制药用水的TOC分析
本文通过讨论总有机碳（TOC）检测在满足各国药典制药用水质量控制要求方面的几个常见问题，展示了药典法规制定的细节过程，使广大制药技术、质量工作者理解当前世界药典对制药用水总有机碳检测方面的详尽要求，从而更好地掌握和利用总有机碳检测技术。
在过去的短短数年间，很多国家的制药法规（药典）都在制药用水质量控制方面经历了不断修改、更新和完善的过程，同时，由美国药典USP倡议，中国药典CP、欧盟药典EP、日本药典JP等世界主要国家药典积极推动的“世界药典一致化进程”也取得了历史性的突破。在世界药典变革、完善和“一致化进程”的背后，制药用水质量控制领域也伴随着产生了一系列的“疑问”。
药典法规与TOC分析技术
回溯至20世纪80年代末，TOC分析作为一种在线水质监控技术已经在半导体超纯水制备领域得到广泛的应用，但是，在当时的制药用水质量控制领域，广大制药用水质量控制工作者才刚刚开始意识到大部分检测技术手段早已落后不堪，甚至有一部分沿用20世纪50年代的方法，这些实验室分析测试方法不仅工作强度大、结果稳定性差，而且极易受到取样容器、取样过程、周围环境、样品等待和人为操作等诸多因素的影响。这些制药法定检测项目以及检测方法已不能满足飞速发展的制药用水制备技术以及质量控制的需求。因此，从1989年开始，美国药典(USP)和美国药品研究和制造商协会（PhRMA）开展了一系列调查研究，考虑采用总有机碳TOC和电导率检测方法替代原来的制药用水湿法化学检测方法。在当时的制药用水设备制造领域，TOC和电导率分析仪器已经开始被制药用水设备制造商用于水纯化设备性能的监控。
USP经过近8年的激烈讨论与漫长的实践论证过程，于1996年11月在USP 23的增补条款第五条中官方公布：TOC分析技术可以用于纯化水和注射用水中有机杂质的监测和控制，对于纯化水和注射用水中的有机物监测，TOC检测和总不稳定性氧化物检测二者可以任选其一。随着1998年5月USP<643>总有机碳检测章节的公布实施，TOC检测成为USP用于制药用水（含纯化水和注射用水）质量控制的强制检测项，同时取消总不稳定性氧化物检测。
伴随着USP发起的全球药典法规“一致化”倡议，欧洲药典EP和中国药典也分别在2000年和2010年针对制药行业纯化水和注射用水提出了TOC的检测要求，同时，这些药典法规也详细规定了纯化水和注射用水TOC检测的检测极限值以及对TOC分析仪器的最低要求。对于制药用水质量控制，日本药典JP也于2007年在USP制药用水专家委员会的帮助下完成了制药用水质量控制改革，JP在其《制药用水综述》章节中规定，参照USP <643> 总有机碳检测章节规定的TOC检测方法，对制药用水进行TOC检测，同时JP推荐对于纯化水和注射用水的TOC检测采用更低的TOC检测极限值：在线TOC测量的极限值为300 ppbC，离线TOC测量的极限值为400 ppbC。各国最新版药典对制药用水的TOC检测要求见表1。
各国最新版药典对制药用水的TOC检测要求
TOC和微生物检测
制药用水的TOC检测项目用于检测制药用水中有机物的含量，而有机物含量与微生物污染水平息息相关，微生物污染可能会导致数以百万美元计的产品损失，因此微生物检测项是现代制药行业中最普遍、要求最为严格的检测项目之一。由于有机物和微生物之间的关系如此密切，人们很自然联想到如下这些问题：对于注射用水质量控制，TOC检测是否可以代替微生物检测？TOC和微生物含量之间是否有固定的对应关系？500ppbC的TOC检测极限值所对应的微生物活性水平是多少？
我们对于水中的微生物进行如下假设：水中的微生物密度为1 g/cm3，微生物的平均含碳量为10%，微生物为球形微生物并且半径为5 μm。那么：
微生物体积 = (4/3)πr3 = 5.2 × 10-10 cm3，
微生物中的含碳量 = 微生物体积×微生物密度×微生物的平均含碳量 = 5.2×10-11 g C，
1 ppbC TOC = 10 × 10-9 g C/ml，
1 ppbC TOC中的微生物数量 = 10 × 10-9 g C/ml ÷5.2×10-11 g C ≈ 19 /ml，
500 ppbC TOC中的微生物数量 ≈ 10000 /ml。
如果我们进行另外一种假设：水中的微生物密度为1g/cm3，微生物的平均含碳量为10%，微生物为球形微生物并且半径为0.5 μm。那么：
微生物体积 = (4/3)πr3 = 5.2 × 10-13 cm3
微生物中的含碳量 = 微生物体积X微生物密度X微生物的平均含碳量 = 5.2×10-14 g C
1 ppbC TOC = 10 × 10-9 g C/ml
1 ppbC TOC中的微生物数量 = 10 × 10-9 g C/ml÷5.2×10-11 g C ≈ 19000 /ml
500 ppbC TOC中的微生物数量 ≈ 10000000 /ml
通过上面两个简单的理想计算模型，我们很容易发现500 ppbC 的TOC浓度对于不同的微生物种类、微生物大小则意味着不同的微生物含量，因此TOC浓度检测不能替代微生物检测。另外，TOC和微生物之间也不存在某种确定的关联对应关系，500 ppbC的TOC检测极限值针对不同种类和大小的微生物可能对应不同的微生物活性水平。USP <643>总有机碳检测章节针对上述问题也于2009年12月1日正式增加了如下内容“总有机碳检测不可以代替内毒素或者微生物控制，作为食物来源总有机碳和微生物活性之间或许存在着某种定性关系，但并不存在直接的定量对应联系”。
SST测试和仪器校准
当前现行的各国药典明文规定：应用于制药用水TOC检测的分析仪器必须满足如下要求：
必须采用校准过的TOC分析仪进行制药用水TOC检测；
TOC分析仪的最低检测极限值必须≤50 ppbC；
TOC分析仪必须定期进行SST测试；
必须能够区分无机碳和有机碳。
由上面的药典对于TOC分析仪的要求可以看出：用于制药用水TOC检测的TOC分析仪必须定期进行系统适应性测试System Suitability testing（SST）和校准，但是，由于SST和校准过程通常都会用到相同的标准溶液，大家常常将TOC分析仪的SST过程和校准过程混为一谈，认为SST过程等同于校准过程，TOC分析仪通过SST测试也就完成了校准过程。
什么是SST？确切地讲，SST过程各国药典强制要求的、用于检测TOC分析的氧化能力的仪器验证过程，用于确认其氧化能力是否适合用于制药用水TOC检测。各国药典规定TOC分析仪的SST过程采用两种标准物质，一种是蔗糖，蔗糖的分子结构为碳碳单键，化学键能比较小，理论上容易被氧化；另外一种标准物质是1,4-对苯醌，1,4-对苯醌的分子结构为环烷烃结构，且在1,4对位位置有两个基团，碳碳分子间键能较大，理论上很难被氧化。另外，为配制一定浓度的标准溶液，还需要试剂水，药典规定所采用的试剂水中的TOC浓度必须 ≤100ppbC。USP<643>，EP2.2.44以及2010版中国药典对于SST过程规定如下：
检测试剂水的TOC浓度Rw必须≤100 ppbC;
用试剂水和标准物质蔗糖及1,4-对苯醌分别配制500 ppbC的蔗糖和1,4-对苯醌溶液；
检测500 ppbC 的蔗糖溶液的TOC浓度, 检测结果记为Rs;
检测500 ppbC 的1,4-对苯醌溶液的TOC浓度，检测结果记为Rss.
将上面测量所得Rw, RS和Rss值代入下面的公式计算TOC分析仪的响应效率；
如果TOC分析仪的响应效率在85%~115%的范围内，那么该TOC分析仪通过SST测试。
我们通过一个具体的SST测试案例来看一下为什么药典法规要求用于制药用水检测的TOC分析仪既要通过SST测试又必须经过校准。假设采用Rw=20 ppbC 的试剂水分别配备500 ppbC 的蔗糖和1,4-对苯醌溶液，TOC分析仪测得的这两种溶液分别为Rs=800 ppbC和Rss= 800 ppbC，通过上面的响应效率计算公式，算得该TOC分析仪的SST响应效率为Re = 100%，完全满足药典规定的85%~115%范围要求。但是，从测量准确度方面考虑，对于500ppbC 的TOC量程应用点，该TOC仪器的测量误差高达+300 ppbC，必须马上进行校准。
通过上面的案例可以看到，对于制药用水TOC分析仪器，SST过程和校准过程是两个截然不同的仪器操作过程，SST用于检测TOC分析仪器的氧化能力，必须根据药典要求定期进行；而校准过程用于纠正仪器测量偏差，必须根据仪器制造商的建议，采用可追溯的校准方法、标准参比物质以及校准器具定期进行。
结语
通过本文希望能够帮助广大制药客户深入了解全球主要药典法规（USP、EP、CP、JP）关于制药用水TOC检测的相关要求以及法规制定、完善的部分细节过程，以便制药客户更好地利用TOC检测技术加强制药用水质量控制同时降低制药用水系统风险以及检测成本。
