前沿特色技术 I 岛津化学成像技术助力化药片剂多组分可视化及半定量分析

摘要

国家药典委近期发布了《关于化学成像指导原则标准草案的公示》的通知，主要适用于基于振动光谱（例如，近红外、中红外、远红外和拉曼光谱）的化学成像系统。

化学成像技术通过结合具有空间分辨能力的谱学信息和位置信息，能够详细表征样品的物理和化学属性。这项技术涉及多种成像方法，包括光谱成像、质谱成像和核磁共振成像等。光谱成像特别适用于分析样品的表面化学和物理特性，它通过照射不同波长的光并收集反馈信号来构建图像，从而揭示样品的成分、浓度、晶型、空间分布、颗粒形状和尺寸等信息。

在药品分析和检测领域，化学成像已成为一种重要的平台技术，尤其在药品生产和质量控制过程中发挥着关键作用。它能够分析固体、半固体和液体样品，包括活性药物成分和辅料的鉴别、成分比例、多晶态和颗粒形态。化学成像不仅用于定性和定量分析原辅料、固体和半固体制剂、生物样品、包装材料和设备中的活性成分，还有助于检查样品的均匀性，检测物理缺陷如裂纹，以及识别外来颗粒或污染物。此外，它还能帮助理解生产过程和确定工艺问题的原因。

本工作通过利用岛津极具特色的AIRsight红外拉曼显微镜（图1），在定制化药片修块切片前处理设备的辅助制样下，通过借助其带有的红外光谱与拉曼光谱成像功能，同时结合自主开发的程序化图像处理与计算方法，实现了对盐酸二甲双胍缓释药物的化药片剂的原料药（API）以及两种晶型药物有效晶型进行化学成像分析，并借助自主开发的图像处理和计算程序工具对含量进行计算，为化药片剂的可视化表征与研究提供全新的方法和思路。

图1 AIRsight红外拉曼显微镜

盐酸二甲双胍片剂拉曼光谱化学成像与占比计算

图2 盐酸二甲双胍特征拉曼光谱，化学成像及二值化处理

使用AIRsight红外拉曼显微镜的拉曼光谱模式对盐酸二甲双胍缓释片剂进行分析。片剂经修块后，首先采用单点拉曼模式对盐酸二甲双胍片剂进行标准光谱采集，并针对其光谱进行特征峰归属分析，其中737.21 cm^-1处为盐酸二甲双胍分子中N-H键摇摆振动特征吸收峰，可作为盐酸二甲双胍片剂的特征峰进行化学成像图像提取。

以737.21 cm^-1（N-H键摇摆振动）为盐酸二甲双胍拉曼特征峰峰强度进行化学成像图像提取，用以表征盐酸二甲双胍片剂内部的分布情况。所得结果如图2所示：图中色带蓝色区域为无信号背景，色带红色区域为有效API化学成像信号。由化学成像结果可见，该盐酸二甲双胍片剂中API分布整体呈现非连片的分畴特点，分布均匀度一般。进而通过自主开发的图像处理工具，对化学成像图进行二值化处理，所得结果如图2所示，其中白像素为API有效信号，而黑像素为无API背景信号。

经前期计算，该药品整体密度与API密度相近，根据该药物说明书提供的成分：每片含API 0.5g，整片称重质量为0.68g，API质量占比73.5%，通过借助程序处理进行像素计算，得到在所成像的区域内，API占比约为73.16%。该结果与真实含量十分接近，说明该方法对于药片API含量测定具有极高的准确性。

尼莫地平A晶（有效晶型）拉曼光谱化学成像与占比计算

图3 尼莫地平片剂拉曼光谱化学成像及二值化

通过化学成像采集发现，该片剂中的尼莫地平分子以较为均匀的形式分布在药片内部，所以用A晶特征峰481cm^-1与尼莫地平分子特征峰641.3cm^-1的比率进行图像提取【1】，用以表征A晶在药片内的具体分布情况。所得化学成像图如图3所示：图中色带偏蓝处为无信号背景，信号偏黄红处为有效的A晶成像信号，其中颜色越红代表信号越强，即A晶含量越高。由化学成像结果可见，该尼莫地平片剂中A晶的分布呈现分畴特点，分布均匀度一般。

进而通过自主开发的图像处理工具，对化学成像图进行二值化处理，所得结果如图3所示，其中白像素为A晶有效信号，而黑像素为背景信号。通过借助程序处理进行像素计算，得到在所成像的区域内，A晶占整体尼莫地平分子的66.15%。针对该方法的验证工作正在通过QC样本进行中。

西米替丁A晶（有效晶型）红外光谱化学成像与占比计算

图4 西咪替丁片剂红外光谱化学成像及二值化

根据文献报道，西咪替丁A晶的生物有效性最佳，但B晶型药品也很多，也有A和B混合晶型【2】。本实验以西咪替丁A晶为有效目标晶型进行研究，使用AIRsight红外拉曼显微镜的红外光谱模式对西咪替丁片剂进行分析。片剂经修块后，首先采用单点红外模式对西咪替丁片剂进行标准光谱与特征光谱采集，并针对其光谱进行特征峰归属分析，结果如图4所示。

以1203cm^-1为西咪替丁A晶红外特征峰峰强度进行化学成像图像提取，用以表征A晶在西咪替丁片剂内部的分布情况。所得结果如图4所示：图中色带偏蓝处为无信号背景，信号偏黄红处为有效的A晶成像信号，其中颜色越红代表信号越强，即A晶含量越高。由化学成像结果可见，该西米替丁片剂中A晶的分布呈现连片特点，分布均匀度较好。进而通过自主开发的图像处理工具，对化学成像图进行二值化处理，所得结果如图4所示，其中白像素为A晶有效信号，而黑像素为背景信号。通过借助程序处理进行像素计算，得到在所成像的区域内，A晶占比约为86.95%。针对该方法的验证工作正在通过QC样本进行中。

结论

通过利用岛津特色的AIRsight红外拉曼显微镜，在定制化药片修块切片前处理设备的辅助制样下，借助其自带的红外光谱成像和拉曼光谱成像功能，实现了对缓释药物的化药片剂的原料药以及两种晶型药物有效晶型进行化学成像分析，并借助自主开发的图像二值化处理和计算工具实现了含量占比进行量化计算。该方法可实现对药物片剂分布、含量等信息进行直观有效的分析，可为化药片剂API、辅料分布及晶型表征与研究提供全新的方法和思路。

参考文献：

[1] 尼莫地平两种晶型的拉曼光谱分析和溶出度实验[J]. 医药导报,2017,36(10):5.DOI:10.3870/j.issn.1004-0781.2017.10.021.

[2] 衰减全反射傅里叶变换红外光谱法定量分析西咪替丁A晶型的含量[J]. 中国药学杂志,2005.DOI:CNKI:SUN:ZGYX.0.2005-20-024.