开篇引言

药物固态表征方法有很多，X射线粉末衍射（XRPD）、热重分析（TGA）、差示扫描量热（DSC）、红外（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）、偏振光显微镜（PLM）。其中，XRPD凭借快速、直观、样品用量少，样品不被破坏可回收的优点，已成为药物晶型研究的首选表征方法及金标准，广泛用于药物固态的定性和定量等研究，贯穿药物固态研究的各个阶段。

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专门阐述了药品研究中X射线衍射法的应用
；9015则指明了药品晶型研究及晶型质量控制。
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》中对晶型定义阐明了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表征方法。

01 X射线衍射法和原理

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）的分析方法。其原理是：X射线是一种高能电磁波，能够穿透物质并与其中的原子或者分子产生相互作用。当X射线照射原子排列规律不同的固体时，会产生不同的衍射图谱。因此，不同晶型的XRPD谱图往往差异很大，具有指纹属性，易于区分，如图1所示。

图1. 几何测量原理图

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，变化万千，随物质结构不同而异。那么，该如何解读衍射图？

组成X射线粉末衍射图的三要素为：峰位、峰强、峰形（线形）。衍射峰强受晶体结构、样品特性（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）定义的，而晶胞参数（a,b,c,a,β,γ）影响的是衍射峰的峰位置。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。

因此，判断晶型一致性时，取决于药物晶型衍射峰的位置，而不是衍射峰的强度或强弱顺序。

03 X射线粉末衍射（XRPD）的应用

1、区分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乃至上百个锐峰（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、鉴别多晶型

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

多晶型现象可以由样品的分子构象、分子排列规律、分子作用力等变化引起，也可由结晶水或结晶溶剂的加人（数量与种类）形成。不同晶型的XRPD图在衍射峰数量、衍射峰位置、衍射峰强度以及衍射峰的形状上显现出差异。

化合物的每一种晶型都会产生一种特有的X射线粉末衍射图，XRPD图可以作为晶体的指纹图谱，用于鉴定区分不同晶型，如图3所示。

图3. 某一化合物不同晶型的XRPD对比图

3、评估物质的结晶度

当化合物结晶状态比较好、结晶度比较高时，XRPD图基线水平，峰形尖锐。反之，结晶度低时，基线不水平，出现漫散包，峰不尖锐，峰形宽化。

结晶度用来表示物相中结晶态物质所占的比例，同一种晶型，一般结晶度越高，熔点越高，如图4所示。

图4.同一晶型不同结晶度的XRPD对比图

04 XRPD在晶型鉴别方面常见的问题

多数情况下，晶型的判断并不困难。只要其XRPD谱图一致（所有的衍射峰位置一致），就可以判断为同一晶型。但是在实际晶型鉴别中，我们也会经常遇到以下问题：

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

1、培养单晶，通过和单晶模拟的粉末衍射图比对

单晶是判断晶型是否为单一晶型最直接的方法。通过培养目标晶型的单晶，然后通过单晶数据模拟XRPD谱图，与实测XRPD谱图进行对比。如果一致，则说明是单一晶型，如图5所示。

图5. 某化合物单晶模拟和实测的XRPD对比图

2、通过不同的结晶方式，获得多批次样品的XRPD

若多批次重结晶实验（采用不同的结晶方式，不同的溶剂体系）获得样品的XRPD图一致，那么就可以认为是单一晶型，如图6所示。

图6.某化合物不同结晶方式获得的XRPD对比图

3、结合不同表征技术进行全面的表征

DSC等辅助手段也可以用于是否单一晶型的判断。如果是单一晶型，那应该有单一的熔化峰。如果DSC检测有两个或者多个熔化峰，则有可能是混晶。NMR、TGA、KF等则可以对水合物、溶剂化物的情况进行判断。

4、晶型标准谱图对比

和对照品XRPD图对比，和专利文献报道的XRPD谱图对比，以确定当前制备的晶型是混晶还是单一晶型。

同种物质（单一成分或者包含溶剂）的不同晶型可能晶体结构相似。比如无水物和水合物之间，不同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，不同的溶剂合物之间就可能晶型结构相似，简称isostructural。

此外，不同物质其实也可能具有相似的结构（即相似的XRPD图），比如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。需要结合项目背景信息，比如合成工艺，结晶工艺、化合物的多晶型情况，还需要结合其它表征手段综合分析，才能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.某新药不同溶剂合物的XRPD对比图

在进行晶型一致性判断时，少峰的情况（与标准品对比）相对问题较小，可以认为是该批次样品可能由于结晶情况与以往批次不同，导致某个或者某些晶面结晶度比较低，因而没有出峰。比较难判断的是XRPD谱图多峰的情况，出现多峰的情况，一定要引起重视。

择优取向常发生在片状和针状晶体。比较极端的情况，某些比较弱的衍射峰会消失，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，样品的形貌会趋向于不规则和随机的分布，此时每个晶面暴露在X射线下的概率也会趋向于一致，所以XRPD衍射峰就没有明显的择优取向。当然，研磨有可能会导致样品结晶度下降，甚至变为无定形，所以研磨时要注意研磨的强度和时间，如图10-图13所示。

图10.混晶引起的XRPD多峰图

图11.外来物引起的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

峰偏移经常发生在水合物脱水前后或者样品热处理前后的XRPD图上。非化学计量比水合物与对应的无水晶型具有相似的晶体结构，只有少数衍射峰有差异。脱水后，晶格收缩，晶面间距减小，导致衍射峰右移。

同样，温度对于XRPD的位置也有影响。热胀冷缩是一个物质的基本属性，同样适用于晶体。根据布拉格公式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 变小，即峰位左移。

另外，样品受到挤压，产生均匀的颗粒应变，比如压片，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，如果遇到峰裂分等情况时，可能是颗粒表面粗糙度、颗粒太大、晶体结构缺陷等因素引起，研磨再测试可以解决大部分的问题。具体如图16所示。

图16.氯化钠不同颗粒大小引起的XRPD峰分叉图

05 贝斯特全球最奢华的游戏平台的技术和服务

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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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