课堂笔记 | 关于X射线粉末衍射（XRPD）的那些事儿

2017年8月17-20日，药品国际注册专业能力培养项目（第二期）“模块四：仿制药的国际注册（2）——研发与生产”在北京顺利开课。该模块由4位行业专家带领大家围绕欧美法规和指南中对于药品研发生产的要求进行深入的学习与讨论。通过四天的系统学习，同学们学习了药品研发、生产、生物等效性的技术要求，从国际注册申报资料完整性的角度掌握了相应的研发技术要求，提升了药品研发过程中对于问题的分析力和决策力。

作者简介

雷伯开

上海博志研新药物技术有限公司研发中心副总经理

药品国际注册专业能力培养项目第二期企业学员

8月中旬的北京，凉风与艳阳的天气，正适宜读书学习。亦弘商学院药品国际注册专业能力培养项目（第二期）“仿制药的国际注册（2）：研发与生产”模块，崔勇博士在制剂处方前研究“原料药物理状态分析方法及质量标准”部分所讲授的X射线粉末衍射（XRPD）内容，对XRPD原理及其谱图解析进行了深入浅出的讲解，使自己终于能够清晰认识XRPD，有种豁然开朗的体验，特做简要总结，以飨各位同学。

一、XRPD概述

XRPD，即通常所说的X射线粉末衍射，在制药行业用于药物多晶型结构分析，可以区别药物不同晶型与无定型状态。典型XRPD图谱如下：

图1-典型XRPD图谱

说明：横坐标代表2θ角，纵坐标代表峰高或强度

晶型A的XRPD图谱峰形尖锐，表明A结晶度较高，检测分辨率高；而晶型B的峰形较钝，峰形宽，表明结晶存在缺陷，或是受样品的数量较少、粒径或晶癖等影响了峰形；无定型样品在XRPD图谱中不存在明显的尖峰，峰高低。解读图中3种典型XRPD图，可以对药物晶型进行定性分析。

二、衍射原理

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（diffraction of light）。光是一种电磁波；而X射线也是一种电磁波，其波长很小（约在0.001～100 nm）。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关，每种晶体所产生的衍射都反映出该晶体内部的原子分布规律。

X射线衍射的满足条件：布拉格方程 2dsinθ=nλ，其中，d为晶面间距，θ为入射线，反射线与反射晶面之间的夹角，λ为波长，n为反射级数，布拉格方程是X射线在晶体产生衍射时的必要条件，对于X射线衍射，当光程差等于波长的整数倍时，晶面的散射线将相长加强。如Cu射线照射氯化钠晶体时，仅在θ为15°和30°时能记录到衍射光。故用已知波长的X射线去照射未知结构的晶体，通过衍射角的测量，可以求得晶体中各晶面的间距d，从而揭示晶体的结构。另外，布拉格方程也意味着，采用不同波长的X射线时，所得的XRPD图谱将不同。

图2：X射线衍射满足条件

当特定波长入射光以特定角度照射（θ）到晶体时，不同晶面均发生光衍射，而只有光衍射过程中间距为d整数倍时衍射光发生相长（即图中用黑色粗线标记的光路距离的整数倍），而非整数倍时出现相消作用，如下图：

图3：光衍射过程中的相长和相消

同时，考虑到晶体结构中存在周期性的原子排列，可将晶体视为平行且晶面间距相等的原子面组成。故而在众多的晶体粉末中，一系列衍射光的相长与相消，使得散射光形成连续光滑的衍射环。

图4：X射线粉末衍射

投射到胶片后形成的光谱如下图：

图5：X射线粉末衍射光谱

衍射仪的检测器收集了部分的衍射环即形成我们常见的XRPD图谱，如下：

图6：衍射环及XRPD图谱

其中圆环上的每个光点即对应每一个XRPD图谱中的峰，其光点强弱决定了峰高。但唯有连续且光滑的衍射环才能保证收集到的信号是完整的、峰强度是正确的。

三、应用与注意点

影响衍射环质量的主要因素是样品的取样性偏差，即晶体的晶癖特征（如针状或片状）导致某些方向被过度衍射，而其他方向衍射不足；用通俗语言描述即，片状晶体在测量盘中呈现“躺着/睡着的姿势”，衍射角集中于水平角度，而在纵向上有所欠缺。此类晶体通常可体现出过筛前后或粉碎前后XRPD图谱不同，而其实际晶型并未发生变化，如下图，过筛后相对峰强度发生了变化，峰形也发生改变。

图7：过筛前后的XRPD图谱

因此，针对不同合成工艺所得原料，应先通过显微镜观察其晶癖，再测定粉碎或过筛前后XRPD，避免发生过筛导致晶型变化的错误判断。此外，在晶型特征峰分析时，更关注低角度的峰，因其代表了间距较大的晶面，其衍射峰受干扰的概率较低。

总而言之，判断不同多晶型的XRPD图谱，其是否为同一晶型，XRPD中峰的θ角是主要依据，因其角度大小反应的是单元晶格大小；而峰相对强度取决于晶体中的原子种类及其分布位置。如所测图谱质量不高，则相对峰强度差异通常不应成为晶型不同的判断依据。

上海博志研新药物技术有限公司

雷伯开同学所在的上海博志研新药物技术有限公司是专门从事药物研发技术服务的高科技企业。2012年于上海张江高科技园区注册成立，现拥有约200名员工，已有10余项药物获批，累积开发90多个药物技术，其中20多项已申请专利技术。目前已成为国内同行业中处于领先地位的药物研发外包服务商之一，提供从药物发现、研究、注册、临床、一致性评价、CMO/API供应等新药开发全流程服务及一体化解决方案。通过标准化服务、体系化管理缩短研发周期、提高研发效率，保障了注册申报通过率。

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