药品红外光谱仪鉴别中常见问题及分析
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药品红外光谱仪鉴别中常见问题及分析

 
        由于红外光谱仪的高度专属性,在药品检验中,红 外光谱法常与其他理化方法联合使用,作为药品重 要的鉴别方法之一,《药品红外光谱集》是红外光谱 分析药品的重要依据。自红外光谱法于《中国药 典》1977年版用于药品的鉴别以来,为适应药品检 验的需要,在有关省、市药品检验所的参与下,药典 委员会编制出版了《药品红外光谱集》1985年版、 1990年版。1995年开始分卷出版《药品红外光谱 集》,1995年出版了第_卷,收载光栅型红外分光光 度计绘制的药品红外光谱图685幅;2000年版为第 二卷,收载傅立叶红外光谱仪绘制的药品红外光谱 图208幅;2005年版为第三卷,收载药品红外光谱 图210幅;2010年版为第四卷,收载药品红外光谱 图124幅。凡在《中国药典》和国家药品标准中收 载的红外鉴别或检查的品种,除特殊情况外《药品 红外光谱集》中均有相应收载,以供检验中分析比 对。目前,药典委员会正组织开展第五卷《药品红 外光谱集》的编制工作,除药品外,还增收包括药用 辅料及药包材的红外光谱。在参与这项工作中,笔 者有一些体会和心得,愿与同行交流。
1晶型与红外光谱
药物的多晶型现象相当普遍,同一多晶型药物 的不同晶型,由于表观溶解度和溶出速率不同,会影 响其生物利用度,进而导致临床疗效的差异。和拉 曼光谱一样,红外光谱反映的是分子振动4转动跃迁 的能级变化信肩。《美国药典》附录<851 >中指
出,除光学异构体外,每种化合物都有其独特的红外 光谱,但是,某些化合物在固态时会表现出多晶形, 多晶形会导致红外光谱的差异^。红外光谱不仅 能分辨不定形态和结晶形态,还能鉴定不同的晶型, 虽然不能解决晶型药物的所有晶型鉴别问题,但却 是研究多晶型药物的有效手段之一。余振喜等曾就 多晶型药物的红外光谱图录制提出建议0 ,对于红 外光谱研究和检测多晶型药物具有积极的指导意 义。但是,在将红外光谱用于多晶型药物鉴别时,还 应注意以下问题。
1.1大多数晶型药物并不能给出可分辨的红外光谱
一般情况下,多数药物分子的晶型差异不足以造 成某些官能团的化学键键长、键角不同,晶型与分子 振动4转动跃迁能级的变化无关,这些化合物的红外 光谱的某些主要特征如吸收带频率、峰形、峰位、峰强 度等就不会有差异。此外,有些药物分子即使由于晶 型的不同而导致化学键键长、键角变化,振动4专动跃 迁能级的变化使某些主要特征如吸收带频率、峰形、 峰位、峰强度等出现一些差异,但在大多数情况下,这 种红外光谱的差异非常之小以致不易被分辨出,或者 说,红外光谱不会因此而呈现出表观上的显著差异。 据文献统计,目前由多晶型药物引起红外光谱的差异 占全部晶型药物的数量还很有限H
实际上,引起红外光谱差异的因素很多。例如, 颗粒尺寸效应能导致红外吸收峰的位移,特别当颗 粒减小到某一值时,使费米能级附近的能级间隙变 宽,从而引起红外吸收峰蓝移;另一方面,随着粒径 的减小,表面原子所占的比例增大,使表面原子之间 的距离较大,相应表面原子的力常数减小,导致振动 频率的降低,这种弛豫效应可能导致红外光谱的红 移。由此可见,分子的红外光谱是发生红移还是蓝 移,是多种因素综合作用的结果[4
混合物或严重不纯样品的红外光谱图比较复 杂,吸收带不同程度地重叠,以致很难识别,甚至会 得出错误的结论。因此,当红外光谱不一致时,首先 应考虑样品的纯度是否符合要求,不纯的样品往往 给出异常的光谱,杂质检出量一般约为5% ,有时可 低至1%或多于30%。此外,样品研磨也会对颗粒 尺寸和晶型产生影响,进而对红外光谱产生影响。 影响红外光谱产生差异的因素还有很多,如压片用 的KBr基质不纯,压制的薄片质量不高,薄片厚度 不均匀,固体粉末粒子直径较大造成粒子散射等,也 应在实际操作中予以关注。
因此,在排除各种可能的影响因素,且有一些佐 证的前提下,才能认定晶型药物的红外光谱的差异 是由晶型的不同所致。判断结论的证据必须充分、 可信,有理有据。不应将红外光谱出现的任何差异 都归因于药物多晶型所致。
1. 2晶型药物的红外光谱鉴别
如果多晶型药物呈现差异性的红外光谱,将红 外光谱作为晶型鉴别方法时,应充分认识实际操作 的复杂性和可行性。如果有必要对某一药物的晶型 进行控制,应在《药品红外光谱集》中注明其晶型, 并与该品种项下规定的晶型一致;如果某一药物的 所有晶型都是药品标准允许使用的,为获得重复、一 致、标准的红外光谱图,可选择其中一种晶型采集红 外光谱图,这种晶型一般应是主流晶型,或是稳定晶 型,以这种晶型制得的标准红外光谱能在检验和质 量控制中受到广泛认同,不同工艺生产的药物多晶 型,或经简单的转晶,或直接绘制,得到的红外光谱 即可和标准红外光谱一致,在红外光谱图的备注中 应注明采集该光谱图时样品的结晶溶剂和处理方 法;同时建议尽可能多地收载该药物全部或部分常 见不同晶型的红外光谱,以便于比较和鉴别。
需要注意的是,对于晶型不稳定的药物,在提 取、研磨或压片的过程中可能会产生不同晶型,应可 区别不同晶型的差异,应明确并选择某一药物晶型 采集红外光谱。如果不能明确何为稳定晶型,或主 流晶型,则不易获得重复、一致的红外光谱标准图 谱。一个有效的变通方法是,为避免晶型的不同产 生的红外光谱差异,可采取样品与对照品同法制备、 转晶的方法,同法绘制红外光谱方法进行比对。样 品制备,或转晶的方法应简单、方便、快速、实用,且 被广大工作者所掌握,有利于应用推广0
如果采用上述方法,仍不能确定晶型是否存在 干扰,在进行红外光谱鉴别时,应慎重考虑晶型可能 带来的影响,必要时,可改用其他专属性理化方法作 为药物鉴别方法。
2含水样品的红外光谱
水分子在红外光谱中有强吸收,水分的存在不 仅会干扰红外光谱中分子的某些谱带吸收,甚至会 使红外光谱失真,也会腐蚀采集红外光谱的基质盐 窗。水分常以各种形态存在于样品中,有的是吸附 水,有的是结晶水,也有以两种形态共存的。在采集 红外光谱前,常需要去除水分干扰,首先必须排除基 质的水分,如用压片法,常用的KBr必须烘干去水, 如用其他基质,可视情况采用有效的方法去除水分 的干扰。去除样品水分的方法有多种,最常用的方 法是烘干法,大多数药物在105°C干燥一定时间后 可除去水分,获得满意的红外光谱。但是,经一定温 度干燥后,有些药物不能除去水分,有些药物没有失 水已经发生分解,有些药物在失水的同时会发生分 解,这些均干扰红外光谱的采集和解析。在这种情 况下,应根据药物自身的理化性质,采用合适的干燥 方法,如减压干燥、低温干燥等。如果有些样品难以 去除水分,或去除水分的方法既不经济又不简便,但 在解析光谱时可以分辨出水分,且水分峰不影响结 果的判断,则不必一定要去除水分,如丙二醇、二甘 醇等辅料红外光谱在1645cm-1处常出现水的红外 特征吸收峰,由于不干扰其他红外谱带的分析,则不 必采用非常繁杂的去水操作,可在红外光谱图的备 注中予以注明。
红外光谱采集应在有效控制的环境中,特别是 严格控制湿度的条件下进行,包括样品的制样、压 片、制模等有时需要在红外灯照射下进行,但是,有 些样品经照射后,会发生降解反应,产生的杂质干扰 红外光谱。此时,应尽量改用其他方法控制局部环 境的湿度。
3聚合物的红外光谱
红外光谱能对聚合物的化学性质、立体结构、构 象、序态、取向等提供定性和定量信息,在鉴定聚合 物的主链结构、取代基位置、双键位置、侧链结构、支 化程度以及聚合反应机理和老化、降解机理等方面 都有广泛的应用H
一个聚合物往往是由许多相同的、简单的结构 单元通过共价键重复连接而成。重复结构单元有时 等于单体单元,有时是两种或两种以上结构单元构 成一个重复结构单元。重复单元数也称为链节数, 等于聚合度,聚合度是衡量高分子大小的一个指标。
红外光谱可以非常容易地区分不同结构单元的 聚合物,但是,不能区别聚合物的聚合度大小。由同 一结构单元组成的聚合物,不论聚合度多大,分子量 多少,常给出非常相似的红外光谱,甚至具有和单体 单元相同的红外光谱。例如,多糖与淀粉、环糊精的 红外光谱基本上相似,甚至和单糖如葡萄糖具有相 似的红外光谱,相互间不能很容易区分。又如聚山 梨酯、聚已二醇等辅料,不论聚合度是20,还是40 或80,同一系列聚合物基本上有几乎一致的红外光 谱图。这是因为红外光谱是分子振动4专动光谱,反 映的是官能团吸收红外光后分子价键振动4转动的 信息。
但是,即使是一种“纯粹”的高分子,也是由化 学组成相同、相对分子质量不等、结构不同的同系聚 合物的混合物所组成。这种高分子的相对分子质量 不均_(即相对分子质量大小不_、参差不齐),被 称为是相对分子质量的多分散性,因此,一般测得的 高分子的相对分子质量都是平均相对分子质量,聚 合物的平均相对分子质量相同,但分散性不一定相 同。这种聚合物的分子微细结构差异可能使红外光 谱也表现出一些细微的差异。另外,聚合物的支化、 降解和共存的杂质,也会产生差异性的红外光谱。上 述这些差异往往给聚合物的鉴别带来一定的难度。
红外光谱可以鉴别不同分子构成的异类聚合 物,但不能区别聚合度不同的同类聚合物。因此,在 建立聚合物的红外光谱时,应明确采用红外光谱的 目的和用途,以及可行性。
测定聚合物的红外光谱时,可采用压片法,也可 将聚合物溶解在低沸点的溶剂中,溶解后在KBr晶 片上成膜;不能在低沸点溶剂中溶解的样品,还可以 用溶液-窗片的方法得到较理想的红外光谱。但 是,不论用什么方法,要注意控制样品用量以保证红 外光谱不致失真。有些聚合物又硬又脆,不能采用 研磨压片法,又选择不到合适溶剂溶解,可将聚合物 直接进行红外测定。
4无机化合物的红外光谱
除少数分子如聚硅酸等外,大多数无机化合物 都是小分子,由于构成无机分子的官能团不多,给出 的红外振动模式也有限,也就没有较多的特征性或 指纹性的红外谱带,常见的标准红外光谱图(如萨 特勒红外光谱集)收载的绝大多数是有机化合物, 红外光谱图中的每一个吸收谱带都对应于某化合物 的质点或基团振动的形式,而无机化合物在中红外 区的红外光谱主要是归属于阴离子(团)的振动,它 的吸收谱带位置通常与阳离子关系较小,通常当阳 离子的原子序数增大时,阴离子团的吸收位置将向 低波数方向作微小的位移。因此,在鉴别无机化合 物的红外光谱图时,主要着重于阴离子团的振动频 率。例如,除有一些谱带的位移外,碳酸铝和碳酸钙 的光谱应是一样的。
另一方面,在数量上,无机药物和有机药物相比 要少得很多。所以《药品红外光谱集》也没有收载 很多无机药物。近年来,红外光谱在无机药物中的 应用受到重视,如蒙脱石采用红外光谱作为鉴别方 法是一个很成功的例子&]
采集固体无机物的红外光谱时,可以用透射法 或扩散反射法测定,前者又可有石蜡糊法、KBr压片 法等制样方式。但无论何种方法都需要对固体样品 粉碎并研磨充分,细颗粒可使红外吸收增大,获得尖 锐的光谱图。一般认为无机物没有特征峰或指纹 峰,但是,必须注意到,在低波数区,无机物的振动吸 收频率与有机物是不一样的,能提供非常有用的信 息,尽管很多无机物的分子光谱还没有得到揭示。
5易挥发具腐蚀性样品的红外光谱
从理论上讲,任何气态、液态、固态样品均可进 行红外光谱测定,这是核磁、质谱、紫外等方法所不 及的。固体样品可加KBr晶体共同研碎或加石蜡 油调糊进行测定,对不透光的样品可作反射光谱测 定,液体样品可直接在结晶盐片上涂膜或用适当溶 剂配制成溶液装入液体池测定,气体或蒸汽则用气 体吸收池直接测定。但是,在采集易挥发,具有腐蚀 性的样品时,必须注意到可能存在的对光学平台的 侵蚀作用,硫酸、盐酸等腐蚀性液体(伴随腐蚀性气 体)不宜采用红外光谱测定,因为通常难以选择到 适当样品池以避免腐蚀性,解决的方法可用其他光 谱法以获得分子的信息。
气体或挥发性液体样品可在气体吸收池中完成 测定,有些液体化合物虽具挥发性但其挥发性又不 足以产生稳定的气体或蒸汽,作为液体测定时,得到 的红外光谱重现性差,在常温下又不宜采用气体法 测定,且极易受到水分的干扰而不易排除,如乙醇 等,采集其红外光谱时应考虑这一影响因素,必要 时,也可用其他光谱法作为研究分子信息的方法。
6对光或热不稳定样品的红外光谱
为获到一张高质量的红外光谱图,除了仪器性 能外,很大程度上取决于选择合适的样品制备方法 以及熟练的操作技术。特别是遇到对光、热不稳定 样品时,需要操作者精心操作,将样品受光或热的影 响减至最小,以获得高质量和重现性好的红外光谱。 对光不稳定的样品,应注意遮光操作,如为控制局部 环境湿度必须在红外灯下操作,也应避免样品受光 照射产生的降解。对热不稳定的样品,尽量避免加 热干燥。对无法避免光或热降解产生红外光谱失真 的情况,应予以一定重视,并以证明其不稳定性的来 源。否则,不建议建立红外光谱图。
7复杂样品的红外光谱
有机酸和有机碱反应成盐的药物并不少见,如 马来酸氯苯那敏、马来酸依那普利、甲磺酸培氟沙 星、甲磺酸酣妥拉明、地塞米松磷酸钠、阿莫西林克 拉维酸钾、枸椽酸芬太尼等,由于这些有机酸盐组成 的不确定性和易解离性,使其红外光谱变得较单一 化合物复杂,有时呈现的可能是单一化合物的光谱, 有时可能表现为有机酸和有机碱成比例的混合物的 光谱迭加。在采集光谱时,由于转晶、纯化等操作, 又可能导致化学结构的变化,使红外光谱发生变化, 这些变化可能给红外光谱解析带来困难。因此在解 析红外光谱时,应予以注意这种因素的变化。
对于结构不稳定,易解离的有机酸盐,应慎重选 择何种状态、何种价态来采集光谱,也不必强求一定 采用红外光谱法作为化合物鉴别方法。
此外,药物中有一些本身就是混合物,如庆大霉 素、乙酰螺旋霉素等,采集这些药物的红外光谱时, 应注意不同组成的混合物之间的红外光谱的差异。
8制剂样品的红外光谱
《中国药典》2015年版编制大纲提出继续增加 专属性较强的方法用于药品的鉴别,扩大红外光谱 在制剂鉴别中的应用。诚然,红外光谱已成为鉴别 原料药的不可或缺、不可取代的最强有力的方法之 -,在药品标准中的应用品种数在不断扩大中。但 在制剂鉴别中的应用还不广泛,能举出的应用实例 也有限,据统计,仅有32个制剂品种08。红外光谱 在制剂中的应用受到以下几方面因素的影响。一是 因为多组分试样需预先进行组分的分离,否则,各组 分光谱互相重叠,无法准确解析光谱图。因此,用红 外鉴别某一主药成分(API),必须先将制剂中的API 和辅料或其他成分分离,常用的方法是溶剂提取后 滤过,API经重结晶,去除杂质干扰。这一操作常常 较为繁琐、费时,对操作技能有一定要求,且大量使 用溶剂会污染环境。二是更多的光谱、色谱方法能 很好地完成制剂中主药成分的分析工作,特别是液 相色谱方法,不仅可以定性,而且可以定量,甚至可 以区分异构体。
由于红外光谱法的专属性和指纹性,在鉴别化合 物方面的独特优点,继续开展红外光谱在制剂鉴别的 应用研究,扩大品种收载数量,仍然有一定实用意义。 如果制剂本身仅由一种成分组成,或制剂中的辅料几 乎没有干扰,或干扰成分较容易去除,经提取、分离、 纯化等步骤容易获得纯品,且操作简便、快速,则优先 推荐使用红外光谱法作为鉴别定性方法之一。
总之,红外光谱法用于制剂鉴别还需继续开展 研究,要综合考虑检验经济学,方法适用性和可行 性,以及与其他方法的互补性,选择合适的鉴别方 法,科学地稳步推进红外光谱在制剂鉴别中研究内 容,扩大应用范围,使建立的方法更为合理和实用。 参考文献

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