X射线荧光光谱法在药品元素杂质分析中的应用

徐昕怡，刘 贞，洪小栩

1 国家药典委员会，北京 100061；2 江西省药品检验检测研究院，南昌 330029

自2010年国际人用药品注册技术协调会（ICH）发布了Q3D 元素杂质指导原则以来，美国、欧盟进一步限制了药品中的元素杂质水平[1，2]，药品中元素杂质的控制越来越受到关注。X 射线荧光光谱（X-ray fluorescence spectrometry，XRF）是基于测量由初级X 射线激发的原子内层壳电子产生的特征X 射线光量子的一种仪器分析方法。可用于分析测定液体、粉末和固体材料样品中不同元素产生的荧光X 射线波长（或能量）和强度，获得元素组成与含量信息，达到定性和定量分析的目的，目前已在地质、冶金、材料、环境、工业等的无机分析领域得到了极其广泛的应用[3]。尽管近年来XRF 在中药元素成分分析以及鉴定评价方面已有不少报道[4-6]，但在其他药物分析领域中的研究较少。本文综述了近年来国内外XRF 在药品元素杂质分析中的应用情况，旨在为药品中元素杂质控制研究提供参考。

1 XRF 的分类和特点

XRF 具有分析速度快、检测元素范围广、前处理简便、无污染、成本低廉以及无损检测等优点[7]，可用于各类样品中主、次、痕量多元素同时测定。根据分光方式不同，XRF 可分为波长色散型（WDXRF）和能量色散型（EDXRF）。WDXRF 具有较高的分辨率，体积大，需要较强的光源和专用的晶体光学元件，因此仅限于实验室中使用。实验室级EDXRF 自20世纪60年代早期开始使用，随着硬件和软件的不断发展，手持式及便携式EDXRF 的研发在近三十年中逐渐深入，其性能接近于实验室用EDXRF。根据X 射线出射、入射角度还可分全反射X 射线荧光光谱（TXRF）、掠出射X 射线荧光光谱（GEXRF）和掠入射X 射线荧光光谱（GI-XRF）等[8]。目前同时配备XRF 和ICP-MS 是国外分析实验室的趋势，利用XRF 分析含量较高的元素，用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析低浓度的元素[8]。XRF 和ICP-MS 在主要性能上的优点和局限性见表1 所示[9]。

表1 XRF 和ICP-MS 在主要性能上的比较[9]

2 各国药典中的XRF 标准

目前2015年版《中国药典》暂未收载XRF 技术，但《美国药典》（USP）41 版通则 〈735〉、欧洲药典（EP）9.0 版通则2.2.37 和《英国药典》BP 2019 版附录ⅡK 均收载了XRF[10-12]。USP 介绍了XRF 的定义、原理、仪器性能、测定方法、确认和验证等内容。EP 介绍了XRF 的定义、原理、测定方法、校正方法及计算公式。BP 介绍了XRF 的原理、仪器、基质效应和干扰、样品制备、测定方法、仪器性能控制和验证要求[12]。BP 还指出，XRF 作为质量控制或过程控制方法，广泛用于筛选原料药和制剂中的元素杂质。由于XRF 的非破坏性，适用于过程分析技术（PAT），如分析原料药中残留的痕量催化剂[12]。

3 XRF 在药品元素杂质分析中的应用

3.1 在药物研发中的应用

制药企业通常将新药研究重点聚焦于未满足的医疗需求上，新药的研发速度往往由患者驱动。因此，在药物研发过程中快速做出决策，可更快地提高患者的治愈率，元素杂质分析是可提高研发效率的一个步骤。金属催化剂通常用于原料药的合成中，研发者需要监测各种原料和合成工艺中金属催化剂的残留情况，从而实施有效的控制策略。通常使用灵敏度、精密度高和选择性好的电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES 或ICP-OES）或ICP-MS，对药物中的元素杂质进行分析[13-15]。然而，在药物研发期间，许多样品不需要这些昂贵、费时、灵敏度高的技术。研发者通常需要快速确定元素含量，以提高优化合成工艺的效率。XRF 可更快速、更简便地测定原料、中间体和研发样品中的元素杂质含量，同时保证必要的准确度。然而，传统的XRF 分析需要大量样品，不适用于药物研发的早期阶段。手持式XRF 具有几个明显的优点，可作为筛查金属催化剂去除有效性的现场分析工具：一是成本远低于传统的实验室仪器；二是可以在实验室间移动使用；三是具有足够的灵敏度；四是特别适用于专业能力不高的分析工作者。开发一种手持式XRF 仪器的方法通常需时不到30 分钟，使用者可以在短时间内接受操作培训[16]。Lewen N 等[16]使用手持式XRF 确立筛查金属催化剂去除工艺的有效性，通过对不对称Suzuki 偶联反应、Buchwald-Hartwig 交叉偶联反应中去除钯以及Ullmann-Goldberg 偶联反应中去除铜的研究，成功测定了近900 个固体和液体研发样品中的钯和铜含量。研究表明，手持式XRF 可替代传统的ICP-OES 测定钯和铜含量，快速确定金属催化剂去除工艺的有效性，可为原子光谱和工艺化学部门节省近两个月的全职人力工时（FTE），同时节省溶剂、氩气和耗材的费用[16]。

3.2 在原料药元素杂质分析中的应用

作为提高药物安全性和有效性的一部分，制药企业和监管机构对原料药（API）的杂质控制十分重视。元素杂质可以从各种来源（如原料、试剂、溶剂、催化剂、反应容器、管道和其他用于合成药物的设备）引入原料药中。由于某些元素具有潜在的毒性，美国FDA“指南”指出，在制药生产中控制残留元素含量至关重 要[17]。Marguí E 等[18]利用WDXRF 测定原料药中的金属杂质铁、锌、铬、镍，方法的检测限和定量限满足欧洲药品评价局（EMA）和ICH Q2（R1）的要求，适用于原料药目标无机杂质的定性和定量检测。与药典的重金属目视比色检测方法不同，该技术可以轻松实现自动化，是快速常规分析的理想工具[18]。催化在医药化学工业中具有重要的作用，它可以减少碳-碳和碳杂原子键形成过程中的活化能，从而提高结构改造的效率，降低总成本和时间。钯通常被认为是原料药形成碳-碳和碳杂原子键应用最广泛的金属，在医药工业中广泛用于催化反应[19，20]，但必须将其除去后方可成为药用原料。Marguí E 等[20]通过高能偏振束能量色散X 射线荧光（HE-P-EDXRF），建立了一种简单、快速、可靠的分析方法，可测定三唑类抗真菌原料药中催化剂靶的残留量。

EDXRF 类型中的TXRF，比传统EDXRF 的背景信号更低且检测限低3 个数量级[9]，还具有动态范围宽（至少4 个数量级）、所需样品量小（μg）、定量简单、基质效应可忽略等优点，可通过内标实现对原子序数在14～92 内的多元素快速定量测定，是一种快速的元素筛选分析技术[8，21，22]。Wagner M 等[21]利用TXRF 研究了不同来源的胰岛素、普鲁卡因和色氨酸样品中的微量元素的含量比例，得到了元素指纹图谱相关信息，能够区分不同生产纯化工艺的不同批次的样品。Lásztity A等[22]利用TXRF 筛查发现，左旋多巴中金属含量低于5 μg·g-1，亚叶酸钙中铁、锌、锶的含量为44、10、6 μg·g-1，马来酸依那普利中铁的含量为17 μg·g-1。Antosz FJ 等[23]利用TXRF 对原料药样品中的钯和铜进行了定量分析，测定结果在检测限、定量限、准确度和精密度方面与ICP-MS 相当。

3.3 在药用辅料元素杂质分析中的应用

2015 版《中国药典》采用原子吸收光谱法（AAS）测定明胶空心胶囊中的有毒重金属铬的残留，该法需要复杂的前处理过程，时间消耗较长。李俊卿、尹利辉等[24，25]建立了手持式EDXRF 快速检测明胶空心胶囊中铬的含量。方法的检测限为10 mg·kg-1，与AAS 测试结果比较，Cr 含量大于10 mg·kg-1的阳性样品的检测率为100%。该方法可以无损伤直接测试样品，一次同时分析多种元素，便于现场分析，分析时间短，4分钟即可筛查出一个样品，大大提高了分析效率。

3.4 在制剂元素杂质分析中的应用

对患者而言，药物制剂的安全性和有效性更为重要。因此，重点研究XRF 在制剂元素杂质分析中的应用，比工艺研发时分析个别原料药的元素杂质残留量更有意义[26]。Goncalves LML 等[26]利用WDXRF 对两种原研药和仿制药中的金属元素杂质含量进行了测定，结果显示，WDXRF 在一定范围内具有可接受的线性、精密度和准确度，适用于药物制剂中铜、锌、铁、铬杂质的测定，是药典中重金属目视比色检测法的良好替代方法。

由于制样简单、设备和分析成本较低，以及可现场对大量产品进行快速筛查，XRF 已被美国FDA 用于各种监管用途[9]。

图1 美国FDA 现场作业中使用ICP-MS 和XRF 测定制剂中有毒元素的步骤[9]

图1 描述了美国FDA 使用ICP-MS 方法与XRF 方法进行制剂元素分析时所涉及的各个步骤。图左ICP-MS 方法的最大瓶颈是样品制备过程，为得到适合分析的提取物，需要费时耗力的固体样品消化和过滤步骤。相比而言，图右中用于初筛的XRF 方法，仅需要简单的样品制备步骤（即直接按样品原样等份倒入XRF 分析杯中进行分析）。若初筛结果显示特定元素未检出，则可将样品研磨为更均匀的粉末，以提供更准确的结果。通过手持式XRF 实现对样品的高通量快速筛选，在遇到可能的违规样本时，即当元素浓度超过限量及（或）处于急性或长期毒性水平时（如10 ppm），采用定量XRF 方法进行准确定量。若低于规定限值，利用ICP-MS 等实验室技术进行定量分析获得更准确的结果。此步骤节省了大量时间和成本，能够在相同时间内筛选更多产品中是否存在有毒元素[9]。Arzhantsev S 等[27]使用连续波变换滤除光谱信号和噪声成分的手持式XRF 光谱仪，筛查了27 种胶囊、片剂和膏剂药物，发现14 种药品含有重金属，并利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）证实了XRF 的筛选结果，XRF 测定值的误差在预期范围内。

4 小 结

XRF 具有分析快捷、直观、可靠等优势，可作为AAS、ICP-AES 和ICP-MS 的替代技术，可定量分析原药、辅料和制剂中的残留元素。XRF 在药物研发、原药和制剂的金属催化剂残留及药物有毒元素的快速筛查等方面的研究不断深入，应用不断扩大。除用于传统的实验室分析外，XRF 还是一种为数不多的可手持、便携式的元素分析技术，很适合大批量样品的快速、现场或在线检测。此外，XRF 与化学计量学、色谱和光谱技术应用于过程控制，提供有毒元素的信息并筛查出成分复杂的假药，这将是未来的发展方向。目前，USP、EP 和BP 均已收载XRF 作为法定的方法，在国际合作与交流日益加强的今天，建议将XRF 收载入《中国药典》，建立相应的方法标准，有利于规范和指导XRF 在药品质量控制中的应用，为药品中元素杂质的检测增加一种质量控制方法。