0402　红外光谱法

1 概述

红外光谱法又称红外分光光度法，是在4000～400cm^-1波数范围（2.5～25μm波长范围）内采集物质的吸收光谱，用于化合物的鉴别、检查或含量测定的方法。在中红外谱区，吸收带反映了官能团的分子振转信息，其中1500cm^-1以下区域称为“指纹区”，信息丰富且复杂。除部分光学异构体及长链烷烃同系物外，几乎没有两个化合物具有相同的红外光谱，据此可以对化合物进行定性和结构分析；化合物对红外辐射的吸收程度与其浓度的关系在一定条件下符合朗伯-比尔定律，是红外光谱法定量分析的依据。

红外光谱法在制药领域被广泛应用于实验室的化学和物理分析，同时也是过程分析技术（PAT）的有效工具。其中，化学方面包括原辅料、制剂中的组分、生产中间体和包装材料的鉴别和确认；药物中药物活性成分的定量以及杂质检查；化学合成的反应监测等。物理方面主要应用于固态性质的分析，如药物多晶型鉴别或检查。

在红外光谱中，波长（λ）通常以微米（μm）表示，波数（υ）以厘米倒数（cm^-1）表示。波数比波长更常用，二者的转换关系如下：

2 测量模式

红外光谱常用测量模式有透射、衰减全反射（ATR）和漫反射三种模式。此外，还有与显微镜联用的显微模式。

2.1 透射模式

该模式是基于透射率（T）的测量，即样品在给定波长（波数）下透射红外光的能力。定义如下：

式中　I₀是入射光强度；

I是透射光强度。

透射模式测得的红外光谱通常以透射率-波数表示，也可用吸光度（A）-波数表示，二者关系如下：

式中　ɑ为分子吸收系数，cm²/mol；

b为样品厚度，cm；

c为样品浓度，mol/cm³。

2.2 衰减全反射（ATR）模式

ATR模式是基于内反射现象测量红外光谱。其原理为：从光源发出的红外光经过光密介质（晶体，折射率n₁）投射到光疏介质（样品，折射率n₂）表面上，当入射角θ大于临界角时，入射光在晶体和样品界面发生全反射，但倏逝波会穿透样品表面一定深度，并吸收部分能量，使得全反射被衰减，得到红外吸收光谱。常用的晶体材料有硒化锌（ZnSe）、锗（Ge）、硅（Si）、金刚石等。根据光束在晶体中发生的全反射次数的不同，ATR附件可分为单次反射ATR与多次反射ATR。多次反射ATR附件可以提高检测信号的强度，而单次反射ATR附件因采样量少而更为常用。穿透深度d_p与波长λ相关，通常为μm数量级：

式中　λ为波长；

θ为入射角；

n₁、n₂分别是晶体和样品的折射率，n₁>n₂。

2.3 漫反射模式

从粉末或较细的颗粒样品记录的光谱称为漫反射光谱。其中大部分光谱来源于在不同样品颗粒内部经过多次的透射、折射和反射后，从样品粉末表面各个方向射出反射光；较小一部分光谱来源于在表层样品颗粒外部产生镜面反射光，即菲涅尔反射（Fresnel reflectance）光谱。通常将样品与90%～99%的非吸收性稀释剂（如KBr）混合，通过稀释样品，来减小菲涅尔反射效应。

漫反射光谱与透射光谱相似，但漫反射光谱不遵从朗伯-比尔定律，而符合Kubelka-Munk函数（K-M函数）：

式中　f（R_∞）为K-M函数；

R_∞为样品层无限厚时的漫反射率（实际有几毫米厚度即可）；

K为样品的吸光系数；

S为样品的散射系数（与样品粒度有关，粒度一定时为常数）。

由于K与粉末样品浓度c成正比，由此可知，f（R_∞）与c成正比，这是应用漫反射光谱定量分析的依据。

2.4 显微模式

对于非均相的混合物样品，无需进行化学法分离，可通过红外显微镜在微观条件下选择特定区域，直接测量红外光谱，实现微量分析和成像分析。

红外显微镜的工作原理：红外光经聚焦后通过样品的微区，通过调节可变光阑的大小对不同成分在空间上分辨并分析，显微红外可通过透射模式、反射模式和ATR模式实现。红外显微镜的物镜为球面反射镜，为提高信号灵敏度，一般采用液氮制冷的碲镉汞（MCT）检测器。红外成像由配备的阵列检测器实现；当使用阵列检测器时，空间分辨率将不受光阑的限制。

3 仪器及性能确证

3.1 仪器装置

傅里叶变换型红外光谱仪（FT-IR）是目前最常用的红外光谱仪器类型，由光源、干涉仪、样品室、检测器和数据处理系统组成。其中光源常采用导电陶瓷棒，干涉仪使用KBr分束器，样品室中使用附件，如透射样品架、ATR附件等。满足性能要求的其他类型红外光谱仪均可使用。红外光谱仪可与红外显微镜联用，用于微观样品或化学成像的研究。红外光谱还可与其他分析技术联用，如热分析、色谱法等。

3.2 仪器性能确证

为确保仪器能达到预期的应用目的，应采用标准物质（如聚苯乙烯薄膜）对仪器的性能进行确证。例如，制订标准操作规程（SOP）定期进行性能测试，并在使用中通过自检确保仪器的适用性。性能测试参数可包括本底光谱能量分布、光谱分辨率、波数准确性、波数重复性、透射率重复性、100%线平直度、100%噪声等。其中，波数准确性和光谱分辨率为关键参数。

用聚苯乙烯薄膜（厚度约为0.04mm）校准仪器，采集其光谱图，用3027cm^-1，2851cm^-1，1601cm^-1，1028cm^-1，907cm^-1处的吸收峰对仪器的波数进行校准。傅里叶变换红外光谱仪在3000cm^-1附近的波数误差应不大于±5cm^-1，在1000cm^-1附近的波数误差应不大于±1cm^-1。

用聚苯乙烯薄膜校准时，仪器的分辨率要求在3110～2850cm^-1范围内应能清晰地分辨出7个峰，峰2851cm^-1与谷2870cm^-1之间的分辨深度不小于18%透光率，峰1583cm^-1与谷1589cm^-1之间的分辨深度不小于12%透光率。仪器的标称分辨率，除另有规定外，应小于等于2cm^-1。

仪器的性能确证应定期进行，并应在维修光路或更换光学部件（如光源或采样附件）后及时进行。仪器性能确证过程应根据仪器类型、测量方式以及所需要确证的参数选择标准物质，并应在光路中不存在滤光片的配置下，选择合适的性能测试方法。

4 应用

4.1 鉴别

通过将供试品的红外光谱与对照品光谱或对照图谱进行比对实现定性鉴别。其中，对照图谱可为《药品红外光谱集》中的标准光谱或质量标准所附对照图谱。鉴别时，实测谱带的波数误差应小于规定值的±5cm^-1或0.5%。可以存储当前批次对照品的红外光谱以供后续使用。

除另有规定外，应按照《药品红外光谱集》各卷收载的各光谱图所规定的方法制备样品。具体操作技术参见《药品红外光谱集》的说明。各品种项下规定“应与对照的图谱（光谱集××图）一致”，系指《药品红外光谱集》各卷所载的图谱。同一化合物的图谱若在不同卷上均有收载时，则以后卷所载的图谱为准。

当供试品的实测光谱与对照品光谱或对照图谱不一致时，可考虑晶型的影响。除另有规定外，应采用适当的溶剂对供试品和对照品在相同的条件下同时进行重结晶，制样，并采集光谱，进行比对。如已规定特定的药用晶型，则应采用相应晶型的对照品依法比对。

当采用固体制样技术不能满足鉴别需要时，可改用溶液法采集光谱后与对照品在相同条件下采集的光谱进行比对。

制剂中组分鉴别　品种鉴别项下应明确规定制剂的前处理方法，通常采用溶剂提取法。提取时应选择适宜的溶剂，以尽可能减少辅料的干扰，避免导致可能的晶型转变。提取的样品再经适当干燥后依法进行红外光谱鉴别。

药物制剂经提取处理并依法采集光谱，比对时应注意以下四种情况：（1）辅料无干扰且待测成分的晶型不变化，此时可直接与原料药相应的对照品光谱或对照图谱进行比对；（2）辅料无干扰，但待测成分的晶型有变化，此种情况可用对照品经同法处理后的光谱比对；（3）待测成分的晶型无变化，而辅料存在不同程度的干扰，此时可参照原料药相应的对照品光谱或对照图谱，在指纹区内选择3～5个不受辅料干扰的待测成分的特征谱带作为鉴别的依据；（4）待测成分的晶型有变化，辅料也存在干扰，此种情况一般不宜采用红外光谱鉴别。

多组分药物鉴别　多组分药物鉴别包括多组分原料药鉴别、中药供试品整体鉴别等。应考虑干扰、晶型、基质等对鉴别的影响。可采用溶剂提取法；或选择主要成分的若干个特征谱带，进行谱图比对；也可使用化学计量学方法，在一定波数范围内建立光谱特征判别模型或指纹图谱。

谱图比对和结果判断方法　可以利用全谱区或特定谱区进行谱图比对。可使用软件的数学计算实现光谱比较，但需预先设定结果判断的标准，如阈值。常用方法包括：

（1）基于吸收峰峰位和相对强度的目视比较，进行判断；

（2）计算两个光谱之间的相关系数，通过预先设定的阈值进行判断，其中阈值的设定应符合专属性要求[参见化学计量学指导原则（指导原则9096）中的定性模型评估]；

（3）通过化学计量学方法（如欧氏距离、马氏距离、分类方法）进行判断；该类方法的建立、评估和验证应符合化学计量学指导原则（指导原则9096）的一般原则。

由于各种型号的仪器性能不同，供试品制备时研磨程度的差异或吸水程度不同等原因，均会影响光谱的形状。因此，进行光谱比对时，应考虑各种因素可能造成的影响。

同一物质的ATR光谱与透射光谱的吸收峰位置、强度或形状上有可能存在一定的差异。因此，在鉴别时，ATR光谱不能与透射光谱进行直接比较。

4.2 晶型、异构体限度检查

采用红外光谱法可对原料药或固体制剂中的不同晶型、异构体进行限度控制或定量测量。定量测量可采用相对峰强度法：配制一系列不同比例的混合对照品，选取不同晶型或异构体特有且互不干扰的红外光谱吸收峰，建立特征吸收峰响应值（吸光度值或峰面积）的比值与晶型（或异构体）含量间的校正关系，对混合样品中各晶型（或异构体）进行定量分析。也可采用归一化法进行纯度分析：选取不同晶型（或异构体）特有且互不干扰的红外光谱吸收峰，测量各晶型（或异构体）特征吸收峰的峰面积或峰高，计算各晶型（或异构体）的归一化纯度。

样品制备条件（如压力、溶剂）可能会改变多态性物质的结晶形式。对压力可致晶型状态改变的样品，优先考虑采用漫反射模式。

4.3 含量测定

采用红外光谱法可对样品中某些常量组分进行定量分析，如反式脂肪酸、二甲硅油的测定等，常用外标法和标准曲线法。采用红外光谱外标法含量测定的方法为：按各品种项下有关规定，精密称（量）取对照品和供试品，分别配制供试品溶液和对照品溶液，对照品溶液中所含被测成分的量应为供试品溶液中被测成分的量的100%±10%，所用溶剂应完全一致。在规定波数处，同法测量供试品溶液和对照品溶液的响应值（吸光度值或峰面积）后，按下式计算供试品中被测溶液的浓度。

式中　A_X为供试品的响应值；

c_X为供试品的浓度；

A_R为对照品的响应值；

c_R为对照品的浓度。

红外光谱定量分析也可采用多变量校正模型，可参照近红外光谱法（通则0403）和化学计量学指导原则（指导原则9096）。

根据待测量的质量属性（定性、限度检查或定量），需验证的性能特征有专属性、范围、准确度、精密度等。通常情况下，定量方法验证应包括准确度、精密度和定量限。

5 测定法

应根据样品的物理状态选择合适的测量模式和制备方法。透射模式适用于透明样品，如液体、溶液、气体、薄膜、溴化钾压片等。液态样品和气态样品可装载于固定或可变光程的液体池或气体池中测量，溴化钾压片应使用样品支架置于光路中。ATR模式适用于固态和液态样品的测量。漫反射模式适用于粉末样品的测量。对于极微量或需微区分析的供试品，可采用显微红外光谱方法测定。

6 系统适用性试验

在采集红外光谱用于鉴别时，为获得满足质量要求的光谱，可设置系统适用性要求，如规定图谱中最强吸收峰的透光率在一个适宜的范围。

限度检查和定量分析时，除对红外光谱图的质量提出要求外，还可设置与准确度、精密度和灵敏度有关的其他系统适用性试验及要求，并在品种项下予以注明。

如需要，仪器的波数准确性和光谱分辨率也可作为系统适用性试验要求。