近红外分光光度法在药物分析及体内药物分析中的应用

近红外分光光度法在药物分析及体内药物分析
中的应用
指导教师：
摘要：近红外分光光度法（near-infrared spectrophotometry ，NIRS）系通过测定被测物质的近红外谱区（波长范围约在780～2526nm，按波数计约为12800～4000cm-1）的特征光谱，并利用适宜的化学计量学方法提取相关信息后，对被测物质进行定性、定量分析的一种分析技术。

近红外光谱技术作为一种简单、快速、无损的检测手段,已经成为药物分析中新兴的方法。

本文将简要概述近红外光谱分析技术的方法特点及其基本原理,重点阐述近红外光谱分析技术在药物分析及体内药物分析中的应用,并对其应用
前景做出展望。

关键词：近红外分光光度法;药物分析;体内药物分析；应用
近红外（Near Infrared，NIR）光谱的波长范围是780-2526nm（12820-3959cm-1），通常又将此波长范围划分为近红外短波区（780-1100nm）和近红外长波区（1100-2526nm）。

由于该区域主要是O-H，N-H，C-H，S-H等含氢基团振动光谱的倍频及合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。

不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同物理化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。

所以近红外光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于有机物质的组成性质测量。

近红外光谱分析技术是20世纪80年代发展起来的一项可以实现无损检测的测试技术，可实现在线分析和生物体的在体非介入分析和监测，具有快速、方便、准确、非侵入式分析等优点。

近年来近红外光谱分析技术在药物的定性鉴别、定量分析、在线检测及质量控制等方面发挥了巨大的作用。

1.近红外分光光度法的原理和特点
近红外分光光度法是通过测定被测物质在近红外区的特征光谱进行定性定
量分析的一种分析技术。

由于近红外在常规光纤中有良好的传输特性，且具有仪器较简单、分析速度快、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品的分析以及可进行多组分多通道同时测定等特点。

近年来，随着化学计量学、光纤和计算机技术的发展，近红外分光光度法在食品、化工、制药等许多领域，尤其是过程分析方面具有非常广泛的应用。

近红外分光光度法的缺点是吸收信号弱、谱带宽、重叠较严、，而且吸收信号弱、信息解析复杂、光谱易动等。

由于一张近红外光谱既可以给出活性成分、辅料的化学结构信息、还可以给出活性成分的工艺信息（如晶型、旋光度、密度等）以及制剂的工艺特征信息（如制粒的大小、硬度等）和部分包装材料的结构信息，所以利用近红外光谱，我们既可以做定性分析也
可以做定量分析，但与常规的分析方法不同，近红外光谱技术不是通过观察供试品或测量供试品谱图参数直接进行定性或定量分析，而是首先通过测定样品校正集的光谱、组成或性质数据（组成或性质数据需通过其他认可的标准方法测定），采用合适的化学计量学方法建立校正模型，再利用建立的校正模型与未知样品进行比较，从而实现定性或定量分析。

（1）定性分析
近红外光谱谱带较宽，特征性不强，因此很少像其他光谱（如紫外和红外光谱）那样用于化合物基团的识别及结构的鉴定。

近红外光谱的定性分析一般是用于被分析样品在已知样品集中的位置。

（2）定量分析
近红外光谱测量时一般不需对样品进行预处理，但测定的光谱可能受到各种干扰因素的影响。

利用单一波长下获得的光谱数据很难获得准确的定量分析结果。

NIR光谱结构复杂，谱图重叠较多，所以在进行定量分析时，一般采用多波长下获得的数据并进行一定的数据处理才能获得准确可靠的分析结果。

2.仪器——近红外分光光度计
近红外分光光度计的记录波长范围为780-2500nm（按波数计算为12800-4000
cm-1）。

所有近红外光谱的测定分为透射和反射两种类型。

近红外分光光度计由光源、单色器（或干涉仪）、检测器、数据处理和评价系统等组成。

常用的单色器有声光可调型、光栅型和棱镜型。

高强度的光源石英壳钨灯，如石英卤素钨灯光源较为稳定。

检测器常用的材料有硅、硫化铅、砷化铟、铟镓、汞镉碲和氘代硫酸三甘肽。

常规的普通样品池、光纤探头，液体透射池、积分球是一些常用的采样装置。

需根据供试品的类型选择合适的检测器和采样系统。

3.近红外分光光度法分析技术及样品分析过程
3.1 近红外分光光度法分析技术
根据NIR 光谱的发生机理,使用的NIR 分析技术主要有以下两种:
（1）透射测定法使用于透明液体样品的分析,透射光强度与物质量间的吸收关系符合比尔定律。

（2）反射测定法反射测定法又称漫反射测定法，主要用于分析固体样品和半固体样品。

用近红外光照射被测样品，一部分被吸收，未被吸收的光被反射并被检测器吸收。

3.2 近红外分光光度法样品分析过程
近红外分光光度法分析方法包括校正和预测两个过程：
（1）在校正过程中，收集一定量有代表性的样品（一般需要 80 个样品以上），
在测量其光谱图的同时，根据需要使用有关标准分析方法进行测量，得到样品的
各种质量参数，称之为参考数据。

通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参
考数据关联，这样在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映射关系，通常称
之为模型。

虽然建立模型所使用的样本数目很有限，但通过化学计量学处理得到
的模型应具有较强的普适性。

对于建立模型所使用的校正方法视样品光谱与待分
析的性质关系不同而异，常用的有多元线性回归，主成分回归，偏最小二乘，人
工神经网络和拓扑方法等。

显然，模型所适用的范围越宽越好，但是模型的范围
大小与建立模型所使用的校正方法有关，与待测的性质数据有关，还与测量所要
求达到的分析精度范围有关。

实际应用中，建立模型都是通过化学计量学软件实
现的，并且有严格的规范。

（2）在预测过程中，首先使用近红外光谱仪测定待测样品的光谱图，通过软
件自动对模型库进行检索，选择正确模型计算待测质量参数。

4.近红外光谱在药物分析及体内药物分析中的应用
近红外光谱技术（NIR）是 90 年代以来发展最快、最引人注目的分析技术之一。

随着 NIR 分析方法的深入应用和发展，已逐渐得到大众的普遍接受和官方的认可。

,农产品分析中已把NIR 分析技术作为小麦和奶类中蛋白测定的标准方法,NIR 分析技术在药物分析中也得到了重视,已有大量文献介绍NIR 了分析技术在这些方面的应用
[3 ] 。

OZAKI YU KIHIRO 用30 篇文献综述NIR 了光谱在生物化学、生物物理和药物分析中的应用[4 ] ,Blanco. M 介绍了NIR 分析技术制药工业中作为质量控制分析的作用和前景[5 ] ,Morisseau. K. M 介绍了NIR 在制药行业的应用可能性[6 ] ,指出NIR 分析方法以其方便、灵活、快速和节约的特点,在医药行业会得到良好的应用。

NIR 分析技术在药物分析中得到普偏重视与医药工业的发展有着密切的关系。

就国际范围来讲,一个整体的趋势是政府和管理部门对药品生产和销售提出了越来越严格的质量控制标准和要求,生产过程、销售过程甚至在使用过程中的药物分析也越来越严格。

寻找合适的分析方法去满足越来越严格的控制要求而又降低费用已成为医药行业一个迫切需要解决的问题,NIR 分析方法所具有分析速度快、分析操作简单、所需样品少、可以无损原位直接测量液体、固体、粘稠流体等特点,很好的符合医药分析的
要求,引起了制药工业的极大兴趣。

4.1 近红外光谱技术在打击假药领域的应用
4.1.1 假药识别现状
《药品管理法》第48 条规定,药品所含成分与国家药品标准规定的成份不符的,以非药品冒充药品或者以他种药品冒充此种药品的,为假药。

现在,市场上销售的假药有如下3 种:不含有有效成分或含有有效成分,但与包装上标明的成分不符,即成分掺假;含有
有效成分但含量不符合标准,即为劣质药品;药品使用不适当包装或廉价辅料,即以非名牌冒充名牌。

4.1.2 应用NIR 技术鉴别假药
药物一般都含有能引起近红外吸收的C-H 和O-H 键,不同样品中活性成分的化学信息、辅料的化学信息、工艺信息(如晶型、旋光度、密度、颗粒大小等) 、部分包装材料的结构信息等会有所差异。

NIR 谱图能够较系统地反映出这些信息的差异,这就使得应用NIR 技术对药物进行分类鉴别,并识别其真伪成为了可能。

一种药品有多个生产厂家,不同生产厂家的原料来源、晶型、原辅料组成和生产工艺均会存在差异,依据《中国药典》的检验项目、方法或指标实施检验可能无法有效的判别这种混淆或假冒。

Hassan Refat H1Ali 等应用NIR 技术可以快速鉴别USP 中收载的一些辅料:山梨酸钾、羧基乙酸淀粉钠、抗坏血酸钙、灯心草蜡、碳酸钙、无水乳糖。

应用NIR 技术可以成功地鉴别不同类型的辅料及不同工艺条件的药物,打击假冒伪劣药品。

Marta B1Lopes 等应用近红外2化学成像技术对抗病毒药贺普丁进行鉴别,采用PCA 方法得到55 种药品中只有
18 %含有有效成分,82 %的假药以滑石粉和淀粉作为辅料。

Floyd E1Dowel 等应用近红外光谱技术鉴别抗虐药青蒿琥酯的真伪,通过建立多元校正模型证明应用该技术能成功地鉴别药品真伪,准确率达100 %。

国内也有文献报道应用NIR 技术定性、定量分析不同厂家生产的药品。

肖杰等应用近红外漫反射光谱法(NIR2DRS) 技术,一阶导数光谱进行聚类鉴别不同厂家、不同品种的中药注射剂,同一厂家不同批号之间、不同厂家的同一品种之间的相似度值为0.70～0.95 之间, 不同品种的注射剂样品相似度明显很低一般小于0.5 ,证明此方法具有很好的区分能力。

刘绪平等以全国不同企业生产的头孢拉定胶囊为分析对象,利用近红外漫反射光谱(NIRDRS) 分析技术和化学计量学的方法对头孢拉定胶囊剂进行无损、快速定量分析,用46 个样品进行外部验证,外部验证均方差(RMSEP) 为2.24 % ,平均相对偏差为2.4 % , 结果准确,可用于药品的现场快速分析。

王良金等将真药和假药的NIR 谱图
的谱段吸收特征、吸收值、有无滑石粉吸收峰等进行比对,实验证明近红外图谱直观分析可以作为快速筛查假劣药品的有效方法。

4.2 近红外光谱在线分析技术在中药领域中的应用
中药是我国的民族瑰宝,但长期以来,中药的应用基础研究方法滞后、内容重复,导致中药的科技含量过低,缺乏有效性和安全性的规范和证明,缺乏可控质量标准,难以满足GMP 生产的要求,中药研究和生产面临着迫切的现代化和国际化的需要。

解决中药领域中的中药材一致性差、中间过程的不可控、产品质量均一性差等难题,必须借鉴、引入其他学科和领域的成熟技术。

通过借鉴近红外光谱在线检测技术在其他领域中的成熟应用,并结合中药的特点,近红外光谱在线检测技术在中药领域以下环节中有望得到应用。

4.2.1保证中药材质量的一致性
中药材的质量直接决定了中药的质量,保证中药材质量的一致性具有非常重要的意义。

目前在中药企业中常用的中药材质量检测方法是人工经验判别法和指标成分分析法。

人工经验判别法虽然具有较高准确性,但是由于对判别人的经验有很高的要求,且受判别人主观因素影响较大,不符合中药现代化的要求;同时由于中药基础研究薄弱,大多数中药的有效成分和作用机理尚是未知的,以指标成分替代有效成分对中药材质量进行表征,是不够全面和科学的。

应用近红外光谱在线检测技术,不仅可以快速、非破坏性测得中药材中有效或指标成分的含量,而且可以根据所建立的校正模型得到中药材的物种、产地等重要信息,并由此得到一个定性的中药材质量指数,这个指数相当于多位药材专家人工判别结果的总和,具有较高的药材2药效相关性,同时避免了个人主观因素对中药材质量定性判别的影响。

另外,将手持便携近红外光谱仪技术应用到中药材的质量鉴定中来,可以开发出一种手持便携式的中药材近红外光谱识别仪。

利用该仪器通过对待分析中药样品的扫描,不仅可以识别外形相近的中药材的真伪,而且可以判别常用中药材的产地、道地性和质量。

4.2.3 提高中药生产中间过程的可控性
目前,发达国家药品生产过程中已广泛采用了适合现代化生产的设备和检测装置,实现了生产程控化、检测自动化、输送管道化、包装机电化。

而我国中药生产还停留在从经验开发到工程化生产的过渡阶段,在工艺方法和生产技术上与先进国家还存在着很大的差距。

中药生产过程的发展方向是生产过程管道化、连续化和工程化。

目前中药的提取、分离、纯化等生产过程一般采用离线分析的方法,存在着分析结
果滞后的缺陷,不适应未来中药生产过程管道化和连续化的要求。

近红外光谱在线检测技术可以在短时内分析测定中药生产过程的样品,包括液体、固体粉末、中药浸膏等,可以用于优化提取工艺,检测提取、分离和纯化工艺的终点,实现即时质量预警系统等等,可以大大提高分析效率,节约分析成本。

4.3 近红外光谱技术在体内药物分析中的应用
4.3.1近红外分光光度法尿液多成分的分析
尿液分析在临床检验中是一项重要的检测项目，红外光谱法的使用将实现无试剂的尿液快速分析。

红外光谱法无需任何试剂;低成本、高可靠性;快速、所用样品量少(微升)、无需预处理、无污染;从一条光谱中可获得多个分析物的值;对样品无破坏，可重复使用样品，还可用于其它测量，适于在线和大量重复测量。

利用光谱设备测量尿样中的生化成份，测量精度能够适应临床及大范围普查的应用。

从而实现尿液检测的无试剂化、高精度和高效率。

通过实验表明，应用光谱法进行尿液成份的定量分析是可行的。

它的无试剂、微样品量及快速性将适用于临床的大量检验。

在尿液的各成份中，葡萄糖和蛋白是两个主要的参考指标，同时肌醉的测量为肌醉清除率的计算提供了依据。

总之，探讨和推广光谱法应用于尿液临床分析，将在检验仪器的发展上有重要的意义。

4.3.2近红外分光光度法血液成分的分析
血液成分是医学临床的一个重要的诊断依据。

目前用于临床的血液成份分析方法是生化方法，即从人体采取血样后进行生化检测。

这样或多或少给病人造成了身体上的创伤，有些疾病还需要经常进行血液检测，如糖尿病患者需要保持空腹血糖低于
140mg/dl（7.8mmol/l），餐后两小时血糖低于180mg/dl（10.0mmol/l）的正常水平，又不低于50mg/dl（2.77mmol/l)。

频繁的采血检测会使病人身体上感到不适和不便，心理上产生恐惧感，容易造成一些必要的血液化验被遗漏，对突发病症不能及时采取有效救护措施而发生危险。

此外，有创检测耗时费钱，不适合血液成分的在体连续监测。

临床上迫切要求实现人体血液多成分无创伤的连续检测。

近年来这方面的研究已经成为国际上的热点，血液多成分无创伤的连续检测是人类长期以来的梦想。

血液成分无创检测技术主要包括微波法、近红外光谱法、中远红外光谱法、旋光法、拉曼光谱法、光声法、光散射系数法等。

通过对中、近红外光谱无创检测技术方面大量的基础研究和少量的人体实验，研究者一致认为在近红外区域，体液和软组织在这个谱段相对透明，穿透力强。

近红外光谱法是最有发展前途的无创检测方法之一。

近红
外光谱血液成分无创检测已经成为当前国际生物医疗领域的研究热点。

包括血糖、血氧、蛋白质、脂肪、血红蛋白等成分浓度的无创检测研究。

血糖和血氧的无创检测可以说是近红外光谱在血液分析中应用研究最多的一个方面。

近红外光谱法血液成分无创检测技术具有速度快，成本低，无创伤等优点，是一种比较有应用前景的检测技术。

但仍存在一些技术难题尚未彻底解决，比如信噪比低、个体差异影响、波长偏差等等。

其中个体差异是比较突出的一个问题。

个体差异是指被测部位除血液之外的其它组织如毛发、角质层、皮肤、肌肉、骨骼等因个体不同而不同的特征。

能否成功去除个体差异的影响是近红外光谱法血液成分无创检测的关键之一。

5 近红外光谱分析技术的展望
NIR 分析技术以其快速方便、适应在线分析和无损分析的特点,在药物分析和体内药物分析中得到了重视和应用,各种不同用途的分析仪器和计算机软件都不断的设计出来。

可以预计NIR 分析方法在药物分析中的理论研究和应用也会越来越多,NIR技术在医药研究和医药生产中有着及其广阔的应用前景。

6.参考文献
[1]宋粉云主编.2010.药物分析.北京：科学出版社
[2] 刘宁宇 ,王伟,吴拥军.近红外光谱技术在药物分析中的应用.安阳师范学院学报.2005
[3]刘玺.近红外光谱技术在制药行业的应用.河北旅游职业学院学报.2009年第三期
[4]席海山，许良.用于药物分析的几种新方法与新技术.内蒙古民族大学学报（自然科学版）.2009
年1 月.第24 卷第1 期
[5 ]胡钢亮, 吕秀阳, 程柯, 刘丹青.近红外光谱在线检测技术在中药领域中的应用展望.中
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[6]张勋,黄有霖,林羽近红外光谱技术在打击假药中的应用.福建中医学院药学系福州.福建省
药品检验所
[7]刘伟玲，张思祥,虞启涟，冉多钢,赵学玲，近红外光谱法尿液多成份分析.中国知网。