原料受入
粉末原料、培地原料、賦形剤の確認に使われる。
主な用途
- 原料同定
- 水分確認
Product Guide
NIR/FTIRモニタリング
NIR/FTIRモニタリングは、近赤外分光法またはフーリエ変換赤外分光法を用いて、原料、培地、反応液、培養液、工程液、製剤液などの成分や状態を非破壊または低侵襲で確認するモニタリング技術です。NIRは近赤外領域の光吸収を、FTIRは赤外吸収から官能基や化学構造の情報を取得し、バイオプロセスではPATの一部として使われます。
用途・特徴
NIR/FTIRモニタリングは、工程中の化学成分や物理状態をリアルタイムまたは迅速に把握するために使われます。NIRは、水分、糖、タンパク質、脂質、粉末原料、培地、製剤成分などの非破壊分析に向いています。粉末培地、原料受入、培地調製、バッファー、タンパク質濃度、乾燥状態、混合均一性の確認にも使われます。
FTIRは、官能基や分子構造に由来する吸収を測定するため、反応モニタリングや液体中の成分変化を追う用途に向いています。低分子合成、フロー合成、酵素反応、バイオプロセス下流工程、製剤処方検討などで使われます。細胞培養のリアルタイムモニタリングでは、ラマン分光と同様に、グルコースや乳酸などの培地成分をモデル推定する用途があります。
Point
- NIRは近赤外吸収、FTIRは赤外吸収を使う分光モニタリング技術
- 原料確認、培地調製、細胞培養、下流精製、製剤化、フロー合成で使われる
- NIRは粉体・原料・水分・タンパク質・混合状態に強い
- FTIRは反応進行、官能基、液体成分変化の追跡に強い
- PAT、QbD、リアルタイムモニタリングに関係する
- 定量にはケモメトリクスモデルと参照分析値が必要になる
- ラマン分光、自動サンプリング、バイオプロセス分析計と使い分ける
使用方法
基本的には、NIRまたはFTIRのプローブ、フローセル、測定窓を工程に接続し、スペクトルを取得します。定量用途では、取得したスペクトルと参照分析値を対応づけてモデルを作ります。
1測定したい工程・成分を決める
2NIRまたはFTIRの方式を選ぶ
3プローブ・フローセル・測定窓・オフライン測定の構成を決める
4工程液や原料からスペクトルを取得する
5HPLC・BioProfile・Cedex・UV・LC-MS等の参照分析値を取得する
6スペクトルと参照値を対応づける
7PLS回帰やPCAなどで予測モデルを作る
8モデル精度を検証する
9工程モニタリングや制御へ活用する
10GMP用途ではモデル変更管理やデータ記録を行う
実際の運用は、測定対象、サンプル状態、水分量、濁度、温度、流路、プローブ材質、スペクトル品質、モデル管理、GMP要件によって変わります。
バイオプロセス分析計との違い
バイオプロセス分析計は、サンプルを採取してグルコース、乳酸、ガス、浸透圧などを測定します。NIR/FTIRはスペクトルから成分や状態を推定します。
結論
NIR/FTIRは、直接測定装置というより、工程を光で見てモデル化する技術として扱うと理解しやすくなります。
測定方法
サンプルを採取して直接測定
光を当ててスペクトルを取得
測定方式
オフライン、アットライン
オフライン、アットライン、オンライン、インライン
主な値
グルコース、乳酸、pH、浸透圧など
モデル化した成分、品質、反応進行
リアルタイム性
サンプリング頻度に依存
高頻度・連続測定が可能
モデル構築
不要な項目が多い
多変量解析モデルが必要
強み
直接値として扱いやすい
非破壊・多成分・高速測定
注意点
試薬、サンプリング、測定時間
モデル検証、スペクトル品質、外れ値管理
NIRとFTIRの違い
| 項目 | NIR | FTIR |
|---|---|---|
| 波長領域 | 近赤外領域 | 中赤外領域が中心 |
| 主な情報 | O-H、C-H、N-H結合の倍音・結合音 | 官能基や分子振動の基本吸収 |
| 水の影響 | あるが工程測定に使いやすい場合が多い | 水の吸収が強く影響しやすい |
| 得意な対象 | 粉体、原料、水分、タンパク質、混合状態 | 反応進行、官能基、液体成分、化学変化 |
| バイオプロセス用途 | 原料確認、培地、製剤、下流工程 | 反応、下流、製剤、フロー合成 |
| 測定方法 | 透過、反射、ファイバー、プローブ | ATR、透過、フローセル、プローブ |
| モデル | 多変量解析が重要 | スペクトル解釈とモデルの両方が重要 |
| 注意点 | 散乱、粒径、水分、温度 | 水吸収、プローブ汚れ、ATR接触状態 |
ラマン分光との違い
| 項目 | ラマン分光 | NIR / FTIR |
|---|---|---|
| 原理 | ラマン散乱 | 近赤外吸収 / 赤外吸収 |
| 水の影響 | 比較的受けにくい | 中程度 / 強い |
| 細胞培養液 | グルコース、乳酸、細胞密度推定で使われる | 用途によって可能 / ATRやフローセルで検討される |
| 原料確認 | 可能 | 得意 / 得意 |
| 粉体・混合 | 可能 | 得意 / 用途による |
| 反応モニタリング | 可能 | 可能 / 得意 |
| フロー合成 | 可能 | 可能 / 得意 |
| モデル依存 | 高い | 高い / 中〜高 |
| 注意点 | 蛍光、気泡、プローブ汚れ | 散乱、粒径、水分、温度 / 水、ATR接触、流路設計 |
NIR/FTIRモデルとは？
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| スペクトル | 原料や工程液から取得される吸収スペクトル |
| 教師データ | HPLC、LC-MS、BioProfile、UV、重量法などの参照分析値 |
| モデル | スペクトルから濃度や品質指標を推定する計算式 |
| 代表的手法 | PLS回帰、PCA、SIMCA、機械学習、ケモメトリクス |
| 検証 | 予測値と実測値のずれ、外れ値、ロット間再現性を見る |
| モデル移管 | 装置間、スケール間、施設間でモデルが使えるか確認する |
| GMP運用 | モデル変更管理、バリデーション、監査証跡が重要 |
NIR/FTIRで見られる主な対象
| 対象 | 内容 | 主な用途 |
|---|---|---|
| 粉末原料 | 原料同定、水分、混合均一性 | 原料受入、培地調製、粉体管理 |
| 粉末培地 | 組成確認、水分、混合状態 | 培地調製、原料品質確認 |
| 培地・フィード | 糖、アミノ酸、水分、濃度推定 | 培地調製、フィード調製 |
| 培養液 | グルコース、乳酸、バイオマスなど | 本培養モニタリング |
| タンパク質濃度 | UVやHPLC参照値とモデル化 | 下流精製、濃縮工程 |
| バッファー | pH、導電率、濃度と組み合わせて確認 | 精製、UF/DF、製剤 |
| 反応液 | 原料消費、中間体生成、反応終点 | 低分子合成、酵素反応、フロー合成 |
| 製剤液 | タンパク質、賦形剤、濃度、均一性 | 製剤開発、充填前確認 |
| 晶析 | 結晶化進行、母液成分 | 低分子、原薬、製剤 |
| 乾燥状態 | 水分、残留溶媒 | 凍結乾燥、粉体工程 |
主なタイプ
| タイプ | 内容 | 向く用途 |
|---|---|---|
| インラインNIR | プローブや測定窓を工程に直接設置する | 原料、粉体、流体、製造ライン |
| オンラインNIR | バイパスラインやフローセルで測定する | 培地、バッファー、製剤液 |
| オフラインNIR | 採取サンプルを装置で測定する | 原料確認、QC、モデル構築 |
| インラインFTIR | ATRプローブやフローセルで工程液を測定する | 反応モニタリング、フロー合成 |
| オンラインFTIR | バイパスラインや流路で測定する | 反応液、工程液、下流工程 |
| ATR-FTIR | ATR結晶に接触したサンプルを測定する | 液体、反応、製剤、培養上清 |
| FT-NIRプロセス分析計 | 複数測定点をファイバーで接続する | 製造ライン、多点測定 |
| 卓上FTIR/NIR | 開発・QC向けのオフライン測定 | 原料確認、モデル構築 |
| 自動化連携型 | ロボットや自動サンプリングと接続する | 高スループット、PAT、DoE |
選定ポイント
測定対象粉体、培地、培養液、反応液、バッファー、製剤液のどれか
測定方式NIRかFTIRか、インラインかオフラインか
水の影響水系サンプルで十分なスペクトル情報が得られるか
プローブATR、透過、反射、拡散反射、フローセルのどれか
工程適合性バイオリアクター、配管、フローセル、粉体ラインに接続できるか
サンプル状態濁度、気泡、粘度、粒径、温度、沈殿の影響
モデル構築PLS、PCA、SIMCAなどの多変量解析に対応するか
教師データHPLC、BioProfile、LC-MS、UVなどの参照値を用意できるか
自動化連携SCADA、MES、LIMS、フィード制御、PLCと接続できるか
GMP対応IQ/OQ、CSV、21 CFR Part 11、電子記録、監査証跡
モデル管理モデル変更、再検証、スケール移管、外れ値管理ができるか
保守光源、検出器、プローブ、ファイバー、校正標準、サービス体制
導入負荷装置費用、モデル開発、解析人材、バリデーション負荷
使用される工程
NIR/FTIRモニタリングは、原料確認から培養、下流、製剤、フロー合成まで幅広い工程で使われます。
培地・フィード調製
粉末培地の溶解、混合、水分、濃度確認や濃縮フィードの均一性確認に使われる。
主な用途
- 混合均一性
- 濃度確認
シードトレイン
培地状態や小型培養条件の確認に使われる場合がある。
主な用途
- 培地状態
本培養・フェッドバッチ
培養液成分や代謝物をモデル推定し、栄養消費やフィード制御の補助に使われる。
主な用途
- 代謝物推定
- フィード制御
灌流培養
連続工程で成分変化をモニタリングする。
主な用途
- 連続モニタリング
ハーベスト・清澄化
工程液の濁度や成分変化確認に関係する。
主な用途
- 濁度
- 成分変化
下流精製
Protein A溶出ピーク、タンパク質濃度、バッファー状態、UF/DFの濃縮状態確認に使われる場合がある。
主な用途
- 溶出ピーク
- 濃縮確認
製剤化
製剤液、賦形剤、タンパク質濃度、均一性確認に使われる。
主な用途
- 濃度
- 均一性
フロー合成・低分子原薬
原料消費、中間体生成、反応終点、晶析、乾燥、粉体工程のリアルタイム確認に使われる。
主な用途
- 反応終点
- 晶析・乾燥
PAT/QbD
工程理解、リアルタイム制御、品質設計に使われる。
主な用途
- 工程理解
- 品質設計
使用されるモダリティー
NIR/FTIRモニタリングは、抗体医薬から低分子医薬品まで幅広いモダリティーの工程で使われます。
抗体医薬
関連度高
培地調製本培養下流製剤
培地・培養液・タンパク質濃度・製剤液確認に使われる。
ADC
関連度高
抗体原薬リンカー/薬物製剤
抗体部分と化学反応部分の両方で関係する。
二重特異性抗体
関連度高
CHO培養精製製剤
抗体医薬と同様に工程モニタリングで使われる。
Fc融合タンパク質・組換えタンパク質
関連度高
培養精製UF/DF製剤
タンパク質濃度や工程液確認で使われる。
AAV
関連度中〜高
培地HEK293/Sf9培養精製製剤
細胞培養・下流・製剤工程で関係する。
レンチウイルス
関連度中
培地培養精製製剤
ベクター液や工程液のモニタリングに関係する。
ワクチン
関連度高
細胞培養ウイルス液製剤
培地、工程液、製剤確認で使われる。
細胞治療
関連度中
培地細胞処理液洗浄液凍結保存液
閉鎖系工程や培地確認で関係する。
iPS細胞・幹細胞由来製品
関連度中
培地分化液工程液
培地・添加液・細胞処理液の確認に関係する。
遺伝子編集
関連度中
編集細胞ベクター製造反応液
関連工程液や反応の確認で使われる。
mRNA-LNP
関連度高
酵素反応バッファーLNP製剤フロー混合
反応・混合・製剤工程で関係する。
プラスミドDNA
関連度高
発酵アルカリ溶解精製バッファー
微生物工程・精製工程のモニタリングで使われる。
微生物発酵
関連度高
基質代謝物発酵状態
発酵工程のリアルタイム監視で使われる。
低分子医薬品
関連度高
フロー合成反応晶析乾燥粉体
NIR/FTIRの重要用途。反応・原料・製剤で使われる。
メーカー製品
プロセスNIR分析計（8）
BrukerMATRIX-F II FT-NIR Spectrometerリアクターや配管内での直接測定に対応するプロセスFT-NIR。プロセス理解、工程制御、品質モニタリングに使われる。公式URL BrukerMATRIX-F Process FT-NIR複数測定点に対応するプロセスFT-NIRシステム。プローブ、フローセル、センサーヘッドをリアクターや配管へ接続して使う。公式URL BrukerMATRIX-F II Process Solutionsプロセス用FT-NIRとして、オンライン測定、ファイバー接続、多点監視、プロセス制御に使われる。公式URL ABBMB-Rx In-situ Reaction Monitoring AnalyzerFTIR/FT-NIRを用いたリアルタイム反応モニタリング装置。化学・バイオテクノロジープロセスの反応理解に使われる。公式URL ABBMB3600 / FT-NIR Process Analyzersプロセス分析や品質確認に使われるFT-NIR分析装置。原料、液体、粉体、工程分析に関係する。公式URL FossNIR Process Analyzers食品・飼料・医薬・化学などの工程で使われるNIR分析装置。粉体・液体・工程監視に関係する。公式URL BuchiNIR-Online Process Analyzer原料、粉体、液体、製造ラインの近赤外オンライン分析に使われる装置。公式URL YokogawaNIR Process Analyzer / Process Spectroscopyプロセス分析、製造ライン監視、成分測定に関係するNIR分析ソリューション。公式URL
FTIR・ATR-FTIRモニタリング装置（8）
Mettler-ToledoReactIR In-situ FTIR Spectrometersin situリアルタイムFTIRにより、反応進行、速度論、反応機構、反応経路を監視する装置。フロー合成や反応開発で使われる。公式URL Mettler-ToledoReactIR 702L液体窒素不要の小型・可搬型in situ FTIRシステム。反応モニタリングやプロセス開発で使われる。公式URL Mettler-ToledoReactIR 702L Flow Cellフローセルと組み合わせた連続フロー反応モニタリングに使われるFTIR構成。フロー合成や連続反応で関係する。公式URL ABBMB-Rx In-situ Reaction Monitoring AnalyzerFTIR/FT-NIRを用いたリアルタイム反応モニタリング装置。化学・バイオテクノロジープロセスに使われる。公式URL BrukerALPHA II / INVENIO FTIR Systems研究・開発・QC向けFTIR装置。オフライン分析やモデル構築、原料・製剤確認に使われる。公式URL Thermo Fisher ScientificNicolet FTIR Spectrometers研究・品質管理向けFTIR装置。原料、反応液、製剤、材料分析に使われる。公式URL PerkinElmer / RevvitySpectrum FTIR SystemsFTIR分析装置。医薬、材料、食品、化学、製剤分析で使われる。公式URL AgilentCary 630 FTIRコンパクトFTIR装置。原料確認、液体・固体分析、研究・QC用途で使われる。公式URL
NIR/FTIRプローブ・フローセル（7）
BrukerNIR Fiber Optic Probes / Flow CellsMATRIX-Fなどと組み合わせるNIRプローブ・フローセル。リアクター、配管、複数測定点で使われる。公式URL BrukerMATRIX-F Measurement Accessoriesプローブ、フローセル、センサーヘッドを工程へ設置し、ファイバーで分析計と接続する構成。公式URL Mettler-ToledoReactIR ProbesReactIRと組み合わせるin situ FTIRプローブ。反応液、フロー合成、プロセス開発で使われる。公式URL Mettler-ToledoReactIR Flow Cell連続フロー反応や流路中の反応液をFTIRで測定するためのフローセル。公式URL ABBFTIR/FT-NIR Sampling InterfacesMB-RxやFTIR/FT-NIR分析計と組み合わせるサンプリングインターフェース。反応・工程分析で使われる。公式URL HellmaFiber Optic Probes / Flow CellsUV/VIS/NIRなどの分光測定用プローブ・フローセル。プロセス分析や液体測定で使われる。公式URL SolviasCustom PAT InterfacesNIR/FTIR/Ramanなどのプローブ導入、フローセル設計、プロセス適合化に関係する支援。公式URL
原料確認・粉体/培地調製向けNIR（7）
BrukerFT-NIR Spectrometers食品、医薬、化学分野で非破壊定量分析や迅速な原料同定に使われるFT-NIR製品群。公式URL BrukerMPA II FT-NIR Analyzer原料確認、粉体、液体、錠剤、製剤、QC用途で使われるFT-NIR装置。公式URL Thermo Fisher ScientificAntaris / Nicolet NIR Systems原料確認、粉体、製剤、工程分析で使われるNIR/FT-NIR装置。公式URL BuchiNIRFlex / NIR-Online粉体、液体、工程ラインのNIR分析に使われる装置。原料確認や混合状態確認で使われる。公式URL FossNIR DS2500 / Process NIR粉体・液体・原料・工程のNIR分析に使われる装置。公式URL MetrohmNIRS XDS / DS2500近赤外分析装置。原料確認、混合均一性、水分、製剤分析で使われる。公式URL PerkinElmer / RevvityNIR Analyzers原料、粉体、食品、医薬品、製剤分析向けのNIR分析装置。公式URL
データ解析・ケモメトリクス（8）
BrukerOPUS / Process SoftwareBruker FT-NIR/FTIR装置のデータ取得・解析・プロセス分析に使われるソフトウェア。公式URL Mettler-ToledoiC IR / iC ProcessReactIRデータの取得、解析、反応モニタリング、プロセス理解に使われるソフトウェア。公式URL ABBHorizon MB / Process SoftwareABB FTIR/FT-NIR分析計のデータ取得・解析・プロセス分析に使われるソフトウェア。公式URL CAMO Analytics / AspenTechUnscramblerNIR/FTIR/Ramanなどの分光データの多変量解析、PLS回帰、PCA、ケモメトリクスモデル構築に使われる。公式URL Eigenvector ResearchPLS_Toolbox / SoloMATLABベースまたはスタンドアロンのケモメトリクス解析ソフト。分光モデル構築に使われる。公式URL Umetrics / SartoriusSIMCA多変量解析、PCA、PLS、プロセスデータ解析に使われるソフトウェア。PATやQbDで使われる。公式URL TetraScienceScientific Data Cloud分析装置やプロセス装置のデータを統合・標準化するクラウドデータ基盤。NIR/FTIRデータ管理にも関係する。公式URL ScitaraScitara DLX分析装置、LIMS、ELN、解析アプリケーションを接続するデータ連携プラットフォーム。公式URL
参照分析・モデル構築関連（8）
Nova BiomedicalBioProfile FLEX2グルコース、乳酸、浸透圧、ガスなどを測定し、培養液モニタリングモデルの教師データに使われる。公式URL Roche CustomBiotechCedex Bio Analyzer培地成分・代謝物の測定に使われ、NIR/FTIRモデル構築の参照値として使われる。公式URL AgilentHPLC / UHPLC Systems糖、アミノ酸、有機酸、タンパク質、製剤成分の参照分析に使われる。公式URL WatersUPLC / HPLC Systems代謝物、力価、糖鎖、品質分析、製剤分析の参照測定に使われる。公式URL ShimadzuNexera / HPLC Systems培地成分、反応液、製剤成分、品質分析の参照分析に使われる。公式URL Mettler-ToledoKarl Fischer Titrators水分測定の参照分析に使われる。NIR水分モデルの教師データに関係する。公式URL SartoriusOctet BLI Systemsタンパク質濃度や力価の参照分析として、NIR/FTIRモデル構築に使われる場合がある。公式URL 908 DevicesREBEL Cell Culture Media Analyzerアミノ酸や培地成分の詳細分析に使われ、培地・フィードモデルの参照値として関係する。公式URL
関連装置・周辺製品（9）
Endress+HauserRaman Rxn / Raman Rxn2 / Rxn4ラマン分光によるインライン/オンライン培養モニタリング。NIR/FTIRと比較されるPAT技術。公式URL SartoriusBioPAT Spectro Ramanラマン分光を用いたバイオプロセスモニタリング。NIR/FTIRと同じPATカテゴリで扱う。公式URL FlownamicsSeg-Flow S3 Automated Sampling SystemNIR/FTIRモデル構築用のオフライン教師データ取得や分析装置連携に使われる。公式URL SecurecellNumera / Lucullus自動サンプリング、分析装置連携、データ管理、フィード制御を組み合わせるプラットフォーム。公式URL SartoriusBiostat STR / AmbrNIR/FTIRやラマン、PAT、モデル構築の対象になる培養装置・並列培養装置。公式URL CytivaXcellerex XDRシングルユースバイオリアクター。分光PATとの連携対象になる。公式URL Watson-MarlowPeristaltic Pumpsフィード制御、サンプリング、分析装置への送液で使われる。公式URL SiemensSIMATIC / Opcenter制御、MES、レシピ管理、プロセスデータ連携に使われる。公式URL EmersonDeltaVDCSとして分光PATデータやフィード制御、プロセス記録に関係する。公式URL
保守・校正・バリデーション関連（8）
BrukerFT-NIR / FTIR Service and SupportMATRIX-F、FT-NIR、FTIR装置、プローブ、ソフトウェアの保守・支援に関係する。公式URL Mettler-ToledoReactIR Service and SupportReactIR、FTIRプローブ、iCソフトウェア、反応モニタリング装置の保守・支援に関係する。公式URL ABBAnalytical Service and SupportFTIR/FT-NIR分析計、MB-Rx、プロセス分析装置の保守・支援に関係する。公式URL Thermo Fisher ScientificFTIR / NIR ServiceNicoletなどのFTIR/NIR装置、分析装置の保守・支援に関係する。公式URL PerkinElmer / RevvityFTIR / NIR ServiceSpectrumシリーズなどのFTIR/NIR装置の保守・サービスに関係する。公式URL CAMO / AspenTechChemometrics SupportNIR/FTIR/Ramanなどの分光データ解析、モデル構築、PLS/PCA支援に関係する。公式URL Eigenvector ResearchChemometrics Training and SupportPLS_ToolboxやSoloを用いた分光データ解析・モデル構築支援に関係する。公式URL TetraScienceData Integration SupportNIR/FTIRを含む分析装置・プロセス装置データの統合、標準化、データ管理に関係する。公式URL
