结晶过程混晶比例计算在线拉曼测量装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及工业过程检测领域技术领域，具体而言，涉及结晶过程混晶比例计算在线拉曼测量装置、系统及方法。


背景技术：

2.拉曼光谱测量系统对液体、固体样品都可测定，样品不限形式，具有用量少、分析速度快、不破坏试样、测试迅速、操作方便、重复性好、灵敏度高、仪器结构简单耐用、光纤传输距离长等特点。被广泛应用于药物、食品、化学工厂、生物、化工制药过程控制、环境科学、农业和食品鉴定等多个领域。
3.近年来，随着科研人员对拉曼光谱认识的深入以及拉曼光谱仪器发展的进步(分辨率提高等)，拉曼光谱越来越多地应用于药物不同晶型物质间细微差别的区分。晶型类型对药物的溶出速度、溶解度、生物利用度、稳定性、临床的有效性、药物的安全性有重要的作用，因此药物晶型的研究受到越来越多的人的关注。
4.近年来，随着生产“可视化”程分析技术(process analytical technology,pat)的快速发展，迫切需求寻找一种可原位在线检测晶型类型，和不同晶型出现的比例比例的方法。作为一种光谱学方法，拉曼光谱技术在药物的多晶型研究方面具有独特的优势，具体表现在:(1)拉曼是物质的指纹光谱，拉曼光谱技术以其自身特有的拉曼信号响应，定性角度可以得到物质结构、晶型等信息；(2)拉曼光谱在检测低频振动方面具有优越性，甚至可检测到分子的晶格振动；(3)扫描范围宽，区域可一次完成特别适宜光谱不易获得的低频区域的光谱；(4)水的拉曼散射较弱，适宜于测试水溶液体系。
5.但是仍主要表现在结晶出现后，晶体取出，经过一定的处理，进行拉曼扫描，这会导致晶型判别和混晶比例计算的延迟和取出过程中因条件的变化和晶型的不稳定，出现转晶等问题，导致不准确。为克服现有技术的缺点和不足，基于此本公司开发了一种结晶过程混晶比例计算的在线拉曼光谱测量装置，主要包括拉曼主机(激光器模型和光谱采集)、浸入式光纤探头、拉曼光谱分析模块、温控设备、夹套结晶器及计算机，可原位在线实现结晶过程晶型判别和混晶比例的计算。


技术实现要素：

6.本发明目的是为克服现有技术的缺点与不足，提供一种原位在线实现结晶过程混晶比例计算的拉曼光谱测量装置、系统及方法，实现混晶比例的实时在线测量。
7.本发明是这样实现的：
8.第一方面，本发明提供结晶过程混晶比例计算在线拉曼测量装置，包括拉曼主机、浸入式光纤探头、拉曼光谱分析模块、温控设备、夹套结晶器及计算机，所述拉曼主机的内部设置有ccd探测器和激光器，所述浸入式光纤探头包括出射光光纤、出射光光纤和探管，所述拉曼主机通过连接器分别连接所述入射光光纤和出射光光纤，所述探管套设于所述入射光光纤和所述出射光光纤前端的外部，所述探管的端部设置有蓝宝石窗口，所述蓝宝石
窗口与所述探管之间通过o形密封圈密封，所述拉曼主机与所述计算机通信连接，所述计算机与所述温控设备通信连接，所述温控设备用于控制所述夹套结晶器的温度。
9.拉曼主机内探测器，是一种薄型背照式ccd探测器，具有很高的量子效率，较高的信噪比和稳定性。入射光光纤与光谱仪、出射光光纤与激光器均通过sma905连接器连接，保证光纤末端精确耦合。主机内可更换狭缝，狭缝宽度范围5um
‑
200um可选，光栅可根据指定需求选择起始波长，随着狭缝宽度增大和波长范围的扩大，像素分辨率逐步下降。本文设计的狭缝宽度是为10um，波长范围为200
‑
2100cm
‑1。积分时间可做到8ms
‑
15min，扫描速度快。
10.拉曼主机内有激光器，拉曼的激发波长很大程度上决定了拉曼信号的强度、分析速度和精度、还会影响到ccd检测器的量子效率。通常来说激发光波长的选择一般是为了避开荧光的干扰,因为拉曼位移与激发光频率无关，不同物质产生荧光的范围不同,只要能避开该物质的荧光带的激发光都可以。在信号强度方面，532nm激光得到的拉曼信号强度(单位激光强度)是785nm或者1064nm的5
‑
16倍，这是因为拉曼强度与激发波长的四次方成反比：此外,532nm与785、1064nm相比，光的探测器和光学器件具有更高的量子效率，可以进一步提高拉曼信噪比，相比之下，在降低荧光背景方面，1064nm是首选，1064nm在分析速度方面比532nm、785nm系统(单位激光功率)分别慢16倍和3倍。因此，1064nm激光适合具有非常强烈荧光的样品，其他情况下，785nm和532nm的激光可以提供更快的分析。考虑到拉曼信号强度、样品荧光、检测速度，本系统选择785nm波长进行激发。
11.浸入式光纤探头，由入射光光纤、出射光光纤、套管、探头顶端蓝宝石窗口组成，出射光光纤通过sma905连接器连接激光器，纤芯直径是105um，入射光光纤通过sma905连接器连接探测器，纤芯直径200um，光缆外有不锈钢铠甲护套。光纤前端有330mm长度的哈氏合金材质套管保护，套筒承受最大压力为10mpa，温度最高200℃，蓝宝石窗口和kalrez o形圈可抵抗多种化学环境，探头激光焦点的工作距离是1
‑
5mm范围内可调，可对固体、透明或不透明溶液的测量。做到即插即用，无需制样备样，做到原位在线实时检测。
12.结晶器，在实验室小试，可选择200ml
‑
500ml规格的夹套烧杯，中试或放大可选配2l
‑
10l的玻璃材质或不锈钢反应釜，带有出水口和回水口与温控设备连接。反应釜内可带机械搅拌，并可以控制搅拌速率。
13.温控设备，本系统可选配国产温控设备例如无锡冠亚恒温制冷技术有限公司、宁波新芝生物股份有限公司，也可使用进口设备例如德国优莱博julabo温控。
14.计算机作为温度控制模块和拉曼光谱分析模块的在线拉曼光谱测量系统的载体。
15.第二方面，本发明提供结晶过程混晶比例计算在线拉曼光谱测量系统，包括温度控制模块和拉曼光谱分析模块，其中拉曼光谱分析模型包括：混晶比例计算模块、自动扫描模块、自动判别模块、特征峰选取模块和数据库模块；
16.所述温度控制模块用于控制温控设备实现对夹套结晶器升降温的控制和速率的调节；
17.所述混晶比例计算模块用于原位在线实时测量混晶比例，通过所述自动扫描模块扫描得到不同晶型的拉曼图谱，并通过混晶比例计算公式，计算各晶型所占比例，并显示到计算机界面中；
18.所述自动判别模块，可以根据扫描的不同晶型的拉曼图谱判别所属晶型；
19.所述特征峰选择模块，可以用来选择不同晶型所对应的特征峰；
20.第三方面，本发明提供了一种结晶过程混晶比例计算在线拉曼光谱测量方法，包括以下步骤：
21.s1、晶型标准样本的制备，分别按标准流程制作不同晶型的标准样本，将样品放入夹套结晶器内，通过所述温控设备控制夹套结晶器内部样品的温度和升降温，所述机械搅拌控制样品的搅拌速度，获得不同晶型的标准样本；
22.s2、晶型拉曼图谱保存入库，对所述不同晶型标准样本采集拉曼图谱保存，并通过所述特征峰选取模块标注所述晶型标准样本的特征峰，将所述图谱命名，保存到数据库模块；
23.s3、混晶比例模型计算，依晶型为α晶和β两种晶型的物质为例，取出不同质量的纯α晶型和β晶型样品，且两种晶型所占比例不同的若干样品，用拉曼光谱分别采集纯晶型和混晶样品的拉曼图谱，找出不同晶型的特征峰，其晶型比例计算公式：γ(α)＝(a)
b
×
100，γ(β)＝100
‑
γ(α)，其中其中h
α
和h
β
分别是所选特征峰的高度图谱中y轴的强度。通过拟合确定指数b，从而确定该样品混晶比例计算公式；
24.s4、将该公式写入混晶比例计算模块，实现原位在线实时测量混晶比例，并在计算机界面中显示；
25.s5、搭建结晶实验台，实现混晶比例的原位在线测量。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为结晶过程混晶比例计算在线拉曼测量装置图；
28.图2为在线拉曼光谱测量系统电气原理图；
29.图3谷氨酸α和β混晶样本平，α晶型所占比例分别为1％、30％、65％、95％的拉曼图谱；
30.图4在线监控不同ph值下制备谷氨酸α晶型和β晶型拉曼谱图；
31.图5为阿奇霉素一水合物和二水合物固相的拉曼光谱；
32.图6为结晶过程混晶比例计算在线拉曼光谱测量方法流程图。
33.图中：1、拉曼主机；2、计算机；3、浸入式光纤探头；301、探管；302、蓝宝石窗口；303、入射光光纤；304、出射光光纤；4、机械搅拌装置；5、ph计探头；6、温控设备；7、结晶器。
具体实施方式
34.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明
保护的范围。
35.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.本发明所述的结晶过程混晶比例计算在线拉曼测量装置，主要包括拉曼主机1、浸入式光纤探头3、拉曼光谱分析模块、夹套结晶器7、温控设备6及计算机2组成。
40.所述浸入式光纤探头3，套管材质选择哈氏合金、探头顶端窗口选择是蓝宝石，以适应复杂苛刻、恶劣的工业现场条件。
41.所述的拉曼光纤探头出射光光纤304通过sma905连接器与激光光源连接，芯径选择105um，入射光光纤303同样通过sma905连接器与光谱仪连接，芯径选择200um。
42.所述的拉曼主机(1)，由晶格码青岛智能科技有限公司提供，是公司自主研发的高分辨率和灵敏度的制冷型拉曼光谱主机。
43.所述的夹套结晶器7，是250ml夹套烧杯。
44.所述的温控设备6，选择无锡冠亚恒温制冷技术有限公司
45.实施案例一：
46.本实施案例l
‑
谷氨酸结晶过程α和β晶型在线判别及混晶比例计算，实时监控不同ph值对晶型生产的影响，具体步骤如下：
47.步骤(1)：搭建谷氨酸结晶实验装置，使用规格为250ml的夹套结晶器，有进/出水口通过软管连接到温控系统，结晶器内带有机械搅拌，可设置搅拌速度。
48.步骤(2)：纯谷氨酸α晶型制备，药品选择：l
‑
谷氨酸原料,医药级,纯度大于99％,购自阿拉丁有限公司，自制蒸馏水。蒸馏水250ml、l
‑
谷氨酸溶质16.65g，加热至80℃完全溶解，然后20℃/h降温，搅拌速度200r/min，温度降至20℃，持续搅拌，当有晶体析出后维持10分钟立刻将晶体过滤用无水乙醇清洗，于60℃烘箱烘干。制备的样品用xrd进行纯度分析，纯度到99％，可以作为拉曼晶型判断的标准样本。
49.步骤(3)：谷氨酸α晶型拉曼图谱保存入数据库模块，对该样品在尽量避免外界杂散光和荧光的干扰下，采集质量较好的拉曼图谱并保存，在该软件内使用手动标峰方法，选择426cm
‑1,615cm
‑1,980cm
‑1,1000cm
‑1,1174cm
‑1作为α晶型的特征峰，并把该图谱命名为α晶
型，保存入库。
50.步骤(4)：纯谷氨酸β晶型制备，药品选择：l
‑
谷氨酸原料,医药级,纯度大于99％,购自阿拉丁有限公司，自制蒸馏水。蒸馏水250ml、l
‑
谷氨酸溶质16.65g，加热至80℃完全溶解，然后10℃/h降温，搅拌速度300r/min，温度降至50℃，持续搅拌，恒温6小时以上，等待析出的晶体完全转化为β晶型，将晶体过滤后用无水乙醇清洗，于60℃烘箱烘干，制备的样品用xrd进行纯度分析。
51.步骤(5)：谷氨酸β晶型拉曼图谱保存入数据库模块，对该样品在尽量避免外界杂散光和荧光的干扰下，采集质量较好的拉曼图谱并保存，在该软件内使用手动标峰方法，选择β晶型的特征峰包括为709cm
‑1,798cm
‑1,937cm
‑1,11272cm
‑1，并把该图谱命名为β晶型，保存入库。
52.步骤(6)：混晶比例计算公式拟合，取出不同质量的纯α晶型和β晶型样品，α晶型所占比例是1％、30％、65％、95％，共计四个样品，用拉曼光谱分别采集四个样的拉曼图谱，如图3所示。其晶型比例计算公式：γ(α)＝(a)
b
×
100，γ(β)＝100
‑
γ(α)，其中其中h
α
和h
β
分别是所选特征峰的高度图谱中y轴的强度。通过拟合确定指数b，从而确定该样品混晶比例计算公式。对于本谷氨酸混晶体系实验，可选取615cm
‑
1和798cm
‑
1峰位分别为α晶型和β晶型的特征峰位，拟合的指数b＝0.81，作为写入混晶比例计算模块的混晶比例计算公式。
53.步骤(7)：搭建在线计算谷氨酸不同晶型比例的实验装置，如图1所示，实验目的是研究溶液ph值对不同晶型出现的影响。使用规格为250ml的夹套结晶器，有进、出水口通过软管连接到温控系统，浸入式光纤探头插入结晶器内，探头采集到信号通过usb数据线传输到电脑上，并实时显示在拉曼光谱分析软件中。选择无锡冠亚恒温制冷技术有限公司的温控设备，循环水浴控制温度，使用ika公司搅拌速度可调的机械搅拌器，并插入ph计探头。
54.步骤(8)：实验仪器搭建完成后，测试设备是否正常工作，按照正规操作开启水浴循环、机械搅拌、拉曼光谱仪主机、计算机。为尽量避开外界光的影响，关闭实验室窗帘，并在结晶器外用遮光黑布遮挡。结晶器内倒入150ml蒸馏水，拉曼主机开始工作，拉曼探头采集蒸馏水的信号，作为背景光谱，扣除背景光谱。
55.步骤(9)：称取10gl
‑
谷氨酸原料，配置100ml的30％质量分数的稀硫酸备用。
56.步骤(10)：10g谷氨酸全部倒入结晶器内，温控设备开始工作加热至80℃并保持20分钟，让10g谷氨酸完全溶解。搅拌速度200r/min，温度快速降至25℃，并控制温度稳定在25℃。
57.步骤(8)：体系温度保持25℃不变，开始加入稀硫酸，在析晶前控制ph为某一恒定数值(3.5、4.0、4.5、4.7、4.85)，开始结晶后依然通过加稀硫酸维持ph恒定。
58.步骤(11)：维持ph某一恒定结晶一小时，至晶体完全析出，采集拉曼谱图，并打开拉曼光谱分析模块，通过晶型自动判别模块，判断所属晶型，如果所判断的晶型并不是100％纯晶型(即实时采集的光谱图与数据库某一个晶型图谱相似度低于100％)，此时会计算出α晶型和β晶型所占比例。
59.步骤(12)：改变ph值，维持ph值到下一个恒定值，结晶一小时，至晶体完全析出，实时采集拉曼图谱，自动计算出混晶比例。
60.步骤(13)：重复步骤(12)，ph的值分别取到3.5、4.0、4.5、4.7、4.85，通过实时计算的α和β晶型的所占比例值，可以得出结论，随着ph的下降(即酸度的增加)，β晶型在混合晶体体系中的含量下降，如图4。
61.实施案例二：
62.阿奇霉素一水合物和二水合物转晶在线监测，使用在线拉曼光谱测量系统，可考察温度、溶剂、搅拌速率等工艺参数对转晶过程的影响。图5为波数范围是500～1200cm
‑1的阿奇霉素一水合物和二水合物固相的拉曼光谱，从图5中可以看出，阿奇霉素一水合物和二水合物的特征峰可选择650cm
‑1和1155cm
‑1处，据此对转晶过程进行研究。
63.以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。