【晶云·分享】XRPD-晶型研究中的“特种兵”

【晶云·分享】XRPD-晶型研究中的“特种兵”

X-射线粉末衍射（XRPD, X-ray Powder Diffraction）技术由于其快速、直观、准确、物料消耗少、适用范围广，已经成为药物晶型研究的重要手段之一，可以进行药物定性、定量、结晶度等研究，贯穿于原料药研究、制剂研究等药物质量控制的各个阶段，已成为晶型研究的首要检测方法及金标准。

内容导览

1. XRPD仪器介绍

2. XRPD的应用

2.1 应用1-区分无定形与晶型

2.2 应用2-区分不同晶型

2.3 应用3-晶型定量研究

3. 表征常见疑问

4. 晶云XRPD表征

1.XRPD仪器介绍

基本原理

X-射线是一种高能电磁波，能够穿透物质并与其中的原子或者分子产生相互作用。当X-射线照射原子排列规律不同的固体时，会产生不同的衍射图谱，这个衍射图谱所表现的样式和强度，即是决定晶体结构参数的主要参照物。XRPD技术基于此原理，通过将X射线发射到样品上，测量被样品衍射出的X射线的强度，进而推算出样品晶体结构信息。

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总的来说，X-射线衍射仪是以物质晶体中的原子或分子间的周期性排列为基础，采用X射线衍射原理测定样品中各种晶格结构的相对位置和强度，从而推算出样品晶体结构的科学仪器。如同“透视眼”，用于辅助分析物质结构（含手性、晶型、结晶水或结晶溶剂）或成分（主成分及杂质成分、晶型种类及含量）等。

仪器组成

如下图所示，XRPD仪器主要由X射线源、样品台和检测器等组件构成。

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X射线源是XRPD仪器中最核心的部件之一，它能够发射出高频率的X射线，使其穿透样品并与样品中的原子或分子相互作用。目前常用的X射线源主要有铜管、钼管和铬管。其中铜管（Cu Kα）因其较小的波长及适中的强度，是X射线源中最常使用的类型。当X射线从铜管中通过时，会产生一个单色的、间隙为1.54Å的辐射谱线，这条谱线是理想的X射线之一。

样品台通常由铝合金或石墨材料制成。在进行XRPD实验时，样品台需要保持平稳，以确保X射线能够正常射入样品并收集到反射光。同时，它还需要具有良好的热稳定性，以避免在较高温度下发生变形。

检测器是XRPD仪器中另一个重要的组成部分，负责检测样品衍射出的X射线，并将其转化为电子信号进行记录。常用的检测器包括散射光子计数器和平板探测器。散射光子计数器适用于低分辨率实验和快速分析，它通常由一组闪烁晶体和光电倍增管组成，可以将X射线转化为光子，然后通过光学元件进行放大和记录。相比之下，平板探测器由感光晶体、读取电路和数据接口等多个部分组成，可以提供更高的分辨率和更低的噪声，这种探测器对信号的响应时间快，对暗信号的检测能力更强，可以应对更复杂的实验要求。

2.XRPD的应用

2.1 应用1 - 区分无定形和晶型

晶态物质在微观结构上原子排列长程有序，当待测物质与入射束呈不同角度时，那些满足布拉格方程的晶面会产生干涉增强，其体现在XRPD谱图上是数十乃至上百个锐峰（窄峰）；而非晶态物质在微观结构上长程无序或短程有序，其粉末X射线衍射峰的数量较少且呈弥散状（为宽峰或馒头峰）（中国药典2020版 0451）。

例如，研究发现缬沙坦存在多晶型现象，其上市药品缬沙坦以无定形存在于制剂中。从XRPD谱图中，可以直观区分缬沙坦无定形和晶体，无定形谱图呈现弥散状宽衍射峰，晶体谱图中可观察到多个尖锐衍射峰。

关于缬沙坦无定形的定义，在专利EP1511739B1中，区分了essentially amorphous和purely amorphous。如图，purely amorphous 在XRPD谱图中呈弥散状，而essentially amorphous 在谱图中呈现少量衍射峰。对于essentially amorphous 谱图的少量衍射峰也是不可忽视的，可能存在无定形结晶趋势。从微观角度，无定形向结晶态转变的过程是分子由无序向有序排列，在这一量变引起质变的过程中，少量衍射峰或弱衍射峰是这一过程的中间态。

无定形的高度无序性赋予了它更高的自由能，随之带来高溶解度的优势，对于 BCS (Biopharmaceutics Classification System) II类或IV类药物，以无定形形式开发具有潜在的优势。但是需要重点关注的是，无定形更高的自由能，不可避免地带来物理和化学稳定性的风险。

研究人员发现，Valdecoxib喷干得到的Amorphous Solid Dispersion（ASD）样品，在放置过程中进行监测，XRPD谱图中观察到无定形逐步结晶，物理稳定性存在挑战。因此对于无定形的开发，需要监控无定形原料药及其制剂在生产、存储、运输等各个环节是否存在转晶/降解的风险。

2.2 应用2-区分不同晶型

不同晶型的XRPD衍射谱图在衍射峰数目、衍射峰位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上显现出差异。因此，XRPD图谱可以作为晶体的指纹图谱，用于鉴定区分不同晶型。

对于同一晶型最重要的参数是衍射峰位置。值得注意的是，2θ位置与X射线波长相关（根据布拉格方程），在进行晶型一致性鉴定时需关注波长（X射线光源）是否一致。另一评估参数衍射峰相对强度，受XRPD测试模式、制样过程、样品晶习、样品粒径、样品结晶度、溶剂残留和择优取向等相关的因素影响较大，故在前期研究阶段，定性分析晶型的依据仍然是衍射峰位置。

2.3 应用3-晶型定量研究

XRPD用于晶型定量分析是基于衍射峰的相对强度与样品中相应组分晶型含量的数学关系。X-射线衍射法定量分析可分为全谱图法和特征峰法，其中特征峰法是最常用的晶型定量分析方法，通过建立特征峰强度与被测药物中杂质晶型浓度的对应关系，得到衍射强度与浓度的线性回归曲线。

晶型定量分析可用于晶型质量控制，建立多晶型质量标准。哪些情况下需要对进行晶型定量研究？

1）对于新药研发，为提高溶解度或生物利用度，选择开发亚稳晶型或无定形，需要关注原料药以及制剂中可能的转晶（定量或限度研究，确定是否发生转晶或转晶的程度）；

2）对于仿制药而言，原研药若进行晶型含量研究，需参考原研药的晶型研究，建议其标准不应低于原研；

3）为避开原研晶型专利，若开发与原研晶型不一致的晶型，需关注制剂中是否存在原研晶型，建议开展限度研究，产品中应不能检出原研专利晶型。

以近期关注度较高的四水合碳酸镧为例，专利CN 101484798A中采用X-射线衍射法检定碱式碳酸镧，对原料药以及制剂中可能存在碱式碳酸镧晶型I和晶型II进行定量分析。对于该品种的研发过程中，需要开发灵敏度足够的适用于晶型定量分析的XRPD方法，建立晶型质量控制标准。

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3.表征常见疑问

1. 择优取向如何处理？

择优取向导致部分晶面能更多地被检测到，表现为部分衍射峰相对强度增加，相应地，会有部分峰强度减弱甚至检测不到，体现在XRPD谱图是衍射峰个数、衍射峰强弱顺序出现变化。

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择优取向效应的控制可通过样品制备和选择衍射方法改善。

1）样品尺寸和形貌：尺寸较大或者呈现特定晶习的样品（如针状、薄片状）会显现明显的择优取向。为减弱择优取向，可尝试对研磨、过筛等方法处理，但需要注意：①外力作用下可能出现转晶或结晶度下降；②筛分后的粒径过小的样品，可能会出现峰展宽的现象。

2）衍射方法：XRPD反射模式和透射模式结合以研究样品择优取向影响。研究发现，旋转毛细管透射模式测试可以有效减弱择优取向，其缺陷是装填样品难度高，尺寸较大的样品无法实现测试。

综合分析，择优取向是样品本身的性质，定性分析时不可忽略。进行XRPD表征的样品，建议选择代表性批次（USP建议样品粒径0.5~50 µm，中国药典建议样品需要增加研磨并过筛（通常过100目筛）处理），以满足测试要求。

2. 样品不稳定，如何测试？
样品对湿度、光照、温度等环境条件敏感，快速测试可减弱环境影响；监测测试间温湿度，可追溯由于温湿度导致的测试异常。对温湿度敏感可能出现吸水/脱水导致转晶的样品，常用Kapton 薄膜覆盖处理样品，以减少环境带来的干扰；也可利用变温XRPD (VT-XRPD)、变湿XRPD (VH-XRPD)研究，捕捉可能形成的多晶型。

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