利用拉曼顯微鏡來做藥物分析

製藥業是科學進步和醫學突破的關鍵貢獻者，從救命藥物到日常非處方藥治療的小疾病或醫學美容等等。 用於藥物分析的拉曼顯微鏡已成為行業產品調查和質量控制的寶貴技術。

用於藥物分析的拉曼顯微鏡簡介

為了保持高創新和生產力，製藥研究實驗室和製造工廠在產品開發管道的許多階段都需要強大而可靠的分析技術，包括藥物開發、過程監測和質量控制。 拉曼光譜學是其中一項技術，由於其高分子特異性、即時進行快速化學分析的能力以及在生產線不同階段研究各種樣品形式的儀器多功能性，因此越來越受歡迎。 在本應用說明中，我們展示了在愛丁堡儀器RM5和RMS1000拉曼顯微鏡上進行的拉曼顯微鏡如何用於對各種藥品劑型進行化學分析，包括固體片劑、鼻腔噴霧劑、乳液、透皮藥物輸送系統和藥物多晶性。

圖1。 愛丁堡儀器(Edinburgh Instrument)RM5和RMS1000拉曼顯微鏡。

 

拉曼光譜學的醫藥應用

錠劑表面的成分分佈

含有阿司匹林、乙醯氨酚和咖啡因的止痛片是常見的非處方藥組合藥物，用於治療與頭痛、肌肉疼痛、關節炎、牙痛和普通感冒相關的疼痛。 這種配方之所以有效，是因為這三種成分具有不同的功能：阿司匹林是一種非甾體抗炎藥（NSAID），撲熱息痛是一種鎮痛劑，沒有抗炎特性，而是專門針對疼痛，咖啡因是一種生物鹼性興奮劑，已知既能減少嗜睡，又能增強藥物中其他活性成分的效果。

由於這些藥物具有獨特的化學結構，圖2a，拉曼光譜學可用於根據其結構振動光譜的特徵，以非破壞性方式確定其在經過處理的片劑中的分佈。 為了在考慮片劑的複雜表面形貌的同時，使用了SurfMAP®表面拼圖功能進行成像，圖2b和c，同時對三種藥物的分佈進行了成像。 阿司匹林（粉紅色）使用1047cm^-1的波段進行追蹤，這是芳香環呼吸模式的特徵。乙醯氨基酚（藍色）使用872cm^-1的波段進行追蹤，這也是芳香環呼吸振動的特徵。這些模式的相對強度和位置的差異歸因於附著在苯環上的取代基官能團的電負性和位置（阿司匹林的正體，撲熱息痛的帕拉西他莫）。 咖啡因（綠色）使用1703 cm^-1的波段進行跟蹤，不存在於其他兩種成分的光譜中，吡啶二酮環中羰基拉伸的特徵。

圖2。 使用SurfMAP®表面拼圖功能成像阿司匹林（粉色）、乙醯氨基酚（藍色）和咖啡因（綠色）在藥片表面的分佈。

微粒子分析

鼻腔噴霧劑旨在減輕過敏、鼻竇炎和感冒的症狀。 它們被使用者直接射入鼻子，懸浮在溶液中的活性成分可以減少鼻腔內壁的炎症。 活性成分通常是皮質類固醇激素。 分析的樣本是丙酸氟替卡松，如圖3a所示，具有典型的類固醇化合物的四環結構。 噴霧配方中列出的另一個關鍵成分是微晶纖維素，圖3a，它被用作增稠劑，可以為鼻襯提供防止空氣傳播的過敏原和病原體的屏障。

拉曼成像用於確定這些成分在整個鼻腔噴霧劑配方中的分佈。 將分量噴在玻璃顯微鏡玻片上，乾燥後進行光學和拉曼顯微鏡，圖3b和c。 可見光影像顯示了玻璃幻燈片上的各種微顆粒。 拉曼分析用於將顆粒分類為丙酸氟替卡松活性成分（粉紅色）或微晶纖維素（綠色）。 圖3d中的光譜顯示了用於成像兩個成分的拉曼模式：丙酸氟替卡松使用1659 cm^-1處最強烈的帶表示，分配給C=O拉伸，纖維素使用1124 cm^-1.4,5處的C-O拉伸帶呈像

圖3。 成像丙酸氟替卡松（粉紅色）和微晶纖維素（綠色）微顆粒在皮質類固醇鼻腔噴霧劑中的分佈。

 

保溼乳液的3D成像

乳液是一種混合物，其中一種液體，如油脂，透過另一種不可混合的液體，如水，以小球狀分散。 製藥行業在護膚品、化妝品、疫苗和藥物中使用乳液。 在醫學上，乳液可用於增加不溶於水的藥物化合物的生物利用度，它們可以掩蓋口服藥物難聞的味道。 非處方藥的外用產品，如保溼霜，是以這種方式製造的，因為它們很容易用水洗掉，塗抹後不會感到油膩。 因此乳液中顆粒的形態和分佈對於確保此類產品品質並滿足其特定應用需求至關重要。

為此，使用拉曼顯微鏡以3D成像水中油（o/w）保溼乳液。 使用了100X 0.9 NA的物鏡和50微米的共軛焦針孔直徑，以確保在成像過程中的高軸向解析度和有效的分層分析。 分布影像和相對應的光譜顯示，乳液由油（紅色和綠色）和二氧化鈦（黃色）顆粒組成，這些顆粒在連續水相（藍色）中以三維方式分散，圖4。 水相是根據O-H伸縮振動模式約在3450 cm^-1特徵訊號。 在含有油顆粒和碳氫化合物產生的光譜振動特徵的區域，訊號減弱了。 使用2800 cm^-1和3000 cm^-1之間的高波波波段對油顆粒進行成像，這是CH2、CH和CH3振動的典型特徵。根據構成該區域波段的相對強度，檢測到兩種不同的油相（紅色和綠色）。 二氧化鈦在148 cm^-1處表現出非常強烈和狹窄的峰值，這可以分配給Ti-O振動。

圖4。 保溼乳液中分散在水相中的油和二氧化鈦顆粒分佈的3D拉曼成像。

 

透皮貼片的分層分析

隨著時間的推移，粘性透皮貼片透過皮膚將一劑活性成分輸送到血液中。 透皮貼片用於廣泛的醫療應用，最著名的是生物鹼尼古丁的控制釋放，以幫助戒菸。 透皮貼片包含許多包裹活性成分的聚合物層，對每層的非破壞性分析對製造商來說至關重要，因為它允許他們瞭解產品質量，確定存在的活性成分量，並識別任何汙染物。

使用3D拉曼成像分析了透皮尼古丁貼片，並使用收集三維的XZ橫截面，圖5以非侵入性方式獲得有關聚合物層數量及其相對厚度的資訊。這些資料顯示，在樣品中發現了六層不同厚度的層。 外層，標有1和6，並用紅色陰影，根據1614 cm^-1.9的C-C芳香環呼吸帶，經過圖譜比對為聚（對苯二甲酸乙二醇酯）（PET）。第1層的PET是貼片的釋放襯裡，旨在保護粘合劑和藥物。 這是在使用前直接去除的材料。 在第6層中，PET在佩戴貼片時保護內部層免受損壞。 非常窄的粉紅色層2含有PET/聚異丁烯（PIB）混合物，是粘合劑層。 該層的拉曼光譜包括來自PET和PIB的振動光譜特徵，並在影像中使用以前觀察到的純PIB的1238 cm^-1的波段進行陰影。10藍色層3和5是聚乙烯（PE）。 這種微孔材料可以用作活性成分的控制釋放劑。 來自這些區域的光譜包含1296 cm^-1的標誌性CH2扭曲振動訊號，這是PE.11的特徵。最後，在第4層中，使用1047 cm^-1的模式識別出綠色陰影的尼古丁，這歸因於生物鹼中吡啶環的平面內變形振動模式。

圖5。 透皮尼古丁貼片中聚合物和活性成分層的3D拉曼成像。

多晶型鑑別

在製藥行業，藥物製造技術非常複雜，對最終產品的安全性和有效性具有相當程度的影響。 在這個過程中可能出現的一個現象是多晶係，即同一藥物化合物由不同晶體結構組成。透過對配方中晶體結構多重性的瞭解和控制，活性成分的有效性可以最佳化。

卡馬西平（CBZ）或5H-二苯氮卓-5-卡氧胺是一種抗驚厥藥物，用於治療癲癇，並作為治療精神分裂症和雙相情感障礙的輔助藥物。 CBZ有五種多晶系結構，每種結構都有不同的溶解率和生物可利用性。商業CBZ具有ρ-單斜晶結構，通常被稱為CBZ III，是室溫下熱力學最穩定的形式。 另一種多型性形式是CBZ I，它具有三晶狀晶體結構，圖6a。 CBZ III可以透過加熱將其轉換為CBZ I。

使用拉曼光譜法分析了CBZ III和CBZ I的晶體，並檢測到其光譜的細微差異，圖6b-d。 在圖6b中的低波數區域，對應於晶格中的分子間聲子模式，可以看到明顯的光譜差異。 這個區域的振動指紋不同，因為CBZ分子在兩個晶體結構中採用不同的包覆方向。 參考文獻指出，CBZ III和CBZ I在108 cm^-1和120 cm^-1處突出顯示的波段是由於晶格振動期間初級醯胺和芳香基團之間的σ-π背鍵的變化。在圖6c中，檢測到兩個多晶系在1027 cm^-1和1046 cm^-1的峰值反轉，這些波段可以分配給芳香族C-H基團的平面內彎曲振動。在圖6d中也可以看到3045 cm^-1和3070 cm^-1之間的變化，對應於同一C-H基團的拉伸振動。 當CBZ分子的包覆方向在多晶系相變中發生變化時，這些振動的能量會發生變化。

圖6。 利用拉曼光譜分析對CBZ III和CBZ I進行區分。

 

結論與重點回顧

在本應用說明中，我們展示了使用拉曼顯微鏡對各種藥品劑型的詳細化學分析。 Raman是一種高度通用的技術，可廣泛用於製藥應用。

 

• 製藥行業在產品開發過程的許多階段都需要可靠的分析技術。
• 由於具有高度的結構分辨性、即時進行快速化學分析的能力和儀器的多功能性，拉曼光譜分析在製藥應用越來越受歡迎。
• 此篇文章說明了在RM5和RMS1000共聚焦拉曼顯微鏡上進行的拉曼顯微鏡如何用於藥物分析。

 

References

1. E. L. Crowell et al., High-pressure of acetylsalicylic acid (aspirin): Raman spectroscopy, J. Mol. Struct., 2015, 1082, 29-37.
2. C. Shende et al., Drug Stability Analysis by Raman Spectroscopy, Pharmaceutics, 2014, 6, 651-662.
3. M. Baranska et al., Raman mapping of caffeine alkaloid, Vib. Spectrosc., 2008, 48, 153-157.
4. H. R. H. Ali, Vibrational spectroscopic study of fluticasone propionate, Spectrochem. Acta A, 2009, 72, 244-247.
5. N. Atykyan et al., Raman and FT-IR Spectroscopy investigation of the cellulose structural differences from bacteria Gluconacetobacter sucrofermentans during the different regimes of cultivation on a molasses media, AMB Express, 2020, 10.
6. L. E. Jamieson et al., Ratiometric analysis using Raman spectroscopy as a powerful predictor of structural properties of fatty acids, Roy. Soc. Open Sci., 2018, 5, 181483.
7. T. Sugiyama et al., Label-free Raman mapping of saturated and unsaturated fatty acid uptake, storage, and return towards baseline levels in macrophages, Analyst, 2021, 146, 1268-1280.
8. Z. Osborne et al., An experimentally calibrated thermobarimetric solubility model for titanium in coesite (TitaniC), Contrib. Mineral. Petr., 2019, 174.
9.  E. Rebollar et al., Physicochemical modifications accompanying UV laser induced surface structures on poly(ethylene terephthalate) and their effect on adhesion of mesenchymal cells, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 17551-17559.
10. A. C. De Luca et al., Diffusion in Polymer Blends by Raman Microscopy, Macromolecules, 2008, 41, 5512-5514.
11. A. Kotula et al., The rheo-Raman microscope: Simultaneous chemical, conformational, mechanical, and microstructural measures of soft materials, Rev. Sci. Instrum., 2016, 87, 105105.
12.  D. Chistyakov et al., The Polymorphism of Drugs: New Approaches to the Synthesis of Nanostructured Polymorphs, Pharmaceutics, 2020, 12, 34.
13. S. Fateixa et al., Carbamazepine polymorphism: A re-visitation using Raman imaging, Int. J. Pharm., 2022, 617, 121632.
14. P. J. Larkin et al., Polymorph Characterization of Active Pharmaceutical Ingredients (APIs) Using Low-Frequency Raman Spectroscopy, Appl. Spectrosc., 2014, 68, 758-776.
15. L. E. O’Brien et al., Use of in situ FT-Raman to study the kinetics of the transformation of carbamazepine polymorphs, J. Pharm., Biomed. Anal., 2004, 36, 335-340.