Est-ce que ça se mesure ? Quarante-cinq minutes suffisent pour le savoir.Parlons de votre processLangueFREN

NIR-HPTLS : proche infrarouge à laser accordable

« Mon substrat est-il en train de s’épuiser ? Où en est la culture entre deux prélèvements ? Puis-je suivre le milieu sans ouvrir le circuit ? » Trois questions qui se posent, et se tranchent, pendant une culture de dix jours.

Le dosage hors ligne reste la référence : c’est sur sa valeur que la mesure en ligne est qualifiée puis vérifiée.

Où on la rencontre : culture cellulaire en biopharma, fermentation microbienne, préparation de tampons et de milieux.


L’essentiel en quatre points

  • Un laser balaie les longueurs d’onde une à une et rend exploitable une région du spectre trois à cinq fois plus absorbante que celle des harmoniques.
  • Trajet optique fixe, à 1 mm : la longueur d’interaction est une constante mécanique, pas une inconnue à absorber dans un modèle.
  • « Sans calibration » ne veut pas dire « sans chimiométrie » : le modèle à composants purs existe et travaille. Nous préférons le dire avant la démonstration plutôt qu’après la mise en service.
  • Bioproduction uniquement : milieux de culture, tampons, nutriments, sur circuit stérile fermé. Référentiels : ceux du NIR.

Le principe de la mesure

Un spectromètre classique éclaire l’échantillon avec une source large, puis trie les longueurs d’onde. Ici, la source n’émet qu’une seule longueur d’onde à la fois et la balaie : toute l’énergie porte sur la longueur d’onde mesurée.

Comment un laser accordable fabrique un spectre, point par pointTrois panneaux. À gauche un spectromètre classique : une source large éclaire l’échantillon, un réseau trie les longueurs d’onde après coup vers une barrette de détecteurs. Au centre le laser accordable : une puce de gain et une cavité réglable n’émettent qu’une longueur d’onde à la fois ; deux prélèvements mesurent la longueur d’onde et l’intensité avant l’échantillon, donnant un X absolu et un Y référencé. À droite le spectre se construit point par point, au rythme du balayage. UN SPECTROMÈTRE À SOURCE LARGE LE LASER ACCORDABLE LE SPECTRE, POINT PAR POINT source large échantillon réseau barrette de détecteurs La source éclaire toute la bande à la fois. Chaque longueur d’onde n’en reçoit qu’une fraction. puce de gain cavité accordable mesure de longueur d’onde X absolu fibre optique polariseur mesure d’intensité Y référencé échantillon, 1 mm détecteur Une seule longueur d’onde à la fois, balayée pas à pas. Trajet optique fixe à 1 mm — le même en ligne, en cuve et au laboratoire. 215022502350 longueur d’onde (nm) absorbance un point par pas du balayage La sélection se fait à la source, pas au détecteur : la densité de puissance sur la longueur d’onde mesurée est environ cent fois celle d’une source large. C’est ce qui rend exploitable la région de combinaison, trois à cinq fois plus absorbante que celle des harmoniques, sur un trajet optique court. La longueur d’onde est mesurée à la source, l’intensité après la fibre et le polariseur : les deux sont référencées, et le spectre se compare à une bibliothèque acquise ailleurs.
La sélection de la longueur d’onde se fait à la source. Le laser n’émet qu’une longueur d’onde à la fois et la balaie ; le spectre se construit point par point, avec ses deux coordonnées référencées à chaque balayage.
Quatre attributs d’un bioréacteur CHO suivis en ligne pendant sept cents heuresQuatre graphiques : glucose, lactate, volume cellulaire viable et titre en anticorps, sur sept cents heures de culture. Dans chacun, une courbe continue donne la mesure NIR en ligne, des points framboise la mesure RAMAN en ligne, et des points orange les analyses de laboratoire hors ligne, bien plus rares. Les quatre graphiques se remplissent de gauche à droite au même rythme. 0 200 400 600 20 40 60 temps de culture (h) 0 200 400 600 0 20 40 temps de culture (h) 0 200 400 600 0 40 80 temps de culture (h) 0 200 400 600 0 1 2 3 temps de culture (h) Glucose (mM) Lactate (mM) Volume cellulaire viable (µL/mL) Titre en anticorps (mg/mL) NIR-HPTLS en ligne RAMAN en ligne référence hors ligne Les deux mesures en ligne décrivent la culture en continu ; les points orange sont, à eux seuls, ce qu’un suivi par prélèvement aurait montré.
Sept cents heures en bioréacteur CHO, quatre attributs suivis en ligne. Les deux sondes mesurent sans ouvrir le circuit ; les points orange sont les analyses de laboratoire. Données redessinées d’après un essai publié par Nirrin Technologies et présenté en webinaire. En culture vivante, le volume cellulaire viable et le titre n’ont pas de spectre pur : ils relèvent d’un modèle calibré sur échantillons.

Où l’instrument se pose

Opératrice déposant un échantillon à la pipette dans l'instrument TALOS ouvert, sur une paillasse de laboratoire
At-line, l’échantillon vient à l’instrument. Ni dilution, ni étalonnage.Image Nirrin Technologies, reproduite avec autorisation.
Cellule de mesure sur une dérivation du circuit d'un skid d'ultrafiltration-diafiltration
On-line, par dérivation. La fraction mesurée revient au procédé.Image Nirrin Technologies, reproduite avec autorisation.
Sonde de mesure sur un bioréacteur de paillasse, reliée au boîtier d'acquisition
In-line, sur bioréacteur. La mesure se fait sans prélèvement.Image Nirrin Technologies, reproduite avec autorisation.

Applications typiques

Composition d’un milieu liquide

Substrats, métabolites, nutriments d’un milieu de culture, suivis sans prélever.

Suivre une culture

Substrat, métabolites et nutriments suivis en continu, entre deux prélèvements.

Exemples d’application

Mesure en ligne de tampons, et suivi de cultures et de fermentations.

Hors bioproduction, ou si la composition n’est pas déclarable : le NIR et le MIR en transmission.


Carte d’identité de la technique

CritèreNIR-HPTLS
Ce que la mesure voitLe même domaine que le NIR, mais la longueur d’onde est sélectionnée à la source — puce en antimoniure de gallium et filtre Fabry-Pérot accordable — puis balayée, au lieu d’être triée après coup.
SélectivitéCelle du NIR, relevée par un modèle à composants purs : l’instrument décompose le spectre sur une bibliothèque de composants acquis un à un.
Ce qui interfèreTout constituant absorbant non déclaré. Le modèle ne trouve pas ce qu’il ne cherche pas : une impureté non anticipée passe dans le résidu, pas dans le résultat.
Présentation de l’échantillonSondes immergées, stérilisables ou à usage unique, en bioproduction : cultures, tampons, nutriments. C’est le seul domaine de cette famille.
Ce que le modèle demandeSur un milieu défini, aucun plan d’expériences : une bibliothèque de spectres de composants purs, acquise dans le solvant réel avec des étalons traçables, et transférable d’un instrument à l’autre sans recalibration. En culture vivante, les métabolites, la biomasse et le produit s’y ajoutent : la décomposition se complète d’une calibration sur échantillons, et le volume cellulaire ou le titre relèvent d’un modèle calibré.
RéférentielsEn pharma : c’est du NIR : Pharmacopée européenne 2.2.40, et à l’USP le ‹856› qui porte les exigences, complété par le ‹1856› informatif. Hors pharma : ASTM E1655 et ASTM D6122, écrites pour l’infrarouge, s’y appliquent.

Où se situe la chimiométrie dans cette mesure

Le calcul est publié, et il est simple à décrire. L’instrument dispose d’une bibliothèque de spectres de composants purs, acquis un à un dans le solvant réel à partir d’étalons. À chaque mesure, il cherche le jeu de concentrations qui, recombiné à partir de cette bibliothèque, reproduit au mieux le spectre observé. L’ajustement se fait par moindres carrés, avec un terme quadratique par composant qui rend compte des écarts à la proportionnalité. Ce terme quadratique est lui-même déterminé par calibration, à partir d’une série de dilution.

Décomposer un spectre sur des composants purs et ajuster par moindres carrés, c’est de la chimiométrie. Ce n’est pas une opinion : la méthode porte un nom, CLS — classical least squares — et la Ph. Eur. 5.21 Chemometric methods applied to analytical data la range explicitement parmi les méthodes chimiométriques qu’elle décrit, aux côtés de « MCR-ALS, PCA, PLS, CLS, ICA, etc. », et la définit dans son propre glossaire. Une bibliothèque de spectres purs est une calibration. Une série de dilution est une campagne d’étalonnage.

Nous refusons l’expression « sans chimiométrie » parce qu’elle nous décrédibiliserait devant le seul public qui décide. Un chimiométricien, un responsable de validation, un évaluateur. Reformulé correctement, l’argument devient plus fort.

Deux factures, deux calendriers

Le modèle reste. Ce qui change, c’est l’endroit où se paie le prix d’entrée. Un modèle calibré sur échantillons demande un plan d’expériences représentatif de la population que vous rencontrerez ensuite : lots, saisons, fournisseurs, mois. Un modèle à composants purs demande autre chose, une composition déclarée de façon exhaustive et une bibliothèque qualifiée, mesurée dans le bon solvant avec des étalons traçables.

Deux factures, deux calendriers, deux points de vigilance. Notre travail est de dire auquel des deux votre process appartient. Les conditions de validité de chacun.

L’agencement optique, en détail

Un réseau ou un interféromètre trie les longueurs d’onde après coup. Ici la sélection se fait à la source. L’émission vient d’une puce de gain en antimoniure de gallium, associée à un filtre Fabry-Pérot accordable micro-usiné : deux miroirs face à face dont l’écartement est commandé électriquement, ce qui sélectionne la longueur d’onde qui sort du dispositif. L’accord couvre 200 à 300 nm, avec une largeur de raie de 0,1 à 1,0 nm et un pas de 0,01 nm. L’instrument enchaîne vingt-cinq balayages en moins d’une seconde.

Sur le gain en bruit, le fabricant publie une comparaison : un écart-type de 11,8 µAU pour sa mesure contre 234,9 µAU pour un spectromètre à transformée de Fourier. Reste à savoir ce que couvre cette comparaison, et la section suivante y revient.

Ce que le modèle à composants purs fait réellement gagner

Une mise en route rapide

Pas de plan d’expérience couvrant la population future, pas de campagne de prélèvements appariés, pas d’attente d’un lot difficile ou d’une saison. Une fois la bibliothèque disponible et qualifiée, la mise en route est rapide.

Une transférabilité entre instruments

Le modèle est physique et non statistique : il ne décrit pas les particularités optiques d’un appareil, il décrit des spectres de molécules. Un second instrument, un second site partent de la même bibliothèque, sans recalibration.

Une extrapolation licite

Dans la plage couverte par la série de dilution, la prédiction reste fondée. Un modèle calibré sur échantillons, lui, ne doit jamais sortir du domaine de sa calibration. Et c’est la contrainte qui use les projets dans la durée.

Ce qu’il faut établir avant de s’engager

Un instrument de surveillance pour une recette connue

C’est la contrepartie exacte de l’avantage précédent, et le constructeur l’écrit lui-même. L’utilisateur doit indiquer quels composants sont présents dans le mélange, et il n’existe aucune possibilité de trouver ce que contient un milieu. Une impureté non anticipée, un produit de dégradation, un contaminant : l’algorithme ne les nommera pas. Il répartira leur absorption sur les composants déclarés, et rendra donc des concentrations légèrement fausses sur chacun. Cette technologie est un instrument de suivi d’une recette connue, pas un outil d’investigation.

Ce que la bibliothèque doit couvrir pour que la mesure reste juste

Le meilleur niveau de preuve publié (une communication de congrès co-signée avec un industriel, avec instrument déplacé et méthode de référence indépendante) porte un point aberrant. Sur un excipient, la chromatographie donne 0,40 mg/mL contre 0,59 mg/mL en ligne, soit 48 % d’écart. Le constructeur l’impute à un défaut de recouvrement de la méthode de référence sans le démontrer. Sur un autre constituant, un biais atteignant −18 % selon la matrice. C’est la signature classique d’un modèle à composants purs dont la bibliothèque ne rend pas compte de toutes les interactions entre constituants. Et il s’agit d’une communication de congrès, pas d’une publication revue par les pairs.

Ce que les comparaisons publiées couvrent

Les écarts-types cités plus haut opposent cette mesure à un spectromètre à transformée de Fourier et à des sources large bande. Aucune comparaison publiée ne l’oppose à un spectromètre dispersif à réseau, pourtant très répandu en mesure de process. L’avantage démontré l’est donc face à deux architectures, pas face à toutes.

Les grandeurs de performance analytique à demander

Erreur de prédiction, limite de détection et limite de quantification par constituant, temps de réponse chiffré : ces valeurs s’établissent sur votre milieu. Ce sont exactement celles qu’attend un dossier de validation de méthode au sens d’ICH Q2(R2). Elles ne sont pas manquantes par principe. Elles sont à demander, par écrit, sur votre matrice, avant tout engagement.

Le résidu spectral, et pourquoi il faut s’en servir

À chaque mesure, l’instrument calcule l’écart entre le spectre observé et le spectre reconstruit à partir de la bibliothèque, et publie cette valeur. C’est une métrique de qualité intrinsèque, produite mesure par mesure, sans référence externe et sans intervention.

Fonctionnellement, c’est un résidu Q. L’un des deux ou trois indicateurs les plus utilisés pour surveiller un modèle chimiométrique et détecter un échantillon hors domaine. Autrement dit : la régression multivariée a été retirée, mais l’outil de diagnostic chimiométrique le plus important a été conservé. C’est cohérent, et c’est la meilleure démonstration que les deux approches ne s’opposent pas.

Conséquence opérationnelle, à écrire dans la stratégie de maîtrise. Un résidu qui monte signale qu’il se passe dans le milieu quelque chose que la bibliothèque ne sait pas décrire. C’est le seul avertissement dont vous disposerez face à un composant non déclaré, et il ne sert que si quelqu’un le regarde. Ce que veut dire faire vivre un modèle.

Où cette technologie est à sa place

SituationVerdict
Liquide de composition connue, finie et déclarableSon domaine de référence. Les cinq conditions du modèle à composants purs sont réunies.
Milieu de bioproduction, suivi de substrats et de métabolitesPertinent, avec des sondes compatibles avec les contraintes de stérilité. Voir le secteur biotech.
Formulation biopharmaceutique, contrôle de composition en lignePertinent, sous réserve d’obtenir les performances analytiques par constituant. Voir le secteur pharma.
Matrice naturelle, variable ou non énumérableNon. On ne déclare pas la composition d’un produit agricole : c’est un modèle calibré sur échantillons, donc le NIR.
Grandeur qui n’est pas une concentration, viscosité, granulométrie, propriété d’usageNon. Il n’existe pas de spectre pur d’une propriété physique.
Recherche d’un composé inconnu ou d’une contamination non anticipéeNon. Aucune capacité de découverte, par construction.
Poudres, granulés, solides divisésNon. Le trajet optique fixe suppose un liquide.

Questions fréquentes

Faut-il vraiment déclarer tous les composants du milieu ?

Tous ceux qui absorbent de façon significative dans la plage balayée, oui. C’est le vrai travail préparatoire. Établir la liste, se procurer les composants purs, acquérir leurs spectres dans le solvant réel avec des étalons traçables, et qualifier la bibliothèque obtenue. Ce travail remplace le plan d’expérience d’un modèle calibré sur échantillons. Il ne s’y ajoute pas, mais il ne disparaît pas non plus.

Qu’est-ce qui fixe le délai avant une mesure exploitable ?

Une fois la bibliothèque disponible et qualifiée, la mise en route est rapide. Le délai s’est déplacé, il n’a pas disparu. Il se trouve maintenant dans la constitution de cette bibliothèque et dans la vérification que la composition déclarée est bien complète. Ce que couvre une preuve de concept.

Peut-on s’en servir pour libérer un lot ?

C’est une méthode analytique alternative : le cadre existe, ICH Q2(R2) pour la validation et ICH Q14 pour le développement. Mais il faut démontrer exactitude, précision, spécificité, domaine et robustesse. Donc produire, sur votre milieu, les grandeurs que la validation demande. C’est un projet de validation à part entière, pas une conséquence de l’installation.

Quelles questions poser au fournisseur avant de s’engager ?

Cinq, et par écrit.

  • Quelle erreur de prédiction sur ma matrice, contre quelle méthode de référence ?
  • Quelles limites de détection et de quantification par constituant ?
  • Quel temps de réponse réel, et dans quelles conditions ?
  • Quel comportement du résidu spectral lorsqu’un composant non déclaré apparaît ?
  • Quelle procédure de transfert entre deux instruments ?

L’absence de réponse écrite est une réponse.

Et si ma composition n’est pas déclarable ?

Alors ce n’est pas la bonne technologie, et il vaut mieux l’établir en quarante-cinq minutes qu’après un essai. Un milieu dont la composition varie, comporte des constituants non identifiés ou change avec la matière première relève d’un modèle calibré sur échantillons. Les conditions qui font tenir une mesure.

Le matériel que nous mettons en œuvre

NIRRIN

Sondes stérilisables et à usage unique, conçues pour les environnements de bioproduction et compatibles avec les contraintes de stérilité.

TALOS — quantification directe de protéine de 0,1 à 250 mg/mL, sans dilution, sans étalonnage et sans coefficient d’extinction à établir molécule par molécule. Trajet optique fixe.

Ce que nous apportons autour de l’instrument : l’établissement de la liste des composants à déclarer, la qualification de la bibliothèque, la mise en place de la surveillance du résidu spectral. Et les questions de performance analytique posées au fournisseur avant l’achat, pas après.

Dites-nous ce que contient votre milieu. Nous vous dirons si le modèle à composants purs s’applique.

Quarante-cinq minutes suffisent : si votre process relève du modèle à composants purs ou d’un modèle calibré sur échantillons, ce que chacun coûterait à mettre en place chez vous, et quelles performances analytiques inscrire au cahier des charges avant tout engagement.