概述

共晶体，其多晶型物，溶剂化物和水合物可以使用那些与常规用于表征单组分晶体的类似的高级分析技术成功进行表征（图1）。一般来说，全面的固态表征需要使用多种分析技术（表1）。主要包括衍射技术，例如单晶X射线衍射（SCXRD）和粉末X射线衍射（PXRD），光谱方法，如振动光谱学（FTIR和拉曼）和固态核磁共振，以及热方法如偏振光学热显微镜（HSM），热重分析（TGA）和差示扫描量热仪（DSC）。在水合物和溶剂化物中，动态蒸气吸附（DVS）也是一项重要的分析技术。

图1. 多晶型物、溶剂化物、水合物和无定形物的固态表征技术

无定形材料在结晶趋势、分子迁移率、表面化学、结晶度和分子间相互作用方面的全面定性和定量分析需要使用一系列分析工具。诸如DSC和等温微量热法（IMC）的热表征工具对于研究无定形固体和ASD很重要。介电谱也正在成为ASD表征的重要技术。

红外光谱，拉曼光谱和固态核磁共振光谱（SSNMR）验证了ASD不同单个组分之间的分子间相互作用的水平和结晶中的相转变，并且可能用于量化结晶度。

偏振光显微镜（PLM），扫描电子显微镜（SEM），扫描透射电子显微镜（STEM），HSM和原子力显微镜（AFM）分析了各种形态参数及其空间相位分布。PXRD是一项用于量化在制造过程中结晶度初始存在或转化的百分比的成熟技术。

X射线光电子散射（XPS）和反气相色谱（IGC）是非常灵敏的表面分析和各向异性技术。DVS在计算吸湿性和分子间相互作用水平方面起着重要的作用，而TGA则可用于计算固体形式的水分含量。综合使用各种分析技术以用于信息整合是一个增长的趋势。

一、 X射线衍射技术

PXRD可用于研究与非晶相和结晶相相关的相转变，因为它对结晶相非常特异和定量。并且，先进的仪器允许相变的原位研究作为所提供的条件（RH，温度）的函数来执行。许多原料药可以从非晶态转化为不同的多晶型。因此，该API的参考粉末模式使得不同的多晶型物的鉴定成为可能。晶体的首选取向被认为是PXRD实验中的主要误差来源，但是这可以通过透射模式分析来最小化。

使用PXRD定量无定形制剂中的结晶度是众所周知的技术。衍射峰的强度和面积会随着结晶度的增加而成比例地增加。一个更具挑战性的方面是量化无定形材料中的纳米晶体。谢乐增宽（由于晶粒尺寸减小而使衍射峰变宽）可以降低晶体材料的衍射强度，使得其变得与无定形样品的衍射强度相当，这可能被错误地解释为无定形相存在。

表1 已经用于共结晶及其多晶型物，溶剂化物和水合物的表征技术

X射线衍射，包括PXRD和SCXRD技术，是用于对晶体和共晶溶剂化物以及水合物的鉴定和化学计量测定的一项强大技术。SCXRD被认为是晶体、共晶体、水合物及溶剂化物结构表征的“黄金标准”。SCXRD技术决定了晶体晶胞的尺寸和相关的空间群。这也提供了关于完整的三维排列，原子位置和晶胞中分子堆积的信息。超分子合成子可以从这种三维排列中阐明。SCXRD技术是基于晶体结构中致密电子的X射线衍射，这使得它对H原子位置相对不响应。在这种情况下，中子衍射是一个先进的替代方案，它提供了H原子核位置的确切位置，使之成为鉴别和定量水合共晶体的先进且可行的选择。

PXRD被认为是初始多晶型筛选的可靠方法，尽管它有时不能区分真正的多晶型物和相关的假多晶型物。先进的仪器和计算软件工具目前的水平甚至允许粉末X射线衍射用于结晶固体的结构表征，没有单晶的先决条件。PXRD提供了晶体形式的衍射数据的指纹，这可以使用Rietveld进行进一步细化。这种结构解决方案提供了一个完整的三维晶体排列，虽然其质量不能与从SCXRD获得的数据进行比较。

然而，Rietveld精修的PXRD正在成为分析难以生长SCXRD分析所需的大型单晶的材料的常规方法。以更高强度和更高分辨率的同步加速器XRD提供更精确晶体结构。同步辐射在能量色散X射线衍射实验中也起着重要的作用。X射线衍射仪的其他进展，如变温，高通量光源和探测器的变化，大大减少了数据收集时间和方向的错误。

二、光谱技术

振动光谱技术，如红外、近红外、拉曼和太赫兹脉冲光谱已被用于研究和确定分子活动性和分子间相互作用，H键定向分子缔合以及原料药和药物赋形剂的固体形式（无定形，多晶型物，溶剂化物，水合物或共晶体）。

非晶和结晶材料的性质可以通过研究分子间相互作用来解释。这些分子相互作用可以研究中性以及离子情况。中性情况包括氢键和范德华相互作用。对于溶解度差的药物，这些中性相互作用通常被认为是更相关的，但是据显示，离子相关的相互作用也增加了整个分子水平的相互作用。

这些中性相互作用可以基于分子间距离来定义。分子间氢键表现为部分的振动拉伸带向较低频率和峰展宽的转变。Novak阐明了振动峰宽取决于分子间氢键的强度和原子接触之间的距离。例如，OH的半峰宽和频率取决于O-H…O分离。

结晶样品的红外（IR）光谱提供了特定结晶材料的指纹图案。红外光谱学也被称为振动光谱学，显示取决于材料的固态环境的键合振动模式。因此，通过傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析晶体，共晶体及其多晶型物，水合物和溶剂化物形式，可以揭示其振动能带的极端变化。

振动光谱学被认为是区分共晶或多晶型物的最简单技术之一。如果某些特定的谱带（主要是官能团）对特定的固体形式相对敏感，则变得更加重要。衰减全反射（ATR）红外光谱学是一项可用于研究表面共结晶的重要技术，然而ATR-IR在表征多晶型物方面有其自身的局限性，因为它只穿透表面（没有批量渗透）。

漫反射红外傅里叶变换光谱法（DRIFTS）也是一种非常有用的技术，它可以用于确定溶剂与水合物或溶剂化物中晶体或共晶体的相互作用的性质和水平，因为它是非侵入性技术，并且水合物或溶剂化物在分析期间可保持完整。DRIFTS也提供了与多态性量化相关的重要信息，但粒径依赖性降低了其应用。

当有水分子存在时，拉曼光谱具有其自身的局限性，此时FTIR便成为与晶体或共晶体相关的水合物的有用的光谱技术。然而，当样品可用性受到限制时，拉曼光谱则变得更加重要，因为它可在即使只有几纳克样品可用的情况下提供相同质量的分析。

拉曼光谱是一种非常快速的过程分析技术（PAT）工具，可以用来识别药物和药品中的固体形式。简单的样品制备也是拉曼光谱学的另一个优势，其中未加工的样品放置在不锈钢或玻璃支架上只需要与激光束相接。拉曼散射与散射材料的浓度直接相关，这使其成为定量研究的重要技术。

然而，如果感兴趣的材料低于散装材料的1％，拉曼变得无效，这时FTIR便具有优势，因为FTIR在即使浓度低于1％的情况下也能准确地检测材料。拉曼光谱可以揭示在DSC分析过程中不可能观察到的多态转变。

近来，拉曼和SSNMR光谱在共晶和相关多晶型物，水合物和溶剂化物的表征中显示出极大的重要性和潜力。这些光谱技术通常被认为是基于X射线的衍射技术的补充技术。基于X射线衍射的方法提供了更详细的结构信息，而SSNMR提供了与当地分子环境有关的信息，例如对称性独立分子的数量及其与特定固体形式有关的特征化学位移值。

SSNMR分析分子和原子在其固体形式下的周围环境，可用于研究共晶体多态性。SSNMR光谱也适用于研究溶剂化物。如果晶体结构不能用X射线衍射技术来确定的话，二维固态NMR谱学也是一种可用来区分构象多晶型物的有效技术。FTIR和拉曼是化学成像的基础，这使得它们在药物制剂中更为重要，因为它们可以在制剂中定位和区分不同的固体形式。过程诱导的变化，如多晶型转变，脱水或去溶剂化，可以很容易地利用化学成像技术加以分析。

三、热技术

当表征单组分和多组分无定形物，以及包括晶体、共晶体、其多晶型物、溶剂化物和水合物的结晶物时，热技术也被认为是提供重要信息的关键。DSC，TGA和HSM被认为是固体形式重要的主要热表征技术。

1．差示扫描量热法（DSC）

差示扫描量热法是一种以测量升高样品和参比标准物所需的热量的差值作为温度的函数的热分析方法。它是由测量的温度或功率差分别导出或转移到样品的热流作为热通量和功率补偿DSC系统的最终响应。诸如熔融，玻璃化转变，脱水或去溶剂化和热降解等不同的吸热转变消耗热量，而诸如结晶或分解的放热过程则释放热量。

实验条件可显著影响DSC测量的结果，例如样品大小及其分布，吹扫气体类型，流速，锅型，样品和锅接触面积以及加热或冷却速率。快速加热或冷却速度会增加灵敏度，但同时也会降低分辨率。使用快速扫描DSC，超级DSC或快速DSC，以比所关注的特定工艺（例如重结晶）所需的时间尺度快得多的速率进行加热或冷却，可用于获得提供与最初的材料结构或性能相关的可靠信息的量热数据。在DSC中骤冷可能是有益的，特别是对于非常快速结晶的材料的原位非晶化。为了确保良好的热接触，避免热梯度和相关的滞后，样品的尺寸应该非常小以便于快速扫描。

关于无定形材料，应用DSC分析这种材料的等温或非等温结晶已被广泛描述。在加热非晶材料时，通常会在高于Tg的温度（Tc）下检测到结晶放热。放热也可能在熔体冷却过程中出现。然而，不同的作者报道了在物理不稳定的APIs之前观察到Tc的时间早于Tg。

2．热重分析（TGA）

TGA是另一个重要的热技术，它基于检测加热过程中的失重。加热速率可以是恒定的，等温的或以振荡模式施加。TGA被认为是研究固体形式分解的优秀技术。如果晶体或共晶体中含有挥发性成分，TGA则变得更有用，因为重量损失的定量确认了化学计量。不幸的是，TGA只提供了挥发性成分的数量信息，没有任何挥发性物质的元素鉴定，而TGA-FTIR的联合技术则可用于定量和鉴定待测物质的挥发性成分。在这种先进的技术中，TGA与FTIR相连，释放的气体和挥发性组分直接进入FTIR，在FTIR处可以进行光谱测量和温度测量。TGA-FTIR界面技术是残留溶剂和相关晶体和共晶体溶剂化物的鉴别和定量的重要进展。

3．显微镜

一般而言，单组分固体的多晶型物显示其形态上的差异，并且相同标准适用于多组分晶体如共晶，多晶型物和相关溶剂化物及水合物的多晶型物。热台显微镜被认为是观察结晶过程的重要初始筛选技术。热台显微镜基于热成像，其涉及使用偏光镜片直接光学观察晶体或共晶固体形式以此作为温度的函数。

该技术对固相中的转变敏感，例如熔化，再结晶以及脱水和脱溶剂。不同形式的转变由偏振光的熔化和视觉分析来区分。多晶型转变通常表现出双折射的变化，这导致了光学性质的变化。热台显微镜也是通过观察由晶体演变而来的气泡或液相来分析溶剂化物的重要技术。热台显微镜可以用于多晶型物的筛选。热台显微镜耦合DSC或另一种光谱技术可以进一步增加这种方法的应用。

4．动态蒸汽吸附

水分和固态相互作用的研究是药物开发的一个有趣的方面。DVS对于研究吸附蒸汽与不同固体形式之间的关系非常重要。在等温/等压条件下，动态蒸汽吸附中的吸附-解吸等温线可以用来量化作为存在的蒸气量的函数的吸附或解吸的蒸气的平衡量。这里的蒸汽可以来自水或任何挥发性溶剂。

DVS可以用来研究水合物的形成和稳定性。例如，Terada等人使用DVS描述了咖啡因-柠檬酸共晶体的稳定性。咖啡因对水分表现出不稳定性并形成了结晶的非化学计量的水合物。柠檬酸是这种共晶体中的共形成剂，当单独处理时，如果在75％RH的湿度下储存，也会吸收水分。结果表明，与单独的分子（API和共形成剂）相比，形成I和II的咖啡因-柠檬酸共晶体对于水合物的形成更稳健。

水分研究引起无定形药物的物理变化是至关重要的。作为RH的函数或在等温条件下的吸附-解吸的重量测量可以提供与无定形形式有关的关键信息。DVS可测量的无定形制剂或API的主要性质是API-载体相互作用，结晶，玻璃化转变，溶剂化物形成以及去溶剂化等。

DVS对于非晶材料的有益用途是定性和定量分析结晶度。由于无定形API和亲水性聚合物（在ASD的情况下）的高度吸湿性，无定形样品暴露于高水平的湿度会导致极性官能部分吸收水。这种水分引发了玻璃与橡胶之间的相变，这大大增加了样品的流动性。因具备足够的吸湿性，这种较高的分子迁移率克服了动能障碍，并引发结晶，然后急剧降低吸水倾向。对于具有已知无定形含量的校准物，在特定RH下的平衡水分吸附程度允许定量。然而，在某些情况下，因各种伴随的现象，如水分诱导的相分离，限制了DVS的定量应用。

总结

有关药物的晶型研究及固态表征在制药业具有举足轻重的意义。合理利用各种分析表征技术，对药物进行正确的固态表征从而理解药物的固态性质是制药从业者应具备的素质，这将直接影响到原料药和制剂的研发与生产工艺，从而影响到药品的质量和销售价格。