在線pH分析儀內(nèi)存通常會(huì)存儲(chǔ)緩沖液組，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緩沖液識(shí)別，同時(shí)消除溫度對緩沖液的影響。

二、臭氧分析儀

在臭氧消毒設(shè)計(jì)制藥用水系統(tǒng)中，應(yīng)在臭氧發(fā)生器的下游測量臭氧濃度，以確保達(dá)到滿足消毒要求的臭氧濃度。為了滿足制藥用水 “無添加物” 的要求，紫外線臭氧破壞器安裝在較遠(yuǎn)的下游位置，在分配管網(wǎng)的用水點(diǎn)前。同時(shí)，在紫外線臭氧破壞器出口也需監(jiān)測臭氧濃度，以確認(rèn)臭氧是否完全被分解。第三個(gè)臭氧測量點(diǎn)在總回水管道末端，以確定在臭氧消毒期間此處管路也達(dá)到滿足消毒要求的臭氧濃度。

臭氧濃度的測量單位是μg/L。純化水消毒的臭氧濃度要求為20~200μg/L，在長的管網(wǎng)回路中必須采取更高的濃度，以確保回水管路的末端也能達(dá)到足夠的臭氧濃度。

臭氧傳感器屬于覆膜電化學(xué)極譜傳感器。其測定原理為：氣體選擇性透過膜將樣品和內(nèi)電極的化學(xué)反應(yīng)腔隔離，臭氧透過膜體進(jìn)入反應(yīng)腔，在陰極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的電流信號(hào)大小和臭氧的濃度成正比，通過內(nèi)部電解液、陽極和測量電路組成完整的測量系統(tǒng) (圖12.46)。所有的臭氧傳感器均內(nèi)置溫度傳感器，通過溫度補(bǔ)償消除溫度變化對臭氧溶解度和膜擴(kuò)散效率的影響。極譜法臭氧傳感器建議安裝在小體積的流通池中測量，并控制流量，確保樣品能夠快速流經(jīng)膜體。

顯色反應(yīng)紫外分光光度比色法也可以用于測定臭氧濃度。該測量方法采用254nm的紫外線，根據(jù)朗伯比爾定律，可以測量高濃度臭氧。需要注意的是，溶液中部分物質(zhì)也可能吸收紫外線，會(huì)對測量產(chǎn)生干擾。

因?yàn)槌粞醴浅２环€(wěn)定，所以沒有真正意義上的臭氧標(biāo)準(zhǔn)溶液。一般情況下，可通過顯色反應(yīng)比色法為在線極譜臭氧提供參考標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，校準(zhǔn)時(shí)需要水系統(tǒng)保持穩(wěn)定的臭氧濃度，然后取樣快速使用離線比色法測量，對在線臭氧進(jìn)行校準(zhǔn)或驗(yàn)證，可在空氣中校準(zhǔn)臭氧分析儀的零點(diǎn)。

三、在線微生物檢測儀

細(xì)菌的測量單位是單位體積中的菌落總數(shù)，藥典規(guī)定純化水微生物限值為100CFU/ml，注射水微生物限值為10CFU/100ml 。微生物污染或負(fù)荷是衡量水中微生物的濃度。目前，常規(guī)的測量方法是通過取樣，然后通過平板培養(yǎng)基培養(yǎng)計(jì)數(shù)的方法 (圖12.47)，該測量方法能夠檢測可生長的微生物數(shù)量。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室平板計(jì)數(shù)方法需要取樣、培養(yǎng)皿培養(yǎng)并等待數(shù)天，整個(gè)過程存在很多變數(shù)，包括樣品制備、培養(yǎng)基種類、培養(yǎng)時(shí)間和溫度。對于特殊樣品，可以調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)以加快檢測速度。通過人工計(jì)數(shù)方法并換算成單位體積菌落總數(shù)。這種檢測方法需要占用大量的人工，樣品制備過程中容易受到污染，并且需要等待非常長的培養(yǎng)生長時(shí)間。部分儀器或設(shè)備具有自動(dòng)取樣和計(jì)數(shù)的功能，但還是需要漫長的培養(yǎng)時(shí)間。

USP通則<1231> “制藥用水宗旨” 建議應(yīng)定期監(jiān)測制藥用水系統(tǒng)，以確保該系統(tǒng)得到監(jiān)控并持續(xù)生產(chǎn)出質(zhì)量合格的水。通則要求連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測儀器，以便記錄歷史進(jìn)程內(nèi)的數(shù)據(jù)以供檢查。連續(xù)的生產(chǎn)測量和趨勢分析數(shù)據(jù)，也可以作為系統(tǒng)維護(hù)的依據(jù)。

2011年，F(xiàn)DA發(fā)表了 《推動(dòng)FDA的監(jiān)管科學(xué)》 文件，表明支持 “開發(fā)靈敏、快速、高處理量的方法來檢測、識(shí)別和計(jì)算微生物污染物，并且驗(yàn)證它們在評(píng)估產(chǎn)品無菌性方面的有效性”。作為對上述內(nèi)容和制藥行業(yè)在線微生物測量儀器要求的認(rèn)可，7家領(lǐng)先的制藥公司于2013年成立了在線水中微生物分析儀 (OWBA) 工作組，旨在向儀器制造商提供關(guān)于新的微生物測量系統(tǒng)發(fā)展指南，以便該設(shè)備滿足行業(yè)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的需求。

在線微生物檢測儀采用激光誘導(dǎo)熒光光譜 (LIF) 測量原理，測量樣品中微生物和惰性粒子的數(shù)量 (圖12.48)。 激光誘導(dǎo)熒光光譜是可以滿足行業(yè)需求的微生物含量測量技術(shù)。所有微生物通過代謝物如核黃素、NADH來調(diào)節(jié)它們的生長和增殖速度。這些代謝物暴露在特定波長的光時(shí)會(huì)釋放出特有的熒光。LIF是一種高靈敏度的技術(shù)，利用這種原理來檢測微生物。使用LIF技術(shù)的空氣分析儀上市已有多年，隨著技術(shù)的進(jìn)步，如今可以用LIF技術(shù)來測量水中的微生物含量。

在實(shí)際工作中，水系統(tǒng)水樣通過連接管路進(jìn)入分析儀測量腔，采用405nm波長的激光，誘導(dǎo)微生物代謝物產(chǎn)生熒光，由光電倍增管檢測到發(fā)出的任何熒光。 水中的顆粒數(shù)量由另一個(gè)傳感器通過米氏散射測定，使用先進(jìn)的特定算法對來自兩個(gè)檢測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。大多數(shù)惰性材料 (如304或316L不銹鋼) 不會(huì)發(fā)出熒光，但一些包括某些聚合物的材料會(huì)導(dǎo)致在系統(tǒng)將這些顆粒算作生物。通過分析發(fā)出的熒光和散射光，在線微生物檢測儀內(nèi)置的RMS算法能夠準(zhǔn)確地區(qū)分微生物與非微生物顆粒。

檢測儀的觸摸屏顯示生物計(jì)數(shù)中的微生物濃度 [一個(gè)生物計(jì)數(shù)相當(dāng)于菌落單位 (CFU) ] 和惰性粒子的數(shù)量。可設(shè)置用于報(bào)警、聯(lián)動(dòng)和規(guī)定限值的警告。7000RMS測量0.52μm和50μm之間的顆粒，可耐受最高90℃的樣品溫度，為在線測定常溫純化水與高溫注射用水的微生物指標(biāo)提供了便利。

對于連續(xù)測量分析儀，定期校驗(yàn)至關(guān)重要。為了獲得準(zhǔn)確結(jié)果，可使用熒光和惰性顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來完成。操作時(shí)必須嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的存儲(chǔ)方法和保質(zhì)期限。目前，在線連續(xù)檢測微生物含量的微生物檢測儀已經(jīng)研發(fā)成功并投入到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在線微生物檢測儀可以連續(xù)瞬時(shí)檢測微生物濃度，無需等待。有效減 少了采樣人工、常規(guī)測試和材料，從而降低了測試成本。同時(shí)，在線微生物檢測儀可極大地幫助制藥用水系統(tǒng)驗(yàn)證部門提供準(zhǔn)確、安全的滅菌周期，減少不必要的 “過度” 消毒與滅菌，為企業(yè)的正常生產(chǎn)與節(jié)能減排提供了幫助。

過程分析技術(shù) (PAT) 和 “質(zhì)量源于設(shè)計(jì)” (QbD) 理論推薦制藥企業(yè)通過儀器來加強(qiáng)純化水與注射用水的實(shí)時(shí)監(jiān)測，讓生物技術(shù)公司減少對耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)室平皿法檢測微生物的方法依賴。實(shí)時(shí)微生物檢測方法能夠快速發(fā)現(xiàn)潛在微生物，提高制藥用水質(zhì)量，先進(jìn)的測試方法、快速的響應(yīng)速度，讓制藥企業(yè)更好地掌控水系統(tǒng)的狀態(tài)，可以讓生產(chǎn)的產(chǎn)品更快地進(jìn)入市場流通。快速微生物檢測可及時(shí)有效地檢測任何存在的微生物，并迅速采取糾正措施。圖12.50是平板計(jì)數(shù)法與在線自動(dòng)熒光檢測的微生物檢測對比曲線 (數(shù)據(jù)來自梅特勒-托利多公司的7000RMS在線微生物檢測儀)。 

在線微生物檢測儀的開發(fā)和使用有助于改進(jìn)制藥用水系統(tǒng)運(yùn)行、降低成本和保證水質(zhì)。在線微生物檢測儀通過實(shí)時(shí)的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)更好的過程控制和產(chǎn)品安全性，真正做到了自動(dòng)化控制領(lǐng)域提倡的 “過程監(jiān) 控技術(shù)”，可以預(yù)見的是，在線微生物檢測儀將與在線電導(dǎo)率儀、在線TOC檢測儀的發(fā)展歷程一樣，會(huì)得到越來越多的制藥企業(yè)的青睞與應(yīng)用，同時(shí)，該技術(shù)的發(fā)明也將推動(dòng)相關(guān)法規(guī)規(guī)范的完善發(fā)展。