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无法确定API晶型?快来试试拉曼光谱检测技术

日期: 2020-07-27
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药物制剂的开发需要耗费非常多的时间和精力,在药品研发的整个生命周期中,药品的质量是最关键的步骤之一,药品从研发到上市所涉及的研究与技术都要求快速且创新的鉴定技术。针对药物晶型的研究中,大多数都是基于非光谱法(如X粉末衍射法、差示扫描量热法、热重分析法等),这些分析方法有其特定的优势,但在某些情况下也存在局限性。因此,作为一种补充,基于光学技术的分析方法越来越受到重视,拉曼光谱在药物晶型研究方面的应用也越来越广泛。拉曼光谱只需少量样品且不破坏样品,快速且方便的对药物进行检测与分析,可实现药物晶型无损研究,因此特别受到分析人员的青睐。


关于拉曼光谱检测技术



基本理论知识:光散射是自然界常见的现象,当一束光照射在物质上时,大部分的光被物质反射或透过物质,另一部分光被物质向四周散射。拉曼光谱是一种无损的光散射分析技术,激光光源的高强度入射光被分子散射时,大多数散射光与入射激光具有相同的波长(颜色),不能提供有用的信息,这种散射称为瑞利散射。然而,还有极小一部分(大约1/109)散射光的波长(颜色)与入射光不同,其波长的改变由测试样品(所谓散射物质)的化学结构所决定,这部分散射光称为拉曼散射。


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激光拉曼光谱仪系统由一个或多个激光波长作为激发光源,激光束通过激光传输光路引到被测样品上,并通过显微镜投聚焦到一点,激光激发出样品的拉曼散射信号通过仪器中的信号光路送到光谱仪,分光得到光谱,最后由光谱仪出口处的光电探测器(光电倍增管或CCD)将光谱信号转换为电信号,经专门的计算机软件处理后显示拉曼光谱结果,进一步输出,供分析和研究用。拉曼光谱得到的是物质分子震动的频谱,也是物质的指纹性信息,即每一种物质都有自己特征的拉曼谱图。


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我们能够获取到什么信息?

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拉曼光谱能够探测材料的化学结构,它提供的信息包括:

 药物片剂中化合物的分布;

 药品生产工艺;

 混和的均一性;

 批量筛分检验;

 API浓度;

 粉末的组成和纯度;

 原料的核实;

 多形态分析;

 结晶度分析;

 污染物鉴别;

 组合化学;

 

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拉曼图谱的构成

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一张拉曼图谱通常分布着多个拉曼峰,每个拉曼峰代表了相应的拉曼位移和强度,每个谱峰对应了一种特定的分子键震动。在拉曼图谱中,横坐标是拉曼位移,纵坐标是散射光的强度。


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一般而言,拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹,能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱,通过快速搜索,找到与被分析物质相匹配的光谱数据,即可鉴别被分析物质。

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图:L-谷氨酸水溶液、α晶型悬浊液和β晶型悬浊液的拉曼谱图

图源:墨玉欣. 拉曼光谱在L-谷氨酸多晶型定量分析中的应用研究[J]. 化学工程师, 2013(08):31-33.


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拉曼成像

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当与拉曼成像系统相结合时,可以基于样品的多条拉曼光谱来生成拉曼成像。这些成像可以用于展示不同化学成分、相与形态以及结晶度的分布。一般在拉曼光谱成像实验中,样品移动和光谱采集都是连续进行的。根据用户定义的区域范围重复数百、数千甚至数百万次采集数据。应用拉曼成像,即时的图谱结果可以通过多种数学运算转换为样品组分图像。拉曼光谱成像对于药物研究领域是非常有价值的技术,因为它能够显示出普通的光学显微镜下观察不到的化学成分分布。

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药物片剂上0.6 mm *2.4 mm区域的拉曼光谱成像,图中显示阿司匹林(红色)、扑热息痛(蓝色)和纤维素(黄色)在药片中的分布情况。


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拉曼光谱能够用于分析什么类型的药物?

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通过设备可以对固体制剂、粉末制剂、液体制剂、乳软膏、鼻吸入剂、混悬剂等药品成分进行分析。气体样品虽然也可以通过拉曼光谱进行分析,但是由于气体的分子密度特别低,所以测量气体的拉曼光谱相对较难,通常需要用到大功率激光器和较长路径的样品池。


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拉曼光谱可以分析多组分物质或水溶液剂型吗?

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从某个样品获取的拉曼光谱包含了测试体积(激光照射到的体积)内所有物质的信息。因此,混合物的拉曼光谱中包含了代表测试体积内所有不同分子的拉曼信号。如果混合样品的各种成分是已知的,那么根据相对峰强可以衡量混合物组分的相对含量。
拉曼光谱非常适合用于分析含水样品,包括溶液、混悬液等。水分子的拉曼散射截面非常小,所以拉曼散射强度也比其他分子弱很多;此外,水分子的拉曼光谱也非常简单,只有为数不多的几个拉曼峰,对于溶解物质的拉曼峰干扰甚小。在结晶溶液中看到的晶体通过拉曼可直接快速地判断其晶型与形态。
在大多数情况下,即便水分子在数量上占据很大优势,溶质的拉曼峰强度都比水的拉曼峰强度大得多。近红外和红外光谱有着很强的水分子吸收,因此,当使用这两种光谱仪器测量与水有关的样品比如水溶液、混悬液、含水的wet mess, slurries,水的信号会掩盖住其他成分,造成无法获得有用的信息。而水的拉曼散射是非常弱的,一般不会对溶液中的药物或其他物质的光谱造成任何干扰,因而,分析水溶液中的溶质是轻而易举的事情。这也是拉曼光谱仪应用的主要优点之一。混悬液可直接用于拉曼测量,不需要任何样品处理。即使有着大量的水的存在,从混悬液的拉曼图谱也可以很明显地看出所含有物质的化学成分和晶型,因为水的拉曼散射信号非常弱,基本不对药物的测量造成干扰。

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拉曼光谱技术的优势有哪些?


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拉曼光谱是一种强有力的分析技术,与其它常规分析技术相比,它具有很多优势,主要体现在以下几个方面:

>>丰富的化学/分子分析

拉曼光谱包含的信息非常丰富,通过探测化学键的振动,它可以从分子层面给出样品的化学结构特征。借助于拉曼光谱数据库,拉曼光谱可以用来表征材料的组成,也可快速对未知材料进行定性分析

>>精准(结晶度、多晶型、相变)

除了一般的材料的鉴定和表征之外,拉曼光谱还可以提供更精细的信息,如结晶度、多晶型、相变、应力、蛋白质二级结构以及氢键等。

>>高效

拉曼光谱是一种非常快速的分析方法,数据采集时间相对较短,一般情况下仅需要几秒钟即可得到一条优质的光谱。并且不需要使用有机溶剂,同时样品制备步骤较短或无需制备。

>>无需样品制备

与很多其他分析技术不同的是,拉曼分析无需预先对样品进行溶解、研磨、玻璃化、压片之类的处理。并且无论是固体、液体、粉末、浆状物或者气体样品,都可以在它们的本征状态下直接进行测试。

>>无损伤

拉曼光谱是完全无损伤的技术——它是非接触的、无损伤的,并且无需样品制备。因而,它可以用于药物晶型分析,特别是需要保持样品原貌以备继续使用其它技术手段进行分析的样品。

>>样品需求量少

相比于其他几种研究方法,拉曼光谱所需的样品数量更少。

>>显微空间分辨率

使用共焦显微拉曼光谱仪,能够在亚微米量级的空间分辨率上实现高灵敏度的显微分析。因此,可以方便的对单个颗粒,或者样品上特定的区域进行分析。显微拉曼光谱保留了以上所述的其它所有优势。

>>设备维护简单

拉曼光谱仪器稳固,体积适中,在平时的使用过程中,只需要定期进行简单维护,维护成本低,同时设备使用简单。

>>适合原位、离体和活体分析

因为拉曼光谱是非接触无损技术,所以特别适合真正的原位分析。它可以用来在反应器皿内监控化学反应,并且不会干扰反应的进行。水对拉曼光谱的影响微弱使得它可以用来进行离体的或者在体的活体分析。


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拉曼光谱技术如何进行药物晶型研究

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拉曼光谱技术在药物固态特征分析方面应用广泛,可以用于药物的成盐形式、水合物、晶型、光学异构体等方面的研究,在大多数情况下拉曼光谱对于药物分子的骨架结构、空间排列变化(晶形和结晶度)是很敏感的。一般而言,晶体材料的拉曼光谱拥有尖锐、高强度的拉曼峰,而非晶材料的拉曼峰大多很宽,强度较低。通过拉曼光谱分析速度快,且对药物具有指纹性,可以应用于分子结构研究,因此也可以用于药物辅料的质量控制及现场快检。2020版《中华人民共和国药典》在《药品晶型研究及晶型质量控制指导》原则中也加入了拉曼光谱法作为研究方法之一。
通过软件对拉曼峰进行拟合,可以较为准确地计算出峰的半高宽和强度,再和其它技术方法比较和校正,可以用来作为定量测量结晶度的方法。通过拉曼成像进行类似的分析,可以做出结晶度的分布图像。
拉曼光谱还能够解决一些逆向工程分析中的疑难点比如药物活性成分(API)的晶型鉴定、原研制剂的成分确定,以及工艺参数的解析,如 API 分布、包衣层厚度、包衣层数、生产工艺,以及与溶出特性有函数关联的空间分布等。



 


结语


拉曼光谱技术除了对原料药的不同晶型实现定性研究,也可用于片剂中药物活性的不同晶型进行定性研究,还可以进行多晶型定量分析,拉曼光谱技术在药物晶型问题的研究上表现出巨大的潜力,为药物晶型问题的研究提供了更为广阔的思路和角度,当采用拉曼光谱技术对药物晶型进行研究时,品种的特异性、仪器的分辨率及测试条件的选择往往觉得拉曼光谱是否能实现有效检测的重要因素。

 

相关阅读:Tian F, Qu H, Louhi-Kultanen M, Rantanen J,  Journal of Pharmaceutical Sciences 2010, 99: 753-63。

相关阅读:Sandler N et al., Pharmaceutical Technology Europe 2007, 19 (2).

参考文献:黄蓉[1] ,杨永健[1] .拉曼光谱在药物分析中的研究进展[J].医药导报,2018


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