近红外光谱法在药物分析中的应用.docx

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近红外光谱法在药物分析中的应用

近红外光谱法在药物分析中的应用

宜春学院化学与生物工程学院08制药工程周玉方

摘要：

近红外光谱技术在药物分析领域应用广泛，且潜力巨大，其可通过与合适的化学计量学方法建立各种模型，实现了药物原料、药物包材等的定性或定量分析，在制药工作和质量控制分析中具有广阔的应用前景。

关键词：

近红外光谱法；药物分析；应用

近红外（NearInfrarad,NIR）区域是指波长在780~2526nm（波数为4000~12000cm-1）范围内的电磁波。

在这个区域最突出的吸收谱带归因于中红外区域基频振动的倍频和合频，主要是含氢基团的吸收，如C-H、N-H、O-H、S-H等，几乎包括有机物中所有含氢基团的信息，信息量极为丰富、谱带宽、重叠较严重，而且吸收信号弱，信息解析复杂，虽然发现较早，但其分析价值未得到足够的重视。

近年来，由于计算机与化学统计学软件的发展，尤其是化学计量学的深入研究与广泛应用，使其成为发展最快、最引人注目的近红外光谱分析技术[1]，该技术是将光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术进行有机结合的分析测试技术[2-3]。

在近红外光谱区产生吸收的官能团主要是含H基团，这些基团是有机物中最重要的一些基团，NIR谱区丰富的结构域组成的信息是NIR分析应用的广泛基础。

计算机技术和化学计量学的应用使NIR可以分析测定与这些基团有关的成分以及物理、化学性质。

利用近红外光谱和多变量统计分类技术（系统聚类分析、逐步聚类分析、主成分分析和神经网络、非线性映射等）可很好地对药材和成药进行定性判别和分类。

在对药物的定量分析方面，除了将近红外光谱与偏最小二乘法（PLS）、主成分分析（PCA）、遗传神经网络等相结合对一些化学药品分析外，近几年又将近红外光谱技术与处理非线性体系的人工神经网络方法相结合，对许多中药进行定量分析。

而起而由于该技术方便快速，无需对样品进行预处理，适用于在线分析等特点，在药物分析领域中正不断得到重视与应用。

1、近红外光谱法在药物分析中的应用

近红外光谱法在药物分析领域中的应用范围相当广泛，它不仅适用于药物的不同类型，如中草药、激素、抗生素等，还可用于药物的多种不同状态如原料、完整的片剂、胶囊与液体等制剂的药物分析。

同时其更适用于原料药纯度、包装材料等的分析以及生产工艺的监控；利用不同的具有一定专属性的光纤探头可实现生产工艺的在线连续分析及质量监控等；利用其它方法与近红外光谱法相结合测定物质含量及进行打假工作等。

1.1应用于药物的不同类型

1.1.1在中草药中的应用

如刘浩博士利用近红外光谱法测定黄花蒿中青蒿素的含量[4]，在此试验中，分别采自四川、河南、云南、广西四地的黄花蒿药材的蒿叶，将63个样本经过药材预处理，利用近红外光谱仪采集整个样本的近红外光谱图，后以原始NIR数据进行建模，并根据离散小波变换（discretewavelettransform,DWT）[5,6]的多尺度信号分解的算法对部分样品进行高效的数据压缩，得到的小波系数来预测青蒿药材中青蒿素的含量（采用偏最小二乘法进行数据回归），以预测和实验测定值之间的相关系数考查预测模型。

应用此法可预测黄花高药材中青蒿素的含量，并由仪器自带聚类软件得到聚类结果，可对药材进行产地的鉴别。

又如白雁教授在测定连翘药材中连翘苷含量的应用[7]，据《中国药典》收载的含量测定方法为高效液相色谱法，但因为该法分析耗时长，在制药过程中难以满足快速以及在线检测的要求。

本实验采用傅立叶变换近红外光谱仪采集分别来自河南、山西、陕西、河北等地的青翘和老翘药材的近红外光谱图，建立校正模型，该模型的建立，通过验证，可以准确预测其覆盖范围的连翘苷含量。

从本实验所建模型预测以及统计学结果可以看出，连翘药材光谱与其连翘苷含量之间有一定相关性，近红外漫反射光谱法测得连翘中连翘苷含量和药典法测定结果之间的相关系数为0.944，且平均回收率为103.91%，符合生产中的要求，且该法具有快速、无损、准确等特点，适用于大量连翘药材中连翘苷的快速测定，是一种非常好的绿色分析方法。

1.1.2在含激素药物中的应用

运用近红外光谱法同时测定多种雌、孕激素[8]，以四氢呋喃为溶剂，测定雌二醇、雌三醇、雌酚酮、安宫黄体酮混合溶液的近红外光谱，并用偏最小二乘法解析重叠光谱，求得各组分含量并分析了影响测定精度的因素。

与传统的分析方法如高效液相色谱大多只能分析一种至两种化合物的方法相比，该法算为一个新的尝试，在药物分析方面有广泛的应用前景。

1.1.3在抗生素类药品中的应用

在测定头孢羟氨苄胶囊含量[9]的试验中，采集该药品的NIR光谱，以一阶导数和多元散射法为预处理方法，以偏最小二乘法为回归方法，经内部交叉验证建立头孢羟氨苄胶囊的NIR光谱与HPLC法测定值之间的多元校正模型，预测头孢羟氨苄胶囊的含量。

结果为：

内部交叉验证决定系数R2为95.6，内部交叉验证均方差为0.804，外部验证均方差为1.13，经试验，采用NIR进行定量分析，操作简便，不破坏样品，结果准确，可作为药品质量在线控制盒监督抽验的现场筛查方法。

又如其对头孢氨苄粉末药品的非破坏性定量分析[10]中的应用，采用偏最小二乘法建立近红外光谱信息与待测组分含量换的最佳数学模型，对三种光谱（SNV光谱、一阶导数、二阶导数）的预测结果进行比较，预报了预测集中头孢氨苄的含量，讨论光谱预处理方法和主成分对偏最小二乘法定量预测能力的影响，对预测集样品进行预测，实验结果表明，采用SNV（Standardnormalvariatetransform）光谱预处理所建立的最佳偏最小二乘法数学模型更好，可在一定程度上降低误差，此两种方法的结合能快速、简单的对结果进行预测，从而获得更好的预测结果。

1.2应用于药物的不同状态

1.2.1在原料药含量测定中的应用

在短波近红外光谱法测定葛根中总异黄酮含量[11]的实验中，应用吸光光度法测定葛根中总异黄酮的含量，并在此基础上建立葛根中总异黄酮含量的短波近红外数学模型，一组为建模集样品，用以建立总异黄酮的近红外分析模型，一组为验证集样品，用以检验所建模型的效果。

实验表明，用比色法测定葛根中总异黄酮的含量与近红外预测值之间存在较好的线性关系，检验集样品的预测也得到比较好的结果，其能够较好地测定总异黄酮的含量，且在试验中，应用短波近红外光谱法和长波近红外光谱法均能快速测定葛根中总异黄酮的含量，但由于短波近红外光谱仪成本较低，更可能实现产业化，更好地测定原料药中有效成分的含量。

又如近红外光谱法在头孢类原料药无所快速鉴别[12]中的应用，在该实验中，以原料药头孢他啶为例子，头孢他啶为半合成的第三代头孢菌素，其制剂为头孢他啶五水化合物，并加有一定量的无水碳酸钠，混合制成的注射用无菌粉末。

由于不同生产厂家的生产工艺和原辅料组成均会存在差异，对其进行判别分析则很有意义。

本实验中，采用近红外漫反射光谱法，采集样品的NIR光谱后，以一阶导数、二阶导数、数据中心化等方法进行光谱预处理，再利用主成分分析法对以上光谱数据进行分析，结果表明，近红外漫反射光谱法可用于注射用头孢他啶的鉴别分析，且操作简便、结果准确。

1.2.2在完整片剂药品检验中的应用

例如刘雁鸣等人在探究三种方法测定安乃近片含量[13]的实验中，比较了近红外光谱法、容量分析法及高效液相色谱法三种方法的特点。

容量分析法—碘量法为《中国药典》2005年版二部收载的测定方法，但由于不发分子钻标准的空子，非法加入一些消耗碘滴定液的化学物质，以致于符合药典规定要求，无法真实地反映药品的质量；高效液相色谱法测定安乃近准确性强、精度高，可真实地反映药品的质量，但因为该方法采用对照法测定，还需在实验室中方能进行，不利于现场快速测定；近红外光谱技术不仅能无预处理、无污染、无浪费、精度高，而且可透过包装材料无破损检测，用于室外快检车的快速检测及筛查，便于打击假劣药品。

基于这众多的优点，本方法快速推广为各种检验分析过程中。

还有在厄贝沙坦片的一致性检验[14]实验中，利用仪器的漫反射光纤探头进行样本的扫描和图谱采集，后进行一阶导数加矢量归一法的光谱数据预处理，并建立一致性检验方法，可快速区分与某厂家样本主成分相同的其他厂家样本，适用于药品快速检验人员对已建立某厂家药品模型的假劣药品的快速筛查。

同样的，在抗感泡腾片的生产过程中，近红外光谱法在测定绿原酸类化合物的含量[15]中得到应用。

以抗感泡腾片的生产工艺为基础，在线收集样品，采用分光光度法，以绿原酸为对照品，测定样品中绿原酸类化合物的含量，同时应用傅里叶变换近红外光谱技术对样品进行监测分析，采用偏最小二乘回归法建立抗感泡腾片提取液中绿原酸类化合物含量的近红外数学校正模型，其能简便、准确、快速地检测其含量，可用于抗感泡腾片生产过程中的在线质量控制。

1.2.3在胶囊制剂中的应用

在氯雷他定胶囊含量[16]的测定中，首先利用光纤探头直接扫描样品得图谱，并将图谱分成校正集和验证集，利用仪器自带的软件对校正集样品的光谱数据用一阶导数结合矢量归一化进行预处理后，利用偏最小二乘法结合主成分分析法建立了校正模型，预测氯雷他定胶囊中氯雷他定的含量。

与现行标准[17-20]中含量测定方法相比，该法无需预处理，无破坏样品，减轻了现有分析方法的劳动强度、缩短分析时间，为实现氯雷他定胶囊生产过程和质量控制的实时监控、在线控制及监督检查的现场初步筛查提供了新方法。

1.2.4在液体制剂中的应用

氯霉素注射液为广谱抗生素类药物，具有广谱抑菌作用，由于氯霉素注射液在贮存期很不稳定，主要是含量下降和色泽加深，因此该药品的质量监督必须加强。

在此质量监督[21]过程中，近红外光谱法得到应用。

以《卫生部药品标准》[22]的抗生素微生物检定法测得注射液中氯霉素的含量为理论含量，后采用NIR法采集光谱，经数据处理，建立多元校正模型，预测注射液中氯霉素的含量。

1.3在药物包材分析中的应用

如近红外光谱法在快速测定乳块消糖衣片的包衣厚度中[23]的应用，该方法准确而快速地测定了包衣的厚度，可推广用于中药生产报以过程的在线检测。

基于近红外光谱法在制药过程控制、药物分析、中药分析、打击假劣药品等方面应用，其主要定性分析方法有判别分析法、主成分分析法[24]、马氏距离法等；定量分析方法有偏最小二乘法[25]、人工神经网络法[26,27]、主成分回归法，多元线性回归法等。

2、近况与展望

总的说来，虽然该技术在分析领域应用广泛，但目前它还存在一定的弱点。

首先，他是一种间接的相对分析技术，必须通过收集大量具有代表性的标准样品，通过严格细致的化学分析测出必要的数据，再通过计算机建立合适的数学模型，预测未知样品的结果。

而该模型的建立需要消耗一定量的人力、物力和财力；其次，由于NIR谱区为分子倍频与合频的振动光谱，信号弱，谱峰重叠严重，在目前只用于常量分析，对被测定组分的量有一定的要求，其一般应大于样品重量的0.1%；此外在进行光谱分析时，应考虑样品的特征、分析实验的设计、建立合适的校正模型、建立恰当的分析模型及数据处理等多方面的问题，才能取得正确并且准确的分析结果。

NIR技术的最大优点是：

快速、准确、无损样品。

不但可对样品进行非破坏性分析；测量信号可远距离传输和分析；其还能与计算机技术和光导技术相结合，采用NIR透射、散射、漫反射光谱学检测方法，可以不使用化学试剂，不必进行预处理，可直接对颗粒状、固体状、糊状、不透明的样品进行分析。

因有这些特点，该技术可应用于中成药、化学药品有效成分的工业现场的实时监测和质量控制[28]；还能用于各类药品中各组分含量及水分的快速检测[29,30]；此外，还能应用快检车检验和日常打击假劣药品的工作中[31,32]。

基于近红外光谱法的众多特点和优点，该技术已经在各个领域有重大作用，不仅是原位检测，还是质量监控，还是分析研究，都期望该技术能有更大的突破。

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