CN103760124B - 冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测装置和方法。该方法在结晶釜中配制若干组不同浓度药物活性组分溶液，进行浓度标定；以药物活性组分浓度y为目标函数，取紫外光区200‐400nm波长范围多个波长下的吸光度值R及对应温度T进行偏最小二乘法回归，获得药物活性组分浓度在线检测模型中的关联系数a、b及c值；n为测试的药物活性组分测试点的个数；控制电脑实时获取的光谱和温度信息代入检测模型，自动计算检测模型函数值，获得药物活性组分的浓度。本发明实现了药物活性组分浓度的在线快速检测，具有适用温度范围大、检测精度高、重复性好、操作简单的优点，适于结晶过程在线浓度检测推广。

Description

冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法

技术领域

本发明涉及一种在线浓度检测，特别是涉及一种基于ATR‐UV技术的冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测装置和方法，属于在线检测技术领域。

背景技术

结晶作为一种高效环保节能的化工分离和提纯单元操作，广泛应用于药品、食品、化肥、化学试剂、催化剂、香料、维生素、建筑材料等产品的生产过程。近年来，随着高附加值精细化工产品、专用化学品及特定晶型药物的需求增长，如何更加有效监督、调控结晶过程逐渐成为学术界和工业界研究热点和难点。过饱和度是结晶过程中晶核形成和晶体成长的最基本推动力，对结晶产品的品质有显著影响。过饱和度是一定温度、压力下，溶液中溶质的浓度已超过该温度、压力下溶质的溶解度的部分。因此，结晶过程中浓度的检测和控制至关重要，是产品品质控制的关键因素。

常见的溶液浓度检测方法有重量法、密度法、电导率法等。

重量法是最直观的溶液浓度测量方法。该方法将抽取的溶液样品称重，通过干燥去除溶剂，测量干燥后的溶质质量，计算出蒸发的溶剂质量，最终计算得到溶液的浓度。但是该方法要求样品中不含晶体颗粒，又难以完全脱除溶剂，且人工取样等待检验时间久，故此方法不适于在线测量。

大多数二元物系的密度与其浓度之间存在对应的函数关系，溶液的密度测量可间接获得浓度信息。但与溶液浓度一样，密度不是一个可以直接测量的物理量，属于二次测量。进入密度计的溶液中可能含有的气泡和细小晶粒，测量池温度的微小变化等都会对密度测量结果产生影响。

电导率是溶液浓度和温度的函数，故电导率的测量可实现溶液浓度的在线检测。然而电导率法通常不适用于有机体系的测量，电导率测量池中结垢现象，会导致电导率的巨大测量误差，进而影响溶液浓度测量的准确性；其测量结果较易受到温度、有关杂质干扰影响，上述问题的存在限制了其在结晶过程浓度在线测量的应用。

中国发明专利申请CN 101788464 A采用UV光谱进行在线浓度检测，但是需要将溶液通过微滤器过滤颗粒，滤液送至检测池进行检测后返回结晶釜。此种方法虽实现了在线检测，但没有实现原位实时监测，只适用于溶析结晶过程，且过程、系统复杂，不够直接简 便。

发明内容

本发明所要解决的是现有技术检测时间长、重复稳定性以及检测方便快捷性较差的问题，提供一种方便快捷、稳定精确的用于冷却结晶过程药物活性组分浓度在线检测的装置和方法，实现实时在线检测结晶过程溶液浓度。

ATR‐UV为衰减全反射紫外光谱，衰减全反射技术的探测层极低，能有效避免结晶溶液中因颗粒存在而引起的光散射，从而有效克服传统紫外光谱无法在存在颗粒的溶液中进行测量分析的缺点。因此，ATR‐UV光谱在检测过程中无需对溶液进行过滤等预处理，可以直接采用探头进行原位测量，准确真实反映浓度信息。其工作原理如下：单芯光纤传来的光信号，通过一个固定光栅色散后到达探测器，所探测到的光信号(吸光度)与溶液的浓度之间可建立一一对应的关系。

本发明目的通过如下技术方案实现：

冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法，包括如下步骤：

(1)浓度标定：在结晶釜中配制若干组不同浓度药物活性组分溶液，针对每组溶液，通过直接安装在结晶釜中的带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪和测温热电阻获取溶液ATR‐UV光谱和结晶釜内溶液温度；得到冷却结晶温度变化范围内多个药物活性组分的ATR‐UV光谱；

(2)检测模型的建立：以药物活性组分浓度y为目标函数，取紫外光区200‐400nm波长范围多个波长下的吸光度值R及对应温度T进行偏最小二乘法回归，获得药物活性组分浓度在线检测模型中的关联系数a、b及c值；n为测试的药物活性组分测试点的个数；

(3)浓度自动计算：在结晶过程中，控制电脑将实时获取的光谱和温度信息代入检测模型，自动计算检测模型函数值，获得药物活性组分的浓度。

为进一步实现本发明目的，所述的冷却结晶的温度变化范围为0‐70℃。所述的药物活性组分为扑热息痛、尼泊金甲酯或对甲基乙酰苯胺。

按每克溶剂计算，所述药物活性组分含量为0.1‐0.7克。

所述获得药物活性组分的浓度是在控制电脑编程获取的人机互动界面中，界面窗口实时显示当前结晶过程溶液浓度，同时在后台实时记录于txt文档中。

所述的恒温槽、带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪、测温热电阻和搅拌器通过数据线 与数据通信转换器连接。所述的数据通信转换器与控制电脑通过数据线连接。

冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测装置，包括结晶釜、恒温槽、带有ATR检测探头的UV‐vis光纤光谱仪、测温热电阻、搅拌器、数据通信转换器及控制电脑；带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪、测温热电阻和搅拌器直接安装在结晶釜中；结晶釜与恒温槽连接；恒温槽、带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪、测温热电阻和搅拌器通过数据通信转换器与控制电脑连接。

本发明ATR检测探头直接浸入结晶釜的结晶浆液中获取ATR‐UV光谱，无需过滤颗粒，原位测量。溶液温度由测温热电阻实时测得，并通过数据通信转换器(AD/DA)传送至控制电脑。Visual Studio编程实现溶液浓度自动测量计算、人机互动界面实时显示与后台数据记录保存。

药物活性组分结晶过程中，溶液溶解的药物活性组分在紫外区给定波长200‐400nm范围内有较强的吸收，可利用紫外区给定波长吸收的变化测量溶液浓度。光吸收情况与当前物质浓度之间的定量关系采用Lambert‐Beer定律描述，其基本表达形式为R＝k·y·l，式中R为吸光度值，k为吸光系数，y为溶质浓度，l为光程。本发明采用带有ATR检测探头的UV‐vis光纤光谱仪实时获取ATR‐UV光谱，实时原位反馈结晶过程溶液中溶液的组分变化和浓度变化。

本发明中，ATR‐UV光谱随溶质浓度变化其吸收峰会有一定程度偏移，同浓度溶液随着温度的升降变化其吸收峰在没有偏移的前提下也会有一定程度升降变化。为克服浓度测量中存在的上述峰偏移，本发明在光谱吸收峰内取多波长处的吸光度进行建模，并将溶液温度关联到浓度预测模型，以消除浓度效应和温度效应引起的峰偏移。在此基础上，采用偏最小二乘法进行自变量(温度T，吸光度值R)信息的分解与提取，有效消除变量间多重共线性，进行化学计量多元校正得到浓度检测模型的相关关联系数，本发明申请浓度检测模型如下：

$y=a+bT+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{c}_i{R}_i$

式中，y为溶液浓度(g溶质/g溶剂)，R为ATR‐UV光谱吸光度值，T为溶液温度(℃)，a、b与c为关联系数。在浓度标定完成后，溶液浓度y为目标函数即因变量，选取若干波长处的吸光度值R及光谱采集对应温度T为自变量，用偏最小二乘法回归得到关联系数a、b及c。将结晶过程实时获取的光谱及温度信息代入上述检测模型，即可通过控制电脑自动计算 获得对应浓度，实现结晶过程溶液浓度在线检测。

在偏最小二乘法回归浓度检测模型中相关关联系数时，采用数据处理软件SIMCA进行数据回归，将溶液浓度y作为因变量，ATR‐UV光谱及温度数据作为自变量进行偏最小二乘法数据回归。回归过程中随机选取部分数据作为训练集，其余数据用作校验集，训练集用于建立初步浓度检测模型，校验集则用来评估模型的预测等能力，进而调整、获得最优关联系数。

本发明中，对应于温度T₀(药物活性组分结晶过程某一温度点)时，若所配制溶液浓度为溶质在T₀时的饱和溶解度，则在析晶前、温度为T₀±15℃变化范围，均匀取5‐10个温度点的ATR‐UV光谱值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明取多个温度条件下的原始光谱，直接用于偏最小二乘法回归得到检测模型，简单快捷，并可有效消除温度、浓度引起的峰偏移的影响。

2)本发明ATR‐UV探头直接浸入结晶浆液中，无需过滤颗粒，实现实时原位测量。

3)本发明适用温度变化范围大、准确性高、重现性好，不易受外界环境条件影响。

4)本发明紫外光纤光谱仪结合ATR‐UV探头的造价和维护费用低，该技术适用于我国结晶工业过程的在线浓度检测。

5)本发明所属的专用装置，结构简洁、灵巧实用、适用性广。

6)本发明提供的溶液浓度原位实时、适用温度范围大、检测精度高、重复性好、操作简单的在线检测装置和方法，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述在线浓度检测装置结构示意图；

图2为实施例1溶液浓度在线检测与重量法分析数值结果比较图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例进一步对本发明进行说明，但本发明的实施方式不限如此。

如图1所示，基于ATR‐UV的冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测装置，包括结晶釜1、恒温槽2、带有ATR检测探头的UV‐vis光纤光谱仪3、测温热电阻4、搅拌器5、数据通信转换器(AD/DA)6及控制电脑7；带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪3、测温热电阻4和搅拌器5直接安装在结晶釜1中；结晶釜1与恒温槽2连接；恒温槽2、带有ATR检测 探头的UV‐vis光谱仪3、测温热电阻4和搅拌器5通过数据通信转换器6与控制电脑7连接；具体是恒温槽2、带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪3、测温热电阻4和搅拌器5通过数据线与数据通信转换器6连接。数据通信转换器6与控制电脑7通过数据线连接。恒温槽2、带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪3、测温热电阻4和搅拌器5的数据输出通过数据通信转换器6(AD/DA)上传至控制电脑7进行处理。恒温槽2用于控制结晶釜内溶液温度，搅拌器5确保结晶釜内溶液浓度均一性，带有ATR检测探头的UV‐vis光纤光谱仪3获取溶液ATR‐UV光谱，测温热电阻4测量釜内溶液温度，数据通信转换器(AD/DA)6用于通信数据的AD/DA转换并上传至控制电脑7，控制电脑7将实时获取的光谱及温度信息代入浓度检测模型，计算溶液浓度并在线显示和实时存取。应用图1所示的在线浓度检测装置测试药物活性组分的浓度具体实施例如下面实施例1‐3。

实施例1

扑热息痛冷却结晶过程在线浓度检测，溶剂为乙醇。

(1)浓度标定：在结晶釜中配制5组浓度为0.18、0.22、0.28、0.32、0.36(g/g溶剂)的扑热息痛溶液，测试上述不同浓度的扑热息痛乙醇溶液分别对应20℃、30℃、40℃、45℃、50℃时扑热息痛在乙醇溶剂中饱和溶解度。以浓度组0.36(g/g溶剂)溶液为例说明测试过程：在结晶釜1中加入36g扑热息痛及100g无水乙醇，在60℃条件下搅拌1h配成溶液。通过带有ATR检测探头的UV‐vis光纤光谱仪3和测温热电阻4测试获取溶液ATR‐UV光谱和结晶釜1内溶液温度；具体是控制电脑7程序控制恒温槽2调控溶液温度，分别在溶液温度为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃(测温热电阻4测得)条件下存储对应ATR‐UV光谱，加入乙醇稀释后测量下一组浓度为0.32(g/g溶剂)的溶液光谱数据，以此类推。所配制溶液及每组溶液相应取ATR‐UV光谱温度点如下表1所示，其中带*标记作为校验集，其余数据用作训练集。

表1扑热息痛浓度标定实验矩阵

(2)检测模型的建立：本例中选取吸收峰内6处波长对应的吸光度值进行数据回归， 所选波长为254.08nm、255.57nm、256.42nm、257.27nm、257.7nm、258.76nm。以溶液浓度y为因变量，训练集中光谱及温度数据为自变量，采用偏最小二乘法回归得出浓度检测模型初步参数，进而以校验集浓度检测残差均方根最小为判定依据得出浓度检测模型中最优化关联系数a＝0.07365，b＝0.001693，c₁至c₆见表2。

表2扑热息痛浓度检测模型相关关联系数

R

R1(254.08nm)

R2(255.57nm)

R3(256.42nm)

R4(257.27nm)

R5(257.7nm)

R6(258.76nm)

c

‐0.8093

‐1.4955

‐3.9416

3.7023

3.3352

‐0.5860

(3)浓度自动计算：称量70g扑热息痛置于结晶釜中，加入250ml乙醇，搅拌200rpm，维持夹套循环温度60℃条件下1h确保溶质完全溶解，降温至50℃加入晶种，平衡10min后进行冷却结晶，维持0.2℃/min降温速率。开启本发明所述在线浓度检测系统，控制电脑通过数据通信(AD/DA)转换器将ATR检测探头实时获取的上述6波长处吸光度值R及测温热电阻实时获取的溶液温度T，并代入步骤(2)中建立的浓度检测模型，自动计算y值即得到实时溶液浓度。上述实验过程的温度及浓度在步骤(1)的变化范围。

(4)浓度信息在线检测显示与记录：在控制电脑编程获取的人机互动界面中，界面窗口实时显示当前结晶过程溶液浓度，同时在后台实时记录于txt文档中。

结晶过程中，用管前端装有孔径1‐10μm微滤器的注射器取样，共计取样8次，采用重量法分析溶液浓度，在线检测与重量法结果比较结果见图2。由图2可见，在200min冷却结晶时间段内，溶液浓度自0.36g/g溶剂降至0.15g/g溶剂，在线检测结果与重量法的测量值进行比较，有效均方差为0.28％。

实施例2

尼泊金甲酯冷却结晶溶液浓度在线检测，溶剂为水/乙醇(50％v/v)。

(1)浓度标定：在结晶釜中配制5组浓度为0.13、0.22、0.37、0.50、0.66(g/g溶剂)的尼泊金甲酯溶液，分别对应20、30、40、45、50℃时尼泊金甲酯在水/乙醇(50％v/v)溶剂中饱和溶解度，以浓度组0.66(g/g溶剂)溶液为例说明采集过程：在结晶釜中加入66g尼泊金甲酯及100g水/乙醇(50％v/v)，在60℃条件下搅拌1h配成溶液。通过带有ATR检测探头的UV‐vis光纤光谱仪3和测温热电阻4测试获取溶液ATR‐UV光谱和结晶釜1内溶液温度；具体是控制电脑7程序控制恒温槽2调控溶液温度，分别在溶液温度40、45、50、55、60℃(测温热电阻测得)条件下存储ATR‐UV光谱，加入水/乙醇(50％v/v)稀释并测量下一组浓度为0.50(g/g溶剂)的溶液光谱数据，以此类推。所配制溶液及每组溶液相 应取光谱温度点如下表3所示，其中带*标记作为校验集，其余数据用作训练集。

表3尼泊金甲酯浓度标定实验矩阵

(2)检测模型的建立：本例中选取吸收峰内6处波长对应吸光度值进行数据回归，所选波长为259.4nm、263.44nm、265.57nm、267.48nm、269.18nm、272.57nm.以溶液浓度y为因变量，训练集中光谱及温度数据为自变量采用偏最小二乘法回归得出浓度检测模型初步参数，进而以校验集浓度检测残差均方根最小为判定依据得出浓度检测模型中最优化关联系数a＝‐0.05409，b＝0.001257，c₁至c₆见下表4。

表4尼泊金甲酯浓度检测模型相关关联系数

R

R1(259.4nm)

R2(263.44nm)

R3(265.57nm)

R4(267.48nm)

R5(269.18nm)

R6(272.57nm)

c

3.006

‐0.3779

‐2.16

‐2.046

‐0.6573

2.9278

(3)浓度自动计算：称量120g尼泊金甲酯于结晶釜中，加入250ml水/乙醇(50％v/v)，搅拌200rpm，维持夹套循环温度60℃条件下1h确保溶质完全溶解，降温至50℃加入晶种，平衡10min后进行冷却结晶，维持0.2℃/min降温速率。开启本发明所述在线浓度检测系统，控制电脑通过数据通信(AD/DA)转换器将ATR检测探头实时获取的上述6波长处吸光度值R及测温热电阻实时获取的溶液温度T，并代入步骤(2)中建立的浓度检测模型，自动计算y值即得到实时溶液浓度。上述实验过程的温度及浓度在步骤(1)的变化范围。

(4)浓度信息在线检测显示与记录：在控制电脑编程获取的人机互动界面中，界面窗口实时显示当前结晶过程溶液浓度，同时在后台实时记录于txt文档中。

结晶过程中，用管前端装有孔径1‐10μm微滤器的注射器取样，采用重量法分析溶液浓度，在线检测结果与重量法的测量值进行比较，有效均方差为0.59％.

实施例3

对甲基乙酰苯胺冷却结晶溶液浓度在线检测，乙醇为溶剂。

(1)浓度标定：在结晶釜中配制5组浓度为0.21、0.28、0.38、0.42、0.46(g/g溶 剂)对甲基乙酰苯胺溶液，分别对应25、30、40、45、50℃时对甲基乙酰苯胺在乙醇溶剂中饱和溶解度，以浓度组0.46(g/g溶剂)溶液为例说明采集过程：在结晶釜中加入46g对甲基乙酰苯胺及100g乙醇，在60℃条件下搅拌1h配成溶液。通过带有ATR检测探头的UV‐vis光纤光谱仪3和测温热电阻4测试获取溶液ATR‐UV光谱和结晶釜1内溶液温度；具体是控制电脑7程序控制恒温槽2调控溶液温度，分别在溶液温度40、45、50、55、60℃(测温热电阻4测得)条件下存储ATR‐UV光谱，加入乙醇稀释并测量下一组浓度为0.42(g/g溶剂)溶液光谱数据，以此类推。所配制溶液及每组溶液相应取光谱温度点如下表5所示，其中带*标记作为校验集，其余数据用作训练集。

表5对甲基乙酰苯胺浓度标定实验矩阵

(2)检测模型的建立：本例中选取吸收峰内5处波长对应吸光度值进行数据回归，所选波长为255.78nm、256.85nm、257.49nm、258.55nm、259.40nm.以溶液浓度y为因变量，训练集中光谱及温度数据为自变量采用偏最小二乘法回归得出浓度检测模型初步参数，进而以校验集浓度检测残差均方根最小为判定依据得出浓度检测模型中最优化关联系数a＝0.0519，b＝0.001156，c₁至c₅见下表6。

表6对甲基乙酰苯胺浓度检测模型相关关联系数

R	R1(255.78nm)	R2(256.85nm)	R3(257.49nm)	R4(258.55nm)	R5(259.40nm)
						c	2.0016	‐0.2759	2.1436	‐2.1066	‐0.6573

(3)浓度自动计算：称量90g对甲基乙酰苯胺置于结晶釜中，加入250ml乙醇，搅拌200rpm，维持夹套循环温度60℃条件下1h确保溶质完全溶解，降温至50℃加入晶种，平衡10min后进行冷却结晶，维持0.2℃/min降温速率。开启本发明所述在线浓度检测系统，控制电脑通过数据通信(AD/DA)转换器将ATR检测探头实时获取的上述6波长处吸光度值R及测温热电阻实时获取的溶液温度T，并代入步骤(2)中建立的浓度检测模型，自动计算y值即得到实时溶液浓度。上述实验过程的温度及浓度在步骤(1)的变化范围。

(4)浓度信息在线检测显示与记录：在控制电脑编程获取的人机互动界面中，界面窗口实时显示当前结晶过程溶液浓度，同时在后台实时记录于txt文档中。

结晶过程中，用管前端装有孔径1‐10μm微滤器的注射器取样，采用重量法分析溶液浓度，在线检测结果与重量法的测量值进行比较，有效均方差为1.12％。

Claims (5)

1.冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)浓度标定：在结晶釜中配制若干组不同浓度药物活性组分溶液，针对每组溶液，通过直接安装在结晶釜中的带有ATR检测探头的UV‐vis光谱仪和测温热电阻获取溶液ATR‐UV光谱和结晶釜内溶液温度；得到冷却结晶温度变化范围内多个药物活性组分的ATR‐UV光谱；

(2)检测模型的建立：以药物活性组分浓度y为目标函数，取紫外光区200‐400 nm波长范围多个波长下的吸光度值R及对应温度T进行偏最小二乘法回归，获得药物活性组分浓度在线检测模型中的关联系数a、b及c值；n为测试的药物活性组分测试点的个数；

(3)浓度自动计算：在结晶过程中，控制电脑将实时获取的光谱和温度信息代入检测模型，自动计算检测模型函数值，获得药物活性组分的浓度。

2.根据权利要求1所述的冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法，其特征在于：所述的冷却结晶的温度变化范围为0‐70℃。

3.根据权利要求1所述的冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法，其特征在于：所述的药物活性组分为扑热息痛、尼泊金甲酯或对甲基乙酰苯胺。

4.根据权利要求1所述的冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法，其特征在于：按每克溶剂计算，所述药物活性组分含量为0.1‐0.7克。

5.根据权利要求1所述的冷却结晶过程药物活性组分在线浓度检测方法，其特征在于：所述获得药物活性组分的浓度是在控制电脑编程获取的人机互动界面中，界面窗口实时显示当前结晶过程溶液浓度，同时在后台实时记录于txt文档中。