概述

共晶體，其多晶型物，溶劑化物和水合物可以使用那些與常規(guī)用于表征單組分晶體的類似的高級分析技術(shù)成功進行表征（圖1）。一般來說，全面的固態(tài)表征需要使用多種分析技術(shù)（表1）。主要包括衍射技術(shù)，例如單晶X射線衍射（SCXRD）和粉末X射線衍射（PXRD），光譜方法，如振動光譜學（FTIR和拉曼）和固態(tài)核磁共振，以及熱方法如偏振光學熱顯微鏡（HSM），熱重分析（TGA）和差示掃描量熱儀（DSC）。在水合物和溶劑化物中，動態(tài)蒸氣吸附（DVS）也是一項重要的分析技術(shù)。

圖1. 多晶型物、溶劑化物、水合物和無定形物的固態(tài)表征技術(shù)

無定形材料在結(jié)晶趨勢、分子遷移率、表面化學、結(jié)晶度和分子間相互作用方面的全面定性和定量分析需要使用一系列分析工具。諸如DSC和等溫微量熱法（IMC）的熱表征工具對于研究無定形固體和ASD很重要。介電譜也正在成為ASD表征的重要技術(shù)。

紅外光譜，拉曼光譜和固態(tài)核磁共振光譜（SSNMR）驗證了ASD不同單個組分之間的分子間相互作用的水平和結(jié)晶中的相轉(zhuǎn)變，并且可能用于量化結(jié)晶度。

偏振光顯微鏡（PLM），掃描電子顯微鏡（SEM），掃描透射電子顯微鏡（STEM），HSM和原子力顯微鏡（AFM）分析了各種形態(tài)參數(shù)及其空間相位分布。PXRD是一項用于量化在制造過程中結(jié)晶度初始存在或轉(zhuǎn)化的百分比的成熟技術(shù)。

X射線光電子散射（XPS）和反氣相色譜（IGC）是非常靈敏的表面分析和各向異性技術(shù)。DVS在計算吸濕性和分子間相互作用水平方面起著重要的作用，而TGA則可用于計算固體形式的水分含量。綜合使用各種分析技術(shù)以用于信息整合是一個增長的趨勢。

一、 X射線衍射技術(shù)

PXRD可用于研究與非晶相和結(jié)晶相相關(guān)的相轉(zhuǎn)變，因為它對結(jié)晶相非常特異和定量。并且，先進的儀器允許相變的原位研究作為所提供的條件（RH，溫度）的函數(shù)來執(zhí)行。許多原料藥可以從非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為不同的多晶型。因此，該API的參考粉末模式使得不同的多晶型物的鑒定成為可能。晶體的首選取向被認為是PXRD實驗中的主要誤差來源，但是這可以通過透射模式分析來最小化。

使用PXRD定量無定形制劑中的結(jié)晶度是眾所周知的技術(shù)。衍射峰的強度和面積會隨著結(jié)晶度的增加而成比例地增加。一個更具挑戰(zhàn)性的方面是量化無定形材料中的納米晶體。謝樂增寬（由于晶粒尺寸減小而使衍射峰變寬）可以降低晶體材料的衍射強度，使得其變得與無定形樣品的衍射強度相當，這可能被錯誤地解釋為無定形相存在。

表1 已經(jīng)用于共結(jié)晶及其多晶型物，溶劑化物和水合物的表征技術(shù)

X射線衍射，包括PXRD和SCXRD技術(shù)，是用于對晶體和共晶溶劑化物以及水合物的鑒定和化學計量測定的一項強大技術(shù)。SCXRD被認為是晶體、共晶體、水合物及溶劑化物結(jié)構(gòu)表征的“黃金標準”。SCXRD技術(shù)決定了晶體晶胞的尺寸和相關(guān)的空間群。這也提供了關(guān)于完整的三維排列，原子位置和晶胞中分子堆積的信息。超分子合成子可以從這種三維排列中闡明。SCXRD技術(shù)是基于晶體結(jié)構(gòu)中致密電子的X射線衍射，這使得它對H原子位置相對不響應。在這種情況下，中子衍射是一個先進的替代方案，它提供了H原子核位置的確切位置，使之成為鑒別和定量水合共晶體的先進且可行的選擇。

PXRD被認為是初始多晶型篩選的可靠方法，盡管它有時不能區(qū)分真正的多晶型物和相關(guān)的假多晶型物。先進的儀器和計算軟件工具目前的水平甚至允許粉末X射線衍射用于結(jié)晶固體的結(jié)構(gòu)表征，沒有單晶的先決條件。PXRD提供了晶體形式的衍射數(shù)據(jù)的指紋，這可以使用Rietveld進行進一步細化。這種結(jié)構(gòu)解決方案提供了一個完整的三維晶體排列，雖然其質(zhì)量不能與從SCXRD獲得的數(shù)據(jù)進行比較。

然而，Rietveld精修的PXRD正在成為分析難以生長SCXRD分析所需的大型單晶的材料的常規(guī)方法。以更高強度和更高分辨率的同步加速器XRD提供更精確晶體結(jié)構(gòu)。同步輻射在能量色散X射線衍射實驗中也起著重要的作用。X射線衍射儀的其他進展，如變溫，高通量光源和探測器的變化，大大減少了數(shù)據(jù)收集時間和方向的錯誤。

二、光譜技術(shù)

振動光譜技術(shù)，如紅外、近紅外、拉曼和太赫茲脈沖光譜已被用于研究和確定分子活動性和分子間相互作用，H鍵定向分子締合以及原料藥和藥物賦形劑的固體形式（無定形，多晶型物，溶劑化物，水合物或共晶體）。

非晶和結(jié)晶材料的性質(zhì)可以通過研究分子間相互作用來解釋。這些分子相互作用可以研究中性以及離子情況。中性情況包括氫鍵和范德華相互作用。對于溶解度差的藥物，這些中性相互作用通常被認為是更相關(guān)的，但是據(jù)顯示，離子相關(guān)的相互作用也增加了整個分子水平的相互作用。

這些中性相互作用可以基于分子間距離來定義。分子間氫鍵表現(xiàn)為部分的振動拉伸帶向較低頻率和峰展寬的轉(zhuǎn)變。Novak闡明了振動峰寬取決于分子間氫鍵的強度和原子接觸之間的距離。例如，OH的半峰寬和頻率取決于O-H…O分離。

結(jié)晶樣品的紅外（IR）光譜提供了特定結(jié)晶材料的指紋圖案。紅外光譜學也被稱為振動光譜學，顯示取決于材料的固態(tài)環(huán)境的鍵合振動模式。因此，通過傅立葉變換紅外光譜（FTIR）分析晶體，共晶體及其多晶型物，水合物和溶劑化物形式，可以揭示其振動能帶的極端變化。

振動光譜學被認為是區(qū)分共晶或多晶型物的最簡單技術(shù)之一。如果某些特定的譜帶（主要是官能團）對特定的固體形式相對敏感，則變得更加重要。衰減全反射（ATR）紅外光譜學是一項可用于研究表面共結(jié)晶的重要技術(shù)，然而ATR-IR在表征多晶型物方面有其自身的局限性，因為它只穿透表面（沒有批量滲透）。

漫反射紅外傅里葉變換光譜法（DRIFTS）也是一種非常有用的技術(shù)，它可以用于確定溶劑與水合物或溶劑化物中晶體或共晶體的相互作用的性質(zhì)和水平，因為它是非侵入性技術(shù)，并且水合物或溶劑化物在分析期間可保持完整。DRIFTS也提供了與多態(tài)性量化相關(guān)的重要信息，但粒徑依賴性降低了其應用。

當有水分子存在時，拉曼光譜具有其自身的局限性，此時FTIR便成為與晶體或共晶體相關(guān)的水合物的有用的光譜技術(shù)。然而，當樣品可用性受到限制時，拉曼光譜則變得更加重要，因為它可在即使只有幾納克樣品可用的情況下提供相同質(zhì)量的分析。

拉曼光譜是一種非?？焖俚倪^程分析技術(shù)（PAT）工具，可以用來識別藥物和藥品中的固體形式。簡單的樣品制備也是拉曼光譜學的另一個優(yōu)勢，其中未加工的樣品放置在不銹鋼或玻璃支架上只需要與激光束相接。拉曼散射與散射材料的濃度直接相關(guān)，這使其成為定量研究的重要技術(shù)。

然而，如果感興趣的材料低于散裝材料的1％，拉曼變得無效，這時FTIR便具有優(yōu)勢，因為FTIR在即使?jié)舛鹊陀?％的情況下也能準確地檢測材料。拉曼光譜可以揭示在DSC分析過程中不可能觀察到的多態(tài)轉(zhuǎn)變。

近來，拉曼和SSNMR光譜在共晶和相關(guān)多晶型物，水合物和溶劑化物的表征中顯示出極大的重要性和潛力。這些光譜技術(shù)通常被認為是基于X射線的衍射技術(shù)的補充技術(shù)。基于X射線衍射的方法提供了更詳細的結(jié)構(gòu)信息，而SSNMR提供了與當?shù)胤肿迎h(huán)境有關(guān)的信息，例如對稱性獨立分子的數(shù)量及其與特定固體形式有關(guān)的特征化學位移值。

SSNMR分析分子和原子在其固體形式下的周圍環(huán)境，可用于研究共晶體多態(tài)性。SSNMR光譜也適用于研究溶劑化物。如果晶體結(jié)構(gòu)不能用X射線衍射技術(shù)來確定的話，二維固態(tài)NMR譜學也是一種可用來區(qū)分構(gòu)象多晶型物的有效技術(shù)。FTIR和拉曼是化學成像的基礎，這使得它們在藥物制劑中更為重要，因為它們可以在制劑中定位和區(qū)分不同的固體形式。過程誘導的變化，如多晶型轉(zhuǎn)變，脫水或去溶劑化，可以很容易地利用化學成像技術(shù)加以分析。

三、熱技術(shù)

當表征單組分和多組分無定形物，以及包括晶體、共晶體、其多晶型物、溶劑化物和水合物的結(jié)晶物時，熱技術(shù)也被認為是提供重要信息的關(guān)鍵。DSC，TGA和HSM被認為是固體形式重要的主要熱表征技術(shù)。

1．差示掃描量熱法（DSC）

差示掃描量熱法是一種以測量升高樣品和參比標準物所需的熱量的差值作為溫度的函數(shù)的熱分析方法。它是由測量的溫度或功率差分別導出或轉(zhuǎn)移到樣品的熱流作為熱通量和功率補償DSC系統(tǒng)的最終響應。諸如熔融，玻璃化轉(zhuǎn)變，脫水或去溶劑化和熱降解等不同的吸熱轉(zhuǎn)變消耗熱量，而諸如結(jié)晶或分解的放熱過程則釋放熱量。

實驗條件可顯著影響DSC測量的結(jié)果，例如樣品大小及其分布，吹掃氣體類型，流速，鍋型，樣品和鍋接觸面積以及加熱或冷卻速率?？焖偌訜峄蚶鋮s速度會增加靈敏度，但同時也會降低分辨率。使用快速掃描DSC，超級DSC或快速DSC，以比所關(guān)注的特定工藝（例如重結(jié)晶）所需的時間尺度快得多的速率進行加熱或冷卻，可用于獲得提供與最初的材料結(jié)構(gòu)或性能相關(guān)的可靠信息的量熱數(shù)據(jù)。在DSC中驟冷可能是有益的，特別是對于非?？焖俳Y(jié)晶的材料的原位非晶化。為了確保良好的熱接觸，避免熱梯度和相關(guān)的滯后，樣品的尺寸應該非常小以便于快速掃描。

關(guān)于無定形材料，應用DSC分析這種材料的等溫或非等溫結(jié)晶已被廣泛描述。在加熱非晶材料時，通常會在高于Tg的溫度（Tc）下檢測到結(jié)晶放熱。放熱也可能在熔體冷卻過程中出現(xiàn)。然而，不同的作者報道了在物理不穩(wěn)定的APIs之前觀察到Tc的時間早于Tg。

2．熱重分析（TGA）

TGA是另一個重要的熱技術(shù)，它基于檢測加熱過程中的失重。加熱速率可以是恒定的，等溫的或以振蕩模式施加。TGA被認為是研究固體形式分解的優(yōu)秀技術(shù)。如果晶體或共晶體中含有揮發(fā)性成分，TGA則變得更有用，因為重量損失的定量確認了化學計量。不幸的是，TGA只提供了揮發(fā)性成分的數(shù)量信息，沒有任何揮發(fā)性物質(zhì)的元素鑒定，而TGA-FTIR的聯(lián)合技術(shù)則可用于定量和鑒定待測物質(zhì)的揮發(fā)性成分。在這種先進的技術(shù)中，TGA與FTIR相連，釋放的氣體和揮發(fā)性組分直接進入FTIR，在FTIR處可以進行光譜測量和溫度測量。TGA-FTIR界面技術(shù)是殘留溶劑和相關(guān)晶體和共晶體溶劑化物的鑒別和定量的重要進展。

3．顯微鏡

一般而言，單組分固體的多晶型物顯示其形態(tài)上的差異，并且相同標準適用于多組分晶體如共晶，多晶型物和相關(guān)溶劑化物及水合物的多晶型物。熱臺顯微鏡被認為是觀察結(jié)晶過程的重要初始篩選技術(shù)。熱臺顯微鏡基于熱成像，其涉及使用偏光鏡片直接光學觀察晶體或共晶固體形式以此作為溫度的函數(shù)。

該技術(shù)對固相中的轉(zhuǎn)變敏感，例如熔化，再結(jié)晶以及脫水和脫溶劑。不同形式的轉(zhuǎn)變由偏振光的熔化和視覺分析來區(qū)分。多晶型轉(zhuǎn)變通常表現(xiàn)出雙折射的變化，這導致了光學性質(zhì)的變化。熱臺顯微鏡也是通過觀察由晶體演變而來的氣泡或液相來分析溶劑化物的重要技術(shù)。熱臺顯微鏡可以用于多晶型物的篩選。熱臺顯微鏡耦合DSC或另一種光譜技術(shù)可以進一步增加這種方法的應用。

4．動態(tài)蒸汽吸附

水分和固態(tài)相互作用的研究是藥物開發(fā)的一個有趣的方面。DVS對于研究吸附蒸汽與不同固體形式之間的關(guān)系非常重要。在等溫/等壓條件下，動態(tài)蒸汽吸附中的吸附-解吸等溫線可以用來量化作為存在的蒸氣量的函數(shù)的吸附或解吸的蒸氣的平衡量。這里的蒸汽可以來自水或任何揮發(fā)性溶劑。

DVS可以用來研究水合物的形成和穩(wěn)定性。例如，Terada等人使用DVS描述了咖啡因-檸檬酸共晶體的穩(wěn)定性?？Х纫?qū)λ直憩F(xiàn)出不穩(wěn)定性并形成了結(jié)晶的非化學計量的水合物。檸檬酸是這種共晶體中的共形成劑，當單獨處理時，如果在75％RH的濕度下儲存，也會吸收水分。結(jié)果表明，與單獨的分子（API和共形成劑）相比，形成I和II的咖啡因-檸檬酸共晶體對于水合物的形成更穩(wěn)健。

水分研究引起無定形藥物的物理變化是至關(guān)重要的。作為RH的函數(shù)或在等溫條件下的吸附-解吸的重量測量可以提供與無定形形式有關(guān)的關(guān)鍵信息。DVS可測量的無定形制劑或API的主要性質(zhì)是API-載體相互作用，結(jié)晶，玻璃化轉(zhuǎn)變，溶劑化物形成以及去溶劑化等。

DVS對于非晶材料的有益用途是定性和定量分析結(jié)晶度。由于無定形API和親水性聚合物（在ASD的情況下）的高度吸濕性，無定形樣品暴露于高水平的濕度會導致極性官能部分吸收水。這種水分引發(fā)了玻璃與橡膠之間的相變，這大大增加了樣品的流動性。因具備足夠的吸濕性，這種較高的分子遷移率克服了動能障礙，并引發(fā)結(jié)晶，然后急劇降低吸水傾向。對于具有已知無定形含量的校準物，在特定RH下的平衡水分吸附程度允許定量。然而，在某些情況下，因各種伴隨的現(xiàn)象，如水分誘導的相分離，限制了DVS的定量應用。

總結(jié)

有關(guān)藥物的晶型研究及固態(tài)表征在制藥業(yè)具有舉足輕重的意義。合理利用各種分析表征技術(shù)，對藥物進行正確的固態(tài)表征從而理解藥物的固態(tài)性質(zhì)是制藥從業(yè)者應具備的素質(zhì)，這將直接影響到原料藥和制劑的研發(fā)與生產(chǎn)工藝，從而影響到藥品的質(zhì)量和銷售價格。