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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2020-10-19 11:49
原料藥的粒徑及粒徑分布對(duì)制劑的加工性能、穩(wěn)定性和生物利用度等有重要影響。本文總結(jié)了粒徑表征的基本概念，及常見測(cè)量手段（篩分、激光散射、圖像法和沉降法）的原理、優(yōu)劣和注意事項(xiàng)。
1、粒徑的表征方式
對(duì)于球形物體，通過(guò)直徑很容易確定其大??；但對(duì)于立方體，則需要更多的參數(shù)，如長(zhǎng)寬高；而對(duì)于形狀更為復(fù)雜的顆粒體，恐怕沒有足夠的參數(shù)準(zhǔn)確描述其大小。但在實(shí)際應(yīng)用中，只要能夠描述其相對(duì)大小，指導(dǎo)意義就很大了。為了采用簡(jiǎn)單的參數(shù)直觀描述顆粒的大小，往往采取等效球體的直徑來(lái)描述顆粒的大小。這種等效的基礎(chǔ)常常是表面積、體積或者投影面積，分別被稱為表面積徑、體積徑或投影徑等。此外，還可以等效為具有相同沉降速度的球形粒子，稱為斯托克徑。我們通過(guò)各種檢測(cè)方法獲得的測(cè)量值一般都是理論等效值。不同原理的粒度檢測(cè)設(shè)備的使用的等效物理參量不同，在檢測(cè)同一個(gè)不規(guī)則顆粒時(shí)，得到的測(cè)試結(jié)果是不相同的，因此將不同測(cè)試方法的結(jié)果進(jìn)行比較，可能無(wú)法得出具有實(shí)際意義的結(jié)論。
粉體作為一堆粒子的集合，不同的粒子顆粒大小可能不同，表示粉體粒徑的大小可以采用平均粒徑。計(jì)算每一個(gè)顆粒的某一等效粒徑，然后采用粒子數(shù)目、長(zhǎng)度、表面積或粒子體積等參數(shù)作為權(quán)重計(jì)算平均粒徑，從而得到不同的平均等效粒徑。其中在藥學(xué)中較為重要的平均徑包括表面積加權(quán)平均粒徑（該值與表面積成負(fù)相關(guān)）和體積加權(quán)平均粒徑。
平均粒徑無(wú)法描述各個(gè)顆粒的粒徑情況。當(dāng)就某一粒徑范圍的粒子數(shù)或粒子重量對(duì)粒徑范圍或平均粒徑作圖，就得到所謂的頻率分布曲線，其可以直觀的表示粒徑分布。另一種表示分布的方式是將超過(guò)或低于某一粒徑的累積百分?jǐn)?shù)對(duì)粒徑作圖，得到的曲線往往為S形。在實(shí)踐中，粒徑分布對(duì)API性質(zhì)的影響可能超過(guò)平均粒徑，應(yīng)當(dāng)給以充分的重視。
2、粒徑及粒徑分布的測(cè)量
粒徑及其分布的測(cè)定基于不同的原理有多種測(cè)定方法。在中國(guó)藥典和日本藥典中描述了顯微法（即本文的“圖像法”）、篩分法和激光散射法。美國(guó)藥典也對(duì)對(duì)篩分和激光散射法進(jìn)行了描述。除上述三種藥典方法外，沉降法也可用于粒徑的表征。下面就對(duì)這些方法的特點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。
（1）篩分
最簡(jiǎn)單衡量粒徑的方法，就是其是否能夠通過(guò)某一直徑的孔，這就是所謂的“過(guò)篩”。篩網(wǎng)大小的單位稱為“目”，表示每英寸孔眼數(shù)目。在篩網(wǎng)的目數(shù)前加正負(fù)號(hào)則表示能否漏過(guò)該目數(shù)的網(wǎng)孔，負(fù)數(shù)表示能漏過(guò)該目數(shù)的網(wǎng)孔，即顆粒尺寸小于網(wǎng)孔尺寸；而正數(shù)表示不能漏過(guò)該目數(shù)的網(wǎng)孔，即顆粒尺寸大于網(wǎng)孔尺寸。采用篩網(wǎng)作為工具進(jìn)行粒徑表征，其孔徑大小必然是重要參數(shù)。但很遺憾的是，對(duì)于篩網(wǎng)孔徑的大小未能形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同國(guó)家有不同的標(biāo)準(zhǔn)。常見的標(biāo)準(zhǔn)下的篩網(wǎng)編號(hào)和孔徑大小見表1。
表1. 標(biāo)準(zhǔn)篩孔徑大小
選擇一系列不同篩孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)篩， 按照孔徑從小到大依次摞起，在最大孔徑的篩網(wǎng)中加入樣品，震動(dòng)篩網(wǎng)，通常是由于重力的作用，顆粒中不同粒徑范圍的粒子會(huì)分布在不同的篩網(wǎng)中，測(cè)定各個(gè)篩網(wǎng)中顆粒的含量，從而得到粒徑分布。對(duì)于篩分法測(cè)定粒徑分布，中國(guó)藥典、美國(guó)藥典和日本藥典都做了較為詳盡的描述。
篩分原理簡(jiǎn)單、直觀，操作方便，易于實(shí)現(xiàn)。但是正是由于其簡(jiǎn)單性，其在樣品用量、準(zhǔn)確度和重復(fù)性等方面也有較大的缺點(diǎn)。一般而言，篩分法的物料用量為25g~100g，物料用量相對(duì)較大；由于篩網(wǎng)本身的區(qū)分力有限，一般僅適用于粒徑大于75μm（粉體中80%的粒子的粒徑大于75μm）的顆粒；篩分測(cè)量的精度受制于篩網(wǎng)劃分的層數(shù)，同時(shí)極易受到顆粒形狀、靜電、測(cè)試條件、測(cè)試環(huán)境等因素的影響，從而造成較大的誤差，因此需要特別注意觀察篩分過(guò)程中的現(xiàn)象，如顆粒是否吸潮，顆粒是否在震蕩過(guò)程中聚集，篩網(wǎng)在震蕩過(guò)程中是否被堵塞等，并針對(duì)性解決這些問(wèn)題，可以有效提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確度；此外，采用符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、性能穩(wěn)定的機(jī)械設(shè)備，對(duì)保證測(cè)量的重復(fù)性也有重要幫助；最后，值得特別注意的一點(diǎn)是關(guān)于篩網(wǎng)本身的精度問(wèn)題。由于廠家制造能力或篩網(wǎng)的制造原理的不同等因素，不同的篩網(wǎng)可能本身就存在差距；使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者不當(dāng)使用等原因也可能造成篩網(wǎng)精度的下降。不同的篩網(wǎng)可能與其標(biāo)識(shí)的目數(shù)有差距，或者孔徑的均一性已經(jīng)達(dá)不到使用要求，從而造成篩分的準(zhǔn)確度下降。擬將篩分作為質(zhì)控手段時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意對(duì)篩網(wǎng)的校驗(yàn)。最后，應(yīng)特別注意測(cè)量的重復(fù)性，中國(guó)藥典做出了較為具體的規(guī)定，即“連續(xù)兩次篩分，各個(gè)藥篩上遺留的顆粒及粉末重量的差異不超過(guò)前次遺留顆粒及粉末重量的5%或兩次重量的差值不大于0.1g；若某一藥篩上遺留顆粒及粉末的重量小于供試品取樣量的5%，則該藥篩連續(xù)兩次的重量差異應(yīng)不超過(guò)20%”。
篩分除了作為一種測(cè)試手段，本身也可以作為一種粒徑控制手段。例如在制粒后獲取某一粒徑范圍內(nèi)的粒子，用于后續(xù)工藝或質(zhì)量研究，從而更清楚地獲取粒徑和后續(xù)結(jié)果的相關(guān)性。對(duì)于越來(lái)越追求API微粉化甚至納米化的今天，篩分在API粒徑分布的測(cè)量中的應(yīng)用可能會(huì)受到更多限制，但在大顆粒的粒度控制和表征方面仍有不可替代的作用。
（2）激光散射法
應(yīng)用激光粒度儀測(cè)定粒徑，樣品用量小、測(cè)定方便、快速、重現(xiàn)性較高，在工業(yè)界的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。激光粒度儀測(cè)量方法的理論依據(jù)是Fraunhofer 衍射理論和米氏光散射理論，這兩個(gè)理論在測(cè)量不同粒徑大小的粒子時(shí)，有不同的適用性。
圖1. 激光粒度儀設(shè)備圖
如圖1所示，粉體分散在空氣流或液體介質(zhì)中，激光束照射在分散的粉體上，發(fā)生衍射和散射，從而產(chǎn)生光強(qiáng)的空間分布變化， 光信號(hào)被光電探測(cè)器器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。激光粒度儀接收到的散射光是許多顆粒的散射光的集合。很顯然，如果我們知道粒徑分布，可以很容易得出其散射光的結(jié)果，但是從散射光集合出發(fā)得出粒徑分布，則有多種可能。計(jì)算機(jī)采用“數(shù)學(xué)反演”的方式擬合出與實(shí)測(cè)光強(qiáng)最為接近的粒徑分布情況，而這種擬合總是可能與實(shí)測(cè)的散射光信號(hào)存在差異，因此解讀數(shù)據(jù)質(zhì)量則是這種測(cè)定方式的重要工作，同時(shí)需要優(yōu)化調(diào)整儀器參數(shù)，使得測(cè)量者更接近于真實(shí)值。目前最為常見的激光粒度儀是Malvern Mastersizer，其測(cè)得的粒徑一般為體積分布。其測(cè)量方式有干法和濕法兩種模式，即粉體分散在空氣流或液體中，其測(cè)定下限通常為200nm和20nm。
在激光粒度儀的報(bào)告中，常常采用以下值對(duì)粒徑結(jié)果進(jìn)行描述：
激光粒度儀也存在一定的缺點(diǎn)。首先從樣品量來(lái)講，所需的樣品量一般少于1g，這是其測(cè)試的優(yōu)勢(shì)，但在在實(shí)踐中，API的量可能達(dá)到公斤級(jí)別，如何取樣，才能使如此小的量代表整個(gè)批量的真實(shí)分布情況，這是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。在實(shí)踐中，可以借鑒混合過(guò)程中旋轉(zhuǎn)取樣和特殊的取樣器，可能可以減小取樣帶來(lái)的誤差。但是隨著API的粒徑減小，流動(dòng)性進(jìn)一步減小，大批量粉體本身的均勻度就很差，取樣帶來(lái)的差異可能難以避免。其次，激光散射法測(cè)量粒徑，一般需要設(shè)置粉體的折射率、吸收率的參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)置極大地影響粒徑測(cè)定結(jié)果的可靠性。但是獲取粉體樣品的折射率等參數(shù)往往并不容易，若所測(cè)得粉體是混合物，那么情況會(huì)更為復(fù)雜。在實(shí)踐中，測(cè)量API粒徑時(shí)，并沒有提供準(zhǔn)確的參數(shù)。更通常的做法是根據(jù)測(cè)試者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定通用參數(shù)。判斷在這些參數(shù)下的數(shù)據(jù)結(jié)果是否接近真實(shí)情況，則是較大的挑戰(zhàn)。因此，一個(gè)擁有豐富測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)解讀能力的分析人員似乎會(huì)有很大的幫助。此外，從其測(cè)試方法的角度講，測(cè)試結(jié)果的粒徑分布是從散射的綜合結(jié)果“數(shù)學(xué)反演”得到的，其結(jié)果明確指向球形顆粒的粒徑，而大多數(shù)情況下，API的并非如此。最后，需要關(guān)注激光粒度儀測(cè)量本身的平行性問(wèn)題。通常認(rèn)為采用激光粒度儀的測(cè)量具有很好的重復(fù)性，但這種重復(fù)性體現(xiàn)在具體測(cè)量數(shù)值上，可能產(chǎn)生多大的偏差呢？由于儀器的性能不同，所測(cè)粉體的性質(zhì)不同，兩次平行測(cè)量中可能產(chǎn)生的誤差可能不同。確定可接受的平行測(cè)定誤差，是方法學(xué)驗(yàn)證中內(nèi)容，即通過(guò)對(duì)同一均勻粉體多次測(cè)量，根據(jù)結(jié)果來(lái)確定偏差限度。但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，特別是在研究的前期，很少能夠完成方法學(xué)驗(yàn)證。中國(guó)藥典在介紹光散射法的儀器一般要求時(shí)，詳細(xì)述采用“標(biāo)準(zhǔn)粒子”評(píng)價(jià)儀器的結(jié)果的接受指標(biāo)。其中指出，Dv（50）平行測(cè)定的RSD不得超過(guò)3%，Dv（90）和Dv（10）的平行測(cè)定RSD不得超過(guò)5%；而對(duì)于粒徑小于10μm的粒子，Dv（50）平行測(cè)定的RSD不得超過(guò)6%，Dv（90）和Dv（10）的平行測(cè)定RSD不得超過(guò)10%。筆者認(rèn)為這可以作為測(cè)量平行性的最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于實(shí)際測(cè)量樣品還可適當(dāng)放寬。
（3）圖像分析
一般通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)顆粒進(jìn)行直接觀察結(jié)果更為直觀，可以應(yīng)用普通的顯微鏡測(cè)量0.2~100μm的粒徑。更小的粒徑也可以通過(guò)更為精密的儀器如掃描電鏡等方式進(jìn)行觀察。這些測(cè)量一般是對(duì)平面進(jìn)行的觀察，即觀察顆粒在平面的投影。應(yīng)用原子力顯微鏡等手段也可以用來(lái)觀察縱向的尺寸。這種直觀的測(cè)量方式可能得到更為精準(zhǔn)的與尺寸相關(guān)的信息，例如顆粒的形態(tài)，形態(tài)在某些時(shí)候?qū)︻w粒的性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生重大影響。
此外，顆粒往往不是球形，并且多不規(guī)則，因此難以采用統(tǒng)一的方法測(cè)定粒徑。一個(gè)較好的做法是，通過(guò)計(jì)算投影面積，轉(zhuǎn)換為面積等效圓的直徑。對(duì)粒徑進(jìn)行定量，往往需要借助于圖形，即對(duì)圖像中的顆粒的投影進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)比例尺進(jìn)行轉(zhuǎn)化，很多圖像分析軟件都可以實(shí)現(xiàn)這些功能。
為了更好地評(píng)估顆粒的粒徑分布，必須計(jì)算較大量的粒子尺寸（通常為300~500個(gè)），這使得該方法極為繁瑣。但借助于圖形統(tǒng)計(jì)分析軟件，如Image Pro Plus（IPP）等，可以快速的對(duì)圖像中顆粒的尺寸進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。能夠用于軟件分析的圖像對(duì)質(zhì)量要求較高，一般要求顆粒顏色深度與背景有明顯的區(qū)別，顆粒不能粘連重疊，不能有其他物質(zhì)干擾（如氣泡）等。
（4）沉降法
采用沉降法測(cè)定粒子的粒徑與懸浮介質(zhì)中粒子的沉降速率有關(guān)，應(yīng)用的是Stokes定律，即對(duì)于特定的懸浮介質(zhì)，粒子在介質(zhì)中的沉降速率僅僅與基于沉降速率的粒子的平均粒徑有關(guān)（流體力學(xué)體積）。該定律適用于各種大型不規(guī)則形狀的粒子，但所測(cè)得粒徑及分布只能看做是相當(dāng)于球形的當(dāng)量半徑及分布。
需要注意的是，分散在介質(zhì)中的粒子不能聚集，聚集體相當(dāng)于粒徑增大，沉降速率加快，因此需要選擇合適測(cè)量介質(zhì)和合適的去絮凝劑，以保證粒子在介質(zhì)中分離和分散，如以水為介質(zhì)時(shí)，常加入0.2%的六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉或亞甲基雙萘磺酸鈉等。
此外，粒子在測(cè)量過(guò)程中，周圍的分散介質(zhì)必須處于層流狀態(tài)，因此沉降速率不能很快，避免產(chǎn)生湍流，一般認(rèn)為當(dāng)雷諾數(shù)（Re）大于0.2時(shí)會(huì)出現(xiàn)湍流。根據(jù)雷諾數(shù)和Stokes定律可以得出，在給定密度和黏度條件下，應(yīng)用Stokes定律能夠測(cè)得的最大粒徑（見下列公式）。
（其中ρs為粒子的密度，ρ0為介質(zhì)的密度，g為重力加速度，η為分散介質(zhì)的粘度，Re為雷諾數(shù)）
由上述公式可以看出，為了避免出現(xiàn)湍流，應(yīng)當(dāng)注意分散介質(zhì)的粘度和密度。一般而言，對(duì)于密度較小的細(xì)粒子，分散介質(zhì)可以選擇水或甲醇等黏度較小的液體，對(duì)于密度大的粗粒子，可以選用正丁醇或豆油等黏度較大的液體。
Stokes等效粒徑是對(duì)粒子的流體力學(xué)性質(zhì)的直接表征，因而對(duì)懸浮劑和乳劑有重要意義。
3、總結(jié)
圖2.不同粒徑測(cè)量方式的粒徑測(cè)量范圍
不同的粒徑測(cè)定方式，能夠表征的粒徑范圍不同，從圖2中可以看出，激光粒度儀測(cè)得的粒徑范圍最為廣闊。此外，不同的粒徑測(cè)量方式原理不同，因此測(cè)得粒徑及粒徑分布數(shù)值所代表的物理意義也各不相同，將不同方法測(cè)得粒徑結(jié)果進(jìn)行比較，可能沒有物理意義，甚至在很多情況下，同一種測(cè)量方式下，將不同的物料的粒徑測(cè)定結(jié)果做簡(jiǎn)單比較也沒有實(shí)際應(yīng)用意義。明確粒徑測(cè)定的原理，對(duì)判斷粒徑測(cè)定結(jié)果質(zhì)量的分析以及對(duì)粒徑數(shù)據(jù)的解讀有重要幫助。此外，關(guān)于粒徑的表征參數(shù)很多，粉體或者最終制劑的成品的某些性質(zhì)可能僅對(duì)某些粒徑指標(biāo)相關(guān)，如制劑的溶出可能與Dv（90）可能更為相關(guān)，懸浮液的穩(wěn)定性可能用Stokes等效粒徑進(jìn)行評(píng)價(jià)可能更有相關(guān)性。從基本原理出發(fā)，“自下而上”地探求性質(zhì)與結(jié)果的關(guān)聯(lián)，使探索更有方向性，可能對(duì)把握關(guān)鍵因素更有幫助。
（本文為筆者的讀書筆記，難免有疏漏錯(cuò)誤之處，請(qǐng)讀者諒解并不吝指正）
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學(xué)術(shù)干貨丨教你用Image Pro Plus統(tǒng)計(jì)分析粒徑，http://www.cailiaoniu.com/56881.html；
沉降法測(cè)定粒度分布，https://max.book118.com/html/2017/0622/117227278.shtm。
來(lái)源：藥事縱橫
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