美研| CMC系列(十三)：X射线粉末衍射法在药物晶型定性剖析中的应用

开篇小序

药物固态表征要领有许多，，，，X射线粉末衍射（XRPD）、热重剖析（TGA）、差示扫描量热（DSC）、红外（IR）、拉曼（Raman）、固态核磁（ssNMR）、动态水分吸附（DVS）、热台显微镜、扫描电镜（SEM）、偏振鲜明微镜（PLM）。。。。。。其中，，，，XRPD依附快速、直观、样品用量少，，，，样品不被破损可接纳的优点，，，，已成为药物晶型研究的首选表征要领及金标准，，，，普遍用于药物固态的定性和定量等研究，，，，贯串药物固态研究的各个阶段。。。。。。

FDA Guidance: X-ray powder diffraction can also be used to provide unequivocal proof of polymorphism.

i. 《中国药典》2020年版第四部0451专门叙述了药品研究中X射线衍射法的应用；；；；；；9015则指明晰药品晶型研究及晶型质量控制。。。。。。
ii. 美国药典（USP）941章节先容了有关Characterization of Crystalline and Partially Crystalline Solids by X-Ray Powder Diffraction (XRPD)。。。。。。
iii. 欧洲药典（EP 10.8）在《5.9 Polymorphism》和《5.16 Crystallinity》中对晶型界说剖析了XRPD用于药物晶型表征。。。。。。
iv. 日本药典（JP XVII）中收录了晶型形貌以及XRPD表征要领。。。。。。

01 X射线衍射法和原理

X射线衍射法（XRPD, X-ray powder diffraction）是一种使用单色X射线光束照射到被测样品上，，，，检测样品的三维立体结构（含手性、晶型、结晶水或结晶溶剂）或因素（主因素及杂质因素、晶型种类及含量）的剖析要领。。。。。。其原理是：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爆发相互作用。。。。。。当X射线照射原子排列纪律差别的固体时，，，，会爆发差别的衍射图谱。。。。。。因此，，，，差别晶型的XRPD谱图往往差别很大，，，，具有指纹属性，，，，易于区分，，，，如图1所示。。。。。。

图1. 几何丈量原理图

02 X射线粉末衍射（XRPD）图的组成

X射线粉末衍射图是化合物结构参数间接信息，，，，转变万千，，，，随物质结构差别而异。。。。。。那么，，，，该怎样解读衍射图？？？
？

组成X射线粉末衍射图的三要素为：峰位、峰强、峰形（线形）。。。。。。衍射峰强受晶体结构、样品特征（择优取向、吸收、孔隙率）和仪器参数影响。。。。。。晶型是由化合物的晶胞参数（a,b,c,a,β,γ）界说的，，，，而晶胞参数（a,b,c,a,β,γ）影响的是衍射峰的峰位置。。。。。。其他检测指标如峰强度，，，，则由原子参数决议，，，，并受到择优取向的影响。。。。。。

因此，，，，判断晶型一致性时，，，，取决于药物晶型衍射峰的位置，，，，而不是衍射峰的强度或强弱顺序。。。。。。

03 X射线粉末衍射（XRPD）的应用

1、区分晶态物质和非晶态物质（无定型）

中国药典2020版0451指出，，，，晶态物质的粉末X射线粉末衍射峰是由数十以致上百个锐峰（窄峰）组成；；；；；；而非晶态物质的粉末X射线粉末衍射峰的数目较少且呈弥散状（为宽峰或馒头峰），，，，如图2所示。。。。。。

图2.某一化合物结晶态和无定型的XRPD比照图

2、判别多晶型

当某一化合物有两种或两种以上的差别固体物质状态时，，，，即保存有多晶型（或称为同质异晶）征象。。。。。。

多晶型征象可以由样品的分子构象、分子排列纪律、分子作用力等转变引起，，，，也可由结晶水或结晶溶剂的加人（数目与种类）形成。。。。。。差别晶型的XRPD图在衍射峰数目、衍射峰位置、衍射峰强度以及衍射峰的形状上展现出差别。。。。。。

化合物的每一种晶型都会爆发一种特有的X射线粉末衍射图，，，，XRPD图可以作为晶体的指纹图谱，，，，用于判断区分差别晶型，，，，如图3所示。。。。。。

图3. 某一化合物差别晶型的XRPD比照图

3、评估物质的结晶度

当化合物结晶状态较量好、结晶度较量高时，，，，XRPD图基线水平，，，，峰形尖锐。。。。。。反之，，，，结晶度低时，，，，基线不水平，，，，泛起漫散包，，，，峰不尖锐，，，，峰形宽化。。。。。。

结晶度用来体现物相中结晶态物质所占的比例，，，，统一种晶型，，，，一样平常结晶度越高，，，，熔点越高，，，，如图4所示。。。。。。

图4.统一晶型差别结晶度的XRPD比照图

04 XRPD在晶型判别方面常见的问题

大都情形下，，，，晶型的判断并不难题。。。。。。只要其XRPD谱图一致（所有的衍射峰位置一致），，，，就可以判断为统一晶型。。。。。。可是在现实晶型判别中，，，，我们也会经常遇到以下问题：

i：简单晶型照旧混晶？？？
？
ii：相似的XRPD图，，，，晶型是否一致？？？
？
iii：XRPD多峰或者少峰，，，，晶型该怎样判断？？？
？
iv：XRPD峰偏移，，，，晶型该怎样判断？？？
？
v：XRPD峰分叉晶型又该怎样决议？？？
？

1、作育单晶，，，，通过和单晶模拟的粉末衍射图比对

单晶是判断晶型是否为简单晶型最直接的要领。。。。。。通过作育目的晶型的单晶，，，，然后通过单晶数据模拟XRPD谱图，，，，与实测XRPD谱图举行比照。。。。。。若是一致，，，，则说明是简单晶型，，，，如图5所示。。。。。。

图5. 某化合物单晶模拟和实测的XRPD比照图

2、通过差别的结晶方法，，，，获得多批次样品的XRPD

若多批次重结晶实验（接纳差别的结晶方法，，，，差别的溶剂系统）获得样品的XRPD图一致，，，，那么就可以以为是简单晶型，，，，如图6所示。。。。。。

图6.某化合物差别结晶方法获得的XRPD比照图

3、连系差别表征手艺举行周全的表征

DSC等辅助手段也可以用于是否简单晶型的判断。。。。。。若是是简单晶型，，，，那应该有简单的熔化峰。。。。。。若是DSC检测有两个或者多个熔化峰，，，，则有可能是混晶。。。。。。NMR、TGA、KF等则可以对水合物、溶剂化物的情形举行判断。。。。。。

4、晶型标准谱图比照

和比照品XRPD图比照，，，，和专利文献报道的XRPD谱图比照，，，，以确定目今制备的晶型是混晶照旧简单晶型。。。。。。

同种物质（简单因素或者包括溶剂）的差别晶型可能晶体结构相似。。。。。。好比无水物和水合物之间，，，，差别含水量的水合物之间，，，，无水物和溶剂合物之间，，，，水合物和溶剂合物之间，，，，差别的溶剂合物之间就可能晶型结构相似，，，，简称isostructural。。。。。。

别的，，，，差别物质着实也可能具有相似的结构（即相似的XRPD图），，，，好比氘代和非氘代化合物，，，，异构体。。。。。。关于这些情形，，，，仅从XRPD图谱是很难判断的。。。。。。需要连系项目配景信息，，，，好比合成工艺，，，，结晶工艺、化合物的多晶型情形，，，，还需要连系其它表征手段综合剖析，，，，才华获得客观科学的结论，，，，如图7-图9所示。。。。。。

图7.氘代和非氘代的XRPD比照图

图8.对映异构体（苹果酸）的XRPD比照图

图9.某新药差别溶剂合物的XRPD比照图

在举行晶型一致性判断时，，，，少峰的情形（与标准品比照）相对问题较小，，，，可以以为是该批次样品可能由于结晶情形与以往批次差别，，，，导致某个或者某些晶面结晶度较量低，，，，因而没有出峰。。。。。。较量难判断的是XRPD谱图多峰的情形，，，，泛起多峰的情形，，，，一定要引起重视。。。。。。

择优取向常爆发在片状和针状晶体。。。。。。较量极端的情形，，，，某些较量弱的衍射峰会消逝，，，，但对其研磨后衍射峰会泛起。。。。。。无论是片状晶体照旧针状晶体，，，，在研磨后，，，，样品的形貌会趋向于不规则和随机的漫衍，，，，此时每个晶面袒露在X射线下的概率也会趋向于一致，，，，以是XRPD衍射峰就没有显着的择优取向。。。。。。虽然，，，，研磨有可能会导致样品结晶度下降，，，，甚至变为无定形，，，，以是研磨时要注重研磨的强度和时间，，，，如图10-图13所示。。。。。。

图10.混晶引起的XRPD多峰图

图11.外来物引起的XRPD多峰图

图12.溶剂引起的XRPD多峰图

图13.择优取向引起的XRPD多峰图

峰偏移经常爆发在水合物脱水前后或者样品热处置惩罚前后的XRPD图上。。。。。。非化学计量比水合物与对应的无水晶型具有相似的晶体结构，，，，只有少数衍射峰有差别。。。。。。脱水后，，，，晶格缩短，，，，晶面间距减小，，，，导致衍射峰右移。。。。。。

同样，，，，温度关于XRPD的位置也有影响。。。。。。热胀冷缩是一个物质的基本属性，，，，同样适用于晶体。。。。。。凭证布拉格公式2d sin θ=n λ，，，，温度升高，，，，晶体膨胀，，，，在波长稳固的情形下，，，，晶面间距d值增大，，，，必定使sin θ 变小，，，，即峰位左移。。。。。。

另外，，，，样品受到挤压，，，，爆发匀称的颗粒应变，，，，好比压片，，，，亦可能导致峰位右移。。。。。。详细如图14和图15所示。。。。。。

图14.水合物脱水引起的XRPD峰偏移图

图15.受热和应力保存引起的XRPD峰偏移图

在XRPD谱图剖析时，，，，若是遇到峰裂分等情形时，，，，可能是颗粒外貌粗糙度、颗粒太大、晶体结构缺陷等因素引起，，，，研磨再测试可以解决大部分的问题。。。。。。详细如图16所示。。。。。。

图16.氯化钠差别颗粒巨细引起的XRPD峰分叉图

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[1] 《中国药典》(2020年版)中0451 X射线衍射法
[2] ?941? CHARACTERIZATION OF CRYSTALLINE AND PARTIALLY CRYSTALLINE SOLIDS BY X-RAY POWDER DIFFRACTION (XRPD).
[3] PECHARSKY V K, ZAVALIJ P Y. Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Character of Materials [M]. Spring-er, 2005:161.

美研|CMC系列回首

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