红外光谱在药物分析中的应用

红外光谱在药物分析中的应用与发展

近红外光指可见光谱区到中红外光谱区之间的电磁波，美国材料实验协会（ASTM ）将近红外谱区的范围定义为780 ~ 2526 nm，其光谱信息来源于分子内部振动的倍频吸收与合频吸收。通常把近红外光谱分为两段，即短近红外波段（700 ~ 1100 nm）和长近红外波段（1100 ~ 2500 nm）近红外光是一种电磁波，具有光的属性，从光源发出的红外光照射到由一种或多种分子组成的物质上， 如果分子振动或转动状态变化或者分子振动或转动状态在不同能级间的跃迁，等于近红外光谱区域某波长处光子的能量，则产生近红外光谱吸收。

分子的能量跃迁包括基频跃迁（对应于分子振动状态在相邻振动能级之间的跃迁）、倍频跃迁（对应于分子振动状态在相隔一个或几个振动能级之间的跃迁）和

合频跃迁（对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁）。

近红外光谱信息主要反映的是有机物分子中C-H 、N-H 、O-H 等含氢基团的在中红外吸收基频(4000－1600cm-1) 的倍频和合频吸收，

这些含氢基团吸收频率特征性强，受分子内外环境的影响小，而且在近红外谱区比中红外谱区的样品光谱特性更稳定

近红外波段的光谱特征决定了近红外光谱分析技术与常规分析技术相比，具有显著的优越性

1分析对象广泛：近红外光谱几乎可用于所有与含氢基团有关的样品物化性质分析，不仅能反映绝大多数有机化合物

的组成和结构信息，对某些无近红外光谱吸收的物质（如某些无机离子化合物），也可通过它对共存的本体物质影

响引起的光谱变化，间接地反映它存在的信息。适合近红外光谱测量的物质种类范围和场合非常广泛

2近红外光可以在玻璃或石英介质中穿透，可使用光纤传输：近红外区的波长短，因而不被玻璃或石英介质所吸收。

所用的样品池容器可以用常用的玻璃或石英制成，价格低廉，使用方便。有时可以直接在玻璃容器中进行测定，而

无需打开密封的容器，避免样品的转移手续及不必要的污染

3分析快速简便：在大多数情况下，从分析一个样品到获得结果不到一分钟，成本较低。同时仪器的高度自动化降低了对操作者的技能要求。

4不破坏样品，不用溶剂，无环境污染：近红外光谱分析中只需取得样品的光谱信号，有时甚至可直接在原容器中进行测定，不使用其它溶剂，

样品测定后一般可送回生产地或容器，测试过程中不产生污染。

5分析结果准确可靠：由于无需样品预处理步骤，减少了人为因素带来的实验误差，近红外光谱分析结果的准确性与其它分析技术相比更为可靠。

6可用于测定样品的非化学性质：近红外光谱不仅可以反映样品的化学组成和结构信息，还可以反应样品的物理性质。基于各种物理参数对近红外光谱的影响， 它还可以用于测定固体样品的紧密度、颗粒尺寸，液体样品的密度和稠状样品的粘度等性质 关键字：红外光谱 药物分析

红外技术在药物分析领域中的技术与应用

一，定性分析

定性方法主要有相关系数法、主成分分析法(PCA)、马氏距离法(MD)、 判别分析法等

相关系数法是最广泛使用的相似性判别方法, 它是己知的平均光谱与样品光谱特征

值之间的夹角余弦。理论上, 若两个谱图完全相同, 则相关系数为1; 但由于测量误差和噪音的影响, 相关系数总是接近于1。

使用相关系数进行判别分析的优点是, 它的校正集谱库大小与浓度变化无关。 主成分分析法是通过主成分得分构筑的主成分空间进行样品定性判断。在多维空间中, 某一类物质的主成分得分会聚成一族。

该方法的优点是不需选择波长, 同时减少了因噪音而产生的影响。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，但PCA 对样本与校正集间的确切位置缺乏定量的解释。其缺点是当真药与劣药的含量相当接近时此法容易分错。

马氏距离的核心是通过多波长下的光谱距离定量描述出测量样本离校正集样本的位置, 因而在光谱匹配异常点检测和模型外推方面都很有用的判别分析法。

该法通过对样品光谱与标准光谱距离的定量描述，确定样本离校正集样本的差异，进而对其归属。

虽然此方法在对光谱匹配程度的检测和模型外推方面均很准确，但应用时对波长范围的选择非常重要；

波长点过少，光谱得不到合理的描述；波长点过多，计算量过大。此外，由于药品制剂特别是口服制剂中通常含有较多的辅料成分，

也干扰对活性成分的鉴别为有效的避免各类干扰作用，选择合理的波长范围进行药品的鉴别，可利用主成分分析（PCA ）法对光谱数据进行分析。

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.

二，定量分析

定量分析方法主要有主成分回归法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)、人工神经网络法(ANN)、逐步回归分析(SLR)法等

主成分回归法(PCR)的原理与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。

偏最小二乘法(PLS)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。唐海霞等通过近红外漫反射光谱法, 采用偏最小二乘法,

并选择一阶导数光谱及对其他因子进行了优化, 建立了数学模型, 对实际样品的四个主成分含量进行了测定, 同时以高效液相分析法作参照比较。

结果48个样品经内部交叉验证, 相关系数分别达到了 0.9949、0.9997、0.9991、0.9985。赵文萃等研究了应用偏最小二乘法同近红外漫反射光谱法结合,

对西米替丁片剂药品进行无损非破坏定量分析, 建立了最佳的数学校正模型。讨

论了波长间隔和主成分数对 PLS定量预测能力的影响, 预测了未知样品。 近年来兴起的人工神经网络法研究, 根据样品各组分的光谱数据建立人工神经网络模型, 预测未知样品并讨论影响网络的各参数。

ANN 法的最大优点是其抗干扰、抗噪音及强大的非线性转换能力, 对于某些特殊情况ANN 会得到更小的校正误差和预测误差, 并且它的预示结果要稍优于PLS(t检验无显著差异) 。

杨南林等用近红外光谱测定发酵冬虫夏草中甘露醇的含量, 分别采用 PCR、PLSR 与BP2ANN 方法建立校正模型,BP2ANN 法所得预测误差为0.608%,

相对预测误差为 5.362%,相关系数为 0.9177,均优于PCR 和 PLSR法。此外, 研究结果显示适当采用线性神经元, 可进一步提高BP2ANN 校正模型的预测性能和稳定性。

逐步回归分析(SLR)法是从对因变量有影响的许多变量中, 选择一些变量作为自变量建立“最优”回归方程, 对因变量进行预报和控制。

其基本思想是经过反复搜索, 选择出包含待测成分信息量最大的波长点以及能表征主要背景的波长点, 用这些波长点的吸光度与样品组分含量的线形函数组成的线形方程来预测未知样品。

三，具体应用

3.1 制剂中活性的含量测定

最早使用近红外光谱对片剂药物进行含量测定的是FDA 的Sherken 。他用近红外法测定一系列的甲丙氨酯标准溶液，建立了计算甲丙氨酯片含量的校正方程。

几年后，Zappala 等继续考察了近红外对片剂和缓释胶囊中甲丙氨酯的含量分析，对Sherken 的方法作了改进。Allen 用近红外光谱法定量测定了片剂中的卡立普多、非那西丁和咖啡因。

为降低近红外分析的检测限，Corti 等尝试在分析前用氯仿进行提取，测定了口服避孕药中的炔雌醇和炔诺酮。Chasseur 使用近红外光谱分析了西米替丁颗粒的含量，

并用紫外光谱法作对照，结果基本一致。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，考察了校正样品的浓度范围对结果的影响，并在此基础上分析了雷尼替丁片的含量。为建立用于药物制剂的可靠而稳定的数学模型，Jouan-Rimbaud 等考察了多种校正方法后发现，可以通过特征选择改善多元校正。

Jensen等将近红外光谱用于胺碘酮薄膜包衣片的分析，为消除薄膜包衣可能产生的干扰，在采集近红外光谱前除去了包衣。而Wang 等在第9届近红外光谱国际会议上的一篇报告指出，

除去包衣并不必要。他们用近红外发射光谱透过厚的胶囊壁，成功地测定了雷尼替丁胶囊中活性成分的含量。

3.2 药物制剂的鉴别和分类

Ciurczak等用近红外光谱对含三种活性成分的药物制剂进行了分析，分别考察了光谱的减除、光谱的再现和判别分析等数据处理方法在制剂的组成成分鉴别和制剂样品分类中的应用。

Corti 等将马氏距离用于近红外光谱的分类，对10种抗生素制剂进行定性区分，所有待测样品都得到了很好的分类。Wu 等采用主成分分析和偏最小二乘算法进行光谱的特征选择，

从而实现对不同剂量的同种药物制剂的区分。Lodder 等在1987年提出了基于近红外反射分析检测完整胶囊的方法。为达到快速、简便测定胶囊的目的，他们设计了一种特殊的反射器，无需打开胶囊剂，即可直接放入反射器进行测定。 Lodder 等还将近红外光谱用于对片剂的直接测定，使用改进的载样装置分析阿司匹林片剂，得到了较好的分类结果。

Dempster 等开发了一种非侵入式近红外反射分析法，采用光纤传感器透过包装材料直接测定样品，能够识别成分相同，但包衣材料不同的片剂。

在国内，任玉林等对近红外在药品无损分析中的应用进行了一系列研究。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了非破坏性分析，成功地鉴别出合格药、劣药和假药。

3.3 水分的测定

由于水分子在近红外区有一些特征性很强的合频吸收带，而其它各种分子的倍频与合频吸收相对较弱，这使近红外光谱能够较为方便地测定药物和其它化学物质中水分的含量。

Jones 等利用近红外分析对冻干剂中的含水量进行了测定。用这种方法每小时可测定40个样品，并且结果与Karl Fischer 法一致。作者认为，近红外法避免了空气中水分的干扰，因此与Karl Fischer法相比有其优越性。Corti 等也将近红外光谱法应用于盐酸雷尼替丁片中含水量的分析控制。

3.4 片剂的溶出度测定

Zaunikos等将近红外光谱法用于卡马西平片的溶出度测定。Drennen 等继续进行了这方面的研究，用近红外法对溶出度不同的卡马西平片进行了正确分类。 红外光谱技术的发展

在过去的50多年里，近红外光谱仪经历了如下几个发展阶段：

第一台近红外光谱仪的分光系统（50年代后期）是滤光片分光系统，测量样品必须预先干燥，使其水分含量小于15%，

然后样品经磨碎，使其粒径小于1毫米，并装样品池。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，

而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差！“滤光片”被称为第一代分光技术。

70年代中期至80年代，光栅扫描分光系统开始应用，但存在以下不足：扫描速度慢、波长重现性差，内部移动部件多。

此类仪器最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，不适合作为过程分析仪器使用。“光栅”被称为第二代分光技术。

80年代中后期至90年代中前期，应用“傅立叶变换”分光系统，但是由于干涉计中动镜的存在，仪器的在线可靠性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求，

比如室温、湿度、杂散光、震动等。“傅立叶变换”被称为第三代分光技术。

90年代中期，开始有了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪，这种近红外光谱仪采用固定光栅扫描方式，仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过 1750nm 。

由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系数较低，因而需要的光程往往较长。“二极管阵列”被称为第四代分光技术。

90年代末，来自航天技术的“声光可调滤光器”（缩写为AOTF ）技术的问世，被认为是“90年代近红外光谱仪最突出的进展”，

AOTF 是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，

波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，

加之全固态集成设计产生优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用

结论：

近红外光谱分析技术以其快速方便、适应在线分析和无损分析的特点，使它在不影响药物生产速度的

同时进行全面的质量监控，在药物分析中得到了广泛重视和应用。随着与各种不同用途的分析仪器和计算

机软件的结合使用，近红外光谱技术在药品工业已成为一种强有力的分析手段和质量保证手段。我国在药

物领域的研究起步较晚，研究应用水平相对落后，研究的广度和深度都还不够，积极开展近红外光谱在药

品工业的基础研究和仪器设备的研制，建立一系列完整可靠的近红外药物分析方法和质量控制技术标准来

提高我国制药工业的质量控制和质量保证水平，增强企业的国际竞争力近年来，随着仪器、软件以及样品处理技术的发展，

近红外光谱在药学领域中的应用取得了很大进步。使用近红外光谱技术对药物制剂进行快速的非破坏性分析已成为可能，

制药工业企业也已开始发展近红外方法对药物生产过程的各个环节进行监控。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（Health Protection Branch ）的重视。由此可见，近红外光谱技术受到了越来越多的关注。

随着近红外光谱仪技术的不断提高和化学计量学的发展，近红外光谱技术在药学领域中的应用将越来越广泛。