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单颗粒技术SPOS与激光衍射技术的比较
2018-09-14
综述
片剂和悬浮剂等剂型中原料药的颗粒大小对制剂性质及安全性具有重要的影响。研究分别采用光阻法单颗粒光学传感技术及激光衍射法对模型原料药阿立哌唑粉末的粒度进行测定，对两种方法的测定结果进行比较分析。同时通过加入聚苯乙烯胶乳标准粒子对两种方法对尾端粒子的敏感度进行了考察比较。
结果表明SPOS测定结果的重现性良好，超过美国药典USP429的标准，而激光衍射法不能满足这一标准。与激光衍射法相比，SPOS技术对尾端粒子具有较高的灵敏度。SPOS技术十分有助于检测原料药样品中是否存在可能会导致含量均匀性问题和的大颗粒
关键词 单颗粒光学传感技术；激光衍射；粒度；原料药
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原料药（Active Pharmaceutical Ingredient, API）可以通过各种剂型进入患者体内，包括口服，吸入，注射，眼部给药、局域给药以及栓剂等。口服剂型包括片剂，溶液和悬浮剂。片剂和悬浮剂中的颗粒大小很重要，因其会对粉末流动，溶出速率1,2和含量均匀性3,4等特性产生较大影响。就含量均匀性而言，几个大颗粒就可能导致剂量超过安全限度从而对患者健康有害。
测量口服剂型原料药颗粒大小的技术很多，包括显微镜法，筛分法，激光衍射法和颗粒计数法。显微镜法是最直接的测量方法，并且可以显示颗粒的形状信息。筛分法测量粉末时通常用于测量较大粒径的粒子（>50 mm）。激光衍射法可能是最常用的技术，因为这种方法快速、可重复，且适用的粒径范围大。颗粒计数法具有更高的分辨率并且可以给出定量的浓度结果。
光阻法单颗粒光学传感技术（Single Particle Optical Sensing, SPOS）是一种高分辨率的颗粒计数和粒度分析仪。当悬浮液中的颗粒经过激光的光感区域，会相应产生光消减和/或光散射现象（原理如图1）。不同颗粒大小产生的不同程度光消减/光散射，再经过脉冲高度分析仪和校准曲线转化，产生的结果就是悬浮液中颗粒的浓度和粒径分布。
Figure 1 SPOS principle
图1 SPOS原理
激光衍射方法是一种常见的颗粒检测技术，在很多行业有着广泛的应用包括医药行业（原理如图2）5。从图2可以看出，在样品池（4）里的颗粒被一个或者多个激光（1）照射。激光和颗粒产生的散射信号被多个角度的探测器收集到（6,7）。
颗粒的粒径大小和光散射角度成反比例的关系；大的检测角度收集小粒径颗粒的散射信号，小的检测角度收集大粒径颗粒的散射信号。然后基于夫琅禾费或者米氏散射的理论将收集到的光信号转换成粒径的大小分布。基于米氏散射理论，可以在小于20μm的范围内得到准确的结果，但是需要知道分散相准确的折射率数值。
Figure 2: Laser diffraction principle 5
图2：激光衍射法原理5
本研究采用光阻法单颗粒技术与激光衍射方法分别测试悬浮在液体中的原料药粒径大小。同时在原料药的悬浮液中加入50μm的聚苯乙烯标准粒子，比较两种技术对于体系少数粒子的灵敏度。
1.仪器与试药
AccuSizer A7000光阻法单颗粒光学传感技术粒度仪（含LE-400传感器，动态粒径范围 0.5-400μm，美国PSS公司），Mastersizer激光衍射分析仪（含HydroS液体取样器，动态粒径范围0.2-2000μm，英国Malvern公司）
阿立哌唑原料药（粉体形式），辛基苯氧基聚（乙烯氧基）乙醇（Igepal CA-630，产品编号I3021，美国Sigma Aldrich公司），聚苯乙烯乳胶标准粒子（49.5 + 0.7 µm，产品编号：RA06B-N，美国Micro Measurement Laboratories 公司），聚苯乙烯乳胶标准粒子（49.5+ 0.8 µm，产品编号：44795，美国Thermo Fisher公司）
2.方法与结果
2.1 待测粒径样品的制备
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2.1.1 AccuSizer A7000单颗粒光学技术测量样品制备
称取0.05 g阿立哌唑原料药，放入250 mL烧杯中。于药物粉体表面滴3滴0.1%的辛基苯氧基聚（乙烯氧基）乙醇（Igepal CA-630）水溶液。加入150 mL去离子水。以探头超声超声60秒以使药物粉末分散均匀。
2.1.2 Mastersizer激光衍射分析仪样品制备
称取0.1 g阿立哌唑原料药，放入250 mL烧杯中。于药物粉体表面滴3滴0.1%的辛基苯氧基聚（乙烯氧基）乙醇（Igepal CA-630）水溶液。加入100 mL去离子水。以探头超声超声60秒以使药物粉末分散均匀。
两种方法的样品制备有一点不同，是因为SPOS技术可以比激光衍射方法有更低浓度检测下限。
2.2 使用AccuSizer A7000 SPOS法测量样品粒度分布
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对AccuSizer A7000粒度仪进行清洗，将背景计数减少至200个颗粒/ mL以下。仪器设置如下：样品量：100 μL；流速：60 ml/min；传感器模式：求和；大小阈值：0.56 μL；搅拌速度：60%；目标浓度：3500/mL；基线偏移量：0*；平衡体积：2 mL。
*基线偏移量为0，表示所有来自通道的数量都包含在计算结果之中。
具体测量方法如下：将烧杯放置于搅拌台上，使样品充分混合，以减少取样误差。将经过滤的去离子水通过传感器，直到浓度达到200个颗粒/ mL的背景计数为止。用吸管将100 μL样品吸取到AD采样器的60 mL搅拌碗中。样品经全自动单阶段加速稀释，直到溶液中颗粒浓度低于3500粒子/mL。于测量开始之前，以2 mL的样品平衡溶液通过传感器。样品测量时间为60秒。仪器进行自动清洗，直到背景计数再次达到目标值。
对样品测定四次的粒径分布如图3所示，D10，D50，D90及每次测定的平均粒径见表1。利用AccuSizer软件对结果进行计算，确定粒子直径大于特定值的每克小液滴中所含的颗粒数，结果见表2。
Figure 3 Overlay of size distributions tested by SPOS four times
图3 SPOS测定样品粒径四次结果曲线
Table 1 D10, D50, D90 and mean size of the sample by SPOS
表1 样品的D10，D50，D90及平均粒径
Table 2 Cumulative number of particles/gram above given size
表2 大于给定尺寸的每克液滴所含粒子数
2.3 使用Mastersizer激光衍射法测量样品粒度分布
Mastersizer激光衍射粒度仪的设置如下：分析模式：多个窄模式*；灵敏度：增强；粒子RI：1.590，0.01；分散剂RI：1.33**；采样时间：12秒；泵/搅拌速度：2500rpm；超声：关。
*这个模式对于多峰有可以提供更高的分辨率。这种方法很少被用于常规的粒径检测，但是对于检测50μm的标准粒子他是最好的选择。
**这些RI值产生的加权残差值最小，这是选定未知样品RI值（大多为原料药）推荐方法。
具体测量方法如下：将烧杯放置在搅拌台上，使样品不断混合，以减少取样误差。以去离子水进入系统循环同时光学部件进行自动校准，使背景计数在第20个检测器上低于20。将样品移液到HydroS取样器上，直到遮光范围达到10-15%。样品测试时间为12秒。冲洗采样器两次，使第20个检测器上的背景计数降低到20以下。
对样品测定三次的粒径分布如图4所示。D10，D50，D90及每次测定的平均粒径见表3。
Figure 4: Overlay of three laser diffraction results
图4：激光衍射结果叠加
Table 3 D10, D50, D90 and mean size of the sample by Mastersizer
表3 样品的D10，D50，D90及平均粒径
2.4 AccuSizer A7000 SPOS法和Mastersizer激光衍射法对尾端粒子的敏感度测试
2.4.1 AccuSizer A7000 SPOS法对尾端粒子的敏感度测试
于每100 μL原料药悬浮液中加入10 μL粒径为50 μm的聚苯乙烯胶乳（PSL）标准粒子，以测试除主要分布外仪器对尾端粒子分布的敏感度。SPOS法测定的结果如图5所示。
Figure 5 Volume distribution of sample added with PSL
图5 加入PSL后样品的体积分布图
将测试切换到1024个通道模式，自定义检测范围在45到55 μm之间，测试结果如图6所示。由图可知，SPOS法很明显的检测出了50 μm峰值。
Figure 6 Counts distribution of sample added with PSL
图6 加入PSL后样品的数量分布图
2.4.2 Mastersizer激光衍射法对尾端粒子的敏感度测试
于每100 μL原料药悬浮液中加入150 μL，1750 μL，250 μL的粒径为50 μm的聚苯乙烯胶乳（PSL）标准粒子，以测试除主要分布外仪器对尾端粒子分布的敏感度。当加入250 μL的50 μm标准粒子之后，Mastersizer激光衍射方法检测出了尾端粒子。Mastersizer激光衍射法测定结果如图7所示。
Figure 7: Spikes of 50μm PSL standard, volume distribution
图7：加入50μm标准粒子之后，激光衍射方法体积分布图
3 讨论
3.1 基本颗粒大小分析
3.1.1 跨度值（Span）的比较
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跨度值（Span）是粒径分布宽度非常常用的表征方式，它的定义如公式1：
跨度值（Span） = (D90 – D10)/ D50(公式 1)
AccuSizer 的跨度值（Span） = (18.752 – 4.893)/9.997 = 1.386
Mastersizer 的跨度值（Span） = (23.214 – 4.592)/10.896 = 1.709
基于AccSizer 单颗粒光学传感即使和激光衍射方法两种原理，得到粒径大小的数据基本是一致的。AccuSizer测量的结果的粒径分布相对于Mastersizer的结果更窄一些。跟AccuSizer的跨度值相比较，Mastersizer的值有23%的增加，因为SPOS技术相对激光衍射方法有更高的分辨率。单颗粒光学传感技术的结果是通过一个校准曲线，将颗粒的光信号转换成一个脉冲电压的信号得到的。因此每一个粒子对于最终的粒径分布报告的贡献是一样的，所以本质上来说产生的是一个无线分辨率的结果。
Mastersizer的结果是基于在一定测试时间里面，收集到粒子光散射信号的平均值的结果。这种基于数学统计模型运算的方法，对于粒径分布的分辨率本质是有限的。两种方法的分辨率的性质决定了激光衍射方法有一个更宽广的粒径分布，跟测试的结果是一致的，并且降低了其对外部尾端粒子的敏感度。
3.1.2 差异系数（COV）的比较
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从粒径测试的角度出发，测试结果的重复性和可再现性是非常重要的。根据美国药典USP429规定，用激光衍射法测量颗粒大小，一个样品重复测试三次，D50的差异系数COV不得大于10%，D10和D90的差异系数COV不得大于15%。差异系数COV的定义如公式2：
COV = (标准偏差 / 平均粒径) x 100 (公式2)
从实验结果（表1和表3）可以看出，SPOS测量结果的COV分别是D10 2.68%, D50 2.85% D90 1.93%，单颗粒光学传感技术SPOS测量的结果重复性是非常好的，远远的超过了USP429的要求。激光衍射方法测的数据的COV分别是D10 8.65%, D50 3.82%, D90 3.94%。从结果可以看出，SPOS技术相比较激光衍射方法在测试的过程中有更好的重复性。
3.2 对尾端粒子的敏感度
对于制剂生产所用的原料药而言，样品中细分的存在可能对药物特性产生的负面影响，尤其在粉末流动性或片剂的压缩度等方面。
相对于激光衍射法来说，SPOS技术具有分辨率更高，对尾端粒子更敏感的优点。之前的研究表明，通常来说，对尾端粒子的检测，SPOS比激光衍射敏感约600倍6,7。本研究的实验结果也表面，SPOS技术对尾端粒子具有较高的灵敏度。从实验结果可以看出，虽然激光衍射方法最后也分出第二个峰，但是他并不是像SPOS技术那样完全独立的分开。
因为激光衍射技术不能直接报告实际的浓度，无法对加入标准粒子的敏感性进行定量的分析，但是定性的结果显示SPOS技术比激光衍射技术对于加入第二组分的敏感度要高700倍。这个比较跟其他研究两种技术的区别的研究结果一致6,7。要注意的是，激光衍射方法的结果是通过高分辨率的多峰模式，而不是大多数客户使用的通用模式。因此，标准操作的分辨率实际可能更低。
4.结论
光阻法单颗粒光学传感技术SPOS用于测量颗粒大小具有高精确度，高分辨率的优点。与激光衍射法相比，SPOS的结果显示出了更准确的粒度分布，而非假性宽度分布。
此外，该技术对主要分布外的尾端粒子分布的检测也相当敏感。这对于检测样品中是否存在可能会导致含量均匀性问题的原料药大颗粒非常有帮助
参考文献
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[1] Hintz, R. Johnson, K. The effect of particle size distribution on dissolution rate and oral absorption [J]. International Journal of Pharmaceutics , 1989, 51(1): 9-17.
[2] Wang et al., Analysis of Diffusion-Controlled Dissolution from Polydisperse Collections of Drug Particles with an Assessed Mathematical Model [J]. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2015, 104: 2998–3017.
[3] Zhang, Y., Johnson, K., Effect of drug particle size on content uniformity of low-dose solid dosage forms [J]. International Journal of Pharmaceutics 1997, 154: 179-183.
[4] Yalkowsky, S.H., BoRon, S., Particle size and content uniformity [J]. Pharm. Res. 1990, 7: 962-966.
[5] Automated Microbial Identification and Quantitation: Technologies for the 2000s (book preview), section laser diffraction, edited von Wayne P. Olson and Laser Diffraction
[6]D.F. Driscoll et al., Physicochemical assessments of parenteral lipid emulsions: light obscuration versus laser diffraction [J]. International Journal of Pharmaceutics 2001, 219: 21–37.
[7] Nichols, K., et. al., Perturbation Detection Analysis: A Method for Comparing Instruments That Can Measure the Presence of Large Particles in CMP Slurry, report published by BOC Edwards, Chaska, MN
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