1、近红外光谱技术在药物分析中的应用1前言近红外光谱分析技术是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。近红外（NIR）谱区是人类认识最早的非可见光谱区，波长范围在 0.752.5m 之间，用波数表示时则在 133304000cm-1之间。由于近红外的吸收谱带复杂，谱峰重叠，信号弱，在分析上难以应用，长期以来没有受到人们的重视。近十多年来，随着近红外仪器的改良，新的光谱理论和光度分析方法的建立，特别是计算机技术和化学计量学的广泛应用和迅速发展，使近红外光谱技术成为目前发展最快、最引人注目的分析技术
2、，并以其简单快速、实时在线、无损伤无污染分析等特点，在复杂物质的分析上得到广泛应用。在包括制糖和制药的许多与化学分析和品质管理有关的行业中的应用前景极其广阔。关于近红外光谱技术在制药行业中应用的文献报道越来越多，显示了近红外光谱技术在制药领域中越来越受到人们的重视。近红外光谱分析具有的快速实时、操作简单、无损伤测定、不受样品状态影响的特点很符合药物分析的要求。因此，在制药业中原料药的分析、药物制剂中水分、有效成分的分析、药物生产品质的过程控制等方面近红外光谱技术得到了十分广泛的应用。2光谱介绍近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波，根据ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在 78
3、02526nm范围内的电磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（7801100nm）和近红外长波（11002526nm）两个区域。近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，具有较强的穿透能力。近红外光主要是对含氢基团X H（X=C 、N、O）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。近红外光照
4、射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时， 由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度， 就可以确定该组分的含量。3近红外光谱技术在制药业中的应用31 原料和活性组分的测定药物加工过程中第一步就是原料的鉴定，其质量的好坏直接决定后续加工过程的成败于否，而同一类型的原料中多变因素主要是湿度和颗粒大小，近红外光谱在湿度测
5、定中的灵敏度及其适于固体表面的表征的特性，使他能够很快地得到样品的湿度和颗粒大小的信息，然后将原料进行分类。该方法与传统的中红外光谱和湿化学方法相比，检测速度和效率大大提高。药物中的活性组分是药物的核心部分，它是决定药效的主要成分，其质量和含量直接影响药物的治疗性能。如果药剂中活性组分的含量过低，就不能达到应有的药效；若活性组分含量太高，则可能带来副作用，甚至有害人体。因此在药物加工过程中，活性组分的含量和质量必须严格控制。近红外光谱结合漫反射技术可以快速、在线监测药物加工过程中活性组分的含量及其在赋形剂中分布的均匀性，适时调节其含量，得到合适的药剂。此外近红外光谱还可以非破坏性检测成型片剂（
6、包括涂层后的片剂）及胶囊中活性组分的含量及分布，以秒级的时间分析每个包装好的片剂。32 固体药剂的表征固体药剂是很重要的一类药剂，大部分的口服药都是固体剂，如片剂、胶囊、颗粒及粉末等。以前，人们对这些固体药剂的安全性和药效的关注，主要集中在药物的化学纯度上，后来人们逐渐认识到固体的物理性质如颗粒大小、湿度及结晶度等对药物的稳定性、溶解性及在人体内的吸收及生理获得性（Bioavailabiliti）都有很大的影响。因此在药物的配方和加工过程中，固体药剂的物理表征就至关重要。近红外光谱在固体药剂物理表征方面的应用是该技术在制药工业中最成功的应用。由于近红外光在固体中的穿透程度较深以及其容易采用反射
7、技术的特点，使他成功地用于固体药剂的各种物理化学性质如湿度、含量均一性、颗粒大小分布、结晶度及硬度的定量表征。3.3 颗粒大小分布固体药剂一般是通过磨碎、混合、成粒、压片或装入胶囊及包装等过程制备的。各种固体原料的颗粒大小及分布均会影响每一步加工过程及最终的产率，因此实时测定和控制每一步加工过程中固体原料的颗粒大小及分布对配方和加工过程都非常重要。由于固体药剂中固体颗粒的大小及分布会影响其安全性、稳定性及药剂形式的可变性，药物中活性组分和赋形剂的颗粒大小会影响药物的各种特性，如多孔性和流动性，因此生产者和医药管理部门越来越重视固体药剂中固体颗粒大小的分布。由于近红外光很容易被颗粒散射，使得近红
8、外光谱结合漫反射技术可以快速、非破坏性测定固体药剂中各种成分包括活性组分、配剂及赋形剂的颗粒大小及分布等。近红外光谱技术快速的特点使它可以在很短的时间内对同一批样品重复扫描多次，从而得到整批样品中颗粒大小得真实分布，且整个测定在几秒钟内即可完成。3.4 结晶度和光学异构体药物在血液中的吸收取决于许多因素，其中一个很关键的因素就是药物存在的结晶形式。大部分药物都可以形成集中结晶形式或多晶形。当化学性质相同时，不同的结晶形式所处的能级不同，这种能级差将影响药物的溶剂化作用，亦即影响药物的溶解速度，从而使病人对药物的吸收速度也不相同。最常用的晶形测定方法是热分析法（DSC） ，该方法的缺点时样品用量
9、少，这就需要从极少量样品的分析结果得出得出整个样品的结构信息，误差较大；另外，该方法需要毁坏样品，因而不能重复测定同一个样品。中红外光谱在测定样品的结构信息方面非常有用，但由氢键效应引起的二级和三级结构信息只有在近红外区才能观察到。另外，中红外技术所采用的各种样品处理方法如磨碎或溴化钾压片都会破坏样品的晶体结构，而且磨碎过程中加入的热能也会改变样品的结晶形式。近红外光谱可以无需特出的样品制备过程，很容易区别固体药剂中各种结晶形式，同时测定其光学异构体的含量。与多元线性回归方法相结合，近红外光谱是一种最佳的非破坏性质量控制手段，用于测定光活性物质的异构体纯度。除以上应用外，近红外光谱在固体药剂的
10、物理表征方面的应用还有湿度、混合均匀性、密度、粘度、硬度及片剂镀膜的分析测定等，由于其非破坏性的特点，用该方法分析完毕的样品可以继续进行其它分析测定或包装后再销售。35 药物加工过程的在线监控随着药物加工过程自动化程度的提高，药物的制备是通过混合、加工、成型及包装等一系列过程统一完成的，这就要求在每一步加工过程中都必须对所有组分进行全面表征。因为任何疏失的操作都可能会带来很严重的后果。传统的分析方法需要将样品取出到实验室进行分析，然后将信息反馈回生产车间控制加工过程。由于分析速度慢且常常需要将加工过程停止下来，这就大大减慢了生产速度。一些固体药剂生产车间是将一整批粉末混合物或颗粒压片或封入胶囊
11、，然后随机抽出一些片剂或胶囊进行分析表征，如果此样品不合格，则整批产品即报废，这将会带来巨大的经济损失。AOTF 技术近红外光谱仪由于具有体积小，分析速度快及受温度、压力和振动等外界因素影响小的特点，使它可以安装在药物流水线上，直接非破坏性监测每一步加工过程中各个组分的含量和性质，及时发现问题，及时进行调整，避免了整批产品的损失。近红外光谱仪可以在一秒钟中内甚至几分之一秒内完成一个片剂的扫描，因而它可以在很短时间内监测大量的药剂，从而保证整批产品的质量。另外，近红外光谱仪还可以随时监测由加工过程可能出现的各种污染物。由于快速、非破坏性的特点，使它几乎不影响药物的生产速度，同时还能进行全面的质量
12、监控。因此，从 20 世纪 90 年代开始，近红外光谱仪技术在制药工业中就变成一种强有力的分析手段。除以上应用外，近红外光谱分析技术在中药材测试、鉴定和中西药品真、假的快速识别（打假）方面有独到之处，目前这方面的应用领域正在迅速扩展，AOTF 技术近红外光谱仪已有便携（手持）式机型，为开展此领域的应用提供了强有力的武器。4近红外光谱技术的定性、定量分析现代近红外光谱技术不是通过观察供试品谱图特征或测量供试品谱图参数直接进行定性或定量分析，而是首先通过测定样品校正集的光谱、组成或性质数据（组成或性质数据需通过其它认可的标准方法测定） ，采用合适的化学计量学方法建立校正模型，再通过建立的校正模型与
13、未知样品进行比较，实现定性或定量分析。4.1 定性分析近红外光谱谱带较宽，特征性不强，因此很少像其它光谱（如紫外光谱和红外光谱）那样用于化合物基团的识别及结构的鉴定。近红外光谱的定性分析一般是用于确定分析样品在已知样品集中的位置。常用的方法包括:（1）判别分析法：判别分析是经典的定性识别方法，其基本思路是相同样品在不同波长下具有相近的光谱吸收，这种光谱间的比较可以是原始光谱，也可以是经过处理的光谱。（2）主成分分析（Principal Component Analysis PCA）法：利用 PCA 方法将多波长下的光谱数据压缩到有限的几个因子空间内，再通过样品在各因子空间的得分确定其归属类别，
14、但 PCA 对样本与校正集间的确切位置缺乏定量的解释。任玉林等采用此方法研究了去痛片的近红外漫反射光谱，总结出对标化后的数据进行主成分分析可减小颗粒大小的变化所产生的散射影响，并且用第二主成分得分对第一主成分作图可以将合格样品与不合格样品区分开来。其缺点是当真药与劣药的含量相当接近时此法容易分。4.2 定量分析近红外光谱测量时一般不需对样品进行预处理，但测定的光谱可能受到各种干扰因素的影响。利用单一波长下获得的光谱数据很难获得准确的定量分析结果。NIR 光谱结构复杂，谱图重叠较多，所以在进行定量分析时，一般采用多波长下获得的数据并进行一定的数据处理才能获得准确可靠的分析结果。常用方法如下：（1
15、）主成分回归：原理与 PCA 相同。PCR 在解释光谱数据时起着重要作用，从主成分权重图中能够确定主成分与哪个组份有关，但确切而全面地解释每个主成分代表什么迄今仍是最难解决的问题。（2）偏最小二乘法：该法是一种全光谱分析方法，充分利用多个波长下的有用信息，无需刻意的选择波长，并能滤去原始数据噪音，提高信噪比，解决交互影响的非线性问题，很合适在 NIR 中使用。实验证明，PLS 法同近红外漫反射光谱法结合，直接分析固态粉末药品磺胺甲基异唑、安体舒通、安乃近、磺胺脒是可行的，同其它方法相比具有速度快、简便、且不破坏样品的优点。此外还有多元线性回归、拓扑等方法也在近红外光谱分析中得到应用。5近红外光
16、谱技术的特点与传统化学分析方法相比，近红外光谱分析技术有鲜明的技术特点1、分析速度快。扫描速度快，可在数十秒内获得一个样品的全光谱图，通过数学模型既可快速计算出样品的浓度。2、多种成分同时分析。一次全光谱扫描，可获得多种成分的光谱信息，通过建立不同的数学模型，就可定量分析样品的多种物质成分。3、无污染分析。样品不需特别的预处理，不使用有毒有害试剂。根据样品的物质状态和透光能力采用透射或漫反射方式测定，可直接测定不经预处理的液态、固态或气态样品。4、无损伤分析。测定过程不破坏或消耗样品，不影响外观、内在结构和性质。5、实时分析和远距离测定。实时在线分析特别适合工业生产上应用。利用光导纤维技术远离
17、主机取样，将光谱信号实时传送回主机，直接计算出样品成分的含量。6、操作简单，分析成本低。除需要电能外，不需要任何耗材，大大地降低测试费用。操作上不需要专门技能和特别训练。近红外光谱分析技术也有其固有的弱点。该项技术是一种间接的分析技术，它必须依赖常规的化学分析方法，测定出特定背景范围内多个标准样品成分的化学值，利用化学计量学方法建立数学模型，并通过数学模型计算待测样品的成分含量。数学模型预测的准确性与常规化学分析的准确性、建模样品的代表性、模型使用的合理性有很大关系。另外，近红外光谱分析的测试灵敏度较低，待测样品的成分含量一般不少于 0.1%。6总结过去的几十年，近红外技术已经受益于不同领域的
18、发展，就像在计算机科学，化学计量学，光学材料科学和仪器仪表。由于这些发展，它已成为在许多领域，包括药物分析一个普遍的分析方法。本文综述了一些近红外光谱技术在制药环境中的多种可能性：从原材料的识别到成品及包装药品终端产品的 100的在线质量控制。如今，近红外光谱技术被广泛接受为原料鉴定和水分测定的标准方法。对于第一个应用程序时，近红外的优点 - 在湿化学方法 - 提供的不仅仅是化学品的身份确认，同时也对材料的体能透出的信息。由于其独特的性能，如实时监测，分析速度，分析的非破坏性的性质，利用光纤的，NIR 被切断的用于被用作在过程分析技术的标准技术（PAT） ，因此允许在药物制剂生产的所有步骤的优化。此外，它接受许多监管机构，如不同药典和美国食品和药物管理局，使得近红外在制药行业的标准分析工具。最近的事态发展在近红外检测仪器，使产生近红外“图像”，将导致在药物制剂分析具有挑战性应用的新领域，并肯定了该技术的未来。
