药物晶型及相关分析手段介绍
前言
1832年Woehler和Liebig发现苯甲酰胺化合物存在两种不同的晶型，至此，国内外开始重视并研究药物的不同晶型及其晶型差异，尤其在NCE的开发过程中。同一种药物，由于结晶过程的差异(如温度、压力、溶剂)，可以生成完全不同类型的晶体，这种现象称为药物的多晶型现象，也称“同质异晶”现象。多晶现象在有机药物中是非常普遍的。同一个化合物含有2个或2个以上的晶格结构，形成多种晶型的现象称为多晶型现象；与晶型相对应的则是无定型，即它的分子是无规则排列、没有一定的晶格常数的形态(见下图)。
对于固体药物而言，不同晶型的同种药物，其理化性质如稳定性、溶解性、吸湿性、形状、颜色、流动性、密度等可能存在显著差异，因此有时可能会在大批量生产或制剂过程中产生不同程度影响；更主要的是，不同质异晶有时会在生物利用度、药效等方面可能会存在显著区别，如服用相同剂量的阿司匹林，服用晶型II的血药浓度高于晶型I的70%。因此，在进行药物研究前弄清其晶型及相应的影响是非常有必要的。
X射线粉末衍射(XRPD)
1895年，伦琴发现了Ｘ射线；1912年劳厄、弗里德里希和克里平发现晶体的Ｘ射线衍射现象，揭示了Ｘ射线的本质和晶体的原子结构特征，为晶体结构分析奠定了基础。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，这就是X射线衍射的基本原理。
XRD用于药物研究方法一般是两种方法：X射线单晶衍射法和X射线粉末衍射法。单晶法是研究和确认化学药物多晶型中最基础最可靠的方法，但单晶样品难获得(需要获得大于0.1mm的单晶体)；XRPD一般可用于检测化学药物的纯度、晶型稳定性、识别药物制剂总原料药含量、晶型变化等，样品较易获得，且图谱一般具有较强专属性。
我们一般获得的XRPD是一个衍射强度I ~ 2θ衍射谱(如上图为不同晶型乳糖的图谱)，我们可以从衍射谱上获取3个信息：衍射峰的位置、强度和形状。每一个衍射谱都是一个晶型结构的指纹，可通过它与已知的图谱进行比较从而判断化合物的晶型。每一种晶型成分都能被扫描出其独特的衍射图谱谱线。衍射其实是一种散射现象，X射线按一定方向投射到晶体上，与晶体中电子发生作用，一部分X射线改变了方向，向四面八方散射，电子越多，散射能力越强，因此有了衍射强度I ~２θ衍射谱。一个晶体衍射谱上面的各种峰形是某些特殊原子在晶体面上的衍射，并不能给出它在分子化合物中的位置。因此，上图无定形结构的乳糖反映出来的就是一个大的驼峰，即典型的无定形光晕。
在固体混合物中，每一种晶型都产生相互独立的XRPD谱，因此混合物的XRPD谱就是各粉末衍射图谱的累加。如果药物与赋形剂的相互作用结果产生一种新的晶型，那么，反映在混合物的XRPD谱中就会出现新的峰；如果药物与赋形剂的相互作用结果产生无定型，那么，反映在混合物的XRPD谱中就会出现驼峰。因此XRPD在药物处方筛选方面可发挥一定的作用。XRPD是目前鉴别晶型的最主要的方法。
振动光谱(IR谱 & Roman谱)
振动光谱是指物质分子或原子基团的振动所产生的广谱，分子的振动跃迁过程中会伴随有转动能级的变化，整个分子的振动光谱包含若干条谱带。如果用的光源是红外光谱范围(0.78 - 1000um)，产生的即为红外吸收光谱IR；如果用的是强单色光(如激光)，产生的即为激光拉曼光谱Raman。它们对固态表征是一类非常有效的工具。Raman光谱源于分子极化率的变化，可以探测分子内化学键的伸缩和弯曲等典型振动；IR光谱检测的则是分子振动时产生的偶极矩变化，对极性基团更为灵敏，两种方法的结合更易于对分子结构的测定和研究。红外光谱和拉曼光谱对有机化合物的结构、构象等比较敏感，因此这两种技术手段是分析原料药和辅料特征的常用方法，也可对药物晶型进行定量和定性分析。
晶态药物中晶胞内部分子之间存在着较弱的相互作用力(如氢键、络合键等)，使得不同晶型分子内共价键强度存在一定差异。IR光谱是根据分子内部原子间的相对振动和分子转动时产生的偶极矩变化等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法，因此分子中必须含有对IR敏感的可伸缩的偶极子结构。不同晶型固体药物的IR光谱的差别主要包括峰形变化、峰位偏移及峰强度改变等。如下图为氯磺丙脲晶型I和晶型III的IR谱，在400 ~ 650 cm-1波段，晶型III在438 cm-1处有一个弱峰，而晶型I在534 cm-1处有一个强峰；晶型I与晶型III在483 cm-1处都有一个尖强峰，但晶型III在此处的尖峰分裂出一个肩峰，此外晶型III在630 cm-1处的尖强峰也分裂出一个肩峰。在950 ~ 1200 cm-1波段，晶型III在986、1015和1036 cm-1处三个分别有吸收相对强度都强于晶型I的尖峰；晶型III在1088 cm-1处的强峰分裂出一个1118 cm-1的强峰，而晶型I在1169 cm-1处的强峰也同样分裂为两个强峰。
由于氯磺丙脲I和III型分子的区别仅在于空间构型不同，而分子内化学键大都相同，因此我们可以看到上图的IR谱中，它的两种晶型IR谱中有很多重叠特征峰，不利于区分晶型。IR光谱不仅能用于佐证化合物的结构，也能通过探测分子内化学键的振动而判断化合物的晶型结构。
Raman谱是一种散射光谱，由印度科学家CV Raman于1928年发现，它能提供一些红外吸收活性很弱或根本没有红外吸收活性的分子振动模式的信息；激光技术出现后，以激光为光源的拉曼散射技术被广泛用于化合物结构分析的测试手段。强单色(如激光)中的光子与分子发生非弹性散射，使分子从低能态跃迁到高能态(斯托克斯线)或从高能态跃迁到低能态(反斯托克斯线)。Raman谱是基于分子振动能级的改变而产生的光谱，研究化合物分子受光照射后所产生的散射光与入射光能量差与化合物振动、转动频率间关系的分析方法，可以探测分子内化学键的伸缩和弯曲等典型振动，与IR谱相反，分子中对称结构能被Raman谱检测到，如下图化合物盐酸曲马多拉的Raman谱：
盐酸曲马多拉分子中含有一个芳香环，芳香环有特别明显的对称伸缩频率，是拉曼光谱上主要的特征峰，其不饱和双键的面外弯曲振动很强，而环的变形振动则较弱。芳香环中碳碳双键在拉曼光谱中显示出强的峰(993.82 cm-1)，其附近的碳氢伸缩频率大；643.79 cm-1表现的为环面变形振动。盐酸曲马多拉还含有一个对称结构环已烷，在2869 ~ 1936 cm-1有相对强的吸收峰。而最强的吸收峰则由芳香环上的C-H伸缩振动产生的。
Raman谱能检测样品的种类比较广，检测时采用的光源为激光，因此仅需一点样品即可检测，样品覆盖激光即可。可将拉曼光谱与红外光谱结合分析，通过它们之间的互补关系，提供更为全面、准确的分子振动状态和分子结构等方面的信息。
核磁共振NMR
核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的，不同的原子核自旋运动的情况不同，NMR谱就是通过探测在不同磁场中不同原子核展现出来的不同频率而产生的图谱。目前已有很多的原子核的能检测到NMR，其中C原子和H原子被研究得最多。NMR谱可用于固体样本和液体样本的研究，液体样本通常用于化合物结构的确认，而对于固体样本还能用于化合物晶型的确认，如下图的罗西非班：
罗西非班结构中含有一个正丁基，晶型I中的正丁基对称性差，因此三个亚甲基峰(63 & 66、31 & 32、19 & 21)和一个甲基峰(14 & 16)均出现分裂；而在晶型II中这四个峰未出现分裂现象：亚甲基峰(66、32、19)和甲基峰(16)。
化合物晶型结的不同，化合物分子结构中的原子所处化学环境存在细微差异，在外磁场的作用下可产生不同的响应，最终展现出不一样的NMR图谱。目前能通过这项技术检测的除了有13C外，还有31P、15N、25Mg、23Na。因此，如果已知分子中某个原子核的共振情况，那么样品的晶态形式即可被确定。NMR样品检测不局限于单晶样品，因此对于药品的前期研究有很大帮助，而且它的检测灵敏度很高、样品需求量很少；但NMR图谱获得数据的时间相对较长，价格也一般较贵。
其它方法
在化合物晶型的确认过程中，除了采用上述介绍的几种波谱法外，还有一些物理方法：
熔点测定法：由于多晶型晶格能差会使同质异晶体间存在熔点差异，故可用熔点测定法做定性鉴别，如区分尼莫地平的两种晶型(晶型H：123 ~ 125 ℃；晶型L：112 ~ 114 ℃)。
溶解度与热力学参数的关系：固体药物不同的晶型呈现出不同的自由能，而晶体的溶解度大小和其自由能有关，自由能越大，溶解度越大。多数随着温度的升高，溶解度逐渐增大。阿昔洛韦的晶型区分可采用溶解度法。
电子显微镜法：包括透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEW)，其中在晶型研究方面，SEW用得更广泛点。采用SEW，将图像放大到一定倍数，可直接观察到晶癖的形状、晶面夹角等。盐酸林可霉素的7个晶型具有不同的结晶形状，在普通光学显微镜下即可区分出来。
差示扫描量热法(DSC)：同质异晶体具有不同的自由能，因此在加热过程中会发生不同的熔融、转型、氧化还原、分解、升华以及脱水或脱溶剂等现象，亦可用于定量分析。如可采用DSC对盐酸丁螺环酮的两种晶型I、II进行定性定量区分。DSC测试过程中，对样品的损害是不可逆的，因此对于不易获得或贵重的样品，在选择DSC前需权衡一下利弊。
密度测定：不同晶型的药物，因分子或原子在晶格空间排列不同，将导致密度不同，因此可通过测定其比重、松状密度、振实密度等进行晶型的确认。
后记
药物晶型的测定方法多种多样，并不局限于上述介绍的几种方法；对于某些晶型体系而言，有时可能很难判断哪种方法更好，因此需要选择一个适合自己药物晶型的方法，必要时可采用数种方法并用，从不同角度对晶型进行鉴别。许多化合物能形成溶剂化形式或水合形式，因此，需注意的是，药物的多晶型主要指同一种化合物(同一个分子结构)呈现多晶型，如两个非溶剂化晶型称为多晶型，两个一水化合物晶型称为多晶型，而非溶剂化与一水合物不称为多晶型。对于仿制药的研究工作，首先要保证与RLD的物质基础一致，晶型也应与之一致；如果该晶型存在知识产权问题或其它方面的原因较难一致，那么在进行仿制药研究过程中，应明确晶型的不一致会影响药物的哪些特性(生物学还是物理学特性)，在此基础上选择合理的晶型。
主要参考文献：
1. X射线粉末衍射法在药物研究和质量控制中的应用；
2. 固体药物晶型定量分析方法
3. 拉曼广谱分析盐酸曲马多的结构特征
4. Solid-state analysis of the active pharmaceutical ingredient in drug products
5. Solid-state carbon NMR characterization of the polymorphs of roxifiban.
6. Polymorphism and pseudopolymorphism: Influencing the dissolution properties of the guanine derivative acyclovir.
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