原辅料粒径是制药过程中的关键质量指标，对于确保药物稳定性、生物利用度和疗效具有至关重要的作用。大部分原料药的粒径大小对其疗效有着显著的影响，因为它会直接影响到药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程。例如恩替卡韦的体内药代动力学表现出粒径大小的依赖性，粒径越小，全身暴露量越大，0.8微米大小的颗粒比6.3、15.3和22.6微米大小的全身暴露量分别高1.6、3.6和5.6倍。另一个代表性药物是帕利哌酮长效注射液，目前上市的三种注射液给药频率分别为1月1次，3月1次和6月1次，在帕利哌酮注射液中，粒径的大小直接影响了药物在肌肉中的释放速度。颗粒越小，释放越快。因此，合适的粒径分布是发挥理想缓释作用的关键。（图1）

图1：帕利哌酮注射液不同疗效制剂显微镜下粒径差异

中国药典2020版第四部通则<0982粒度和粒度分布测定法>中规定了三种方法测定原料药和药物制剂的粒子大小或粒度分布，其中第一法、第二法用于测定药物制剂的粒子大小或限度，第三法用于测定原料药或药物制剂的粒度分布。第一法即显微镜法，第二法即筛分法，筛分法又分为手动筛分法、机械筛分法与空气喷射筛分法。第三法又称为光散射法，即利用光束照射到颗粒供试品后发生散射现象，通过测量散射光的能量分布，依据米氏散射或弗朗霍夫理论计算颗粒粒度分布。本文将上述三种方法及其他常见的粒径研究手段进行简要概述与总结，并对粒径研究手段的选择给出建议，希望能对大家粒径研究有所帮助，从而根据自己的实际需求筛选合适的方式。

 

一、筛分法

筛分法是利用筛孔将粉体机械阻挡的一种分级方法，通过将筛孔大小不同的筛网叠放在一起，对样品进行筛分，粒径小于筛孔的颗粒漏过筛网，大于筛孔的颗粒截留在筛网上，然后通过称量不同筛子剩余样品的质量，从而得到以筛网孔径为界限样品的粒径大小及分布范围。（图2）

图2：筛分法示意图

测量方式：干法、湿法、空气喷射筛分。

测量范围：一般适用于粒径大于75μm的颗粒。

优点：筛分原理简单、直观，操作方便，易于实现。

缺点：

①对于筛网孔径的大小未能形成统一标准，不同国家有不同的标准。

 

②物料使用量大，筛分法的物料用量为25g~100g。

 

③筛网本身的区分力有限，一般仅适用于粒径大于75μm（粉体中80%的粒子的粒径大于75μm）的颗粒。

 

④筛分精度低，受制于筛网孔径的划分，粒径范围的划分往往较宽。

 

⑤误差大，颗粒形状、静电、测试条件、测试环境等因素都会造成较大的测量误差，此外反复使用导致的筛网拉伸、清洗不当造成的筛孔堵塞也会引起测量误差。

 

二、显微镜法

光学显微镜对颗粒进行直接观察是更直接，更简单的方式。普通的显微镜测量粒径范围一般是0.2~100μm，如果想要测量更小的粒径，则可以选择更为精密的仪器进行观察，如扫描电镜、原子力显微镜等。这种直观的测量方式可以得到更为精准的与尺寸相关的信息，例如颗粒的形态等（图3）。

图3：某原料药不同晶型在电镜下的区别

使用显微镜观察颗粒时，如图2所示，颗粒往往不是球形，并且多不规则，难以采用统一的方法对粒径进行描述。目前主流的方式是计算颗粒在二维平面上投影面积，并转换为面积等效圆的直径。一般可借助图形统计分析软件，如Image Pro Plus（IPP）等，对拍摄图像中的颗粒进行识别、测量和统计，最终得到视野范围内颗粒的等效圆粒径的分布。

优点：

①可以直观观察颗粒的形状、结构及表面形貌。

 

②测量单个粒子直径和观察形态时更方便直接。

缺点：

①人工统计颗粒时，更容易关注大颗粒，而忽视小颗粒，从而影响测量结果的准确性。

 

②小颗粒容易聚集，分析软件自动统计时难以区分，会高估实际的粒径。

 

③显微镜获得的视野表现的是颗粒的二维尺寸，无法表征其高度。

 

④显微镜视野有限，当样品取样不均匀或视野选取不具有代表性时，测试结果可能有较大偏差。

虽然传统显微镜方法存在局限性，但随着高速数码相机、计算机技术飞速发展，自动化图像分析仪器如新帕泰克粒度粒形分析仪应运而生，即在传统显微镜的基础上引入了先进的分散系统、高性能镜头和智能分析软件。这些仪器能够捕捉到静止或运动状态下颗粒的二维图像，（图4）仪器将拍摄到的图像进行分析，并将其转换为相应的粒径分布数据。使得测量更方便快捷且准确。

图4：动态颗粒图像分析仪工作原理示意图与捕捉到的二维图像

 

三、激光衍射法

当激光束照射在分散于空气流或液体介质中小颗粒上时，发生衍射和散射，从而产生光强的空间分布化。激光粒度仪利用光电探测器接收这些光信号，转化为电信号后利用数学模型来拟合出粒子的粒度分布情况。（图5）简单来说，颗粒的衍射角度取决于颗粒粒度大小，大颗粒衍射角度小，光强高。小颗粒衍射角度宽，光强弱，（图6）通过分析样品衍射角度和光强信息，并一系列复杂的计算，可以推导出颗粒等效体积径的分布信息。

图5激光衍射法基本工作原理

图6：不同粒径颗粒激光衍射的区别

激光粒度分析技术以其卓越的测量能力，成为科研工作者手中的重要工具，在此，以代表性工具新帕泰克激光粒度仪为例，对粒径结果进行解析（图7）。

图7新帕泰克测量的粒径结果

结果主要由以下几部分构成：①如注释1所示显示了粒径测定的运算方式为FREE氏，适用于完全不透明的和大颗粒的测量；另一种米氏理论需要了解颗粒的光学特性才能更好的计算，且更适用于较小颗粒的测量。②注释2显示了粒径分布中的关键粒径，X50 =5.10μm：表示在该被测试的样品中，粒径小于5.10μm颗粒占总体积的50％；X90=24.49μm：表示在该被测试的样品中，粒径小于24.49μm颗粒占总体积的90％；SMD表示表面积平均粒径，VMD表示体积平均粒径；Copt表示光学浓度，是指探测器上光强衰减量与无颗粒时的光强之比。③注释3表示了粒径分布的图谱，Q3为累积分布函数，定义为粒度小于Xi的颗粒总体积占全部颗粒总体积的比值，从图谱中可以直观、快速地观察数据的分散程度和中心趋势。Q3是最常用的体积分布，在输出结果时可以根据需要选择数量分布或者其他分布等。④注释4显示了详细的累积分布和频数分布数值，从累积分布数据可以看出，这批颗粒的最大粒径在246μm。⑤结果中还详细展现了测量中的具体参数、触发条件和分散方法，在系统部分可以看出测量采用的仪器、分散系统和采用的镜头。

测试范围：0.01-3500μm，适用于绝大多数粉末、乳液、悬浮液等样品。

优点：样品用量小、测定方便、快速、重现性较高

缺点：

①由于取样量少，样品难以代表整个批量的真实分布情况，需要对取样有一定要求。

 

②激光散射法测量粒径，一般需要设置颗粒的折射率、吸收率的参数。这些参数的设置极大地影响粒径测定结果的可靠性。但是样品的折射率等参数往往并不容易获得，在实践情况中，往往是根据测试者的经验，设定通用参数。

 

③对湿度有一定要求，湿度变化会影响粉末的流动性和团聚性，进而影响测量结果。

 

④质地较脆的颗粒在测量过程中颗粒可能破裂，导致测量结果偏小。

 

⑤如果粉末中存在尺寸差异很大的颗粒，测量仪器可能难以准确识别所有颗粒，导致结果失真。

测量方式：干法、湿法

适用干法的情况：

①颗粒易分散而不被打碎。

 

②样品可以悬浮在空气流中。

适用于湿法的情况：

①材料有一定的危险性，如有毒，易暴等等

 

②样品黏性高，且不易分散或者为湿粉状态。

 

③样品非常细(比如小于1微米)—当颗粒越小，团聚力越大，颗粒团聚在一起气流难以分散。

 

④样品颗粒易碎。

 

四、沉降法

沉降法是通过测量颗粒在介质中的沉降速度来反映粉体粒度分布的一种方法。颗粒沉降满足Stokes定律，颗粒沉降速度与粒径的平方成正比。（图8）在介质中大颗粒沉降速度快，小颗粒沉降速度慢。该定律适用于各种大型不规则形状的粒子，但所测得粒径及分布只能看做等效沉速径及分布（即与所测颗粒具有相同沉降速度的同质球形颗粒的直径）。

图8：Stokes定律

测试范围：0.1-150μm。适合于各类粉体颗粒的粒径测试。

沉降法在制药领域应用较少，主要用于学术研究，以帮助人们理解斯托克斯定律的原理。

 

五、电阻传感法

即电感应区原理，又称库尔特原理，是一种基于导电孔径阻抗变化来测量颗粒尺寸的技术(图9)。简单来说，两个装有电解质的容器之间开一个小孔，当液体流过时，颗粒会通过小孔，使孔径的导电面积减小，孔径处的电阻与孔径的导电面积成正比，这个信号变化可以反映出颗粒的大小。通过快速测量电阻脉冲的时间和幅度，我们可以计算出颗粒数量和体积。

图9：库尔特计数器工作原理示意图

优点：

①分辨率高。库尔特计数器是一个一个测出各颗粒的粒度，然后再统计粒度分布的，它能分辨各颗粒粒径的微小差异，分辨率很高。

 

②重复性高、测量速度快、操作简单。

缺点：

①经常发生小孔堵塞的情况，影响测量精度。

 

②样品分析范围小，检测范围取决于所使用的孔径管，每个管只能测量其标称孔径直径2~60%范围内的颗粒。

 

③待测材料必须是非导电且无孔的，否则会影响测量结果，多孔颗粒测定的尺寸会比目测尺寸小得多。

 

④颗粒浓度要控制在仪器允许的范围内，通常不超过每秒10,000个颗粒。

 

⑤小孔管和电解液需要经常进行校正。

 

六、动态光散射

动态光散射，也就是DLS。当光通过胶体时，粒子会将光散射，从而被一定角度下的检测器检测。由于粒子实时进行的布朗运动，产生的散射光会随时间变化而波动，检测器将散射光信号转化为电信号，再通过一系列运算处理，得到颗粒的粒径及其分布（图10）。

图10：动态光散射检测原理

DLS生成的基础粒径分布是光强度分布，也可以进一步转化为体积分布和数量分布。如图（11）显示了蛋白质粒径测定代表性结果，其中关键的信息有平均粒径与分布系数(particle dispersion index,PDI)，如图平均粒径Z-Average（±SD）为5.403±3.245nm，PDI为0.361。PDI体现了粒子粒径均一程度，是粒径表征的一个重要指标。分布系数<0.05：表明为单分散体系，如一些乳液的标样；分布系数<0.08：表明为近单分散体系，但动态光散射只能用一个单指数衰减的方法来分析，不能提供更高的分辨率；分布系数0.08-0.7：适中分散度的体系，运算法则的最佳适用范围；分布系数>0.7：尺寸分布非常宽的体系，很可能不适合光散射的方法分析。

图11：粒径代表性结果

测试范围：0.4nm -10μm，适合所有能够稳定存在于溶液中做布朗运动的颗粒。典型体系包括：乳液，有机/无机颗粒，自然/合成高分子溶液，表面活性剂，病毒，蛋白质样品等。

优点：

①准确、快速、可重复性好，已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。

 

②对每个颗粒浓度峰值进行简单、不受材料影响的测量，测量对象种类多。

 

③样品制备简单，需求量低。

缺点：

①对分散介质有一定要求，要求透明、与颗粒有不同的折光系数、掌握准确折光系数与粘度。

 

②对粒径有一定要求，颗粒必须进行布朗运动，不能有沉淀行为。

 

总结

检测手段多种多样，在实际检测中，需要根据自己的产品类型和目的选择合适的检测手段。不同的方式具有不同的优缺点，例如不同的检测手段测得的粒径具有不同的意义，例如筛分法、沉降法、激光衍射法、电阻法，他们测定的结果属于统计学的结果，代表性强，动态范围宽；而显微镜法，包括粒度粒形分析，虽然分辨率高，但是代表性差。除此之外，选择方法时更主要的是关注目标颗粒的粒度范围，不同的剂型和给药方式的药物颗粒有不同的粒度范围，如图12所示，我们可以根据不同方法的粒度适用范围来选择合适的方法。（图13）

图12：不同的剂型和给药方式的药物颗粒粒径范围

图13不同检测方法适用的粒度范围

 

参考文献

 

1、中国药典2020版四部0982粒度和粒度分布测定法

 

2、Shekunov, B.Y., Chattopadhyay, P., Tong, H.H.Y. et al. Particle Size Analysis in Pharmaceutics: Principles, Methods and Applications. Pharm Res 24, 203–227 (2007). https://doi.org/10.1007/s11095-006-9146-7

 

3、动态颗粒图像分析仪介绍http://www.sympatec.net.cn/Products-2576755.html

 

4、马尔文粒度仪培训材料

 

5、库尔特计数器培训材料

 

6、Zetasizer Nano 系列粒度电位仪快速操作手册

 

7、新帕泰克粒径仪培训材料