颗粒表征新领导者MICROTRAC MRB带你遨游微观粒子世界

材料的微观表征

随着生物药技术的不断革新，蛋白类生物药例如单抗、双抗、ADC、融合蛋白等生物药的发展也如火如荼。在蛋白类生物药的研发、生产和存储过程中，都有可能发生蛋白团聚而形成粒径不同的聚集体，也可能在培养过程中大颗粒破裂成小颗粒，增加药品中的颗粒数量，这都会对最终的产品造成影响。生物药颗粒发生聚集，不仅会影响药物效果，而且注射后还可能威胁人体健康。因此，评价生物药中的颗粒物状况对于保障药物安全具有重要意义。

颗粒表征技术及原理

颗粒物分析是自药品开发至生产过程中的一项关键质量属性(CQA), 所以采用合适的颗粒物表征工具至关重要。在药品开发过程中, 活性药物成分(API)的固体形式通常采用形态和大小分布等特征来作为指标, 因为它们会影响生物利用度、性能和稳定性。后期的颗粒物鉴定也可用于确定产品纯度和监测配方混合物中颗粒物的变化。这些信息可以帮助提高开发速度, 监控过程变异性, 并用于放行时的质量控制(QC)。

评估颗粒物分析技术主要基于四个考虑因素: 功能、处理量、易用性和灵活性。功能因素即通过计数和大小、形态/形状和颗粒物识别颗粒物能力。通常需要对大量的颗粒物进行分析, 获得有统计学意义的数据, 才能得出正确的结论。因此, 大处理量是必不可少的。分析技术也应该易于使用, 在样品制备过程中对颗粒物的影响最小, 以防止不必要的应力改变颗粒物的大小或形状并影响结论。最后, 如果样本类型发生变化, 则需要灵活性。药品开发时, 在不同药品开发和分析的阶段中, 相同的API可能是固体粉末、结晶, 悬浮液或片剂形式。

粒度和形状分析技术与功能原理

确定粒度分布的最常用技术是动态图像分析（DIA），静态激光散射（SLS，也称为激光衍射），动态光散射（DLS）和筛分分析。

筛分分析

筛分分析是一种技术，该技术以其优选的取向来测量颗粒，并具有主要确定颗粒宽度的趋势。

进行筛分分析，直至各个筛分上的样品质量不再变化（=恒定质量）。称量每个筛子，并按重量百分比计算每个部分的体积，从而提供质量相关的分布。

筛分分析的分辨率受到可获得的粒度分数的数量的限制。标准筛网最多包含8个筛网，这意味着粒度分布仅基于8个数据点。该过程的自动化几乎是不可能的，这使其相当耗时。筛分分析的处理步骤为初始称重，5-10分钟的筛分，反称重和筛子的清洁。

错误的最常见来源是筛子超载（筛孔堵塞，结果太粗糙）；筛子过旧，磨损或损坏（结果太好），或者数据传输错误。还应考虑到，新的符合标准的筛子的孔径尺寸也要承受一定的公差。

动态图像分析（DIA）：

使用动态图像分析（DIA），大量粒子被移动经过摄像头系统并进行实时分析。

现代DIA系统每秒可获取数百帧数据，并在几分钟内评估数百万个单独的粒子。

快速的相机，明亮的光源，短的曝光时间和强大的软件是实现此目的的先决条件。下图显示了Microtrac的CAMSIZER系列的测量原理，以DIA分析仪为例。

与筛分分析相反，DIA在完全随机的方向上测量颗粒。基于粒子图像确定各种尺寸和形状参数。典型的尺寸参数是例如等效圆的宽度，长度和直径（请参见下图）。

动态激光散射（DLS）：

使用静态激光散射（SLS）分析（也称为激光衍射），可以通过检测不同角度的粒子散射的激光强度分布来间接测量粒径。下图显示了Microtrac SYNC的设置，Microtrac SYNC激光粒度仪，独特的Tri-Laser-Geometry和附加的摄像头模块。

1.相机，2.激光器1，3.激光器2，4.检测器阵列，5.光源DIA，6.检测器阵列，7.激光器

该技术基于光被粒子散射并且强度分布与粒径之间的相关性是众所周知的现象。简而言之，大颗粒将光散射到小角度，而小颗粒产生大角度散射图。

大颗粒产生相当尖锐的强度分布，在定义的角度处具有明显的最大值和最小值，小颗粒的光散射图案变得越来越分散，并且总强度降低。特别难以测量多分散样品中尺寸不同的颗粒，因为颗粒的各个光散射信号会相互叠加。

静态激光散射（SLS）是一种间接方法，该方法基于由整体粒子集合引起的叠加散射光图案来计算粒度分布。另外，对于小颗粒，必须知道材料的光学特性（折射率），以便进行计算以产生可靠的结果。

激光衍射（LD）：

动态光散射基于悬浮液中颗粒的布朗运动。较小的粒子运动较快，较大的粒子运动较慢。这些粒子散射的光包含有关扩散速度的信息，因此也包含有关尺寸分布的信息。确定的粒度是流体动力学直径。Stokes-Einstein方程描述了粒径，扩散速率，温度和粘度之间的关系：

1.检测器| 2.反射的激光束和散射光| 3.蓝宝石窗口| 4. Y型光束分离器| 5. GRIN镜头| 6.样品| 7.光纤中的激光束| 8.激光

动态图像分析对药物颗粒进行表征

用于药物样品粒度分布分析的传统技术是筛分分析，显微镜或激光衍射。这些方法已在药典中建立，并在全世界的制药实验室中使用。

通过引入动态图像分析（DIA）作为替代方法，现在可以测量大于1μm的粉末，颗粒，小球和悬浮液的粒径和形状。与传统的颗粒筛分方法相比，许多试验清楚地证明了DIA的优势。许多制药公司已经意识到这种方法的潜力，并将这项技术添加到他们的研究和质量控制实验室中。典型的应用示例为：

微粉活性成分（API）和赋形剂

药物颗粒（例如压片混合物）

颗粒的大小和形状

监控涂布过程

结晶API和赋形剂的表征

动态图像分析（DIA）的原理

就像显微镜一样，DIA分析仪由照明单元，物镜和摄像系统组成。通常在透射光中检测到粒子，并且图像包含粒子的阴影投影。但是，与显微镜不同，DIA的目的是在非常短的分析时间内检测和评估大量颗粒。这是通过产生由高速相机拍摄的颗粒流来实现的（图1）。对于可倾倒的固体，颗粒流可以自由下落，在文丘里喷嘴产生的用于团聚粉末的气流中，甚至在液体悬浮液中都可以自由下落。根据仪器和应用的不同，可以实时获取和评估60到320张图像！

自动显微镜通常需要30-60分钟来捕获足够的颗粒，以计算出有意义的尺寸分布。DIA系统在几分钟内评估了数十万甚至数百万个颗粒。因此，最终的大小分布基于更大的基础，从而消除了由于采样和不良统计信息而引起的错误。此外，DIA系统的测量范围比显微镜的测量范围大10倍以上，这是一个显着的优势，因为许多样品包含从微米到毫米范围的颗粒。

技术发展-3D重构纳米粒子的电子显微学

随着3D重建方法学的进一步发展，单个纳米颗粒的结构确定不仅将改变材料科学，而且还将改变计算化学。目前，基于计算的纳米颗粒研究基于理论上估计的晶体结构。因此，从3D结构分析获得纳米粒子的精确3D原子位置可以直接应用于理论计算，这可能会提高那些计算的准确性。精确的基于3D重建的计算将有助于设计具有所需化学性质的功能纳米材料。

两种三维结构的重构方法：三维电子层析成像和布朗单粒子重构。两种方法都是利用不同投影角度的纳米粒子的TEM或STEM图像，在倒易空间中收集纳米粒子的相位信息，重建纳米粒子的三维结构。所重建的金属纳米粒子的三维分布图是高分辨率的，便于测定它们的原子坐标。在三维原子图上可以观察到了晶界、位错和晶格膨胀。

品牌推荐—MICROTRAC MRB

引入颗粒表征的新领导者

领先的颗粒表征公司，RETSCH技术，Microtrac和MicrotracBel联合成为一家企业：MICROTRAC MRB！这三家公司共同致力于使颗粒分析更准确，更有效，更方便，从而超越客户的期望。MICROTRAC MRB是致力于创新的技术领导者，拥有广泛的全球网络和无与伦比的颗粒表征产品。

这种新的构架使EMEA地区的颗粒表征用户可以从一个来源访问全球最广泛的产品组合。该公司以Microtrac MRB为商标，提供用于通过激光衍射，动态光散射，动态和静态图像分析以及气体吸附测量进行颗粒表征的系统，以确定特定的表面和孔径分布。

应用案例

应用领域：建筑材料、硅铁、金属粉末、型砂、医药产品、碳粉

动态图像分析（DIA）的原理

就像显微镜一样，DIA分析仪由照明单元，物镜和摄像系统组成。通常在透射光中检测到粒子，并且图像包含粒子的阴影投影。但是，与显微镜不同，DIA的目的是在非常短的分析时间内检测和评估大量颗粒。这是通过产生由高速相机拍摄的颗粒流来实现的（图1）。对于可倾倒的固体，颗粒流可以自由下落，在文丘里喷嘴产生的用于团聚粉末的气流中，甚至在液体悬浮液中都可以自由下落。根据仪器和应用的不同，可以实时获取和评估60到320张图像！

自动显微镜通常需要30-60分钟来捕获足够的颗粒，以计算出有意义的尺寸分布。DIA系统在几分钟内评估了数十万甚至数百万个颗粒。因此，最终的大小分布基于更大的基础，从而消除了由于采样和不良统计信息而引起的错误。此外，DIA系统的测量范围比显微镜的测量范围大10倍以上，这是一个显着的优势，因为许多样品包含从微米到毫米范围的颗粒。

图1.两种最先进的DIA仪器：CAMSIZER P4（左）和CAMSIZER X2（右）。

P4经过优化，可快速分析尺寸从20μm到30 mm的可灌装散装物料，而X2模型则可在0.8μm到8 mm的尺寸范围内工作。X2具有多种样品分散选项，例如可调节压力的空气喷嘴和湿分散单元。

图像分析：所见即所得！

成像技术为粒度分析提供了直接的方法。基本思想很简单：“所见即所得”。基于单个粒子的图片，自动软件算法确定尺寸和形态。颗粒长度和颗粒宽度可直接访问，如图2所示。这显示了DIA的多功能性，特别是与形状分析结合使用时，形状分析与尺寸测量同时进行。图3解释了一些形状参数。

图2选择图像分析中使用的基本尺寸参数。尺寸分布基于宽度（红色），长度（蓝色）或相等的区域直径（绿色）。

实施例1：在颗粒生产过程中检测附聚物

药物丸剂的生产通常通过制粒，挤出并随后进行滚圆或包衣来完成。理想的结果是圆形颗粒的粒径分布窄而均匀。在制粒和包衣过程中，附聚物的形成是不希望的副作用。附聚物可能对产品性能产生负面影响；它们可能导致例如活性成分的溶解度或释放速率发生变化。因此，通常严格控制每个产品批次的附聚物量。

CAMSIZER能够检测低至0.05％的附聚物百分比。

激光衍射和筛分分析都不是可靠地检测出这种较小百分比的合适方法。由于测量原理的原因，激光颗粒分析仪要求最低浓度为2％，才能检测出附聚物或尺寸过小的颗粒，例如灰尘含量。较小的金额可能会被软件简单地忽略。在这种情况下，颗粒形状也是重要的因素。例如，伸长的颗粒既不能通过激光衍射也不能通过筛分分析来检测。

图4 CAMSIZER P4可靠地检测到超大附聚物。已将0.21g的凝聚物（约等于10个颗粒）反复添加到21g的样品中，以实现1％至11％范围内的混合物。0.7毫米处的超大颗粒百分比与计算的混合百分比完全匹配。

示例2：测量涂层厚度

生产粒料时的各种涂覆步骤都需要对所施加层的涂层厚度进行精确分析。药物层的总剂量由其厚度确定。其他功能层的厚度可以控制药物的释放速率和溶出过程。药物释放与聚合物膜层的厚度成反比，与颗粒的表面积成反比。通过动态图像分析，可以可靠地确定小于1微米的涂层厚度变化。该方法结合了高分辨率和出色的统计数据，因为可以在很短的时间内分析大量的粒子。然而，筛分分析仅提供低分辨率，因为通常在窄尺寸的包衣颗粒范围内只有很少的筛分尺寸可用。传统的基于显微镜的技术（例如SEM或静态光学显微镜）可提供出色的分辨率，但仅适用于很少的颗粒。[2] [3] [4]

图5：包衣过程中不同工艺步骤后的粒度分布，从小的无颗粒起始粒料到聚合物包衣后的最终产品。通过检测平均粒径的最小变化，可以精确测量涂层厚度。尺寸分布的宽度使得能够表征涂覆过程的均匀性。

实施例3：压片混合物

在压片中，目标通常是产生具有低脆性和高拉伸强度的产品[5]。通过分析尺寸分布，可以预测混合物用于压片的适用性。起始产物通常是具有宽粒度分布和不规则颗粒形状的颗粒。两种性能均有助于压实性，并影响混合物的机械性能。这就是为什么动态图像分析除了提供颗粒大小之外还提供有价值的信息来表征块状材料并将其与其机械性能相关联的原因。请注意，在下面的示例中，DIA结果与筛分分析的结果基本匹配。因此，有可能（并且建议）用更快，更准确，高度自动化的技术。这种混合物的尺寸分布为10μm至1.5 mm，并且CAMSIZER X2 DIA分析仪无需任何硬件调整即可确定整个分布。随后检查单个颗粒可以使您对手头的材料有透彻的了解。

图6压片混合物的尺寸分布。CAMSIZER X2分析（红色曲线）和筛分分析（黑色*）可提供可比的结果。右侧的一些示例图像显示粒子形状是不规则的。

实施例4：淀粉的大小和形状分析：

淀粉是制药应用中的常见赋形剂。它来自各种蔬菜来源，并且大小各异。该实施例显示了两种不同淀粉样品的结果。分布略有不同，但中位数（d50）值几乎相同。考虑到颗粒形状，很明显样品1由圆形的致密颗粒组成，而样品2包含大量的纤维！

图7使用CAMSIZER X2的两个淀粉样品的尺寸分布。两种分布的中位数相同，均为41μm。

图8两种淀粉样品的CAMSIZER X2颗粒形状分析显示出显着差异。

常见的颗粒分析技术是激光衍射。该方法快速，可靠，适合常规分析。然而，它最大的缺点是它没有考虑粒子的真实几何形状，而是将每个测量信号与等效球体的直径相关联。因此，它完全忽略了颗粒形状。另一个缺点是激光衍射正在评估由一组粒子同时产生的散射图。由于该方法的灵敏度低，因此会丢失少量的大号和小号尺寸。图9示出了激光衍射分析的结果与数字图像分析的尺寸定义xarea相关。

示例5：“无法解决的” API

对于任何实验室技术人员而言，微粉化API的粒度分析都是噩梦，因为这些粉末通常显示出非常不利的特性：该材料可能呈粘性，内聚性，带电或高度聚结。所有这些使有效的筛分过程几乎不可能。此外，低于100μm的尺寸分辨率和精度受到限制。常规振动筛分不适用于此处；喷气筛分法是一种合适的方法，但仅提供筛分。诸如CAMSIZER X2之类的DIA分析仪提供了有效的分散系统来处理有问题的样品。

图10 CAMSIZER X2分散选项。上图：X-Jet模块，用于气流中的干分散。分散压力可在20 kPa至460 kPa之间调节。下图：使用X-Flow模块进行液体分散。该设备可以处理水，酒精，非极性有机溶剂和植物油。

粉末悬浮在合适的液体（水，酒精，非极性有机溶剂或植物油）中，或者在文丘里喷嘴产生的气流中分离出颗粒。可以调节分散压力以实现有效的颗粒分离，而没有任何不希望的研磨效果。

图11喷气筛分2分钟后在63μm筛上的团聚API（照片）。由于其内聚性，样品是“无法解决的”。通过CAMSIZER X2的喷气分散，可以实现颗粒的分离。压力越高，结果越好。完美的色散建立在200 kPa。CAMSIZER X2的结果为30 kPa（橙色），80 kPa（红色），150 kPa（蓝色）。200 kPa（棕色）和300 kPa（绿色）。

3.结论

像RETSCH Technology的CAMSIZER P4或CAMSIZER X2这样的现代DIA分析仪不仅能够替代传统的筛分技术，例如筛分分析或激光衍射，而且还可以替代传统的粒度分析技术。它们还提供了其他方法所缺乏的大量其他信息。如果选择正确的尺寸定义，则结果实际上是相同的，并且产品规格可以保持不变。DIA的用户将受益于最高的可重复性，更高的准确性和灵敏度以及较短的分析时间和其他形状信息。

产品选型

气体比重瓶BELPYCNO L

纳米粒度分析仪NANOTRAC WAVE II Q

喷雾颗粒和液滴尺寸分析仪AEROTRAC II

电位分析仪、3D图像分析、表面分析仪、纳米颗粒测量仪、、激光粒度分析仪