质谱PAT：冻干工艺监控的下一代利器——EJPB经典论文深度解读

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原文标题：Mass spectrometry in freeze-drying: Motivations for using a bespoke PAT for laboratory and production environment

作者：Arnab Ganguly, Jason Stewart, Alan Rhoden, Michael Volny, Nabil Saad

发表期刊：European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 127 (2018) 298-308

DOI：10.1016/j.ejpb.2018.02.036

为什么冻干工艺需要质谱PAT？

从RGA到专用质谱：技术演进的关键节点

质谱技术在冻干领域的应用可追溯至1980年代。Jennings较早将质谱仪用于监测冻干腔室内的水蒸气和氮气分压；随后Nail和Johnson也报道了利用质谱信号辅助判断冻干产品残余水分和干燥状态的方法。根据Ganguly等人的文献回顾，早期质谱系统通常体积较大、运行压力要求较低，且更多用于定性或半定量分析。

传统的残余气体分析仪（Residual Gas Analyzer, RGA）采用电子轰击电离（Electron Impact Ionization）配合四极杆质量分析器（Quadrupole Mass Analyzer），具有结构相对紧凑、操作较简便的优点。然而，传统RGA用于冻干过程监控时仍存在几个关键限制：

第一，需要外部真空泵。传统RGA通常需在极低压力下运行，必须配备独立的外部真空系统，增加了系统复杂性和维护成本。

第二，电子倍增器（EM）的稳定性问题。部分RGA使用电子倍增器作为检测器以实现极低检测限，但EM需要频繁校准，且在定量分析中存在重现性问题。Ganguly等指出，将EM替换为法拉第板检测器（Faraday Plate Detector）有助于改善定量能力和系统间一致性。

第三，硅油污染对离子光学系统的损害。当质谱仪暴露于硅油蒸气时，离子光学元件（如入口透镜和屏蔽罩）可能被硅油涂层覆盖，导致信号响应显著下降。论文中的实验数据显示，暴露7小时后，质谱仪总响应信号明显衰减，且后续校准难以完全恢复灵敏度。

论文所采用的Atonarp AMS Smart Spectrometer代表了新一代微型质谱仪的技术方向，其关键进步包括：

1. 小型化集成设计：从1994年Fisons仪器的庞大体积，到2017年AMS mini质谱仪的紧凑型设计，设备尺寸大幅缩小，可直接安装于冻干机的标准验证端口。

2. 集成真空系统：内置真空泵，无需外部真空系统即可在冻干工艺压力范围内稳定运行。

3. 高压力运行能力：可在高于传统RGA约1000倍的压力下工作，这意味着更多离子可被检测，信号强度显著提升。

4. 硅油过滤系统：开发了可配置的采样路径切换模块，可在“全开放采样”（用于硅油检测）和“过滤采样”（用于过程监控）之间切换，有效保护仪器内部组件。

一次干燥与二次干燥：质谱vs.传统PAT的定量对比

论文采用5%（w/v）甘露醇和5%（w/v）蔗糖溶液作为模型体系，在IMA Life LyoFast 2.3 m²中试冻干机和SP Industries Lyostar II研发型冻干机上进行了系统对比实验。对比的PAT工具包括：Pirani规、电容压力计（CM）、TDLAS系统以及AMS微型质谱仪。

甘露醇冻干工艺参数为：一次干燥搁板温度15°C、腔室压力50 mTorr（6.7 Pa），二次干燥搁板温度45°C、保持2520分钟（42小时）。蔗糖冻干工艺参数为：一次干燥搁板温度-25°C、保持2100分钟，二次干燥搁板温度35°C、保持300分钟。

这是论文最具说服力的数据之一。在二次干燥阶段（t = 55小时），当蛋糕平均残余水分已低于3%时：

Fig. 6. Normalized signal (against max signal at the start of secondary drying) for the Pirani gauge compared to signal from the TDLAS and that of the AMS mini mass spectrometer; Tsh is the shelf temperature.

这一数据直接回答了二次干燥监控的核心痛点：当Pirani规和TDLAS的信号已接近“平台期”时，质谱仪仍能提供清晰可辨的水蒸气浓度变化信号。论文进一步指出，这种增强的灵敏度为基于质谱响应预测批次平均残余水分含量提供了实验基础，但仍需在更多配方和规模条件下进一步验证。

在蔗糖冻干实验中，论文将AMS质谱仪的离子电流信号与TDLAS系统的水蒸气浓度数据进行交叉验证。结果显示，从一次干燥结束（约30小时）到整个周期结束，两种测量方法之间呈现良好的线性关系，相关系数R² = 0.98[1,5]。

这一结果具有重要的方法学意义：在该蔗糖模型体系和实验条件下，质谱信号可以作为一种定量的水蒸气浓度趋势测量手段，而非仅仅是定性或半定量的趋势指示。对于工艺开发和放大研究而言，这意味着质谱数据具备用于建立残余水分预测模型的潜力，但模型仍需通过更多产品和设备条件验证。

Fig.10.Plot of AMS water signal vs LyoFlux200 water concentration for 5%w/v sucrose solution

论文进一步通过取样thief技术在二次干燥的不同时间点（升温段和保温段共5个取样点）停止西林瓶，进行Karl Fischer（KF）滴定分析，将蛋糕实际残余水分与质谱信号和Pirani信号进行同步对比。

结果如图11所示：Pirani规读数在约42小时后趋于平稳，但KF分析测得的残余水分和质谱水信号（m/z = 18 amu）均持续下降。这一发现表明，质谱仪在检测二次干燥后期微量水分脱附方面具有显著优于Pirani规的灵敏度，为基于PAT数据实现二次干燥终点的精确判断提供了实验依据。

Fig. 11. Comparison of data from the AMS mass spectrometer, data from the Pirani gauge and RGA2 compared to residual moisture in the cake obtained from Karl Fischer analysis.

硅油泄漏检测：从"事后排查"到"实时监控"

冻干机搁板内部的导热硅油是维持精确温度控制的关键介质。FDA在《冻干注射剂检查指南》中指出，冻干系统的潜在污染来源包括大气泄漏、用于产品加热和冷却的导热介质、冷凝器冷却介质，以及可能从真空泵系统回迁移的油蒸气等。

硅油泄漏的风险在于：第一，硅油本身并非无菌，一旦进入产品腔室即可能构成污染风险；第二，微裂纹在预防性维护中难以被肉眼发现；第三，部分生物制品批次价值高、污染后通常难以挽回，因此实时预警具有明确的质量与经济意义。

论文采用m/z = 73 amu作为二甲基硅氧烷（Dimethylsiloxane, C₂H₆OSi）单体单元的特征检测峰。在IMA Life LyoFast 2.3 m²中试冻干机上，将0.1 mg、0.2 mg和0.8 mg的1.6 cSt硅油分别置于培养皿中，放置在搁板中心位置，在腔室压力22 mTorr（3 Pa）、搁板温度+40°C的条件下进行采样检测。

实验结果显示，质谱仪能够清晰检测到m/z = 73 amu的特征峰，且信号强度与引入的硅油量呈正相关。通过建立校准曲线，可实现对硅油泄漏量的半定量估算。

针对硅油同时作为“检测目标”和“仪器污染物”的矛盾，论文提出了一个巧妙的解决方案：可配置的双路径采样系统。

过滤路径（Filtered Pathway）：用于常规过程监控，有效去除硅油蒸气，保护仪器离子光学系统，延长设备寿命。

直通通路（Unfiltered Pathway）：仅在需要检测硅油或其他高质荷比污染物时短期开启，提供完整的质谱信息。

可配置占空比：两种路径的切换频率和总体占空比可根据具体需求进行配置，实现过程监控与污染检测的最优平衡。

实验数据表明，通过过滤路径采样时，m/z = 73 amu的信号强度降低了约3倍，但仍足以进行硅油检测。这一设计使得质谱仪能够在同一台设备上同时承担“过程监控”和“污染检测”的双重角色。

氦气泄漏检测：替代传统氦质谱检漏仪的可行性

冻干机的真空系统泄漏检测是预防性维护的关键环节。传统方法使用独立的氦质谱检漏仪（Helium Leak Detector），通过在各个潜在泄漏点喷洒氦气，在真空泵出口处检测氦信号来定位泄漏位置。这种方法的局限性在于：检漏仪体积大、移动不便、维护成本高。

论文在IMA Life LyoMax 23 m²生产型冻干机上验证了一种替代方案：将AMS微型质谱仪直接连接至冻干机腔室的验证端口，在模拟泄漏点附近引入校准氦气泄漏源，通过检测m/z = 4 amu的氦特征峰来定位泄漏。

实验结果（图16）显示，质谱仪能够在数秒内检测到氦气的存在并发出警报，背景扫描与氦气引入后的扫描对比清晰显示了m/z = 4 amu的特征峰。基于该实验，质谱仪有潜力作为传统氦质谱检漏仪的补充工具，或在特定维护场景中作为替代方案；但在正式替代前，仍需结合企业验证要求和设备维护规程进行确认。

Fig.16.Signal response obtained from the AMS masss pectrometer on simulating a leak and detection of helium gas on a 23m2 production freeze-dryer

质谱PAT vs. 其他PAT工具：综合对比

论文指出的未来研究方向

莱奥视角：质谱PAT的产业化前景

基于对质谱PAT技术价值的理解，莱奥德创推出了LyoinMSTrack®冻干联用在线质谱仪，将论文中所验证的技术路线转化为面向中国制药企业的实用化解决方案。

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核心优势

先进的冻干设备和软件(PATs)，领先的冻干理念与技术 (QbD，Line of Sight )

● SMART™ 自动化工艺摸索技术，为产品提供数据支持的初步工艺；

● ControLyo® 可控瞬时成核技术，对成核温度进行精确控制，确保产品均一性；

● LyoFlux® TDLAS技术，对蒸汽质量流量进行精确测量，精确判定冻干终点；

● Tempris® 无线温度传感器，提供产品温度实时监测与记录；

● Biopharma 冻干前后分析技术，对产品配方进行特征研究，避免冻干过程开发风险。

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上海莱奥德创生物科技有限公司专注于提供先进的冻干设备应用和制剂开发相关服务，依托于合作伙伴加拿大ATS集团SP品牌和英国Biopharma Group等的紧密合作，致力于促进中国生物医药技术创新升级，助力中国大健康行业的持续发展。莱奥德创在上海及广州设有实验室，拥有专业的技术团队及国内外专家支持体系。

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