紅外光譜在藥物分析中的應(yīng)用

1、紅外光譜在藥物分析中的應(yīng)用與發(fā)展近紅外光指可見(jiàn)光譜區(qū)到中紅外光譜區(qū)之間的電磁波，美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié) 會(huì)（ASTM將近紅外譜區(qū)的范圍定義為780 2526 nm ,其光譜信息來(lái)源于分子 內(nèi)部振動(dòng)的倍頻吸收與合頻吸收。通常把近紅外光譜分為兩段，即短近紅外波段（700 1100 nm）和長(zhǎng)近紅外波段（1100 2500 nm）近紅外光是一種電磁波， 具有光的屬性，從光源發(fā)出的紅外光照射到由一種或多種分子組成的物質(zhì)上， 如果分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)變化或者分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)在不同能級(jí)間的躍遷，等于近紅外光譜區(qū)域某波長(zhǎng)處光子的能量，則產(chǎn)生近紅外光譜吸收。分子的能量躍遷包括基頻躍遷（對(duì)應(yīng)于分子振動(dòng)狀態(tài)在相鄰振動(dòng)能級(jí)

2、之間的躍 遷）、倍頻躍遷（對(duì)應(yīng)于分子振動(dòng)狀態(tài)在相隔一個(gè)或幾個(gè)振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷） 和合頻躍遷（對(duì)應(yīng)于分子兩種振動(dòng)狀態(tài)的能級(jí)同時(shí)發(fā)生躍遷）。近紅外光譜信息主要反映的是有機(jī)物分子中 C-H N-H、O-H等含氫基團(tuán)的在中紅 外吸收基頻（4000 - 1600cm-1）的倍頻和合頻吸收，這些含氫基團(tuán)吸收頻率特征性強(qiáng)，受分子內(nèi)外環(huán)境的影響小，而且在近紅外譜區(qū) 比中紅外譜區(qū)的樣品光譜特性更穩(wěn)定近紅外波段的光譜特征決定了近紅外光譜分析技術(shù)與常規(guī)分析技術(shù)相比， 具有顯著的優(yōu)越性1分析對(duì)象廣泛：近紅外光譜幾乎可用于所有與含氫基團(tuán)有關(guān)的樣品物化性質(zhì)分 析，不僅能反映絕大多數(shù)有機(jī)化合物的組成和結(jié)構(gòu)信息，對(duì)某些無(wú)近

3、紅外光譜吸收的物質(zhì)（如某些無(wú)機(jī)離子化合物）， 也可通過(guò)它對(duì)共存的本體物質(zhì)影響引起的光譜變化，間接地反映它存在的信息。適合近紅外光譜測(cè)量的物質(zhì)種類 范圍和場(chǎng)合非常廣泛2近紅外光可以在玻璃或石英介質(zhì)中穿透， 可使用光纖傳輸：近紅外區(qū)的波長(zhǎng)短， 因而不被玻璃或石英介質(zhì)所吸收。所用的樣品池容器可以用常用的玻璃或石英制成，價(jià)格低廉，使用方便。有時(shí)可以直接在玻璃容器中進(jìn)行測(cè)定，而無(wú)需打開(kāi)密封的容器，避免樣品的轉(zhuǎn)移手續(xù)及不必要的污染3分析快速簡(jiǎn)便：在大多數(shù)情況下，從分析一個(gè)樣品到獲得結(jié)果不到一分鐘，成 本較低。同時(shí)儀器的高度自動(dòng)化降低了對(duì)操作者的技能要求。4不破壞樣品，不用溶劑，無(wú)環(huán)境污染：近紅外光譜分析中

4、只需取得樣品的光譜 信號(hào)，有時(shí)甚至可直接在原容器中進(jìn)行測(cè)定，不使用其它溶劑， 樣品測(cè)定后一般可送回生產(chǎn)地或容器，測(cè)試過(guò)程中不產(chǎn)生污染。5分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠：由于無(wú)需樣品預(yù)處理步驟，減少了人為因素帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤 差，近紅外光譜分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與其它分析技術(shù)相比更為可靠。6可用于測(cè)定樣品的非化學(xué)性質(zhì)：近紅外光譜不僅可以反映樣品的化學(xué)組成和結(jié) 構(gòu)信息，還可以反應(yīng)樣品的物理性質(zhì)?；诟鞣N物理參數(shù)對(duì)近紅外光譜的影響， 它還可以用于測(cè)定固體樣品的緊密度、 顆粒尺寸，液體樣品的密度和稠狀樣品的 粘度等性質(zhì)關(guān)鍵字：紅外光譜藥物分析紅外技術(shù)在藥物分析領(lǐng)域中的技術(shù)與應(yīng)用一，定性分析定性方法主要有相關(guān)系數(shù)法、主成分分析

5、法(PCA)、馬氏距離法(MD)、判別分析相關(guān)系數(shù)法是最廣泛使用的相似性判別方法 , 它是己知的平均光譜與樣品光 譜特征 值之間的夾角余弦。理論上 ,若兩個(gè)譜圖完全相同 ,則相關(guān)系數(shù)為 1; 但由于測(cè)量 誤差和噪音的影響 , 相關(guān)系數(shù)總是接近于 1。 使用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行判別分析的優(yōu)點(diǎn)是 , 它的校正集譜庫(kù)大小與濃度變化無(wú)關(guān)。主成分分析法是通過(guò)主成分得分構(gòu)筑的主成分空間進(jìn)行樣品定性判斷。 在多 維空間中 , 某一類物質(zhì)的主成分得分會(huì)聚成一族。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需選擇波長(zhǎng)，同時(shí)減少了因噪音而產(chǎn)生的影響。利用 PCA方法 將多波長(zhǎng)下的光譜數(shù)據(jù)壓縮到有限的幾個(gè)因子空間內(nèi)，再通過(guò)樣品在各因子空間的得分確定其

6、歸屬類別，但PCA對(duì)樣本與校正集間的確 切位置缺乏定量的解釋。其缺點(diǎn)是當(dāng)真藥與劣藥的含量相當(dāng)接近時(shí)此法容易分 錯(cuò)。馬氏距離的核心是通過(guò)多波長(zhǎng)下的光譜距離定量描述出測(cè)量樣本離校正集 樣本的位置 , 因而在光譜匹配異常點(diǎn)檢測(cè)和模型外推方面都很有用的判別分析 法。 該法通過(guò)對(duì)樣品光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜距離的定量描述，確定樣本離校正集樣本的差 異，進(jìn)而對(duì)其歸屬。雖然此方法在對(duì)光譜匹配程度的檢測(cè)和模型外推方面均很準(zhǔn)確， 但應(yīng)用時(shí)對(duì)波長(zhǎng) 范圍的選擇非常重要； 波長(zhǎng)點(diǎn)過(guò)少，光譜得不到合理的描述；波長(zhǎng)點(diǎn)過(guò)多，計(jì)算量過(guò)大。此外，由于藥 品制劑特別是口服制劑中通常含有較多的輔料成分， 也干擾對(duì)活性成分的鑒別為有效的避免各

7、類干擾作用， 選擇合理的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行 藥品的鑒別，可利用主成分分析(PCA法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。判別分析是經(jīng)典的定性識(shí)別方法，其基本思路是相同樣品在不同波長(zhǎng)下 具有相近的光譜吸收， 這種光譜間的比較可以是原始光譜， 也可以是經(jīng)過(guò)處理的 光譜. 二，定量分析 定量分析方法主要有主成分回歸法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 (ANN)、逐步回歸分析(SLR)法等主成分回歸法(PCR)的原理與PCA相同,PCR在解釋光譜數(shù)據(jù)時(shí)起著重要作 用, 從主成分權(quán)重圖中能夠確定主成分與 哪個(gè)組份有關(guān) , 但確切而全面地解釋每個(gè)主成分代表什么迄今仍是最難解決的問(wèn) 題。偏最小二乘法(PLS)是一

8、種全光譜分析方法，充分利用多個(gè)波長(zhǎng)下的有用信 息, 無(wú)需刻意的選擇波長(zhǎng) , 并能濾去原 始數(shù)據(jù)噪音，提高信噪比，解決交互影響的非線性問(wèn)題，很合適在NIR中使用。唐 海霞等通過(guò)近紅外漫反射光譜法 , 采用偏最小二乘法 , 并選擇一階導(dǎo)數(shù)光譜及對(duì)其他因子進(jìn)行了優(yōu)化 ,建立了數(shù)學(xué)模型 , 對(duì)實(shí)際樣品的 四個(gè)主成分含量進(jìn)行了測(cè)定 , 同時(shí)以高效液相分析法作參照比較。結(jié)果 48個(gè)樣品經(jīng)內(nèi)部交叉驗(yàn)證 , 相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了 0.9949 、 0.9997 、 0.9991 、 0.9985。趙文萃等研究了應(yīng)用偏最小二乘法同近紅外漫反射光譜法結(jié)合 , 對(duì)西米替丁片劑藥品進(jìn)行無(wú)損非破壞定量分析 ,建立了最佳的

9、數(shù)學(xué)校正模型。討 論了波長(zhǎng)間隔和主成分?jǐn)?shù)對(duì) PLS定量預(yù)測(cè)能力的影響，預(yù)測(cè)了未知樣品。近年來(lái)興起的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法研究，根據(jù)樣品各組分的光譜數(shù)據(jù)建立人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)未知樣品并討論影響網(wǎng)絡(luò)的各參數(shù)。ANN法的最大優(yōu)點(diǎn)是其抗干擾、抗噪音及強(qiáng)大的非線性轉(zhuǎn)換能力，對(duì)于某些特殊 情況ANN會(huì)得到更小的校正誤差和預(yù)測(cè)誤差,并且它的預(yù)示結(jié)果要稍優(yōu)于PLS(t 檢驗(yàn)無(wú)顯著差異)。楊南林等用近紅外光譜測(cè)定發(fā)酵冬蟲(chóng)夏草中甘露醇的含量,分別采用PCR、PLSR 與BP2ANN方法建立校正模型，BP2ANN法所得預(yù)測(cè)誤差為0.608%,相對(duì)預(yù)測(cè)誤差為5.362%,相關(guān)系數(shù)為0.9177,均優(yōu)于PCR和PLSR法

10、。此外，研 究結(jié)果顯示適當(dāng)采用線性神經(jīng)元，可進(jìn)一步提高BP2ANF校正模型的預(yù)測(cè)性能和 穩(wěn)定性。逐步回歸分析(SLR)法是從對(duì)因變量有影響的許多變量中，選擇一些變量作 為自變量建立“最優(yōu)”回歸方程，對(duì)因變量進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制。其基本思想是經(jīng)過(guò)反復(fù)搜索，選擇出包含待測(cè)成分信息量最大的波長(zhǎng)點(diǎn)以及能表 征主要背景的波長(zhǎng)點(diǎn)，用這些波長(zhǎng)點(diǎn)的吸光度與樣品組分含量的線形函數(shù)組成的 線形方程來(lái)預(yù)測(cè)未知樣品。三，具體應(yīng)用制劑中活性的含量測(cè)定最早使用近紅外光譜對(duì)片劑藥物進(jìn)行含量測(cè)定的是FDA的Sherken。他用近紅外法測(cè)定一系列的甲丙氨酯標(biāo)準(zhǔn)溶液，建立了計(jì)算甲丙氨酯片含量的校正方 程。幾年后，Zappala等繼續(xù)考

11、察了近紅外對(duì)片劑和緩釋膠囊中甲丙氨酯的含量分 析，對(duì)Sherken的方法作了改進(jìn)。Allen用近紅外光譜法定量測(cè)定了片劑中的卡 立普多、非那西丁和咖啡因。為降低近紅外分析的檢測(cè)限，Corti等嘗試在分析前用氯仿進(jìn)行提取，測(cè)定了口 服避孕藥中的炔雌醇和炔諾酮。Chasseur使用近紅外光譜分析了西米替丁顆粒 的含量，并用紫外光譜法作對(duì)照，結(jié)果基本一致。Corti等在用近紅外光譜分析膠質(zhì)和粉 末基質(zhì)中酮替芬含量時(shí)，考察了校正樣品的濃度范圍對(duì)結(jié)果的影響，并在此基礎(chǔ)上分析了雷尼替丁片的含量。為建立用于藥物制劑的可靠而穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型， Joua n-Rimbaud等考察了多種校正方法后發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)特征

12、選擇改善多元校 正。Jen se n 等將近紅外光譜用于胺碘酮薄膜包衣片的分析，為消除薄膜包衣可 能產(chǎn)生的干擾，在采集近紅外光譜前除去了包衣。而Wang等在第9屆近紅外光譜國(guó)際會(huì)議上的一篇報(bào)告指出， 除去包衣并不必要。他們用近紅外發(fā)射光譜透過(guò)厚的膠囊壁，成功地測(cè)定了雷尼 替丁膠囊中活性成分的含量。藥物制劑的鑒別和分類Ciurczak等用近紅外光譜對(duì)含三種活性成分的藥物制劑進(jìn)行了分析，分別考察了光譜的減除、光譜的再現(xiàn)和判別分析等數(shù)據(jù)處理方法在制劑的組成成分鑒 別和制劑樣品分類中的應(yīng)用。Corti等將馬氏距離用于近紅外光譜的分類，對(duì)10種抗生素制劑進(jìn)行定性區(qū)分，所有待測(cè)樣品都得到了很好的分類。Wi

13、等采用主成分分析和偏最小二乘算法進(jìn)行光譜的特征選擇，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同劑量的同種藥物制劑的區(qū)分。 Lodder等在1987年提出了基于近 紅外反射分析檢測(cè)完整膠囊的方法。 為達(dá)到快速、簡(jiǎn)便測(cè)定膠囊的目的，他們?cè)O(shè) 計(jì)了一種特殊的反射器，無(wú)需打開(kāi)膠囊劑，即可直接放入反射器進(jìn)行測(cè)定。Lodder等還將近紅外光譜用于對(duì)片劑的直接測(cè)定，使用改進(jìn)的載樣裝置分析阿 司匹林片劑，得到了較好的分類結(jié)果。Dempster等開(kāi)發(fā)了一種非侵入式近紅外反射分析法，采用光纖傳感器透過(guò)包裝 材料直接測(cè)定樣品，能夠識(shí)別成分相同，但包衣材料不同的片劑。在國(guó)內(nèi)，任玉林等對(duì)近紅外在藥品無(wú)損分析中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究。他們應(yīng)用幾種多變

14、量統(tǒng)計(jì)分類技術(shù)，對(duì)磺胺噻唑、美迪康等粉末藥品進(jìn)行了非破壞性分析，成功地鑒別出合格藥、劣藥和假藥。水分的測(cè)定由于水分子在近紅外區(qū)有一些特征性很強(qiáng)的合頻吸收帶，而其它各種分子的 倍頻與合頻吸收相對(duì)較弱，這使近紅外光譜能夠較為方便地測(cè)定藥物和其它化學(xué) 物質(zhì)中水分的含量。Jones等利用近紅外分析對(duì)凍干劑中的含水量進(jìn)行了測(cè)定。 用這種方法每小時(shí)可 測(cè)定40個(gè)樣品，并且結(jié)果與Karl Fischer法一致。作者認(rèn)為，近紅外法避免了 空氣中水分的干擾，因此與Karl Fischer 法相比有其優(yōu)越性。Corti等也將近 紅外光譜法應(yīng)用于鹽酸雷尼替丁片中含水量的分析控制。片劑的溶出度測(cè)定Zaunikos 等

15、將近紅外光譜法用于卡馬西平片的溶出度測(cè)定。Drennen等繼續(xù) 進(jìn)行了這方面的研究，用近紅外法對(duì)溶出度不同的卡馬西平片進(jìn)行了正確分類。紅外光譜技術(shù)的發(fā)展在過(guò)去的50多年里，近紅外光譜儀經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：第一臺(tái)近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)（50年代后期）是濾光片分光系統(tǒng)，測(cè)量樣品 必須預(yù)先干燥，使其水分含量小于15%然后樣品經(jīng)磨碎，使其粒徑小于1毫米，并裝樣品池。此類儀器只能在單一或少 數(shù)幾個(gè)波長(zhǎng)下測(cè)定（非連續(xù)波長(zhǎng)），靈活性差，而且波長(zhǎng)穩(wěn)定性、重現(xiàn)性差，如樣品的基體發(fā)生變化，往往會(huì)引起較大的測(cè)量誤 差！“濾光片”被稱為第一代分光技術(shù)。70年代中期至80年代，光柵掃描分光系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用，但存在以下不

16、足：掃描速 度慢、波長(zhǎng)重現(xiàn)性差，內(nèi)部移動(dòng)部件多。此類儀器最大的弱點(diǎn)是光柵或反光鏡的機(jī)械軸長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用容易磨損，影響波長(zhǎng)的精度和重現(xiàn)性，不適合作為過(guò)程分析儀器使用。“光柵”被稱為第二代分光 技術(shù)。80年代中后期至90年代中前期，應(yīng)用“傅立葉變換”分光系統(tǒng)，但是由于干涉 計(jì)中動(dòng)鏡的存在，儀器的在線可靠性受到限制，特別是對(duì)儀器的使用和放置環(huán)境 有嚴(yán)格要求，比如室溫、濕度、雜散光、震動(dòng)等?！案盗⑷~變換”被稱為第三代分光技術(shù)。90年代中期，開(kāi)始有了應(yīng)用二極管陣列技術(shù)的近紅外光譜儀，這種近紅外光譜 儀采用固定光柵掃描方式，儀器的波長(zhǎng)范圍和分辨率有限，波長(zhǎng)通常不超過(guò)1750nm由于該波段檢測(cè)到的主要是樣品

17、的三級(jí)和四級(jí)倍頻，樣品的摩爾吸收系數(shù)較低， 因而需要的光程往往較長(zhǎng)?！岸O管陣列”被稱為第四代分光技術(shù)。90年代末，來(lái)自航天技術(shù)的“聲光可調(diào)濾光器”（縮寫為 AOTF技術(shù)的問(wèn)世， 被認(rèn)為是“ 90年代近紅外光譜儀最突出的進(jìn)展”，AOTF是利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件，與通常的單色器 相比，采用聲光調(diào)制即通過(guò)超聲射頻的變化實(shí)現(xiàn)光譜掃描，光學(xué)系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)性部件，波長(zhǎng)切換快、重現(xiàn)性好，程序化的波長(zhǎng)控制使得這種儀器的應(yīng)用具有更大的靈活 性，尤其是外部防塵和內(nèi)置的溫、濕度集成控制裝置，大大提高了儀器的環(huán)境適 應(yīng)性，加之全固態(tài)集成設(shè)計(jì)產(chǎn)生優(yōu)異的避震性能，使其近年來(lái)在工業(yè)在線和現(xiàn)場(chǎng)（室外） 分析中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用結(jié)論：近紅外光譜分析技術(shù)以其快速方便、適應(yīng)在線分析和無(wú)損分析的特點(diǎn)，使它在不 影響藥物生產(chǎn)速度的同時(shí)進(jìn)行全面的質(zhì)量監(jiān)控，在藥物分析中得到了廣泛重視和應(yīng)用。 隨著與各種不 同用途的分析儀器和計(jì)算機(jī)軟件的結(jié)合使用，近紅外光譜技術(shù)在藥品工業(yè)已成為一種強(qiáng)有力的分析手段和 質(zhì)量保證手段。我國(guó)在藥物領(lǐng)域的研究起步較晚，研究應(yīng)用水平相對(duì)落后，研究的廣度和深度都還不夠， 積極開(kāi)展近紅外光譜在藥品工業(yè)的基礎(chǔ)研究和儀器設(shè)備的研制，建立一系列完整可靠的近紅外藥物分析方 法和質(zhì)量控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)