在藥品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中,XRD承擔(dān)著原料藥多晶型篩選、制劑中晶相鑒定、質(zhì)量管理等諸多重要職責(zé)。
不少技術(shù)人員也常被"昨天的測(cè)定和今天的峰位略有偏差""強(qiáng)度比每次都不一樣""出現(xiàn)了從未見(jiàn)過(guò)的峰"等"原因不明的問(wèn)題"所困擾。
特別是藥品等有機(jī)物,往往具有易于取向、粉碎后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形或其他多晶型等對(duì)XRD測(cè)定極為敏感的性質(zhì),稍有不慎就會(huì)影響多晶型判定和鑒定結(jié)果。
本文將以通俗易懂的方式,不僅限于藥品領(lǐng)域,對(duì)實(shí)際工作中常見(jiàn)的、容易在XRD測(cè)定判斷上產(chǎn)生困惑的案例及其規(guī)避思路進(jìn)行詳細(xì)解說(shuō)。
在藥品領(lǐng)域,微小的2θ偏移可能關(guān)系到多晶型判定以及是否符合規(guī)格值,因此峰位的重現(xiàn)性極為重要。
最常見(jiàn)的原因是"樣品的偏心(高度偏差)"
Part.01
當(dāng)樣品過(guò)高或過(guò)低偏離基準(zhǔn)面時(shí)(偏心),檢測(cè)到的衍射角就會(huì)從原本位置發(fā)生偏移。此時(shí),即使晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化,在衍射圖譜上也會(huì)觀察到峰位偏移。
特別是原料藥多為附著性強(qiáng)的粉末,"薄而均勻地鋪開(kāi)、刮平"等操作較為困難,因此樣品面高度容易參差不齊,導(dǎo)致測(cè)試平面不在一個(gè)基準(zhǔn)面上,峰位受到偏心的影響。
處理的基本原則是"務(wù)必確認(rèn)樣品面位于基準(zhǔn)面"或"進(jìn)行樣品位置調(diào)整"。
圖1. 樣品面高度差異導(dǎo)致的角度偏移
Part.02
單晶結(jié)構(gòu)解析提供的CIF數(shù)據(jù),通常是在低溫下測(cè)定的,因此其晶格常數(shù)與室溫條件不同。
有機(jī)化合物中熱膨脹率相對(duì)較高的物質(zhì)較多,CIF數(shù)據(jù)與XRD圖譜無(wú)法完全吻合的原因,實(shí)際上很多時(shí)候是由于測(cè)定時(shí)的溫度差異所致。
這時(shí),"實(shí)測(cè)的衍射數(shù)據(jù)"本身并沒(méi)有問(wèn)題,問(wèn)題是由測(cè)定環(huán)境不同引起的。
圖2. XRD圖譜與CIF數(shù)據(jù)的比較
小結(jié):如何區(qū)分樣品偏心(高度誤差)
和晶格常數(shù)差異呢?
樣品偏心的特點(diǎn)是:低角度側(cè)峰位偏移量大,隨著角度增大,偏移量逐漸減小。
晶格常數(shù)差異的特點(diǎn)是:高角度側(cè)峰位偏移量大,隨著角度增大,偏移量逐漸增大。
通過(guò)這樣整體觀察圖譜,比較低角度側(cè)和高角度側(cè)峰位偏移的表現(xiàn)方式,就可以區(qū)分樣品偏心與晶格常數(shù)差異。
藥品的多晶型判定,不僅需要峰位信息,強(qiáng)度比同樣至關(guān)重要。
然而,強(qiáng)度比不穩(wěn)定的情況非常多見(jiàn),令人感到頗為苦惱。
Part.01
藥品現(xiàn)場(chǎng)處理的粉末,往往容易混入粗大顆粒,或因針狀、板狀結(jié)晶而產(chǎn)生強(qiáng)烈取向,這些條件都會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度比出現(xiàn)波動(dòng)。
大顆粒的問(wèn)題很好理解,當(dāng)粒徑過(guò)大時(shí),X射線無(wú)法在各個(gè)隨機(jī)方向上發(fā)生衍射,強(qiáng)度比便不穩(wěn)定。
擇優(yōu)取向的問(wèn)題,此處以針狀晶體為例說(shuō)明:針狀結(jié)晶會(huì)使特定晶面優(yōu)先排列,導(dǎo)致某些峰的強(qiáng)度異常偏高。
Part.02
狹縫寬度不同,入射X射線的總量和照射區(qū)域就會(huì)發(fā)生變化,尤其在低角度側(cè)衍射峰強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生大幅波動(dòng)。特別是在多臺(tái)儀器共用或儀器更新時(shí),很容易忽略入射狹縫寬度,這是常見(jiàn)問(wèn)題。
若選擇的入射狹縫過(guò)大,則在低角度下覆蓋區(qū)域增加,有時(shí)甚至照到玻璃樣品架上或被浪費(fèi)在其他區(qū)域,導(dǎo)致強(qiáng)度反而更低。
圖3. 狹縫寬度導(dǎo)致的圖譜差異
在藥品分析中,當(dāng)出現(xiàn)未知峰時(shí),往往會(huì)擔(dān)心"是不是分解了?""是不是出現(xiàn)了新晶型?",但實(shí)際上,由裝置或樣品架引起的情況非常常見(jiàn)。
Part.01
鋁制樣品架等材質(zhì),可能會(huì)產(chǎn)生其固有的峰。
只需嘗試無(wú)樣品的空白測(cè)定(blank測(cè)定),原因可能立即水落石出。
圖4. 各種樣品架的空白測(cè)定
Part.02
當(dāng)Kβ線混入時(shí),在強(qiáng)度較高的峰附近(低角度側(cè))可能會(huì)出現(xiàn)陌生的峰。
這種現(xiàn)象的顯著特點(diǎn)是,容易發(fā)生在裝置更新后、移機(jī)后、維護(hù)后等裝置環(huán)境發(fā)生變化的時(shí)期。
大多數(shù)情況下,原因是去除Kβ線的濾光片未安裝,或?yàn)V光片厚度不適當(dāng)。
圖5. 有/無(wú)Kβ濾光片
Part.03
X射線管球長(zhǎng)時(shí)間使用后,可能因內(nèi)部發(fā)射裝置部件老化而產(chǎn)生不純的衍射線,如燈絲的WL α 等。
當(dāng)光管經(jīng)常持續(xù)運(yùn)作,且使用時(shí)間接近規(guī)定值,或感覺(jué)整體衍射強(qiáng)度下降時(shí),可視為光管開(kāi)始劣化的信號(hào)。
這種情況下,建議考慮更換光管或進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)。
圖6. 光源不純線的示意圖譜
總 結(jié)
Conclusion
XRD的峰位和強(qiáng)度可能會(huì)因測(cè)定條件、樣品制備方法等微小因素而發(fā)生偏移或變化。
然而,這些問(wèn)題大多可以通過(guò)正確的維護(hù)、確認(rèn)作業(yè)和裝置設(shè)置來(lái)預(yù)防。
要正確判斷多晶型評(píng)價(jià)和原料藥質(zhì)量,不僅需要關(guān)注測(cè)定結(jié)果本身,更重要的是從衍射原理出發(fā),理解這些現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。
XRD不僅僅是測(cè)定裝置,更是支撐藥品開(kāi)發(fā)可靠性的分析工具。
當(dāng)我們能夠敏銳察覺(jué)日常工作中"細(xì)微的變化"時(shí),XRD數(shù)據(jù)的解讀就會(huì)更加穩(wěn)定,判斷時(shí)迷茫的情況也會(huì)大幅減少。
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