Bachelor's Thesis

Implementation of Raman Spectroscopy for Identity Verification in Pharmaceutical Manufacturing under Good Manufacturing Practice Conditions

Final Thesis 1.77 MB

Author of thesis: Vojtěch Černý

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Mgr. Martin Plencner, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jaromír Pořízka, Ph.D.

Abstract:

This work investigates the potential of Raman spectroscopy for identity verification of raw materials in a pharmaceutical biotechnology manufacturing facility operating under Good Manufacturing Practice (GMP). The raw materials studied are commercially produced, non-compendial, multi-component powder mixtures for cell culture media preparation, and as such represent a challenging case for spectroscopic identity testing. A reference library containing 100 spectra per starting material was constructed, after which suitable parameters for spectral math treatments and evaluation method configuration were determined experimentally. The spectra were ultimately pre-processed using a Savitzky-Golay filter followed by second-order derivation. Correlation in wavelength space using the Pearson coefficient was then applied for identity evaluation. The wavenumber region around 1000 cm-1 had to be excluded due to high sample variability in that region. The method successfully passed the specificity test. Testing on binary mixture samples confirmed that in this configuration the method is capable of qualitative identity verification only, without quantification of content. The results confirm that Raman spectroscopy is a viable, efficient, and non-destructive alternative to more demanding analytical methods for identity verification within GMP, provided that parameters are determined empirically during development of an application.

Keywords:

Raman spectroscopy, good manufacturing practice, Savitzky-Golay

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaEznamka

Grading

E

Process of defence

Komise na neveřejném zasedání komplexně posoudila bakalářskou práci, posudky vedoucího a oponenta i průběh obhajoby včetně odpovědí studenta na dotazy oponenta a členů komise. Práce vykazuje formální i koncepční nedostatky, na které upozornil oponent ve svém posudku. V průběhu obhajoby však student prokázal velmi dobrou orientaci v řešené problematice, schopnost odborné diskuse a odpovídající praktické kompetence související s tématem práce. Z diskuse vyplynulo, že část nedostatků práce souvisí s nedostatečnou průběžnou konzultací s konzultantem z FCH při jejím zpracovávání. Komise vzala v úvahu jak zjištěné nedostatky písemné práce, tak odbornou úroveň prezentace a obhajoby. Po zvážení všech skutečností se komise usnesla na hodnocení obhajoby bakalářské práce stupněm E / dostatečně.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Technology of Foodstuffs (BKCP_CHTPO)

Specialization

Biochemical Technology (BT)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Mgr. Martin Plencner, Ph.D.

Student Vojtěch Černý zpracoval bakalářskou práci na aktuální a odborně náročné téma zavedení Ramanovy spektroskopie pro ověřování identity výchozích látek ve farmaceutické výrobě v režimu správné výrobní praxe (GMP). Práce je zaměřena na praktickou aplikaci moderní analytické metody v prostředí farmaceutické výroby a její výsledky mají přímý potenciál využití v praxi.

V teoretické části student přehledně shrnul problematiku Ramanovy spektroskopie, správné výrobní praxe a validace analytických metod. Prokázal schopnost pracovat s odbornou literaturou, relevantními regulačními dokumenty a získané poznatky vhodně aplikovat na řešenou problematiku. Teoretická část vytváří kvalitní základ pro navazující experimentální práci.
Experimentální část představuje hlavní přínos předložené bakalářské práce. Student navrhl a realizoval rozsáhlý soubor měření, vytvořil referenční knihovnu spekter a systematicky optimalizoval parametry matematického zpracování dat i vyhodnocovací metody. Oceňuji zejména metodický přístup při hledání vhodných parametrů, pečlivé vyhodnocení získaných dat a schopnost interpretovat výsledky v kontextu požadavků farmaceutické výroby a správné výrobní praxe.

Výsledky práce prokázaly využitelnost Ramanovy spektroskopie jako rychlé, efektivní a nedestruktivní metody pro ověřování identity sledovaných výchozích látek. Student současně kriticky diskutuje limity navrženého řešení a možnosti jeho dalšího rozvoje, což svědčí o dobrém porozumění řešené problematice.

Během zpracování bakalářské práce student pracoval samostatně, zodpovědně a se zájmem o řešenou problematiku. Stanovené cíle práce byly splněny v plném rozsahu a výsledky odpovídají požadavkům kladeným na bakalářské práce na Fakultě chemické VUT v Brně.

Předloženou bakalářskou práci doporučuji k obhajobě a navrhuji klasifikaci A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování B
Využití poznatků z literatury A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jaromír Pořízka, Ph.D.

Vojtěch Černý se ve své bakalářské práci zabývá zavedením Ramanovy spektroskopie pro ověřování identity výchozích látek ve farmaceutické výrobě v režimu správné výrobní praxe. Téma práce považuji za aktuální a prakticky významné, protože se věnuje možnosti využití rychlé, nedestruktivní a potenciálně provozně vhodné analytické metody pro kontrolu vstupních surovin ve farmaceutické výrobě. Pozitivně lze hodnotit samotné aplikační zaměření práce a snahu propojit instrumentální analytickou metodu s požadavky správné výrobní praxe a rutinní kontroly kvality.
Předložená práce je však zpracována pouze na 28 stranách, přičemž vlastní teoretická část zahrnuje přibližně 3–4 strany textu. Tento rozsah považuji vzhledem k odborné náročnosti tématu za nestandardně omezený i pro bakalářskou práci. Teoretická část obsahuje pouze základní uvedení do Ramanovy spektroskopie, správné výrobní praxe a validace analytických metod v prostředí GMP. Text je sice srozumitelný, ale z hlediska rešeršní hloubky zůstává na úrovni velmi stručného obecného úvodu do problematiky.
Za zásadní nedostatek považuji absenci skutečné literární rešerše dřívějšího využití Ramanovy spektroskopie ve farmaceutické analýze. V práci není systematicky zpracováno, jak byla Ramanova spektroskopie dosud používána při analýze léčiv, kontrole vstupních surovin, identifikaci účinných látek, hodnocení lékových forem, detekci kontaminací nebo při procesní kontrole ve farmaceutické výrobě. Právě tato oblast přitom přímo souvisí se zaměřením práce a měla tvořit jednu z hlavních částí teoretické rešerše.
Nedostatečně rozpracovaná je také problematika chemometrického a matematického zpracování spekter. Experimentální část je založena na tvorbě referenční knihovny, matematických úpravách spekter, použití Savitzkyho-Golayova filtru, derivací a korelačního vyhodnocení, avšak tyto principy nejsou v teoretické části systematicky vysvětleny ani zasazeny do kontextu běžně používaných spektroskopických identifikačních metod. Část obecného výkladu je následně přesunuta až do experimentální části, což nepovažuji za vhodné členění práce.
Autor využil pouze 16 literárních zdrojů. Jejich tematická relevance je v pořádku, protože zahrnují základní učebnice analytické chemie a Ramanovy spektroskopie, odborné články, evropský lékopis, pokyny GMP a dokument ICH Q2(R2). Část odborných článků pochází z časopisů, které jsou indexovány v databázích Web of Science a Scopus. Soubor zdrojů je však početně velmi omezený a nepůsobí jako dostatečný podklad pro rešeršní zpracování takto specifického tématu. Z hlediska aktuálnosti jsou v práci zastoupeny některé novější zdroje, například ICH Q2(R2) z roku 2023, Evropský lékopis z roku 2022, učebnice z roku 2022 a odborný článek z roku 2020. Větší část odborné literatury je však starší a chybí širší zastoupení recentních publikací z posledních let zaměřených přímo na farmaceutické aplikace Ramanovy spektroskopie. V současné době dostupnosti odborných databází a informačních zdrojů by bylo možné u takto konkrétního tématu dohledat a zpracovat podstatně širší soubor relevantní literatury v relativně krátké době.
Regulatorní část práce je rovněž pojata spíše obecně. Kapitoly věnované GMP a validaci analytických metod poskytují pouze základní informace a nejsou dostatečně propojeny s konkrétním problémem zavádění identitní spektroskopické metody v režimu správné výrobní praxe. Vhodné by bylo jasněji rozlišit mezi studií proveditelnosti a plnohodnotnou validací metody, podrobněji diskutovat požadavky na identitní zkoušky výchozích látek a uvést, jaké nároky jsou v tomto kontextu kladeny na práci s referenční knihovnou, dokumentaci metody a řízení rizik falešně pozitivních či falešně negativních výsledků.
Práce nemá standardní členění. Experimentální část místo čistého popisu použitých materiálů, přístrojového vybavení a pracovních postupů plynule přechází do prezentace výsledků a jejich dílčí interpretace. V kapitolách věnovaných přípravě referenční knihovny a matematickým úpravám spekter jsou již uváděny grafy, výsledné parametry metody i komentáře k problematickým oblastem vlnočtů. Samostatná část „Výsledky a diskuse“ v práci prakticky chybí. Výsledky jsou rozptýleny v experimentální části a diskuse je omezena převážně na popis zjištění, bez systematického srovnání s odbornou literaturou. Toto členění ztěžuje orientaci v práci a oslabuje odbornou úroveň výsledkové části.
Experimentální část má zřejmý praktický záměr – ověřit, zda lze Ramanovu spektroskopii využít jako rychlou kvalitativní identitní zkoušku vybraných výchozích látek ve farmaceutické výrobě. Autor vytvořil referenční knihovnu spekter pro dvě výchozí látky a následně hledal vhodné parametry softwarového vyhodnocení. Výsledky ukazují, že pro dvě konkrétní sledované směsi lze po matematické úpravě spekter a empirickém nastavení vyhodnocovacích parametrů dosáhnout jejich vzájemného rozlišení. Tento výsledek má určitou praktickou informační hodnotu.
Odborný přínos experimentální části je však výrazně omezený. Za významný metodický nedostatek považuji absenci systematické optimalizace vlastních parametrů měření Ramanových spekter. Autor se poměrně podrobně věnuje optimalizaci matematického zpracování již naměřených spekter, zejména volbě Savitzkyho-Golayova filtru, derivace, rozsahu vlnočtů a prahové hodnoty shody. Není však dostatečně doloženo, že byly optimalizovány samotné podmínky měření, jako výkon laseru, integrační čas, počet akumulací, poloha vzorku vůči sondě, množství vzorku, homogenita práškové směsi, opakovatelnost měření různých míst vzorku nebo vliv použité vialky. Právě tyto parametry mohou u komplexních sypkých směsí významně ovlivnit kvalitu spekter i následnou spolehlivost identifikace. Experimentální část tak působí spíše jako optimalizace softwarového vyhodnocení spekter než jako komplexní vývoj analytické metody.
Za problematickou považuji také kapitolu věnovanou citlivosti vyhodnocovací metody. Podle mého názoru zde není hodnocena citlivost v pravém analytickém smyslu. Autor pracuje se směsnými vzorky dvou komplexních výchozích látek v různých hmotnostních poměrech, avšak přesné složení těchto komerčních směsí není známo. Není tedy možné určit koncentrace jednotlivých složek ani posoudit, k jakému analytu nebo markeru se deklarovaná citlivost vztahuje. Výsledky této kapitoly proto nelze interpretovat jako stanovení citlivosti metody, ale spíše jako orientační ověření chování klasifikačního algoritmu při smíchání dvou podobných komplexních materiálů. Vhodnější by bylo tuto část označit jako test rozlišovací schopnosti metody nebo orientační test vlivu příměsi druhého materiálu.
Dalším zásadním problémem je absence diskuse výsledků s odbornou literaturou. Autor prezentuje vlastní výsledky a popisuje zvolený postup optimalizace vyhodnocení spekter, avšak nezabývá se tím, jak jeho zjištění odpovídají dříve publikovaným pracím zaměřeným na využití Ramanovy spektroskopie ve farmaceutické analýze. Chybí srovnání s literaturou týkající se identifikace vstupních surovin, práce s referenčními knihovnami, použití chemometrických metod, volby preprocesingu spekter i validace spektroskopických identitních metod. Výsledková část tak zůstává převážně popisná a není dostatečně zasazena do odborného kontextu. Bez srovnání s publikovanými výsledky nelze dobře posoudit originalitu, přenositelnost ani praktický význam navrženého postupu.
Formální stránka práce je srozumitelná a text je většinou psán věcně. To však nemění skutečnost, že práce trpí zásadními obsahovými, metodickými i koncepčními nedostatky. Teoretická část je nestandardně stručná, rešerše je nedostatečně zpracovaná, literární podklad je omezený, experimentální část neobsahuje systematickou optimalizaci vlastních parametrů měření a výsledky nejsou adekvátně diskutovány ani porovnány s odbornou literaturou.
Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem se domnívám, že předložená bakalářská práce nesplňuje standardy kladené na vysokoškolské kvalifikační práce, jak jsou definovány na Fakultě chemické VUT v Brně. Práce podle mého názoru neposkytuje dostatečně ucelené, odborně podložené a kriticky zpracované řešení zadaného tématu. Jako oponent proto tuto bakalářskou práci nedoporučuji k obhajobě a bylo by vhodné ji přepracovat.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání C
Logické členění práce E
Kvalita zpracování výsledků D
Interpretace výsledků, jejich diskuse F
Využití literatury a její citace E
Úroveň jazykového zpracování B
Formální úroveň práce – celkový dojem F
Závěry práce a jejich formulace E
Topics for thesis defence:
  1. Jaké konkrétní parametry vlastního měření Ramanových spekter by podle Vás měly být systematicky optimalizovány před zavedením metody do rutinního GMP provozu a jak byste experimentálně ověřil jejich vliv na správnost a robustnost identifikace výchozích látek?
  2. V práci označujete jednu část jako hodnocení citlivosti vyhodnocovací metody. Jak byste přesně definoval citlivost u kvalitativní identitní metody pracující s vícesložkovými směsmi neznámého složení a jaký experiment by podle Vás skutečně umožnil stanovit limit detekce záměny nebo příměsi jiné výchozí látky?

Grade proposed by reviewer: F

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová