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药物中存在的无治疗作用或影响药物稳定性和疗效、对人体健康有害的物质，即任何影响药物纯度的物质统称为杂质。药品研究中应对杂质结构与组成开展充分研究。
杂质研究目的：通过系统研究杂质情况，选择合适的分析方法，准确分辨、测定杂质含量，并综合药学、药理、毒理及临床研究的结果，确定杂质的合理限度，为优化原料药生产条件、终端产品存贮条件等提供科学依据，确保产品安全、质量稳定。
药物中的杂质多数具有潜在生物活性，有些甚至是严重的基因毒性，极少的暴露量就能够对人体健康产生严重的危害，因此对新结构杂质的生物活性应充分了解。各国监管机构对药品杂质的控制要求都很严格，特别是可能有基因毒性的致癌性杂质的控制尤为严格。
缬沙坦事件就是近年发生的典型例子。缬沙坦是我国某企业的重点出口产品，2018年7月5日，欧洲药品管理局发公告称在其提供给欧洲市场的部分缬沙坦制剂的原料药中，发现杂质 N -亚硝基二甲胺（ N -nitrosodimethylamine，NDMA），这是一种2A类别的致癌物，在药品中限度有严格控制。此消息一经发布，立即引起连锁反应，给企业造成严重损失。我国药品监管部门也重新修订了相关杂质的监管规定。
2019年6月，美国麦克劳德制药（Macleods Pharmaceuticals）生产的2批次氯沙坦钾片和30批次的氯沙坦钾/氢氯噻嗪片也因检出超量NDMA而自愿从市场召回。一系列药品召回事件造成恶劣社会影响，并不断敲响药物杂质毒性监管的警钟。
ICH在制定的《原料药、制剂杂质研究指导原则》（ICH Q3A，ICH Q3B）、《残留溶剂研究指导原则》（ICH Q3C）和《元素杂质研究指导原则》（ICH Q3D）的基础上，2014年又颁布了《基因毒性杂质研究指导原则》（ICH M7-R1），指导创新药的杂质研究。
杂质可分为下列类型：
有机杂质可能会在新原料药的生产过程和/或储存期间产生，这些杂质可能是结构已鉴定的或者是未鉴定的，包括：①起始物料，②副产物，③中间体，④降解产物，⑤试剂、配体、催化剂。
无机杂质可能来源于生产过程，它们通常是已知的和结构已鉴定的，包括：①试剂、配体、催化剂，②重金属或其他残留金属，③无机盐，④其他物质（如助滤剂、活性炭）。
是指在药品生产过程中使用的，但最终未能完全去除的有机溶剂，一般具有已知的毒性。主要来源：①合成原料或反应溶剂，②反应副产物，③由合成原料或反应溶剂引入。
是指能直接或间接损伤细胞DNA，产生致突变和致癌作用的物质。主要来源：①原料药合成过程中的起始物料、中间体、试剂和反应副产物，②药物在合成、储存或者制剂过程中也可能会降解产生基因毒性杂质。
应根据药物及杂质的理化性质、化学结构、杂质的控制要求等确定适宜的检测方法。杂质检测常用分析技术见图3-2。对有关物质的研究和控制的程度是创新药物质量研究水平的重要指标。高水准的工作要求对有关物质有深入的研究，明确这些杂质是工艺杂质还是降解产物，并进行定性分析和定量控制。残留溶剂、无机杂质通常是已知的，比较容易定性、定量。工艺中引入的杂质和降解产物等，有些结构是未知的，含量又低，定性分析较难。
图3-2 杂质检测常用分析技术
随着对药品中各种工艺杂质（包括基因毒性杂质）和降解产物监管要求的不断提高，对痕量水平杂质的表征和分析在药物杂质谱分析中越来越受重视。各类分析仪器的发展，特别是气相色谱-质谱联用（GC-MS）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）、毛细管电泳-质谱联用（CE-MS）、超临界流体色谱-质谱联用（SFC-MS）、液相色谱-核磁共振波谱联用（LCNMR）、液相色谱-傅里叶变换质谱联用（LC-FTMS）等联用技术的应用，可实现在线对含量0.1%以下的杂质进行快速分析。LC-MS技术是目前识别产品中微量成分的结构特征的主要手段。对结构复杂且存在手性中心的未知杂质进行鉴别时，一般先制备分离，再利用各种波谱技术对其结构进行推测的策略。
有机杂质的检测方法包括化学法、光谱法、色谱法等，通过合适的分析技术将不同结构的杂质进行分离、检测，从而达到对杂质的有效控制。分析方法的主要指标是能够区分相关的化合物。通常使用的方法是将分离（提取）与检测和定量（光谱）方法串联进行。
主要为高效液相色谱法（HPLC）、薄层色谱法（TLC）、气相色谱法（GC）等。HPLC是杂质检测最常使用的方法。TLC可用来分离大量的物质，主要的不足之处在于分辨和检测能力有限，以及定量能力较弱。GC能够提供较好的分辨、检测以及定量能力，但是样品必须是可挥发性的。
光谱方法包括紫外光谱（UV spectrum）、红外（IR spectrum）、核磁共振（NMR）以及质谱（MS）。二极管阵列检测器能在各种波长下提供更充分的信息以保证方法具有更高的选择性。这些光谱法的原理及特点已如前述。
随着分析仪器的改进和科学技术的发展，不同仪器的串联技术成为有机杂质分析的首要选择，GC-MS、LC-MS、2D-LC/MS、CE-MS、LC-NMR、等联用技术在杂质定性鉴别、定量分析中应用广泛。
可采用《中华人民共和国药典》（以下简称《中国药典》）方法或其他适合的方法测定元素杂质水平。除非另有说明，方法应对在风险评估中识别出的需要控制的元素杂质具有专属性。
各国药典都收载了经典、简便而又行之有效的无机杂质检测方法。对于新药，优选离子色谱法及电感耦合等离子体-质谱（ICP-MS）等分析技术，对产品中可能存在的无机杂质进行定性、定量分析。
现在优选《中国药典》规定的气相色谱残留溶剂测定方法。生产商也可根据特定申请自由选择适宜的经验证的分析方法，方法学验证应遵循ICH指导原则：《分析方法验证》正文及增补部分。
基因毒性杂质是严格控制的杂质类型，对其检测的灵敏度、选择性、方法可靠性等有特别要求，在原料药质量分析中应有专门的描述。典型基因毒性杂质类别及主要分析技术见表3-3。
表3-3 典型基因毒性杂质类别及主要分析技术
续表
注：HS-GC，顶空气相色谱；ECD，电子捕获检测器；MS，质谱；HPLC，高压液相色谱；UV：紫外色谱。
按照其来源，有机杂质可以分为工艺杂质、降解产物、从反应物及试剂中混入的杂质等。
有机杂质潜在来源包括：①原材料及中间体；②合成原料引入的杂质及其后续反应的产物；③副反应产物，如果副反应产物可随主成分一同参与后续的反应，还需关注其后续反应产物；④原料药的降解产物；⑤反应中使用的试剂、配位体、催化剂等。
原料药质量标准中对有机杂质的限度规定应包括：每一种已鉴定及未鉴定杂质、每一种不超过鉴定限度的非特定杂质以及杂质总量（所有超过报告限度的特定和非特定杂质或降解产物的总和）。原料药杂质限度见表3-4。
表3-4 原料药杂质限度
注：1.每天摄入的原料药的量。
2.报告限度（reporting threshold）：超出此限度的杂质均应在检测报告中报告具体的检测数据。
3.鉴定限度（identification threshold）：超出此限度的杂质均应进行定性分析，确定其化学结构。
4.界定限度（qualification threshold）：超出此限度的杂质均应基于其生物安全性评估数据，确定控制限度。
质量标准中应详细说明各杂质的检测方法及其限度。杂质限度的制定可参考ICH相关指导原则和《中国药典》的要求，考虑如下因素：杂质及含一定限量杂质药品的毒理学和药效学研究数据、原料药的来源、给药途径、每日剂量、给药人群、治疗周期等。
通常不要求表观含量在鉴定限度以下的杂质进行鉴定。对那些含量虽不大于鉴定限度，但可能产生具有不寻常功效或毒性作用的潜在杂质，则应当研发出合适的分析方法。
杂质的界定是指对某一单个杂质或不超过含量的一系列杂质的生物安全性，提供充分数据的研究工作，对于已知结构的杂质，应当以权威文献数据为准，如果是新结构杂质，则应有充分研究数据及分析结论。所有确定的杂质限度均需提供包括安全性研究在内的理由。对于属于动物和/或人体中重要代谢物的杂质，通常也视为已通过界定。杂质的界定限量（水平）如果高于药物实际所含的杂质量，则同样可以根据对已完成的安全性研究中使用药物中的实际杂质量来判断其合理性。
杂质鉴定和界定的决策树（见图3-3）描述了当杂质含量超过限度时所应考虑到的事项。总体原则是尽量降低杂质含量，使其不超过限度要求，这要比提供杂质安全性数据更加简单。界定一个杂质要考虑多种因素，包括适用人群、每日剂量、给药途径与疗程等。
图3-3 杂质鉴定和界定的决策树
注：a.如需要，应进行最低限度的筛选试验（如潜在致突变性），认为是合适的该类试验包括体外点突变和染色体畸变试验。
b.如需进行一般毒理研究，应将未界定的物质与界定的物质进行比较，研究时间应根据可用的相关信息而定，并使用最能反映某一杂质毒性的动物种属。根据具体情况，单剂量药物可进行单剂量试验。一般最短14天，最长90天。
c.如果杂质具有特殊毒性，可以采用较低的限度。
d.例如，已知的该杂质的安全性数据或其结构的分类是否排除了人接触该浓度杂质的可能。
研究者对新原料药在合成、精制和储存过程中实际存在的和最可能产生的潜在杂质进行综述。该综述应建立在所涉及的化学反应、由起始物料引入的杂质及可能的降解产物进行合理的、科学的评估基础之上。
同时，研究者还应对杂质检测的实验室研究工作进行综述。其内容包括对采用研制工艺及商业制备工艺生产的所有批次产品的试验结果，以及强制降解试验结果。还要比较商业生产批次及研究批次的原料药杂质谱，并对任一不同之处进行讨论。
注册申请应提供用于临床、安全性研究、稳定性试验的所有新原料药批次产品以及采用拟商业化生产的代表性批次产品的分析结果。所有测定结果均应数字化表示，对于检测到的大于报告限度的任何杂质和总杂质的含量均应报告，并附所用的分析方法。
元素杂质是无机杂质的主要构成，这里详细介绍元素杂质的控制策略。
根据元素的毒性（每日允许暴露量，permitted daily exposure，PDE）及其在药品中出现的可能性，ICH将元素分为3类。
1类：元素砷（As）、镉（Cd）、汞（Hg）和铅（Pb）是人体毒素，在药品生产中应限制使用或禁用。在药品中出现的这类元素通常来自常用物料（如：矿物质辅料）。
2类：这类元素通常被认为是给药途径依赖型的人体毒素。根据它们出现在药品中的相对可能性，进一步分成2A和2B亚类。
2A类元素出现在药品中的相对可能性高，应对所有潜在元素杂质来源以及给药途径都进行风险评估。2A类元素包括：钴（Co）、镍（Ni）和钒（V）。
2B类元素丰度较低并且与其他物料共生的可能性较低，出现在药品中的概率较低。除非在原料药、辅料或其他药品组分生产中有意添加这些元素，否则无须进行风险评估。2B类元素包括：银（Ag）、金（Au）、铱（Ir）、锇（Os）、钯（Pd）、铂（Pt）、铑（Rh）、钌（Ru）、硒（Se）和铊（Tl）。
3类：此类元素口服给药途径的毒性相对较低（高PDE值，通常＞500µg/d），但在吸入和注射给药途径的风险评估中仍需考虑。除非有意添加这些元素，否则在口服给药途径的风险评估中不需要考虑。在注射和吸入给药药品的风险评估中，应对是否可能含有这些元素杂质进行评估，除非该给药途径特定的PDE值高于500µg/d。此类元素包括：钡（Ba）、铬（Cr）、铜（Cu）、锂（Li）、钼（Mo）、锑（Sb）和锡（Sn）。
其他元素：由于固有毒性低和/或区域监管的差异，有些元素杂质的PDE值未被确定，ICH Q3D未涉及此类元素。如果药品中存在或包含这些元素，应遵从适用于特定元素的其他指导原则和/或地方法规和规范（如：铝导致肾功能损伤；锰和锌导致肝功能损伤）或药品的质量考虑（如：治疗性蛋白质中存在的杂质钨）。需考虑的一些元素包括：铝（Al）、硼（B）、钙（Ca）、铁（Fe）、钾（K）、镁（Mg）、锰（Mn）、钠（Na）、钨（W）和锌（Zn）。
根据药品中元素杂质分类及其毒性、是否人为引入以及给药途径，风险评估中应考虑的元素杂质见表3-5。
表3-5 风险评估中考虑的元素
元素杂质的毒性与其暴露量（生物利用度）有关，口服、注射和吸入三种给药途径的每日允许暴露量（PDE）具体数据可参考相关指南。
根据药物的每日给药剂量及给药途径，结合元素PDE值，可以设定及杂质浓度限度。如以每日摄入不超过10g的原料药计，各组分元素杂质的通用允许浓度限度如表3-6。
表3-6 元素杂质的通用允许浓度限度（方法1）
续表
元素杂质控制应考察检测到的元素杂质水平相对于其PDE值的显著性。将药品中元素杂质PDE值的30%定义为控制阈值，作为元素杂质水平显著性的衡量指标。控制阈值可用于判断药品中的元素杂质是否需要额外的控制。
元素杂质的控制是药品整体控制策略的一部分，用以确保元素杂质不超过PDE值。控制化学药品中元素杂质能够采用的方法包括但不限于：
（1）调整相关生产工艺，通过特定或非特定的纯化步骤将元素杂质降低至控制阈值之下。
（2）实施工艺过程的中游或上游控制，将药品中元素杂质的浓度限制在控制阈值以下。
（3）建立物料（如合成中间体）的元素杂质标准限度。
（4）建立原料药的元素杂质标准限度。
（5）选择合适的包装材料。
（6）对药品中元素杂质进行定期检测。
“可耐受的日摄入量”（tolerable daily intake，TDI）是国际化学品安全方案（IPCS）用于阐述毒性化合物暴露限度的术语，“可接受的日摄入量”（acceptable daily intake，ADI）是世界卫生组织（WHO）及一些国家和国际卫生组织所用的术语。“每日允许暴露量”（PDE）定义为药学上可接受的残留溶剂摄入量，以避免与同一物质的ADI混淆。
评价的残留溶剂按其对人体健康的潜在危害，并将其分为以下三类：
一类溶剂：应避免的溶剂。已知的人体致癌物，强疑似人体致癌物，以及环境危害物。
二类溶剂：应限制的溶剂。非遗传毒性动物致癌物质，或可能导致其他不可逆毒性如神经毒性或致畸性的溶剂。可能有其他严重但可逆的毒性的溶剂。
三类溶剂：低潜在毒性的溶剂。对人体低潜在毒性的溶剂，无须制定基于健康的暴露限度。三类溶剂的PDE为每天50mg或50mg以上。
（1）应避免的溶剂：
由于一类溶剂具有不可接受的毒性或对环境造成危害，原料药、辅料及制剂生产中不应使用该类溶剂。当为疗效目的不得不使用时，除非经过论证，否则应按表3-7进行控制。1，1，1-三氯乙烷因危害环境而列入表3-7，其限度1500ppm是基于生物安全性数据而定的。
表3-7 制剂中的一类溶剂（应避免的溶剂）
（2）应限制的溶剂：
是指自身有一定的毒性，应在药品制备中限制使用。这类溶剂规定PDE约为0.1mg/d，浓度约10ppm。具体品种及相关参数可参考文献指南。
（3）低潜在毒性的溶剂：
三类溶剂可视为低毒、对人类健康危害风险较低的溶剂。三类溶剂不包括药学常见水平对人类健康有危害的溶剂。然而，许多三类溶剂还缺少长期毒性或致癌性研究。现有数据表明，仅认为在急性或短期研究中毒性较小，遗传毒性研究结果呈阴性。
（4）没有足够毒理学数据的溶剂：
有时会用到其他一些溶剂，由于相应的毒理学研究也无法提供PDE值，这时应论证这些溶剂在药品中的残留量的合理性。
原则上残留溶剂应最大可能完全去除。残留溶剂量不应高于安全性数据可接受的水平。除非在风险-收益评估中强有力地论证了使用这些溶剂的合理性，否则在生产原料药时，应避免使用一类试剂。限制使用二类试剂，以防止患者出现潜在的不良反应。只要符合制备要求，应尽可能使用三类试剂，并在终产品中尽量降低残留量。
基于广泛的研究积累，人们已经认识到某些化学结构单元与遗传毒性高度相关，这类结构在药物设计及质量研究中应给予高度重视，尽可能避免或确保控制在限度以下。常见的基因毒性杂质典型的警示结构见图3-4。
一般情况下，基因毒性杂质具备警示结构单元、诱变性、致癌性三大特征，ICH M7根据诱变性、致癌性及其控制策略将杂质分为五类，见表3-8。
图3-4 基因毒性杂质典型的警示结构
A为烷基氢、芳香基或H；EWG为吸电子取代基，如氰基、羰基或酯基等。
表3-8 根据致突变性和致癌性对杂质进行分类及控制
确定遗传毒性杂质限值时主要的参考依据是可接受摄入量。可接受摄入量的计算方法包括：根据化合物特异性风险评估计算、根据毒理学关注阈值（threshold of toxicological concern，TTC）计算和根据给药周期调整计算等。
首先将药品研制过程发现的杂质，按上述风险评估方法将杂质分类1～5类，计算出某一杂质的可接受摄入量，再结合生产工艺、检测方法、临床使用情况等制定合适的限值。也可直接采用权威机构认可的限值。对于高致癌性杂质（如黄曲霉毒素、 N -亚硝基化合物、烷基-氧化偶氮结构类化合物）应采用更严格的限值控制。部分基因毒性杂质可接受摄入量（acceptable intake，AI）或每日允许暴露量（permissible daily exposure，PDE）见表3-9。
杂质限值一般按下式计算：
杂质限值=杂质可接受摄入量/药物每日最大用量
其中，杂质可接受摄入量即上文中AI、PDE、TTC等数值。
表3-9 部分基因毒性杂质可接受摄入量（AI）或每日允许暴露量（PDE）
注： * 途径特殊限制。TD 50 （median toxic dose），半数中毒反应量。
基因毒杂质控制策略包括但不限于以下内容：
（1）物料属性控制（包括原料、起始物料、中间体、试剂、溶剂、内包材）。
（2）设施和设备操作条件。
（3）生产工艺设计中隐含的控制。
（4）过程控制（包括过程检测和工艺参数）。
（5）原料药和制剂的控制（如放行检测）。