在药品领域，众所周知，原料药晶型影响固体制剂溶出进而影响药理和药效，是影响药品质量的关键属性。因此，对于原料药结晶过程的有效控制是保障药物质量和安全的重要前提。过程分析技术（Process analytical technology，PAT）概念最早在2004年由美国食品药品监督管理局 ( FDA) 提出，PAT的应用旨在运用一个科学的、系统的方法来改善药品质量，降低与质量有关的过程风险。过程中通过实时监测、数据分析并通过关键物料和参数的调控来确保目标产品的质量，从而达到工艺过程的可控性和可靠性。
传统原料药间歇式结晶方式，无法避免因生产过程中各种扰动因素（操作失误、设备故障等）对产品质量的影响，从而导致原料药纯度、晶型、粒径等批次间差异大。近年来过程分析技术已取得了显著进步。在原料药结晶过程控制领域系列先进的PAT工具，有力地辅助了相关人员对于结晶的过程研究。基于PAT的结晶过程监控，因其原位、实时、高效、精准的特点，必将在原料药结晶生产中得到更加充分的应用和推广。
一、 过程分析技术（PAT）
PAT是指在生产过程中通过实时的精准测量、数据采集、系统处理、反馈控制以实现过程开发、优化、设计、分析和调控的集成分析测量系统技术。
当前在国家倡导“智能制造”的大背景下，制药行业也从传统的人工决策控制向更先进的过程控制转变。工艺过程中集成先进的PAT 工具，辅助以模型预测控制（MPC）系统可实现过程自动化控制。MPC 概念包括线性过程模型与PAT在线监测系统的组合，基于适当的控制策略（模型控制和非模型控制）以执行既定的结果输出。如图1所示，是典型基于PAT的闭环循环架构过程控制系统，该系统通过前馈/反馈或闭环控制可实现动态调整，确保关键工艺参数（CPP）和关键质量属性（CQA）始终在预设可控的范围内。
▲图1-典型 PAT 过程控制前馈/反馈系统示意图
Fig. 1 Diagram of a typical PAT process control feedforward/feedback system
1.1 PAT监测类型
基于传感器安装位置和测量原理的不同，PAT在线检测概括起来主要有3种类型：①近线检测 (at-line)；②在线检测 (on-line)；③线内检测 (in-line)。传统检测方式主要是离线检测(off-line)。为了便于理解四种类型的差异，见图2。
▲图2-PAT检测四种类型示意图
Fig.2 Diagram of four types of PAT detection
对比四种检测方式的优缺点，如表1所示。
▲表1-四种检测方式的比较
Table 1 Comparison of four detection methods
通过上表对比分析可以看出，on-line和in-line两种形式能够实时、准确监控过程参数，并且在此基础上满足及时干预调控的要求，是目前 PAT应用最普遍的两种监控形式。
1.2 PAT监测工具
PAT监测工具通过与相应的计算机系统连接，在获得被监测（或检测）物质或过程的结构性质、量化信息及过程关键参数后，在线即时经过反馈-分析-输出，达到系统优化和过程控制的目的。如表2所示，是目前应用于原料药结晶过程监控的主要PAT技术。
▲表2-结晶过程PAT类型、应用与特点
Table 2 PAT Types, Applications and Characteristics in Crystallization Process
上述PAT工具可根据实际应用需求组合应用。同时，随着光谱及测量技术的进步，越来越先进的PAT工具在实验室研究和工业生产中发挥着越来越重要的作用。
二、 基于PAT的结晶过程应用
PAT用于在线监控结晶过程可分为三大类。第一类：基于结晶溶液浓度信息的PAT，目前应用最为广泛的是衰减全反射模式光谱技术，ATR－FTIR和ATR－UV /Vis；第二类：基于晶体固相信息的PAT 技术，如拉曼光谱 (RS) 、近红外光谱(NIR)等。第三类：其他类，如粒子图像测量（PVM）、聚焦光束反射测量（FBRM）等。上述PAT在线监测技术目前已较为成熟，在原料药结晶领域的研究与应用也有广泛报道。
2.1 基于结晶溶液浓度信息的PAT
过饱和度是溶液中晶体成核、生长的基本推动力，也是决定晶型、颗粒分布的关键因素。近年来，PAT应用于结晶过程过饱和度表征有了长足的进步。其中，ATR－FTIR和ATR－UV /Vis为代表的技术已成为主要手段。
2.1.1 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 (ATR－FTIR) 技术
ATR－FTIR是通过检测样品吸收光学致密晶体反射出的红外衰减波所产生的信号，然后将该信号转化为红外光谱信号，最终实现样品表层结构信息的表征。ATR－FTIR主要有以下优势：①与普通红外光谱相比，ATR－FTIR制样简单，几乎无需对样品进行任何处理；②检测速度快、灵敏度高，检测点可达数微米；③可实现实时跟踪和原位测量；④环境友好，污染小。这些优势使得ATR－FTIR技术在结晶过程过饱和度的表征研究中颇受欢迎。
Zhang等利用ATR－FTIR采集了L-谷氨酸冷却结晶过程中的亚稳态区( MSZ) 与欠饱和区( USZ) 的红外光谱，运用偏最小二乘算法分别建立MSZ光谱区、USZ光谱区和MSZ－USZ 光谱区的溶液浓度校正模型，结果显示用MSZ谱区进行建模，在保证操作温度变化稳定的前提下，可以准确预测结晶过程中的溶液浓度。于帅等应用ATR-FTIR结合在线成像系统和浊度仪，测量和分析了头孢克肟的结晶过程浓度变化、颗粒形貌变化以及成核时刻等，解析了结晶过程机理并探寻出头孢克肟结晶过程晶型转变的规律。系统示意图，见图3。
▲图3-ATR-FTIR在线监测头孢克肟结晶过程系统
Fig.3 ATR-FTIR Online Monitoring System for Cefixime Crystallization
2.1.2 衰减全反射紫外/可见光谱（ATR－UV /Vis）技术
ATR－UV /Vis是由价电子跃迁产生的一种电子光谱，该技术通过检测物质对紫外/可见光的吸收程度，可得出该物质的组成、含量以及结构信息，其获取信息便捷且精确。由于药物的大多数活性成分具有紫外吸收，所以 ATR－UV /Vis 的适用范围很广泛，在药物的结晶过程中可同时实现对晶体成核、多晶型的转变与过饱和度变化的原位监测。
关国强等应用ATR－UV/Vis 技术并结合聚焦光束反射测量（FBRM）技术监测以无水乙醇-扑热息痛为模型的结晶过程，通过实时浓度分析结晶溶液的过饱和度变化，分析了不同降温方式对结晶产品质量的影响。Saleemi 等[13]使用ATR－UV /Vis光谱技术对邻氨基苯甲酸、对氨基苯甲酸的反溶剂冷却结晶过程进行研究，利用主成分分析和人工神经网络对ATR－UV /Vis 光谱数据进行分析，获得了性能良好的校正模型，实现了对两者浓度的同时监测。系统示意图，见图4。
▲图4-ATR－UV /Vis联合FBRM在线监测扑热息痛结晶过程系统
Fig.4 ATR-UV/Vis combined with FBRM online monitoring paracetamol crystallization process system
2.2 基于固相信息的PAT
原料药多晶型现象普遍存在，不同晶型药物的理化性质和药理活性往往存在显著差别。因此建立多晶型药物的晶型监测方法，对提升和保障多晶型药物安全性及有效性具有重要意义。
2.2.1 拉曼光谱 (RS) 技术
RS属于散射光谱，主要反映晶格和分子的振动模式、转动模式以及在某一系统中的其他低频模式信号。RS可以监测晶型转变过程，能对晶型转变的起点和终点进行判别，并获取晶型转变动力学信息，从而有助于更深层次地理解该晶型的转变工艺。在线拉曼技术还可对结晶过程中晶体和溶液进行同时监测，用以定性和定量跟踪溶液浓度和固相晶型产品浓度的变化趋势，得到析晶趋势图，从而可以直观判断析晶点、析晶速率和析晶平衡等数据。还可建立定量标准模型，得到体系的实时过饱和度数据，直接从源头控制结晶过程，尤其适用于多晶型的工艺开发，达到优化工艺参数的目的。
Su等使用RS和FBRM(focused beam reflectance measurement)研究了初始D-甘露醇水溶液浓度对多晶型自发成核的影响。结果发现，D-甘露醇水溶液结晶过程中自发成核的晶型多是稳定的β晶型，其次是δ和少量α晶型。研究发现，这种现象的产生是结晶过程热力学和动力学性质之间竞争的结果。具体而言，当初始浓度较高时，动力学影响大于热力学，使亚稳δ晶型更容易成核；相反，当初始浓度较低时，热力学影响大于动力学，倾向于稳定的β晶型成核。此外，拉曼光谱也被创新地用于确定两种亚稳态甘露醇的溶解度。Tacsi等人 开发了一种新的、易于实现的卡维地洛不同晶型溶液浓度-结晶反馈控制系统。通过拉曼光谱实时监测溶液的多晶型组分，辅助以 UV/Vis检测数据计算当前溶液中不同晶型浓度。利用升温加速晶体溶解，降温促进晶体的成核和生长原理，控制温度在适当区间可得到不同比例多晶型的卡维地洛。系统示意图，见图5。
▲图5-RS联合ATR-UV/Vis在线监测卡维地洛多晶型结晶过程系统
Fig.5 RS Combined ATR-UV/Vis Online Monitoring System for Carvedilol Polycrystalline Crystallization
2.2.2 近红外光谱(NIR)技术
NIR光谱主要是表征含氢基团 ( C-H、O-H、N-H 等) 的倍频和合频吸收峰特征，往往用于反映待测物的整体信息。NIR是一项较为成熟的光谱应用技术，目前已在农业、石油化工、食品加工以及医药等领域广泛应用，该技术主要具有以下优势：①无损，检测速度快；②NIR光谱信息较为丰富，可用于样品的定性或定量分析；③检测模式丰富，应用范围广；④环境友好，污染小。近年来，NIR光谱技术在结晶过程在线监控中也有研究报道，主要应用于结晶度、晶型、晶体粒径的监测与调控。
Ma等研究了L-谷氨酸的结晶过程，采集了不同溶液浓度、不同粒径和不同温度的L-谷氨酸溶液 NIR光谱，结合遗传算法和支持向量机两种方法建立校正模型，该模型最终通过验证，可以成功地应用于L-谷氨酸冷却结晶过程监控。Lee等运用 NIR光谱技术对吲哚美辛的反溶剂结晶过程进行监控，采用主成分分析对 NIR光谱进行分析，成功实现了对吲哚美辛反溶剂结晶过程中晶型和晶体粒径的实时监控。系统示意图，见图6。
▲图6-NIR在线监测吲哚美辛结晶过程系统
Fig.6 NIR Online Monitoring System for Indomethacin Crystallization
2.3 其它技术
2.3.1 粒子图像测量（PVM）技术
PVM技术是一种基于探针的高分辨率原位视频显微镜[19]。该技术通过6 个独立的激光源照射悬浮液以产生散射光，该散射光被电荷耦合器件 (CCD) 接收，然后通过相应的设备将产生的图像显示在配套软件上，通过连续生产高分辨率图像以直观地观测晶体生长情况。在结晶过程中，PVM通常用于表征颗粒的粒度、固体颗粒溶解、成核、生长以及颗粒数量和形状演化等，能够准确、直观地对结晶过程中多晶型的转变、聚结以及晶析等现象进行实时监测，通过测定结果对结晶过程中的工艺参数进行调节，从而得到制药工艺需要的药物晶体。
Klapwijk报告了用三嵌段共聚物Pluronic P123（PP123）研究了其对琥珀酸晶体生长的影响。使用在线过程分析工具（PVM、FBRM和RS）实时监测结晶过程。结果显示少量PP123的存在以完全可再现的方式将晶体形态从板状晶体改为块状晶体。增加聚合物的量或琥珀酸的浓度，会产生针状晶体不利于加工。在设计结晶实验时，还确定了聚合物对亚稳区宽度（MSZW）的影响。此外，还研究了共聚物的各个嵌段聚乙二醇和聚丙二醇对晶体形态的影响；通过研究，为聚合物与晶体表面的相互作用构建了可能的机制，随后的重结晶实验支持了并验证了推理的机制。系统示意图，见图7。
▲图7-PVM联合FBRM和RS在线监测琥珀酸结晶过程系统
Fig.7 PVM combined with FBRM and RS online monitoring succinic acid crystallization process system
2.3.2 聚焦光束反射测量（FBRM）技术
FBRM是一种基于探针监视的高效、准确的结晶过程控制技术，可以有效识别颗粒的聚集和重叠等行为。该技术通过测定激光束在与粒子接触前后光的反射时长，测定出粒子的弦长分布，从而确定粒子粒度，并通过反射数量确定晶体数量[21]。在结晶过程中，FBRM技术通常用于颗粒的成核过程和溶解过程的在线监控，目前主要用于监测成核和表征介稳区宽度，以及监测粒子生长、聚结、微观形貌等，同时还被广泛用于溶液中颗粒数量和粒径的监测研究[22]。典型应用可参见图4。
三、 结论与展望
PAT应用于原料药结晶生产过程控制，包括但不限于如下优势。①提高生产效率。PAT的应用可实时在线监测关键过程参数，避免了离线采样、离线分析等造成的时间浪费，能够缩短生产时间，提高效率。②降低质量风险。PAT的引入可避免结晶过程中的采样，保证生产的连续性，降低产品污染风险。③有利安全生产。PAT可实现结晶自动化监控，对于危险系数较高的生产过程，PAT 的应用可避免人工采样过程，提高操作的安全性。④降低生产成本。PAT的应用可实现过程中关键参数的快速准确测定，与传统分析方法相比大大降低检测的时间、人力以及经济成本。
“推动医药制造能力系统升级”是“十四五规划”五大重点任务之一，发展先进生物医药制造技术是当前乃至今后国家大力倡导的方向。原料药是医药产业的基础，结晶工序作为原料药产业领域的关键环节，PAT的引入有助于深化对原料药结晶过程和产品质量的理解，提高对生产过程的控制，从而最终保障原料药的产品质量，未来必将在制药领域得到更充分的发展与应用。
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