牛津仪器能谱技术（EDS）助力药物制剂显微分析——安全可靠，功能强大

原创牛津仪器牛津仪器 2021-12-29 14:27

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我国医药市场由化学药、生物药和中成药组成。其中，化学药市场规模占比最高。目前我国化学药以仿制药为主，即针对原研药进行仿制或开发，在其专利到期后上市销售，以相对较小的开发成本解决绝大多数的临床用药需求。研发过程中，仿制药与原研药的微观形貌及分布越来越引起从业人员关注，使用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)对相应固体制剂进行元素含量及分布分析，将显微结构及成分分析与药物溶出或其他宏观性能相结合，推动研发更多创新型制剂，或改良高端复杂型制剂等工作也更加普遍。

但在研发过程中，如何保证制剂的分析安全性？能谱分析结果的完整性是否满足Gxp规范？制剂中多涉及轻元素的分析，如何保证检测到的O N Cl等元素的定性定量准确性？当通过显微分析时，如何避免挂一漏万，获得更有统计意义的结果呢？

牛津仪器Xplore及UltimMax系列能谱仪，以及医药制剂分析专用AZtecPharma系统满足制剂的严格分析要求，并搭配更多高级功能实现对医药制剂的安全及准确的分析。

AZtecPharma

满足GxP要求具有审计追踪EDS软件

AZtecPharma是一款全新能谱（EDS）采集分析软件，它的数据操作模式保证了EDS数据的安全性和完整性，满足不同的GxP规范以及《联邦法规第21章》第11部分和欧盟成员国GMP规则指导文件中的附录11，并纳入满足相关规定的实验室标准操作流程中（SOP），是药物分析过程中真实性的保障。

图1 GxP能谱分析过程

AZtecPharma的功能及特点如下：

高级别数据安全性

使用公司分配的个人账户进行登录
本地IT部门拥有软件的最高控制权，包括账户登录、密码设置规则以及密码更改周期等
采集的数据全部保存且不可修改及删除

电子签名

AZtecPharma会使用用户名、日期和时间对采集的数据进行标记
数字签名不能修改或删除

审计追踪

用于进行“数据审计追踪”的专用程序，查看回溯数据的操作过程记录
审查程序可根据用户、项目、日期/时间的记录进行筛选
程序以只读模式打开（图1所示）

AZtecPharma可以在使用能谱进行制剂分析的过程中较大限度地保证了EDS电子数据的安全性和完整性，因而可以满足药品制剂严格的分析要求。

轻元素

准确定量在制剂检测中的重要性

2.1 牛津仪器能谱提高轻元素定量准确性方式

由于轻元素的特征X射线波长较长（一般l>1.5nm），能量低（E<1keV），试样中的其他元素对轻元素X射线吸收严重；同时低于1kV的谱峰背底形状也较复杂，所以轻元素的峰位会受到干扰，较难被正确地分辨。

牛津仪器新一代SDD能谱仪使用低噪音电路设计，优化采集效率，有效提高检测效率，实现优异的低能X-射线检测能力，同时优化低能端谱峰峰形，改善谱峰拖尾现象，保证进行可靠的能谱分析。更重要的是AZtec能谱软件通过先进的Tru-Q算法优化，增加QCAL硬件修正，显著提高轻元素的识别及定量准确性，该算法包括适合轻重元素检测的XPP基体修正，以及低能端重叠峰修正方法。

低能端谱峰峰形优化

当样品中元素较多时，能谱谱图的低能端通常会出现轻元素的K线系及重元素L或M线系谱峰，后者通常会与前者出现较严重的谱峰重叠，进而影响轻元素的定性及定量分析。牛津仪器全新SDD探头改良了低能端能量分辨率，改进了谱峰拖尾的探测，如图2所示。对谱峰的峰形、峰位准确识别，是剥离重叠峰进行准确元素识别及定量的重要前提。经Tru-Q算法优化重叠峰剥离，获得轻元素的准确定量。

图2 不同探测器类型的谱峰，牛津仪器SDD硅漂移探测器改进谱峰拖尾的探测，提高元素识别准确性

XPP基体修正方法

XPP（eXtended Pouchou and Pichoir)法是用指数描述深度分布函数曲线的形状。该方法对吸收严重的试样，例如重元素与轻元素存在于同一试样的定量分析时，定量结果明显好于其他ZAF法或PRZ方法。由美国电子探针专家Heinrich提供的1400个合金试样，及Bastin教授提供的750个轻元素试样进行定量结果表明，XPP方法得到的所有元素的标准偏差，均优于ZAF法及一般PRZ校正方法[1]。图3为这些试样分别用ZAF、ϕ(rz)和XPP校正方法时，分析结果的标准偏差，可以明显看到使用XPP修正方法的定量结果误差小，准确性高。

图3 不同校正方法分析结果的标准偏差

2.2 轻元素含量鉴定制剂原辅料种类

因为乳糖区别于其他辅料成分的是含氧量较高，据此可直接通过氧（O）含量差异将乳糖部分选出，更直观的观察其形貌及分布情况。利用牛津仪器能谱(EDS)对轻元素定量准确性的优势，依照制剂内原辅料C/O比例不同对乳糖标记，通过图中绿色覆盖的区域可以明显看到，参比制剂中使用的乳糖为原始乳糖，如图4所示。该乳糖形貌不规则、棱角更加分明，其状态与乳糖制备工艺有关，进而可以帮助制剂工程师快速确定制剂的原辅料牌号与种类、粒度分布及分布均匀性等工作，并反推制剂的生产工艺及合成条件。

图4 参比制剂中乳糖形态及分布情况

元素面分布图

比较制剂差异

本例选择三种止痛药片，截面抛光后喷碳处理，放入扫描电镜中进行表面形貌及元素分布的观察。三种止痛药片分别为样品A：原研药，B：宣称与A具有相同成分的仿冒药，C：宣称具有与A相同止痛功效的无标药。很多药剂都具有双层包衣，由片芯向外第一层（Outer Layer 1）主要起到光滑表面作用，向外第二层（Outer Layer 2）增加口感，易于吞服。选择合适的位置对样品做元素含量及分布观察，如图5所示。

样品Ａ的片芯富含Na元素，掺杂有O, Mg, Si的颗粒；包衣分两层，第一层190~320 μm厚，富含O, Mg, Si；第二层20~70 μm厚，富含Ti及Ｏ，推测主要为钛白粉。

样品B的包衣也具有双层包衣，片芯主要成分为C, O；第一层60~180 μm厚，富含C, O, Mg, Si；第二层90~170 μm厚，主要成分为C, O, Mg, Si, 含有少量Ti及Ｏ。

样品C包衣仅一层，宽度13~25 μm厚，由内到外的主要成分为C, O, 不含Ti。

通过对样品A和B进行元素分析，可以看到二者的片芯结构及成分均具有较大差异，前者Na含量更高。且包衣的厚度及元素组成也不同，推测样品A包衣的第二层以聚合物为主，而样品B可能是干涂层。包衣成分及厚度不同，会影响药剂释放速度及药效。根据以上信息可以推断，样品B极有可能是仿冒产品，而样品C的结构及组成与A差别甚大，即使作为常规药也需要更多手段验证其有效性。

图5 三种止痛药片剖面EDS元素面分布图 A原研药，B仿冒药，C无标商品

大面积拼接功能

实现统计性分析

牛津仪器AZtec软件中大面积拼接（Large Area Mapping, LAM）功能，获得样品在毫米甚至厘米级范围内的元素分布图，实现从微观到宏观的更全面的样品分析，获得更有统计意义的结果。如前所说，牛津仪器优异的轻元素分析能力可以快速帮助我们在单一视场下将复杂制剂中的辅料或API提取出来进行分析，若结合大面积拼接功能，可以直接将正片制剂内的所有需要分析的目标辅料或者API提取出来，进行更加宏观的分析，并获得粒度统计等结果。

AZtec软件中的LAM功能，可以通过4点定义矩形，或3点定义圆形采集区，如图６左图所示。同时为了提高不同样品间测试结果的可比性，也可以定义相同的检测面积，如图６右图所示。

图６能谱软件中定义大面积采集区域，获得更高统计性的检测结果

图７盐酸西那卡塞制剂大面积拼接结果（24个视场拼接而成）

用于治疗慢性肾病（CKD）维持性透析患者的继发性甲状旁腺功能亢进症的活性成分盐酸西那卡塞制剂分子式为C22H22F3N·HCl，通过能谱观察，可以通过F、Cl元素进行标记。图７左图是盐酸西那卡塞制剂的大面积拼接的元素叠加图。经AZtec软件中LAM的检测，通过氯(Cl)、氟(F)元素标定，可以将API（盐酸西那卡塞）从制剂中提取出来（见图７右），进行粒度统计的工作，如下表所示，其中值粒径约为40微米。

通过以上分析可以看出，AZtecPharma医药专用能谱（EDS）分析软件，可以更有效确保数据检测的准确性及安全性，且具有审计追踪功能，为医药领域显微分析，提供技术及可靠性保障。同时利用牛津仪器Aztec软件对固体制剂芯部及包衣进行元素分布分析，该软件具有先进的Tru-Q算法，进一步优化EDS的准确定量水平，尤其是轻元素的准确定量分析，可以轻松判断乳糖类型，进而判断原辅料的种类。通过大面积拼接功能可以在更加宏观的视野下观察元素分布，并实现对API的统计性分析，可以看到，AZtecPharma准确性及安全性高，功能丰富，是医药系统进行显微分析的有力工具。

特别鸣谢：文章中演示样品的氩离子抛光截面制备工作均由上海芥衡技术提供。

参考文献：[1] Pouchou and Pichoir (1988) in D.E. Newbury Ed.Microbeam Analysis

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