Volatile organic compounds are used in pharmaceutical manufacturing during the production of drug substances, pharmaceutical additives, and drug products. Known also as residual solvents, they account for 50-90% of mass in typical pharmaceutical operations and represent most of the process toxicity[1]. These organic solvents can contaminate the drug product during its packaging, storage, and transportation. Testing for the presence of these solvents in Active Pharmaceutical Ingredients (API) is critical for patient safety and commonly follows Unites States Pharmacopeia (USP) Method <467> guidelines, or more broadly, International Council for Harmonisation (ICH) Guideline Q3C(R6).
USP Method <467> recommends a 60-minute gas chromatography (GC) runtime for residual solvent analysis[2]. Class 1 and 2 solvents are additionally suggested to be analysed separately. VUV Analytics recently published an application note describing how the spectral deconvolution capabilities of VUV spectroscopy allow GC runtimes to be shortened from 60 minutes to 10 minutes or less[3]. Solvent classes can also be combined into individual analyses for increased sample throughput.
GC-VUV光谱数据本质上是三维的（时间、吸光度、波长），并且特定于化合物的化学结构。大多数化合物在VUV检测测得的紫外光谱的VUV区域（120–240 nm）内强烈吸收。这个波长范围内的光子能够在几乎所有化学键中产生电子跃迁，特别是在基态到激发态的跃迁中，例如σ→σ*和π→π*. 其结果是每种化合物特有的光谱特征，并且可以很容易地通过VUV库进行识别[4]。VUV光谱的这一特性使其能够去卷积重叠的光谱响应，从而有助于有意进行色谱压缩。
开发了一种使用静态顶空取样的GC-VUV方法，用于分析所有残留溶剂类别（类别1-3）以及其他感兴趣的溶剂。通过将GC总运行时间减少5倍以上，可以显著提高分析生产率。通过浓缩第3类残留溶剂分析中使用的运行时，证明了这种能力。GC-VUV方法也特别擅长于识别药物样品中的非目标未知分析物。举一个例子，在非处方解酒药物中检测到意外化合物。
实验
仪表
GC-VUV分析通过以下设置完成：
检测器：VUV Analytics VGA-100
静态顶空采样器：GERSTEL MPS2
气相色谱仪：安捷伦6890
色谱柱：Restek 30m x 0.25mm x 1.40µm Rxi-624Sil MS
气相色谱仪、静态顶空采样器和检测器的实验条件如下所示。
气相色谱仪
使用安捷伦6890气相色谱仪，将进样口设置为250°C。在整个实验过程中，氦气载气流速为4 mL/min。残留溶剂分析的烘箱轮廓从35°C开始（保持1分钟），然后以30°C/min的速度增加到245°C。利用2.5的分割比帮助最大化敏感性。每个分析样品的总GC运行时间为8分钟。
静态顶空采样器
GERSTEL多用途取样器（MPS）用于提供最佳温度和注射设置自动化，以及最有效地将残留溶剂样品输送至GC。注射器温度保持在90°C。将培养温度设置为80°C，以便在不超过水的沸点的情况下最好地挥发残留溶剂。将培养时间设置为10分钟，以与8分钟的GC运行时间紧密匹配。选择250µL的进样体积，以确保良好的峰形状。搅拌器转速为250 rpm（开启10秒，关闭1秒），进样速度为200µL/sec。
VUV检测器
本实验使用了VUV Analytics公司生产的VGA-100气相色谱检测器。传输线和流动池温度设置为275°C。使用的补充气体压力约为0.36 psi。选择120至240 nm的采集范围，采集速度为4.5光谱/秒。
结果和讨论
残留溶剂分类
由于已知的毒性和对环境的潜在影响，ICH Q3C（R6）指南要求对医药产品和辅料中的残留溶剂进行测试[5]。通常不鼓励将第1类化合物用于原料药、赋形剂和药品的制造。由于这些化合物是已知的人类致癌物、强烈怀疑的人类致癌物或环境危害，因此被归类为最严格的类别。表1显示了从监管角度来看使用风险最高的五种化合物。其允许每日暴露（PDE）浓度限值以ppm为单位。
表1：1类残留溶剂及其ICH允许每日暴露（PDE）浓度限值。由于这些化合物具有不可接受的毒性或对环境的影响，因此不鼓励将其用于原料药、赋形剂和药品的制造。
类别2表明，应限制使用这些溶剂，因为它们是非遗传毒性的动物致癌物，并且可能是不可逆毒性的病原体，例如神经毒性或致畸性。现有数据还表明，接触这些化合物可能会产生其他显著但可逆的毒性。表2显示了第2类溶剂的广泛PDE浓度限值。分析单个GC运行中的最低和最高浓度需要宽的线性范围。之前已经证明，真空紫外光谱法能够在如此宽的浓度光谱范围内分析样品[3]。
表2：2类残留溶剂及其ICH允许每日暴露（PDE）浓度限值。VGA-100 VUV检测器提供了在一次GC运行中同时分析所有化合物所需的线性范围。
第3类溶剂具有低毒性风险，在药品中通常接受的浓度下不被视为对人体健康的危害。ICH Q3C（R6）提供的一般指南是将其限制在50 mg/天或5000 ppm。如果浓度与制造能力和良好制造规范相关，则可以允许对建议的PDE进行例外处理。表3列出了第3类溶剂。将显示一个示例，其中使用快速GC-VUV和静态顶空法以0.5倍PDE限值注入这些化合物，以将GC总运行时间减少到8分钟以下。
表3：第3类残留溶剂。发表ICH Q3C（R6）时可用的数据表明，这些化合物在急性或短期研究中毒性较小，在遗传毒性研究中为阴性。这些化合物的建议PDE浓度为5000 ppm。
3类残留溶剂分析
研究表明，在压缩色谱分析中，可以同时分析1类和2类残留溶剂[3]。将GC-VUV和静态顶空法应用于第3类残留溶剂，以进一步证明其在所有溶剂类别和类型中的效用。通过将2-mL水与50 mg通用咽喉喷雾剂混合，并以ICH Q3C（R6）PDE浓度限值的0.5倍添加3类溶剂混合物（Restek），制备样品。如实验部分所述，总GC运行时间设置为8分钟。图1显示了这些第3类溶剂的GC-VUV色谱图。正丁醇是色谱图中最后洗脱的分析物，保留时间小于4分钟。尽管分离时间较短，但所有第3类溶剂分析物均得到明确鉴定。
紫外光谱中VUV部分的高能短波长光为大多数化合物创建了独特的光谱“指纹”。这一特性在图2中所示的选定第3类溶剂的光谱叠加中得到了证明。共洗脱分析物2-丁酮和乙酸乙酯具有不同的光谱，可用于直接鉴定和色谱峰反卷积[6,7]。VUV软件为将分析物光谱与VUV库中的化合物进行匹配提供了必要的接口。拟合优度统计可确保在运行后数据分析期间进行正确的化合物识别。
VUV光谱的独特功能之一是能够压缩色谱，并在运行后分析期间利用光谱反卷积。共溶分析物光谱可以与VUV库中的化合物可靠匹配，VUV软件算法基于GC运行期间收集的波长、吸收和时间数据重建其色谱峰。图3显示了2-丁酮和乙酸乙酯的重构色谱峰，反映了它们在样品中的相对丰度6。当化合物分离不完全时，GC-VUV数据质量不会恶化。
非目标未知分析
早期使用GC-VUV和静态顶空残留溶剂分析方法的实验涉及将标准加入医药产品中以证明其检测能力。人们还对在非致畸药物中发现残留溶剂感兴趣。测试了一系列非处方药物，包括草药补充剂、头痛药、咽喉喷雾剂和过敏药。由于残留溶剂的存在，所分析的大多数产品呈阴性。这对消费者来说是一个很好的结果，但从科学好奇心的角度来看，这非常令人失望。在描述宿醉药物时，观察到一个意外结果。广告中宣传的一个提供即时缓解的品牌在向GC中注入2mL时出现了一个未知的大峰值。在图4的GC-VUV色谱图中1.75分钟标记处可以看到该峰。在运行后分析期间使用光谱过滤器，以可视化分析物的吸光度特性。
图4：非处方宿醉药的GC-VUV色谱图。用于残留溶剂分析的快速GC-VUV和静态顶空法产生了未知分析物峰，随后使用光谱匹配进行识别。
真空紫外光谱的一个重要方面是其通过吸收光谱明确识别化合物的能力。在数据分析期间比较拟合统计数据时，与VUV库光谱匹配的分析物吸光度提供了化合物特性的清晰图像。上述宿醉药物中的未知分析物与VUV文库中的乙醇光谱具有很强的统计拟合性。图5显示了库和分析物光谱的完全光谱重叠。R进一步证实了乙醇的特性 two0.997的拟合和光谱叠加上方窗口中显示的零残值。这类宿醉药的制造商在决定其最有效的成分时，明确参考了古代的“狗毛”智慧。
图5：用VUV库中的化合物拟合宿醉药物中的未知分析物。一个R two当分析物与乙醇匹配时，结果为0.997（插图）。光谱拟合窗口上方的平面线显示了一个零残值，这表明非目标未知物与乙醇有很强的匹配。
结论
Solvents used in the manufacture of pharmaceutical products and excipients range in their toxicity and concentration limit requirements. GC-VUV and static headspace has been demonstrated to be suitable for the analysis of Class 1 – 3 residual solvents, and others of interest. GC runtimes can be significantly reduced (>5X) from those recommended by the USP <467> protocol. The unique spectral features of compounds analysed in the VUV spectrum enable straightforward deconvolution of co-eluting analytes in compressed chromatograms. Further throughput gains can be achieved by utilising the wide linear range of VUV spectroscopy to combine different solvent classes into the same run. Untargeted unknowns in API can be easily identified by matching analyte spectra with VUV library compounds. GC-VUV and static headspace provides a single method for the identification and quantitation of toxic solvents in pharmaceutical products.
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