开篇引言

药物固态表征步骤有好多，X射线粉末衍射（XRPD）、热沉分析（TGA）、差示扫描量热（DSC）、红表（IR）、拉曼（Raman）、固态核磁（ssNMR）、动态水分吸附（DVS）、热台显微镜、扫描电镜（SEM）、偏振鲜明微镜（PLM）。其中，XRPD凭借急剧、直观、样品用量少，样品不被粉碎可回收的利益，已成为药物晶型钻研的首选表征步骤及金尺度，宽泛用于药物固态的定性和定量等钻研，贯通药物固态钻研的各个阶段。

FDA Guidance: X-ray powder diffraction can also be used to provide unequivocal proof of polymorphism.

i. 《中国药典》2020年版第四部0451专门论述了药品钻研中X射线衍射法的利用；9015则指了然药品晶型钻研及晶型质量节造。
ii. 美国药典（USP）941章节介绍了有关Characterization of Crystalline and Partially Crystalline Solids by X-Ray Powder Diffraction (XRPD)。
iii. 欧洲药典（EP 10.8）在《5.9 Polymorphism》和《5.16 Crystallinity》中对晶型界说阐了然XRPD用于药物晶型表征。
iv. 日本药典（JP XVII）中收录了晶型描述以及XRPD表征步骤。

01 X射线衍射法和道理

X射线衍射法（XRPD, X-ray powder diffraction）是一种利用单色X射线光束照射到被测样品上，检测样品的三维立体结构（含手性、晶型、结晶水或结晶溶剂）或成分（主成分及杂质成分、晶型种类及含量）的分析步骤。其道理是：X射线是一种高能电磁波，可能穿透物质并与其中的原子或者分子产生相互作用。当X射线照射原子分列法规分歧的固体时，会产生分歧的衍射图谱。因而，分歧晶型的XRPD谱图往往差距很大，拥有指纹属性，易于分辨，如图1所示。

图1. 几何丈量道理图

02 X射线粉末衍射（XRPD）图的组成

X射线粉末衍射图是化合物结构参数间接信息，变动万千，随物质结构分歧而异。那么，该若何解读衍射图？

组成X射线粉末衍射图的三身分为：峰位、峰强、峰形（线形）。衍射峰强受晶体结构、样品个性（择优取向、吸收、孔隙率）和仪器参数影响。晶型是由化合物的晶胞参数（a,b,c,a,β,γ）界说的，而晶胞参数（a,b,c,a,β,γ）影响的是衍射峰的峰地位。其他检测指标如峰强度，则由原子参数决定，并受到择优取向的影响。

因而，判断晶型一致性时，取决于药物晶型衍射峰的地位，而不是衍射峰的强度或强弱挨次。

03 X射线粉末衍射（XRPD）的利用

1、分辨晶态物质和非晶态物质（无定型）

中国药典2020版0451指出，晶态物质的粉末X射线粉末衍射峰是由数十甚至上百个锐峰（窄峰）组成；而非晶态物质的粉末X射线粉末衍射峰的数量较少且呈弥散状（为宽峰或馒头峰），如图2所示。

图2.某一化合物结晶态和无定型的XRPD对比图

2、甄别多晶型

当某一化合物有两种或两种以上的分歧固体物质状态时，即存在有多晶型（或称为同质异晶）景象。

多晶型景象能够由样品的分子构象、分子分列法规、分子作使劲等变动引起，也可由结晶水或结晶溶剂的加人（数量与种类）形成。分歧晶型的XRPD图在衍射峰数量、衍射峰地位、衍射峰强度以及衍射峰的状态上显露出差距。

化合物的每一种晶型城市产生一种特有的X射线粉末衍射图，XRPD图能够作为晶体的指纹图谱，用于鉴定分辨分歧晶型，如图3所示。

图3. 某一化合物分歧晶型的XRPD对比图

3、评估物质的结晶度

当化合物结晶状态比力好、结晶度比力高时，XRPD图基线水平，峰形敏感。反之，结晶度低时，基线不水平，出现漫散包，峰不敏感，峰形宽化。

结晶杜酌来暗示物相中结晶态物质所占的比例，统一种晶型，通常结晶度越高，熔点越高，如图4所示。

图4.统一晶型分歧结晶度的XRPD对比图

04 XRPD在晶型甄别方面常见的问题

无数情况下，晶型的判断并不难题。只有其XRPD谱图一致（所有的衍射峰地位一致），就能够判断为统一晶型。但是在现实晶型甄别中，我们也会时时遇到以下问题：

i：单一晶型还是混晶？
ii：类似的XRPD图，晶型是否一致？
iii：XRPD多峰或者少峰，晶型该若何判断？
iv：XRPD峰偏移，晶型该若何判断？
v：XRPD峰分叉晶型又该若何抉择？

1、造就单晶，通过和单晶仿照的粉末衍射图比对

单晶是判断晶型是否为单一晶型最直接的步骤。通过造就指标晶型的单晶，而后通过单晶数据仿照XRPD谱图，与实测XRPD谱图进行对比。若是一致，则注明是单一晶型，如图5所示。

图5. 某化合物单晶仿照和实测的XRPD对比图

2、通过分歧的结晶方式，获得多批次样品的XRPD

若多批次沉结晶尝试（选取分歧的结晶方式，分歧的溶剂系统）获得样品的XRPD图一致，那么就能够以为是单一晶型，如图6所示。

图6.某化合物分歧结晶方式获得的XRPD对比图

3、结合分歧表征技术进行全面的表征

DSC等辅副伎俩也能够用因而否单一晶型的判断。若是是单一晶型，那应该有单一的溶解峰。若是DSC检测有两个或者多个溶解峰，则有可能是混晶。NMR、TGA、KF等则能够对水合物、溶剂化物的情况进行判断。

4、晶型尺度谱图对比

和对照品XRPD图对比，和专利文件报路的XRPD谱图对比，以确定当前造备的晶型是混晶还是单一晶型。

同种物质（单一成分或者蕴含溶剂）的分歧晶型可能晶体结构类似。好比无水物和水合物之间，分歧含水量的水合物之间，无水物和溶剂合物之间，水合物和溶剂合物之间，分歧的溶剂合物之间就可能晶型结构类似，简称isostructural。

此表，分歧物质其实也可能拥有类似的结构（即类似的XRPD图），好比氘代和非氘代化合物，异构体。对于这些情况，仅从XRPD图谱是很难判断的。必要结合项目布景信息，好比合成工艺，结晶工艺、化合物的多晶型情况，还必要结合其它表征伎俩综合分析，能力得到客观科学的结论，如图7-图9所示。

图7.氘代和非氘代的XRPD对比图

图8.对映异构体（苹果酸）的XRPD对比图

图9.某新药分歧溶剂合物的XRPD对比图

在进行晶型一致性判断时，少峰的情况（与尺度品对比）相对问题较幼，能够以为是该批次样品可能由于结晶情况与以往批次分歧，导致某个或者某些晶面结晶度比力低，因而没有出峰。比力难判断的是XRPD谱图多峰的情况，出现多峰的情况，肯定要引起器沉。

择优取向常产生在片状和针状晶体。比力极端的情况，某些比力弱的衍射峰会隐没，但对其研磨后衍射峰会出现。无论是片状晶体还是针状晶体，在研磨后，样品的描摹会趋向于不规定和随机的散布，此时每个晶面露出在X射线下的概率也会趋向于一致，所以XRPD衍射峰就没有显著的择优取向。当然，研磨有可能会导致样品结晶度降落，甚至变为无定形，所以研磨时要把稳研磨的强度和功夫，如图10-图13所示。

图10.混晶引起的XRPD多峰图

图11.表来物引起的XRPD多峰图

图12.溶剂引起的XRPD多峰图

图13.择优取向引起的XRPD多峰图

峰偏移时时产生在水合物脱水前后或者样品热处置前后的XRPD图上。非化学计量比水合物与对应的无水晶型拥有类似的晶体结构，只有少数衍射峰有差距。脱水后，晶格收缩，晶面间距减幼，导致衍射峰右移。

同样，温度对于XRPD的地位也有影响。热胀冷缩是一个物质的根基属性，同样合用于晶体。凭据布拉格公式2d sin θ=n λ，温度升高，晶体膨胀，在波长不变的情况下，晶面间距d值增大，必然使sin θ 变幼，即峰位左移。

另表，样品受到挤压，产生均匀的颗粒应变，好比压片，亦可能导致峰位右移。具体如图14和图15所示。

图14.水合物脱水引起的XRPD峰偏移图

图15.受热和应力存在引起的XRPD峰偏移图

在XRPD谱图分析时，若是遇到峰裂分等情况时，可能是颗粒表表粗糙度、颗粒太大、晶体结构缺点等成分引起，研磨再测试能够解决大部门的问题。具体如图16所示。

图16.氯化钠分歧颗粒大幼引起的XRPD峰分叉图

05 JDB电子的技术和服务

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[1] 《中国药典》(2020年版)中0451 X射线衍射法
[2] ?941? CHARACTERIZATION OF CRYSTALLINE AND PARTIALLY CRYSTALLINE SOLIDS BY X-RAY POWDER DIFFRACTION (XRPD).
[3] PECHARSKY V K, ZAVALIJ P Y. Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Character of Materials [M]. Spring-er, 2005:161.

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