Mastersizer2000 Application:레이저 회절 측정에 대한 검증 방법-1

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서론

 

입도측정을 실행할 때 측정의 견고성과 무결성 모두를 확보하기 위한 분석 방법을 검증하는 것은 중요한 일이다. 이를 통해 결과의 다양성에 관련된 주요 변수들을 파악하고 측정 절차의 한 부분으로 통제할 수 있다. 검증 연구의 실행은 제약산업에 절대적으로 필요하며 생산효율 및 통제의 품질을 보장하기 위해 결과의 일관성이 중요하게 인식되는 제조 부문을 통틀어 더욱 중요해지고 있다.

 

미 식약청(FDA)은 “특정 공정에 따라 생산되는 제품이 미리 결정된 사양과 품질 특성을 일관적으로 충족시킴을 확실히 보장하는 문서적 증거의 확립”을 검증이라고 정의한다[1]. 산업 문서에 대한 FDA의 지침은 입도 측정 방법에 관련하여 제조방법(레이저 회절 포함)의 중간정밀도와 효과성에 관한 연구의 실행을 요구한다.

 

입자 특성 규명을 위한 레이저 회절 장비의 사용자들은 시료채취와 분산 모두에 대한 지침 뿐만 아니라 기술을 뒷받침하는 이론에 관하여 풍부한 정보를 갖고 있다.[2,3, 4] 1999년, 제약분석과학그룹(PASG)[5]은 당시 방법 검증시 수반되어야 했던 절차에 관한 일부 지침을 제시했다. 여기에서 PASG 그룹의 연구는 검증 실행 방법의 실제적 예를 토대로 했다. Lerke와 Adams[6]도 이 주제에 대한 자신들의 생각을 하나의 유용한 논문을 통해 발표했다. 그들의 논문은 방법론 개발 및 평가 모두를 포괄한 반면, 이 노트는 주로 후자에 관련한다.

 

여기에서 유의해야 할 것은, 절차들이 아래와 같이 대략적으로 제시되었으나 주어진 방법에 대하여 감사기관의 허락이 항상 보장되지는 않는다는 점이다. 오히려, 실행이 예상되는 최소한의 작업이 대략적으로 제시된다. 오직 추가적 연구들을 통해서만 방법의 채택 가능성을 강화시킬 수 있을 것이다.

 

방법 검증

 

검증 방법의 개발은 검증된 소프트웨가 있는 장비를 사용하여 실행되어야 하고 성능의 확인을 위한 시험을 정기적으로 실시해야 한다. 검증된 소프트웨어에는 개발 및 유지 관련 세부사항을 기재한 생애주기 문서가 있어야하고 마이크로 소프트 엑셀 등 동급의 패키지를 이용해서 수치적으로 검증되어야 한다. 장비 설치는 제조업체의 설치 적격성 평가(IQ)에 적합해야 한다. 권장되는 제조업체의 운용 적격성 평가(QQ)는 최소한 매년 실행되어야 하며, 각각의 QQ 방문이 완료되면 부수적 표준을 활용하여 장비 성능 시험이 일상적으로 실행되어야 한다. 현재의 규제체제에서 전자적 기록과 서명에 관련하여 21 CFR 11에 적합한 소프트웨어를 사용하는 것이 필수적이다.

 

입자 특성 규명을 위해 레이저 회절을 검증할 때에는 시료채취, 시료 준비, 장비의 범위, 방법의 적합성, 분석 방법의 효과성, 시료에 의한 광산란의 양, 측정의 재현성 및 정확성 등 주요 변수들을 고려해야 한다.

 

  – 시료 채취

입도 분석에서는 분석을 위해 선택된 시료가 벌크 재료를 대표하는지에 대하여 우선 고려해야 한다. 시료가 벌크 재료를 대표하지 않는다면, 도출된 결과는 비정형적이고 실험은 무의미하다. 시료를 운반할 때에는 침전이 발생할 수 있다.분말 내에서 큰 입자는 시료 용기의 맨 위에 침전되는 경우가 있는 반면, 현탁액은 침전 중인 큰 입자 내에서 정반대의 경향을 보인다. 각각의 경우, 시료는 이러한 과정에 의해 초래되는 편향을 제거하는 방식으로 채취되어야 한다.

 

연구에 따르면 회전식 리플러의 사용은 다른 방법과 비교할 때 분말 시료에 대하여 대표적인 시료 획득을 위해 가장 재현성이 좋은 방법이다[7](표 1). 리플링은 자유롭게 흐르는 입자에 대하여 가장 효과적이지만 많은 분말을 취급해야 한다면 시간이 많이 소요될 수 있다. 분말이 자유롭게 흐르지 않는다면, 입자 격리를 최소화하고 스크푸 시료채취 등의 방법을 적용하여 대표적인 시료를 획득할 수 있다.

 

            표1] 다양한 시료채취 방법에 관련된 편차

 방법

상대적 표준변차(%) 

 원뿔 사분법

6.81 

 스쿠프 시료채취

5.14 

 테이블 시료채취

2.09 

 슈트 리플링

1.01

 회전식 리플링

0.13 

 

슬러리의 경우, 시료를 재분산 시킴으로써 침전을 극복할 수 있다. 이는 종종 저어주는 것만으로도 가능하다. 그러나 마그네틱 플리 등 특정 교반기를 사용하면 큰 입자들이 용기 밖으로 흘러 넘쳐(하이드로사이클론 격리와 비슷한 방식) 시료 채취가 불가능하게 될 수 있다.

 

  – 시료 준비

PAGS 그룹은 시료 준비를 “시료를 선처리하고 측정 방법에 적합한 시료를 의미있는 방식으로 제시하는 것”이라고 정의한다[5]. 그러므로 정확한 방법의 선택은 사용자의 관심에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 주요한 입도가 중요한 경우, 시료의 정확한 분산이 중요할 것이다. 기능에 대한 규명을 위해 분말의 용해성에 대한 통제가 중요한 때에 시료의 정확한 분산은 중요할 수 있다. 일부 과립화 과정에서 처럼, 자연적 응집 상태가 관심의 대상이라면 응집된 입자들의 분산이 방지되도록 시료준비를 고려해야 한다.

 

어느 경우에나, 공기 또는 액체 등 분산 매체는 용해, 제분, 또는 응집 등의 과정을 통해서 입도에 대한 되돌릴수 없는 변화를 초래해서는 안된다.

 

건식측정 및 습식측정 모두의 경우 에서 분산 에너지가 보고된 입도에 어떤 영향을 주는지를 이해하는 것이 중요할 것이다. 습식측정의 경우, 분산을 위한 계면활성제 및 첨가제의 추가와 초음파분해 처리에 관한 조사 가 수행되어야한다. 되돌릴수 없는 입자 분산이 발생했다면, 현미경 검사 를 통해 분산 전후의 분말 상태를 비교 함으로써 평가가 가능하다. 건조한 분말 측정의 경우, 분산 압력의 영향을 확인해야 한다.이때, 결과를 습식 분산에 대하여 비교함으로써 정확한 압력을 선택할 수 있다.

 

분산 매개변수는 방법 검증 과정의 한 부분으로 평가되기 보다는, 일반적 으로 방법 개발의 한 부분으로서 평가된다. 방법 개발에 관한 세부 사항은 아래에 제시되어 있다[8, 9].

 

  – 검출 한계와 범위

레이저 분산 방법의 검출 한계에 관한 평가는 방법 검증의 한 부분으로 요구되지 않는다. 그러나 입도 측정의 측정 범위는 시험되는 시료의 크기 범위를 포괄하는 것이 중요하다. 이는 현대적인 레이저 분산 장비가 한 번의 측정에서 20nm ~ 2000μ의 범위를 포괄할 수 있으므로 대부분의 제약 시료에 대하여 일반적으로 문제가 되지 않는다. 그러나 오래된 장비의 경우 동일한 측정 범위를 포괄하기 위해 많은 렌즈를 사용해야 할 수 있다. 여기에서는 입도 분포의 가장 큰 비율을 포괄하는 렌즈를 사용해야 한다. 또는, 2개의 렌즈를 통해 얻은 결과를 결합할 수 있다. 그러나 이 방법은 결과가 결합하는 방식의 수학적 효과성에 따라 다를 수 있어서 권장되지 않는다.

 

  – 특수성

분석되는 재료에 대한 방법의 정확성에 관련하여, 특수성은 방법 개발의 한 부분으로 다뤄져야 하며 방법 검증을 위해 재검토의 필요가 없어야 한다. 물론, 다양한 크기결정 방법들은 민감도가 다양한 것이 사실이며, 이에 따라 동일한 시료에 대하여 다양한 결과가 도출될 것이다. 적절한 방법의 선택은, 소량의 과도하게 큰 입자의 검출이 요구되는지 또는 방법이 다양한 입자 유형들을 구별해야 하는지 등의 관심사항에 따라 다르다. 이러한 측면에서, 레이저 회절은 크기 분포의 작은 변화를 평가하는 데 좋은 방법이다. 그러나 이 방법을 사용하여 제약 조성물 내의 다양한 요소들을 구별하는 것은 어렵다.

 

  – 견고성

분석 방법의 견고성은 시험 매개 변수의 작은 변화에 의해 영향 받지 않는 능력에 대한 지표이며, 일상적 사용시 신뢰성을 보장한다. 방법의 견고성은 반복성, 재현 가능성, 중간 정밀도가 평가되기 전에 고려되어야 한다.

 

측정 시간과 측정 안정성은 견고성에 관한 연구의 일환으로 고려되는 두 개의 주요 매개변수들이다. 공기 압력(건식측정), 펌프/교반율(습식측정) 등 다른 요소 들은 일반적으로 측정 개발의 한 부분으로 간주되지만 여기에서는 간략 하게 소개된다.

 

  – 측정 시간

각각의 레이저 회절 측정 시간은 대표적인 시료채취가 성공적으로 달성 되도록 설정되어야 한다. 분포가 세밀 하거나 미세한 입자들의 경우 측정 시간은 상대적으로 짧게 설정될 수 있다. 복합분산형 입자 또는 거친 입자크기분포를 분석할 경우, 보다 큰 입자들의 대표적 부피가 표본 채취될 수 있도록 보다 긴 시간의 설정이 요구된다.

 

정확한 측정시간의 할당을 위해 제안되는 절차는 2 ,5, 7, 10, 15초의 측정시간을 활용하여 측정을 10회 반복하는 것이다. 각각의 측정시간에 대한 개별 및 평균 계측은 과다표시될 수 있으며 입도 분포의 변화를 주목해야 한다. 적합한 측정시간의 선택은 입자크기의 중간값(Dv50), Dv10, Dv90에 대한 편차의 계수를 조사함으로써 가능하다.

 

COV는 ISO13320에서 제시된 허용범위 내에 있어야 한다. 이는 중앙값이 10μm보다 큰 시료의 경우 COV는 분포 중앙에 인접한 판정 기준치의 3% 이하여야 하고(예컨대 Dv50) 분포 한계에 대한 판정 기준치의 5% 이하여야 한다고 규정 한다. 크기의 중간값이10μm 이하인 시료의 경우, COV 한계는 10μm기준의 두배가 된다. 미세입자에 대하여 ISO 13320의 허용 되는 편차의 증가는 이러한 크기의 범위 내에서 확산이 중요 하다는 사실을 반영한다. 일반적으로 3% 이하의 COV 값은 분산과 시료채취가 모두 제어된다면 측정 범위를 통틀어 달성 가능함을 주목 하라.

 

그림 1은 젖산 부형제에 대하여 보고되는 Dv50이 측정시간 내에서 어떻게 변화하는가를 나타내는 예를 보여준다. 이 경우 측정시간은 7초로 설정되었다. COV는 측정시간 2초로 짧은 수치임에도 불구하고 Dv50은 다른 측정치에 대한 것보다 상당히 작은데, 이는 짧은 측정 시간 동안 큰 입자들의 시료채취가 정확히 이뤄지지 않았음을 시사한다.

 

     그림1] 측정 시간의 함수인 Dv50의 편차. 오차 막대는 10회 측정에 대한 COV를 나타낸다.

 

  측정 안정성

분석 기간에 시료의 안정성을 파악 하고 시료가 재분산 또는 용해되었 는지 파악하기 위해, 알려진 시점에서 입도 분포를 모니터링하는 것이 필요 하다.

 

시료는 조사되고 있는 방법에 따라 준비되어야 한다. 시료 확산 후, 이전에 설정된 측정시간에 따라 다양한 시간으로 최소한 5회 반복 측정하는 것이 권장된다(1, 3, 5, 7, 10분). Dv10, Dv50, Dv90에 대한 평균 및 COV를 파악해야 하며, 이 평균 및 COV는 ISO13320의 한계 범위에 있어야 한다[2].

 

젖산 시료에 대하여 측정된 일반적인 측정 안정성 결과는 그림 2에 제시 되어 있다.이 결과에 기초할 때, 젖산 시료는 현탁액 상태에서 안정적이다. 이러한 결과에 비춰볼 때, 시료가 균형 상태에 이르기 위한 시간을 허용하기 위해 1분 후에 측정을 실시해야 한다.

 

          그림2] 젖당 시료의 안정성 측정 요약

     

 

그림 3은 분산 조건이 측정의 안정성에 어떻게 악영향을 줄 수 있는지에 관한 예를 제시한다. 여기에서, 수도물과 증류수에 분산 된 유제 제품의 입도는 측정 횟수의 함수로서 나타나 있다(그러므로 시간의 함수임). 개별 측정을 통해 얻은 결과는 동일하다. 수도물의 분산 불안정을 관찰하는 방법은 시간의 경과에 따라 측정 안정성을 평가함으로써만 가능 하다. 이러한 경우 수도물에서 실행된 측정의 정확성은 분명히 좋지 않을 것이며 증류수가 사용되어야 한다. 

 

             그림3] 에멀젼 시료의 안정성 평가


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