专利名称：用于不透明药物样品光谱分析的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及分析不透明药物样品的方法，药物样品如药片、胶囊-特别是多元颗粒式(MUPS)的药片或胶囊-或构成药物剂量的类似样品。本发明还涉及用于完成这种方法的装置。
本发明可选择地与如在申请人的WO 099/49312号共同未决的国际专利申请中所公开的发明和光谱测定方法及装置相结合，该申请在本申请以前被提出但未在先于本申请的优先权日被发表。特别是，本发明能与在那里所公开的用于照射被分析样品两个相反表面的技术相结合，以便获得代表样品中至少一种组分三维分布的信号。这个国际专利申请的内容特此被引入供参考。
背景技术：
整个药片的无侵入、无毁坏的分析能借助近红外(NIR)或拉曼光谱仪被实现。现今，NIR光谱学被公认为用于完成化合物快速分析的技术。这两种技术的共同特点是它们利用在NIR波长范围(700-2500nm，特别是700-1500nm)内的光，在那里药片较透明(低摩尔吸收率)。即，光在这个范围内能穿透被压缩的粉末若干mm，这是为什么源自药片整体而不仅源自表面的关于含量的信息能被获得。使用NIR辐射的实际优点是二极管激光器能被采用。
这种分析的一个实例在授于Foss NIR系统股份有限公司的专利US5760399中被描述。这个文件公开了用于完成药片的NIR光谱透射测量的装置。然而，这种装置仅能提供关于样品含量有限的信息，一般为样品中特殊组分的数量。这种现有技术的装置不能提供样品中一种或多种组分详细的，例如三维分布的，信息。这种限制所基于的技术背景将联系本发明的描述被进一步讨论。
现有技术还包括用于人体组织光学成象的显著数量的方法，特别是用于均匀性破坏，例如在人体组织中呈现肿瘤，的检测。这些方法在它们主要集中在确定不均匀性的存在及位置的意义上，通常是定性的测量，而不是定量的。这些现有技术的方法不适用于完成对药物的不透明样品，例如药片或胶囊，的定量分析，以便确定例如含量和结构参数。
发明概述根据本发明的第一个方面提供有供不透明药物样品，特别是药片，等同的药物剂量胶囊，定量分析之用的方法。
根据本发明，该方法包含下列步骤-提供辐射的激发束；-用该辐射激发束照射药物的不透明样品；以及-作为所发射辐射的波长和光子通过该样品传播的时间二者的函数来测量由这样被照射的样品所发射辐射的强度。
本发明基于下列原理，借助光谱的透射和/或反射测量待分析的样品呈现一些所谓的光学特性。这些光学特性是(i)吸收系数(ii)散射系数及(iii)散射的各向异性。因而，当激发束的光子传播穿过不透明样品-按透射和/或反射模式-时，它们受这些光学特性的影响，并从而受到吸收和散射二者的支配。刚好基本沿直线路径穿过样品并因而不经受任何明显散射的光子将以较短的时间延迟退出样品。直接在照射面上被反射的光子在测量反射光的情况下也将显示出较短的时间延迟。另一方面，被强烈散射的光子(透射和/或反射的)以显著的时间延迟退出。这意味所有这些发射的光子-呈现不同传播时间-传递出关于样品的互补信息。
在常规的稳定状态(无时间分辨)测量中，由于发射光借助时间累积检测被收集那种互补的信息中的某些被加起来。因此，互补的信息在常规技术中被失去。例如，被记录的光强的减小可能由样品吸收系统的增大所引起，但它也可能由样品散射系数的改变所造成。然而，关于实际起因的信息被隐藏，由于全部发射的光已被时间累积。
按照本发明并与这种现有技术的借助时间累积强度检测的NIR光谱测量相反，由样品所发射辐射的强度作为波长的函数并作为光子通过该样品传播时间的函数二者被测量。因而，该有创造性的方法能被说成既是波长分辨率的又是时间分辨的。重要的是指出该方法在它提供了关于辐射与样品相互作用的动力学的意义上是时间分辨的。因而，由于这个原因，术语“时间分辨”表示“光子传播时间被分辨”。换句话说，在本发明中所使用的时间分辨是按对应于光子在样品中传播时间的时标的(即，光子从光源到检测器的传播时间)并且它从而使得有可能避免对涉及不同光子传播时间的信息时间累积。作为说明性的实例，对于光子的传输时间可能在0,1-2ns的量级。特别是，术语“时间分辨”并不涉及用于完成空间扫描必需的时间间隔，它是其中在“时间分辨”被使用的某些现有技术的NIR技术中的情况。
作为如同在现有技术中不对辐射时间累积(并从而隐藏了大量信息)，而代之以对来自样品的激发信息时间分辨并结合对信息波长分辨的结果，本发明使得建立样品的定量分析参数，诸如含量、浓度、结构，均匀性等有可能做到。
来自被照射样品的透射辐射和反射辐射二者都包含具有不同时间延迟的光子。因此，时间分辨率和波长分辨检测能只对透射辐射，只对反射辐射，以及对透射和反射辐射的组合进行。
在本发明中所采用的辐射的激发束可包括红外辐射，主要是在对应于波长从约700到约1700nm，特别是从700到1300nm，范围内的近红外(NIR)辐射。然而，辐射的激发束也可能包括可见光(400到700nm)及紫外(UV)辐射。就此而论，还应当指出术语“激发”应该被解释作表示“照明”，即并不需要样品的化学激发。
最好，测量强度作为光子传播时间函数的步骤与样品的激发按时间同步被完成。在第一种优选的实施例中，这个时间同步通过采用呈现短激发脉冲的脉冲链的脉动激发束被实现，其中每个激发都触发强度测量。为此，脉冲激光系统或激光二极管能被使用，这种技术使得对每个给定的激发脉冲在达到后起的激发脉冲的时间间隔期间完成发射强度(透射和/或反射)的光子传播时间分辨测量可能做到。
为了避免在涉及两个接着发生的激发脉冲的强度测量之间的任何不希望有的干扰，这种激发脉冲应当具有相对于样品中光子的传播时间足够短的脉冲持续时间并最好比光子的传播时间短得多。
总结起来，在本发明的这种实施例中，与给定激发脉冲相联系的发射辐射的强度检测是与该脉冲时间同步的，并且由一个脉冲所发射光的检测在下一个脉冲之前被完成。
数据的计算能按不同的方式被完成，通过确定边界条件及装置的光学结构，迭代法例如蒙特卡罗模拟能被利用去计算样品的光学特性和间接地计算含量及结构参数。另一方面，多元校准能被用来直接析取这种参数。在多元校准中，测定的数据被利用去建立对所关心的诸如药用物质含量或结构的解析参数的经验的数学关系。当新的测量被完成时，该模型能被用于预测未知样品的解析参数。
在替代的实施例中，辐射源是强度在时间上被调制的。于是，频域光谱学能被用来确定相移和/或由样品所发射辐射的调制深度。因而，被发射样品辐射的相位和/或调制深度与激发辐射的那些被比较。该信息能被用于析取关于样品中辐射时间延迟的信息。应当指出这种频域光谱学也是按照本发明的“时间分辨”技术的，由于它也提供关于光子与样品相互作用动力学的信息。借助同上述类似的数学过程，同样的定量分析信息能被析取。
按照第一种实施例的脉动激发束，及按照第二种实施例的强度调制的激发束，分享了可能在该激发束中辨别特定“激发时间点”的共同特点，它能被用于触发由样品所发射辐射的检测，即使时间分辨检测与样品的激发在时间上同步。这能通过使脉动或调制束触发光检测器或等价物被完成，而它本身又通过合适的时间控制电路系统触发检测装置。
时间分辨检测可通过使用时间分辨检测器，例如条纹摄象机，被实现。它也可通过使用时间选通系统被实现，凭借该系统发射辐射的检测在有限数目的极短的时间段期间而不在全部时间过程被完成。每个这种时间段的时间长度仅是对每个激发完成时间分辨检测的检测时间间隔的一部分。通过测量若干这种“时间段”粗略的时间分辨被完成。有吸引力的替换方法是在两个这种时间选通脉冲处，瞬发光和延迟光，测量波长分辨光谱。而且，时间分辨的数据可借助其他的时间分辨设备，瞬态数字化转换器或等价物，被记录。
波长分辨检测可按许多不同的常规方式被实现，它可通过使用一个或多个供选择一种或多种波长的单通道检测器，例如超高速光二极管、光电倍增管等，或通过使用多通道检测器，例如微通道板或条纹摄象机，被实现，也能使用光扩用系统，例如(i)光谱计，(ii)与波长有关的分束器，(iii)与波长无关的分束器配合多个用于滤除各个用于提供不同波长或波长带辐射相应组分的滤光器，(iv)使由样品所发射的辐射分离成多种组分的棱镜配置或透镜系统配合多个滤光器等。
按照本发明另外的方面，还提供有用于完成本创造性方法的装置，该装置具有如在公开的权利要求中所确定的特点。
本发明的上述和其他特点及优点在权利要求中被确定，并且在下面参照说明优选实施例的伴随的附图被较详细地讨论。
附图描述
图1a说明用于完成按照本发明的时间分辨和波长分辨分析的装置。
图1b说明发射光的激发和收集仅在样品被照射的侧面被完成的实施例。
图2说明用于实现本发明的功能组件。
图3a是说明按照本发明的波长分辨及时间分辨的药片透射测量实验结果的条纹摄象机图象。
图3b是图3a中条纹摄象机图象的三维曲线图。
图4a是说明按照本发明的时间分辨配合空间分辨的药片透射测量实验结果的条纹摄象机图象。
图4b是图4a中条纹摄象机图象的三维曲线图。
图5是说明在两个不同的药片样品上从透射测量实验结果的图形。
优选实施例描述现在参看图1a，按照用于完成根据本发明的时间分辨分析的第一种实施例的装置，它包含由氩离子激光器12泵激的钛(Ti)蓝宝石激光器10。由此生成的激光束14被钕钇铝柘榴石放大级16放大成被放大的激光束18。为了生成“白”光的激光束20，激光束18通过反射镜M1及第一个透镜系统L1穿过装满水的透明容器22。
待分析的样品在参考数字24处被示意图解并且包含前表面26及后表面28。样品24被暂时固定在样品定位装置(未被示出)中。激发激光束20通过透镜系统L2/L3和反射镜M2-M4被聚焦在样品24的前表面26上。在样品24相反的一侧，透射的激光束30由透镜系统L4/L5从后部被聚集并被聚焦到光谱计32。在图解说明的装置中，样品24可以是具有例如9mm直径的药物固体片。激发束20可能被聚焦在约1mm的点上。在其他的实施例中，激发束可能被聚焦在整个样品上，或在样品上被扫描。
如在图1a中被示意说明，在这个实施例中的激发束20被定期脉冲输送到短的重复的激发脉冲P的脉冲链中。每个激发脉冲P的脉冲持续时间足够短并且在两个连续的激发脉冲P之间的时间间距相对于辐射束的渡越时间足够长(即相对于在时间上待全部被测量的各个脉冲所取的时间)，以致任何干扰在从一个给定的激发脉冲Pn被检测的光与从下一个激发脉冲Pn+1被检测的光之间都被避免。由此，可能每次在来自一个激发脉冲P的辐射上完成时间分辨的测量。
从光谱计32，被检测的光束3 3通过透镜系统L6/L7被传到时间分辨检测装置，在这个实施例中，该装置作为条纹摄象机34被实现。按照图1在实验装置中所使用的条纹摄象机是Hamamutsu型号C5680的条纹摄象机。具体地说，条纹摄象机34具有入射狭缝(未被示出)，来自光谱计32的被检测光束33被聚焦在它上面。应当指出只有一部分从样品所发射的光实际被聚焦在光谱计32中，并从而在检测装置34中。作为穿过光谱计32的结果，由样品24所发射的辐射30在空间作为光谱被分开，以致由条纹摄象机34接收到的辐射沿入射狭缝呈现波长分布。
在狭缝处的入射光子被条纹摄象机转化成光电子并在偏转板对(未被示出)之间被加速。因此，光电子沿轴在摄象机内部的微通道板掠过以致入射光的时间轴被转变为在该微通道板上的空间轴。所以，光子到达条纹摄象机的时间和强度能通过条纹图象的位置和亮度被确定。波长分辨率沿其他轴被获得。光子图象通过计算机控制的显示器(CCD)装置36被读出，该装置在光学上被连接到条纹摄象机34。由CCD装置36所收集的数据被耦合到作为计算机和监视器示意图解的分析装置38。
在图1a的装置中，发射光的强度作为与样品每次激发时间同步的时间的函数被测量。这意味着检测装置包含条纹摄象机34并且辅助的CCD装置36是与重复的激发脉冲P时间同步的。这种时间同步被完成如下激光束14的每个激发脉冲通过光学元件40触发光检测器42或等价物。来自光检测器42的输出信号43通过延迟脉冲发生器44被传递到提供触发脉冲给条纹摄象机34的触发装置46。照这样，条纹摄象机的光子检测的运行在每个激发脉冲P生成以后在精确预定时间点被激励和去激励。
如上所述，所收集的时间分辨信息的计算和分析能按不同的方法被完成。如在图1中被示意图解说明，从每次激发所收集的数据信息从条纹摄象机34和CCD装置36被转移到用于信息计算的计算机38。为了计算样品的光学特性以及简接地计算样品24的含量及结构参数，如在这个申请的开端部分所提到的蒙特卡罗模拟分析，多元校准等被利用。
在图1b所示的实施例中，透射的辐射-光束30-按时间分辨方式被检测。然而，本发明也能通过检测从样品反射的辐射来实现。图1b示意地图解说明对应于图1中激发束20的激发束20’如何通过透镜L3’被聚焦在样品24的前表面26上。每个激发脉冲的光子将作为从前表面26的直接反射的光子以及具有或多或少时间延迟反向漫散射的光子被反射。这种直接反射的辐射及反向漫散射的辐射被透镜L4’聚焦为对应于图1中检测光束30的检测光束30’。
如上面所指出，可能将图1a和1b中图解的实施例组合为一个单一的实施例。在那里透射的和反向散射的光二者都根据本发明按时间分辨率和波长分辨的方式被检测并被分析。图2示意地公开了在用于实现本创造性方法的实施例中的主要功能组件，包括辐射生成装置1 00(在图1a中的组件10、12和16)、样品定位装置102、一个或多个波长色散/选择元件104(在图1a中组件32)、一个或多个检测器元件106(在图1a中的组件34和36)以及分析装置108(在图1a中组件38)。
生成白色激光的充满水的透明容器22与光谱计32组合充当波长色散元件使它可能聚集波长分辨和时间分辨二者的数据。图3a和3b图解说明这种检测的实验结果。应当指出在图3a和3b二者中时间标尺只对一个脉冲图解说明在时间范围内强度的变化，虽然用于生成这些数字的实际数据是基于从许多读数累积的数据的。在图3a和3b中时间轴是按纳秒的标尺。
图3a图解说明化为时间-波长图的条纹摄象机的图象，光的部分对应于高强度值。图象的左部对应于具有较短时间延迟的被检测的光子，反之图象的右部对应于具有较长延迟时间的光子。
在图3b中三维曲线图对应于图3a中的图象，这个三维曲线清楚地说明按照本发明的时间分辨光谱如何导致作为波长和光子传播时间二者函数的强度测量。这个三维曲线还清楚地说明当通过本发明可获得的总信息内容显著大于用通用的时间累积检测可获得的信息。
在图3b中，对于每种波长(例如对图3b中所标记的波长λ1和λ2)有许多适时被隔开的强度读数。因此，对于每种波长有可能得到发射(透射和/或被反射)强度对传播时间的完备曲线。在图3b中所示的这些“时间分布”的型式取决于在被分析样品的光学特性之间的关系。用这样的时间分辨和波长分辨光谱，可能获得用于描述光与样品相互作用的信息。作为一个实例，这提供了用于确定样品中被分析物浓度的基础，它正比于吸收系数但与散射无关。作为另一个实例，人们可能希望测量分析的数量而它是与样品的散射特性相关。
如在图3b中由虚线t1和t2所说明，还可能通过检测强度以判断在固定时间段期间的发射光。这将给出更粗略的时间分辨。在一种实施例中，波长分辨光谱只在两个时间选通处，一个在“瞬时”光方面及一个在“延迟”光方面被测量。
在图5中的强度-时间图线说明由关于两个不同药片测量得出的两种实验的时间分辨结果。通过选择合适的、差别是显著的时间选通，人们能容易地区别彼此不同的药片。
作为在图1a和1b所说明装置的替换物，代替着使用充水的透明容器20与光谱计32的组合，可能使用波长选择的光源，例如二极管激光器。在检测器方面，波长选择的检测器，滤光器和检测器二极管的这种组合，能被用于每一种波长。
有可能将本发明与有关来自样品发射光的空间分辨强度的检测结合起来。在这里，术语“空间分辨”指的是对于每个激发脉冲所得到的空间分辨。特别是，“空间分辨”不是指基于与样品有关的激发束在时间上扫描的空间分辨。作为说明性的实例，通过除去在图1a装置中的充水透明容器22和光谱计32，聚焦在条纹摄象机入口狭缝上的光将沿着狭缝被分辨，对应于跨越样品的“狭缝”。通过这种装置所获得的条纹摄象机的图象在图4a中被图解，并且相应的三维曲线在图4b中被图解。按照上面所讨论的图3a和3b，图4a和4b只代表一个脉冲，即所说明的空间分辨并不对应于跨越样品的激发束任何扫描。
权利要求
1.供不透明药物样品(24)定量分析之用的方法，它包含下列步骤-提供辐射的激发束(20)；-用该辐射的激发束(20)照射药物的不透明样品(24)；以及-作为所发射辐射的波长和通过该样品(24)的光子传播时间二者的函数检测由样品(24)所发射的辐射强度(30)。
2.根据权利要求1的方法，其中该发射的辐射包含从该样品(24)透射的辐射(30)。
3.根据权利要求1的方法，其中该发射的辐射包含从该样品(24)被漫反射的辐射(30’)。
4.根据权利要求1的方法，其中该发射的辐射包含从该样品(24)透射的辐射(30)及被漫反射的辐射(20’)。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中该激发束(20)是表现激发脉冲(P)的脉冲链的脉动激发束，并且其中检测作为光子传播时间函数的强度的步骤与该激发脉冲(P)按时间同步被完成。
6.根据权利要求5的方法，其中该激发脉冲(P)具有比光子传播时间短的脉冲持续时间。
7.根据权利要求6的方法，其中该激发脉冲(P)具有被选定的相对于光子传播时间足够短的脉冲持续时间以使在涉及两个连续的激发脉冲强度测量之间的任何不希望有的干扰被防止。
8.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中该激发束(20)是强度被调制的激发束。
9.根据权利要求8的方法，其中检测作为光子传播时间函数的强度的步骤是通过比较强度被调制的激光束(20)的相位与由样品(24)所发射辐射(30)的相位被完成的。
10.根据权利要求8或9的方法，其中检测作为光子传播时间函数的强度的步骤是通过比较强度被调制的激光束(20)的调制深度与由样品(24)所发射辐射(30)的调制深度被完成的。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中作为时间函数的由样品(24)所发射辐射(30)强度的该检测是通过使用时间分辨检测装置被完成的。
12.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中作为时间函数的由样品(24)所发射辐射(30)强度的该检测是通过使用相位分辨检测装置被完成的。
13.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中作为时间函数的由样品(24)所发射辐射(30)强度的该检测是通过使用时间选通系统被完成的。
14.根据以上权利要求中任一项的方法，其中该检测强度的步骤另外包括该强度的空间分辨的检测。
15.根据以上权利要求中任一项的方法，其中该药物的不透明样品是固体样品(24)，特别是药片、胶囊、散装粉末或等价的药物剂量。
16.根据权利要求15的方法，其中用该激光束照射样品的该步骤包含照射固体样品(24)的第一个表面。
17.根据权利要求15的方法，其中用激发束(20)照射样品的该步骤包含照射固体样品(24)第一个表面和第二个表面，特别是方向相反的表面，的步骤。
18.根据权利要求17的方法，其中固体样品的第一个表面和第二个表面及时在不同的位置被照射。
19.根据权利要求1-14中任一项的方法，其中该药物的不透明样品是分散体系。
20.根据以上权利要求中任一项的方法，其中激发束(20)包含红外辐射。
21.根据权利要求20的方法，其中红外辐射在近红外辐射(NIR)区域中。
22.根据权利要求21的方法，其中辐射具有在对应于波长从约700到约1700nm，特别从700到1300nm，范围内的频率。
23.根据以上权利要求中任一项的方法，其中激发束(20)包含可见光。
24.根据以上权利要求中任一项的方法，其中激发束(20)包含UV辐射。
25.供在不透明样品(24)的分析中之用的方法，其中激发束被引导到该样品(24)上，并且其中由这样被照射样品(24)所发射辐射(30)的强度是作为所发射辐射(30)的波长和通过该样品(24)的光子传播时间二者的函数被测量的。
26.供不透明的药物样品(24)定量分析之用的装置，它包含-用于生成辐射激发束(20)的装置(10，12，16)；-用于定位药物的不透明样品(24)的装置；-用于将该激发束(20)聚焦到该样品(24)上的装置；-用于检测作为所发射辐射的波长和通过该样品(24)的光子传播时间二者函数的由样品(24)所发射辐射(30)强度的装置(32，34，36)。
27.根据权利要求26的装置，其中用于检测的该装置包含时间分辨检测装置(34)。
28.根据权利要求27的装置，其中该时间分辨检测装置包含条纹摄象机(34)。
29.根据权利要求26的装置，其中用于检测的该装置包含相位分辨检测装置。
30.根据权利要求26的装置，其中用于检测的该装置包含时间选通系统、
31.根据权利要求26-30中任一项的装置，它另外包含用于完成该强度空间分辨检测的装置。
32.根据权利要求26-31中任一项的装置，其中该药物的不透明样品是固体样品(24)，特别是药片、胶囊、散装粉末或等价的药物剂量。
33.根据权利要求26-31中任一项的装置，其中该药物的不透明的样品是分散体系。
34.根据权利要求26的装置，其中激发束(20)包含红外辐射。
35.根据权利要求34的装置，其中红外辐射在近红外辐射(NIR)区域中。
36.根据权利要求26的装置，其中辐射具有在对应于波长从约700到约1700nm，特别是从700到1300nm，范围内的频率。
37.根据权利要求26-36中任一项的装置，其中激发束(20)包含可见光。
38.根据权利要求26-37中任一项的装置，其中激发束(20)包含UV辐射。
39.根据权利要求26-38中任一项的装置，其中用于发光的该装置(10，12，16)包含一个或多个二极管激光器。
40.根据权利要求26-38中任一项的装置，其中用于发光的该装置(10，12，16)包含强度调制灯。
全文摘要
本发明涉及供不透明药物样品,例如药片、胶囊或构成药物剂量的类似样品,定量分析之用的方法和装置。药物的不透明样品(24)用辐射,例如近红外辐射的激发束(20)照射。由样品(24)所发射的辐射强度(30)作为所发射的辐射波长和通过该样品(24)光子的传播时间二者的函数被检测。可选择地,由样品(24)所发射辐射的强度(30)还按空间分辨的方式被检测。
文档编号G01N21/51GK1376264SQ0081328
公开日2002年10月23日 申请日期2000年9月18日 优先权日1999年9月22日
发明者S·福莱斯塔, M·约瑟夫松, A·斯帕伦, J·约翰松 申请人:阿斯特拉曾尼卡有限公司