近红外光谱在药学中的应用

第4卷 第 6期 2008年 6月 亚 太 传 统 医 药 Asia-Pacific Traditional M edicine V01．4 No．6 Jun 2008 近红外光谱在药学中的应用 艾 立 ，梁琼麟 ，罗国安 ，杨辉华 ，王义明 (1．江西中医学院，江西 南昌 330004；2．清华大学 化学系，北京 100084) 摘 要：概述了近红外光谱分析技术的原理、特点及其在药物原料、药物制剂分析、药物在线监测控制以及在 中药 领域的应用，并讨论了近红外光谱技术药物分析应用中存在的问题。 关键词 ：近红外光谱；化学计量学；药物分析；中药 中图分类号：R917 文献标识码 ：A 文章编号：1673—2197(2008)06—052—03 美国材料检测协会(ASTM)将近红外光谱区定义为波 长 780～2，526 nnl的光谱区(波数为 12，820～3，959 cm一1)，同时又将近红外区划分为近红外短波(780~1，100 m )和近红外长波(1，100~2，526 nm)两个区域啪 。 1 近红外光谱特点 近红外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。近红外光谱记录的是分 子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，主要是含 氢基团 C_H、()-H、N—H的伸缩振动的倍频吸收谱带及伸 缩振动和摇摆振动的合频吸收。几乎包含了有机物中所有 的含氢基团的信息，信息量简洁而又丰富。如图 1所示为 1O味中药组成的腰痛宁胶囊原粉粉末的近红外光谱图。 主要是通过透射光谱技术和反射光谱技术获得近红外光 谱。通常依靠计算机软件校正基线背景或消除样品的基质 或杂质的干扰，进行判别分析或建立标准曲线方程，适用于 常规方法很难分析的样品。近几十年来，随着科技的飞速 发展，近红外光谱法也得到了长足发展，在农业、食品、化学 和石油都有应用。 图1 腰痛宁胶囊原粉粉末近红外光谱 近红外在短短的几十年间，发展如此之快，主要是因为 近红外光谱法对样品无损、可以在线快速检测。另外，经红 外光程较长(780nm~2，526nm)，可以测量块状、气体、粉 末、液体等，但它是二级分析方法，其定量分析需依赖一套 标准样品及标准参照方法，且需复杂的化学统计学的数据 处理。本文主要就其在现代药学应用进行分析。 2 应用范围 近红外光谱法在药学领域中的应用范围相当广泛，它 不仅适用于药物的多种不同状态如原料、片剂、胶囊以及液 体等制剂的分析检测，还可用于不同类型的药品，如蛋白 质、中药、抗生素等药物的分析。以及在线生产工艺的监 控，包括混合、微波真空干燥、注射用产品灭菌、片剂的膜衣 厚度等。还可进行产品的稳定性测定、安慰剂与活性成分 的辨别等，根据应用范围利用不同的光纤探针可实现生产 工艺在线分析监控。 2．1 药物原料的分析 人用药品注册技术规定国际协调会议(ICH)的指导原 则里面明确指出鉴别实验的重要性，欧洲药典的2．2．4O章 节 同样介绍了 NIR方法应用于药物的定性分析。由于 NIR方法需要的样品量很少，同时可控各药物成分(API) 或辅料，使得其在药物原料分析中大放光彩，Rose用其开 发的软件对大量结构相似的青霉素类药物，用 N珉S加以 区别和鉴定。 Mark等使用马氏距离分类技术对制药原料进行定性 鉴别。Shah等则分别用马氏距离法和SIMCA法这两种分 类方法对制药原料的近红外光谱进行分类。另外，原料药 收稿日期：2008—04—09 作者简介：艾立(1982～)，男，江西新余人，江西中医学院和清华大学联合培养硕士研究生，主修 中药方剂现代化研究；罗国安， 男，清华大学教授，博士生导师。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4卷 第 6期 2008年 6月 亚 太 传 统 医 药 Asia-Pacific Traditional Medicine VoL 4 No．6 Ju 2008 的结晶状态、粒径和密度在制剂生产和控制主要活性成分 的过程中非常重要，可用近红外光谱对原料药的不同物理 性质进行检测。NIRS可以对药物原料(主要是固体粉末) 的多种物理性质包括晶粒大小、晶型 、结 晶度、表 观密度 和旋光性等进行全面的分析。 2．2 药物制剂的分析 FDA的Sherken最早使用近红外光谱对片剂药物进 行含量测定，他用近红外法测定一系列的甲丙氨酯标准溶 液，并且建立了计算甲丙氨酯片含量的校正方程。后来 Zappala等继续考察了近红外光谱法对片剂和缓释胶囊中 甲丙氨酯的含量分析，并且对 Sherken的方法作了改进。 Corti等在用近红外光谱分析胶质和粉末基质中酮替芬含 量时，并分析了雷尼替丁片的含量。 另外，近红外光谱法在药物制剂的鉴别和分类中也多 有应用，Sondermann 在分析一种兴奋剂中，应用 NIR分 析鉴别出了苯丙胺等 3种成分。国内在这方面这做出了很 好的成绩，任玉林 等对近红外在药品无损分析中的应用 进行了研究。他们应用几种多变量统计分类技术，对磺胺 噻唑、美迪康等粉末药品进行分析，成功地鉴别出合格药、 劣药和假药。近红外光谱法能够很好的对药物中的水分进 行检测。Beyer 等应用 NIR光谱法检测了药物辅料中的 水分。Plugge等 运用基于双波长的简单多线性回归检测 了氨苄西林三水合物中的水分，其校正曲线的精密度和线 性关系和Karl—Fisher参照方法并无二样。NIR方法在湿 法制粒评价中也有诸多应用：例如在湿法制粒中预测加水 量 ，以及湿法制粒过程中在线检测湿度和确定湿度允许 范围和终点判断。 2．3 药物在线监测控制的应用 近红外分析技术特别适宜于在线的过程控制分析，因 为近红外光谱分析的特点就是操作简便、快速，无损样品进 行原位测定，可不使用化学试剂，不必对样品进行预处理， 可直接对颗粒状、固体状、糊状、不透明的样品进行分析。 2．3．1 粉末混合过程控制 药物中的活性成分和辅料的混合过程是固体制剂过程 中至关重要的一个部分 ，未经混合均匀的粉末在后续的制 剂过程中是不可能得到均一活性成分剂量的制剂，因此混 合过程判断各成分的均一性非常值得研究。一般都是先从 混料机中取出一部分样品进行 HPLC或者 UV-vis分析， 从而检测其有效成分含量及其混合均匀性，从而把该数据 与NIR光谱进行相关性建模。Sekulic 等使用近红外光 谱对粉末混合均匀性进行在线监测，混合物样品中含 1O 苯甲酸钠、39 微晶纤维素、5O 乳糖和 1％滑石粉。首先 用近红外光谱仪收集样品的近红外光谱数据，然后用化学 计量学软件对数据进行处理，结果表明，近红外光谱技术作 为一种对药物混合均匀性在线分析方法是可行有效。 2．3．2 干燥过程控制 干燥是固体制剂生产过程中最普遍的单元操作之一， 湿度是干燥过程最关键的指标，通常采用湿化学方法在干 燥终点对物料进行检测以判断是否达到要求。对冷冻干燥 过程的监控主要是冻干产品残留水分的检测，以确定干燥 终点。用光纤漫反射探针可以对安瓿内容物进行 1100～ 2500nm波长范围透光率的扫描，而注射用冻干药物装于玻 璃安瓿中。本法 利用光纤探针可不必破坏安瓿进行水 分的测定，因此可以进行冻干产品生产质量的在线控制。 Jackie等 选用带光纤探针的近红外光谱仪，通过对终产 物水含量的检测对微波真空干燥过程来监控干燥终点。 2．3．3 包衣过程控制 在线制药过程中，包衣一般都是制剂的最后一环节，同 时也在整个过程中具有很重要的地位，它能确保制剂的完 整性和好品质，如决定药物释放的稳定可靠。NIR的漫反 射光谱带光纤探头使用 PLS模式可以对颗粒剂或片剂包 衣层进行检测。Kirsch 等发现片剂样品近红外光谱的变 化与包衣的厚度之间存在相关性。他们在用乙基纤维素 (EC)或羟丙基纤维素(HPMC)进行包衣的过程中，按一定 的时间间隔取样，测定片剂样品的近红外光谱。采用二阶 导数变换和多元散射校正两种方法对光谱进行处理，然后 用主成分分析建立计算包衣厚度的校正模型。进一步测定 样品的溶出度，考察包衣厚度与溶出度的相关性，从而更好 地控制包衣制剂的质量，进行生产工艺的监控。 2．4 中药分析中的应用 中药现代化的“瓶颈”是对中药材原料和生产过程的质 量控制，这是因为药材的内在质量决定疗效和安全性。应 在基础研究的支持下，结合现代分析技术手段如 TLC、 HPLC、HPLC／MS、GC、GC／MS、IR、NMR及 X射线分析 等，建立能充分体现中药系统性、特征性和稳定性三个基本 原则和指纹图谱体系，进而从根本上保证中药质量稳定，推 动中药现代化进程。本文仅从 NIR方面阐述在中药检测 中的应用 。 2．4．1 中药鉴定 应用 NIRS分析技术不仅可以提高鉴定准确性，避免 了主观因素对中药质量定性判别的影响，同时也解决了理 化鉴别方法中需要对中药进行烦琐样品处理的问题。可以 用NIR方法对中药进行真伪判别、种类的鉴别、产地分析 等等。根据原始光谱图、一阶导数光谱图和二阶导数光谱 图的峰位、峰数、峰强的差异，进行中药材的近红外光谱峰 位鉴别，从而鉴别该药材的真伪，目前用此方法鉴别了丹 参 。高越等 通过近红外漫反射光谱法对贝母药材进 行了鉴别研究，采用了褶合变换一可视化一指纹图谱相似系 数分析法将 5种贝母之间的微小差异进一步扩大化，为 5 种贝母之间的鉴别提供了新的方法。 2．4．2 中药成分定量分析 周曼 提出了用近红外光谱技术快速测定川产中药 黄柏中指标成分小檗碱含量的方法。对小檗碱含量在 2．155 ～8．245 范围的不同来源的黄柏，根据其在 12， 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4卷 第6期 2008年 6月 亚 太 传 统 医 药 Asia-Pacific Traditional Medicine Vo1．4 No．6 Jun 2008 500~3，600 cm一1的近红外吸收光谱，采用偏最小二乘算 法(PLS)建立了校正模型，比较了光谱不同预处理方法对 校正结果的影响。当采用二阶导数处理方法时能最有效地 提取光谱的信息，此时校正集相关系数(r2)为 0．9221，校正 集标准偏差 (SEC)为 0．337，预测集标准偏差 (SEP)为 0．251。该方法快速简便，适合于中药指标成分的快速分 析。宋丽丽 利用近红外光谱法对六味地黄丸模拟样品 中熊果酸的含量进行测定，db4小波、偏最小二乘以及主成 分分析一BP神经网络法对熊果酸含量预测回收率分别为 100．1 ，100．7 ，100．6 。虞科等 将 NIRS技术应用 于中成药 的定量分析，运用偏最小二乘法建立 NIRS与 HPLC分析值之问的多元校正模型，对未知样品进行含量 预测，结果准确可靠，建立了近红外漫反射光谱快速测定复 方丹参滴丸有效成分的新方法，说明此方法可推广应用于 中药复方制剂有效成分的快速检测。 2．4．3 中药混合过程控制 中成药组方、成分复杂，生产要求混合均匀，否则不仅 影响产品外观，更重要的是对安全用药与疗效的影响。有 些药品疗效不够稳定，除了组方及疾病因素外，与产品在生 产过程中混合不均也有很大的关系。药物混合均匀度是中 药生产过程质量控制的关键环节之一。徐晓杰 等利用 偏最小二乘、主成分分析一BP神经网络、小波变换一BP神经 网络对模拟样品数据进行处理，对六味地黄丸生产粉末混 合过程进行质量控制研究，结果表明偏最小二乘数据处理 可以满足药品生产过程中粉末混合均匀度测定的要求。马 群 等采集安宫牛黄丸原粉不同点的近红外光谱(NIRS)， 并对光谱进行相似度计算，比较相似度和均匀度之间的关 系，发现原料不同点近红外光谱的相似度能够反映其均匀 度 可以用该方法来控制安宫牛黄丸原料的均匀度，并为 利用NIRS技术对中药材原粉的均匀度测量和对中成药原 粉产品的质量控制提供基础依据。 3 问题与展望 目前，NIRS技术在药物分析领域中越来越引起人们 的关注，呈现出有望应用于解决药物质量快速检测难题的 光明前景。由于该项分析技术需要通过建立校正模型才能 实现对未知样品的定性定量分析。特别是鉴于中药是一个 复杂的混合物，其吸收光谱是所含各化合物吸收光谱的叠 加，具有难以解析的复杂性，加之大多数药材的主体成分相 似，图谱又具有一定的相似性，这使得建模方法学成为近红 外光谱技术用于药物分析的关键和研究前沿。还有如何利 用近红外的特殊优势，运用到药物特别是中药的大规模生 产线上，罗国安“ 等对此提出了中药生产智能控制系统集 成 NIR在线检测的理念，实现对药物的内在质量进行实时 监控。并且，近红外光谱技术已得到药品质量管理部门如 美国FDA和加拿大卫生部的重视，近红外光谱技术在药学 方面的应用受到了越来越多的关注。 参考文献： [1] GaoRQ，Fan SE J．Anal[J]．App~r，2002，(3)：9~12． [2] Council of Europe(COE)．European Pharmacopoeia，6th ed[M]．European Directorate for the Quality of Medi— cines．Council of Europe，2006． [3] ／^L Blanco，n Valdes，^／L S Bayod， Fernandez—Mari，L Llorente，Anal[J]．Chin~Acta，2004(502)221~227． [4] N．Sondermann，K 一八 Kovar，Foren．Sci[J]．Int，1999 (102)133～ 147． [5] 任玉林 主成分分析_近红外漫反射光谱法对去痛片的非破 坏性分析[J]．计算机与应用化学，1997(3)191~196． [6] J．Beyerand，K．J．Steffens，Pharm[J]．Ind，2003(65)： 186～ 192． [7] w．Plugge，12,Van Der Vlies，J．Pharm．Biomed[J]．A— nal，1993(11)：435~442． [8] 八 Miwa，T．Y@ma，S．Itai，Int．J[J]．Pharm，2000 (195)：81～89． [9] S．Sonja Sekulic，John Wakeman．J．Pharm．Biomed[J]． 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