——《制药用水系统》

本期介绍三种仪器，pH分析仪、臭氧分析仪、在线微生物检测仪：

1. pH分析仪——重点介绍了pH电极玻璃敏感膜的优点。还介绍了使用的注意事项及校验的注意事项。

2. 臭氧分析仪——介绍了臭氧传感器的原理。同样臭氧分析仪也需要校准，书中介绍了校准的注意事项。

3. 在线微生物检测仪——首先介绍了传统的微生物检测方法，然后介绍在线微生物检测仪所采用的测量原理（激光诱导荧光光谱 (LIF) 测量原理）及其优势，最后介绍其校验注意事项。

一、pH分析仪

pH是用来衡量溶液中的酸性或者碱性物质的活度，间接反应水溶液的腐蚀性程度。在水处理过程中，调节pH值可以防止结垢，或者优化离子和反渗透膜的排斥反应。pH影响溶液中的酸碱平衡，例如，在低pH值时，二氧化碳以非离子状态的气体或者碳酸形态存在并能透过反渗透膜，在高pH值时，二氧化碳以碳酸根或者碳酸氢根形态存在，他们会与膜体发生排斥反应。

pH测量通常使用玻璃复合电极，包括pH玻璃敏感膜 (测量电极)、参比系统和温度电极。玻璃敏感膜产生毫伏 (mV) 信号，信号的大小和pH值成比例关系，参比电极通过隔膜孔或盐桥与样品导通，并和测量电极形成回路, 进行pH值的mV信号测量。测量电极的mV信号除了受到pH值的影响还会受到温度的影响。基于能斯特方程的pH分析仪，通过温度补偿功能可消除该影响。

pH电极玻璃敏感膜具有高阻抗，其测量电路、电缆和绝缘必须精密设计防止信号衰减，一些测量仪器将测量回路内置于电极头部，最大程度减少pH信号的衰减并避免外界干扰。电极可以传输稳定的数字信号至变送器，传输距离更远，同时，该电极可以存储校准数据，这样可以先在实验室校准电极，校准数据存储在电极内部的芯片中，然后再把电极安装到工艺现场，操作更简单。而且，这种电极能够进行自诊断，帮助使用者制定预防性维护计划。

虽然pH电极对酸碱性溶液具有很好的线性响应，但在极端碱性溶液中，如pH>12时，可能导致负误差，俗称碱差。此外，长期接触强碱溶液，特别是高温情况下，会加速玻璃敏感膜的老化，响应效率会快速下降。因此，电导率更适合碱性溶液的测量，用于监测碱性化学物质的浓度。

pH缓冲液应使用可追溯到国家标准的标准溶液进行pH电极校准。校准使用的标准溶液范围应该包括pH测量范围，一点校准用于修正pH测量系统的参比漂移，可视为零点校准；两点校准用于参比漂移零点和影响能斯特方程响应偏移的斜率校准。在线pH分析仪内存通常会存储缓冲液组，以实现自动缓冲液识别，同时消除温度对缓冲液的影响。

二、臭氧分析仪

在臭氧消毒设计制药用水系统中，应在臭氧发生器的下游测量臭氧浓度，以确保达到满足消毒要求的臭氧浓度。为了满足制药用水 “无添加物” 的要求，紫外线臭氧破坏器安装在较远的下游位置，在分配管网的用水点前。同时，在紫外线臭氧破坏器出口也需监测臭氧浓度，以确认臭氧是否完全被分解。第三个臭氧测量点在总回水管道末端，以确定在臭氧消毒期间此处管路也达到满足消毒要求的臭氧浓度。

臭氧浓度的测量单位是μg/L。纯化水消毒的臭氧浓度要求为20~200μg/L，在长的管网回路中必须采取更高的浓度，以确保回水管路的末端也能达到足够的臭氧浓度。

臭氧传感器属于覆膜电化学极谱传感器。其测定原理为：气体选择性透过膜将样品和内电极的化学反应腔隔离，臭氧透过膜体进入反应腔，在阴极发生化学反应，产生的电流信号大小和臭氧的浓度成正比，通过内部电解液、阳极和测量电路组成完整的测量系统 (图12.46)。所有的臭氧传感器均内置温度传感器，通过温度补偿消除温度变化对臭氧溶解度和膜扩散效率的影响。极谱法臭氧传感器建议安装在小体积的流通池中测量，并控制流量，确保样品能够快速流经膜体。

显色反应紫外分光光度比色法也可以用于测定臭氧浓度。该测量方法采用254nm的紫外线，根据朗伯比尔定律，可以测量高浓度臭氧。需要注意的是，溶液中部分物质也可能吸收紫外线，会对测量产生干扰。

因为臭氧非常不稳定，所以没有真正意义上的臭氧标准溶液。一般情况下，可通过显色反应比色法为在线极谱臭氧提供参考标准数值，校准时需要水系统保持稳定的臭氧浓度，然后取样快速使用离线比色法测量，对在线臭氧进行校准或验证，可在空气中校准臭氧分析仪的零点。

三、在线微生物检测仪

细菌的测量单位是单位体积中的菌落总数，药典规定纯化水微生物限值为100CFU/ml，注射水微生物限值为10CFU/100ml 。微生物污染或负荷是衡量水中微生物的浓度。目前，常规的测量方法是通过取样，然后通过平板培养基培养计数的方法 (图12.47)，该测量方法能够检测可生长的微生物数量。

传统的实验室平板计数方法需要取样、培养皿培养并等待数天，整个过程存在很多变数，包括样品制备、培养基种类、培养时间和温度。对于特殊样品，可以调节至最佳状态以加快检测速度。通过人工计数方法并换算成单位体积菌落总数。这种检测方法需要占用大量的人工，样品制备过程中容易受到污染，并且需要等待非常长的培养生长时间。部分仪器或设备具有自动取样和计数的功能，但还是需要漫长的培养时间。

USP通则<1231> “制药用水宗旨” 建议应定期监测制药用水系统，以确保该系统得到监控并持续生产出质量合格的水。通则要求连续运行监测仪器，以便记录历史进程内的数据以供检查。连续的生产测量和趋势分析数据，也可以作为系统维护的依据。

2011年，FDA发表了 《推动FDA的监管科学》 文件，表明支持 “开发灵敏、快速、高处理量的方法来检测、识别和计算微生物污染物，并且验证它们在评估产品无菌性方面的有效性”。作为对上述内容和制药行业在线微生物测量仪器要求的认可，7家领先的制药公司于2013年成立了在线水中微生物分析仪 (OWBA) 工作组，旨在向仪器制造商提供关于新的微生物测量系统发展指南，以便该设备满足行业和监管机构的需求。

在线微生物检测仪采用激光诱导荧光光谱 (LIF) 测量原理，测量样品中微生物和惰性粒子的数量 (图12.48)。 激光诱导荧光光谱是可以满足行业需求的微生物含量测量技术。所有微生物通过代谢物如核黄素、NADH来调节它们的生长和增殖速度。这些代谢物暴露在特定波长的光时会释放出特有的荧光。LIF是一种高灵敏度的技术，利用这种原理来检测微生物。使用LIF技术的空气分析仪上市已有多年，随着技术的进步，如今可以用LIF技术来测量水中的微生物含量。

在实际工作中，水系统水样通过连接管路进入分析仪测量腔，采用405nm波长的激光，诱导微生物代谢物产生荧光，由光电倍增管检测到发出的任何荧光。 水中的颗粒数量由另一个传感器通过米氏散射测定，使用先进的特定算法对来自两个检测器的数据进行处理。大多数惰性材料 (如304或316L不锈钢) 不会发出荧光，但一些包括某些聚合物的材料会导致在系统将这些颗粒算作生物。通过分析发出的荧光和散射光，在线微生物检测仪内置的RMS算法能够准确地区分微生物与非微生物颗粒。

检测仪的触摸屏显示生物计数中的微生物浓度 [一个生物计数相当于菌落单位 (CFU) ] 和惰性粒子的数量。可设置用于报警、联动和规定限值的警告。7000RMS测量0.52μm和50μm之间的颗粒，可耐受最高90℃的样品温度，为在线测定常温纯化水与高温注射用水的微生物指标提供了便利。

对于连续测量分析仪，定期校验至关重要。为了获得准确结果，可使用荧光和惰性颗粒标准物质来完成。操作时必须严格遵守标准物质的存储方法和保质期限。目前，在线连续检测微生物含量的微生物检测仪已经研发成功并投入到工业应用领域，在线微生物检测仪可以连续瞬时检测微生物浓度，无需等待。有效减 少了采样人工、常规测试和材料，从而降低了测试成本。同时，在线微生物检测仪可极大地帮助制药用水系统验证部门提供准确、安全的灭菌周期，减少不必要的 “过度” 消毒与灭菌，为企业的正常生产与节能减排提供了帮助。

过程分析技术 (PAT) 和 “质量源于设计” (QbD) 理论推荐制药企业通过仪器来加强纯化水与注射用水的实时监测，让生物技术公司减少对耗时的实验室平皿法检测微生物的方法依赖。实时微生物检测方法能够快速发现潜在微生物，提高制药用水质量，先进的测试方法、快速的响应速度，让制药企业更好地掌控水系统的状态，可以让生产的产品更快地进入市场流通。快速微生物检测可及时有效地检测任何存在的微生物，并迅速采取纠正措施。图12.50是平板计数法与在线自动荧光检测的微生物检测对比曲线 (数据来自梅特勒-托利多公司的7000RMS在线微生物检测仪)。 

在线微生物检测仪的开发和使用有助于改进制药用水系统运行、降低成本和保证水质。在线微生物检测仪通过实时的监控实现更好的过程控制和产品安全性，真正做到了自动化控制领域提倡的 “过程监 控技术”，可以预见的是，在线微生物检测仪将与在线电导率仪、在线TOC检测仪的发展历程一样，会得到越来越多的制药企业的青睐与应用，同时，该技术的发明也将推动相关法规规范的完善发展。