CN109154548A

CN109154548A - 用于材料的物理化学表征的方法和设备

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Publication number: CN109154548A
Application number: CN201780026561.0A
Authority: CN
Inventors: S·斯万巴克; J·于利鲁西; H·埃勒斯; O·安蒂凯南; H·莱克南
Original assignee: University of Helsinki
Current assignee: Solubility Co
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: CA3021753A1; EP3449236B1; EP3449236A1; US20190094197A1; JP2019518938A; EP3449236C0; CN109154548B; JP7096771B2; WO2017187023A1; US11131658B2

Abstract

表征方法，包括步骤：(i)在表面上提供颗粒，(ii)提供流体，(iii)允许流体与颗粒接触，(iv)检测颗粒，(v)根据步骤(iv)中所获取的数据来分析颗粒中的变化；以及(vi)将颗粒中的变化与颗粒的材料或流体的物理化学性质相关联。

Description

用于材料的物理化学表征的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及物质的物理化学表征。

背景技术

基于自动图像分析，高内涵分析(HCA)已成为生物科学中广泛使用且有价值的技术。

特别地，材料的两种物理化学性质(即溶解度和亲油性)确定了它们在不同化学环境中的归趋。化合物的溶解度确定了化合物以其分子活性形式存在的程度，例如因此确定了化合物将表现出的生物利用度、以及治疗或毒性作用的程度。例如，在成核过程中，溶解度也起重要的作用，这在合成和结晶中具有高度相关性。

分配(partition)/分布(distribution)系数(logP/logD)描述了化合物的亲油性，其确定了在例如环境和人体中的分配(partition)。pH非依赖性分配(partition)系数(P)或pH依赖性分布(distribution)系数(D)是估计通过生物膜的渗透以及吸收现象的最常用的物理化学参数。logP和logD也已被证明是化合物在自然环境以及细胞水平上的环境归趋和毒性的良好预测因子。

用于确定上述物理化学参数的现有的标准技术通常需要数小时甚至数天。量化方法一般是基于物质特异性化学分析和溶剂特异性化学分析，这需要进一步的开发时间和资源。除了实验时间长之外，标准方法的另一个显著缺点是分析物和试剂的大量使用，这增加了成本和环境影响。计算模型也被用于估计这些物理化学因子，但它们需要实验的输入参数以用于准确的预测。此外，必须在反映模型环境的一系列相关实验条件下获取实验的输入参数，这可能使它们的应用不切实际。

现有的颗粒表征设备确定了平均颗粒尺寸或颗粒尺寸分布(distribution)。在表征单个颗粒的应用中，颗粒通过胶合、夹持或通过其他机械方式被固定(fixed)颗粒。单个颗粒也可以被流体动力学地定位，或者通过声学或光学方式定位颗粒，以用于连续成像。机械附着是费力的并且潜在地改变颗粒性质。另一方面，定位时常具有挑战性和暂时性，特别是对于小颗粒而言。

因此，本发明的目的是缓解至少一些上述问题。

另一个目的是提供简单且低成本的方法和装置，以用于确定物质或颗粒(一个或多个)的物理化学性质。

发明内容

根据第一方面，提供一种表征方法，包括：

i.在表面上提供至少一个颗粒；

ii.提供至少一种流体；

iii.允许流体与颗粒(一个或多个)接触；

iv.检测颗粒(一个或多个)；

v.根据在检测期间所获取的数据来分析颗粒(一个或多个)中的变化；以及

vi.将变化与颗粒(一个或多个)的材料的至少一种物理化学性质相关联。

根据另一方面，提供了一种表征方法，包括：

i.在表面上提供至少一个颗粒；

ii.提供至少一种流体；

iii.允许流体与颗粒(一个或多个)接触；

iv.检测颗粒(一个或多个)；

vi.将变化与流体的至少一种物理化学性质相关联。

在某些实施例中，检测包括检测两个数据点之间没有变化。

当流体接触颗粒(一个或多个)时(例如，通过在反应室之内的流体流中提供颗粒(一个或多个)，流体流可以溶解颗粒(一个或多个)，同时单个颗粒(一个或多个)周围的浓度分布(concentration profile)变化或保持不变。这可能导致一定速率的溶解，并因此导致颗粒(一个或多个)尺寸减小，这可以例如通过反应室中的透明窗口被检测到(例如，被成像)。可以自动分析以从所获取的数据中提取作为时间的函数的单个颗粒(一个或多个)。

该方法有利于允许测量被检测到(例如，被成像)的颗粒(一个或多个)或流体的各种物理化学性质。取决于颗粒(一个或多个)，根据需要选择物理化学性质。例如当被暴露于不同化学和/或物理环境时(诸如温度、辐射、压强、离子强度、pH、或生物活性剂)，该方法是可用于测量颗粒(一个或多个)中的变化。

该方法还可用于分析质量比本领域现有技术的小型化方法所需的质量小三个数量级的颗粒(一个或多个)。本方法的性能比利用标准方法(该标准方法在mg至g范围内操作)可以实现的性能要好得多。例如，该方法可被用于获取纳克级化合物的溶解度-亲油性-电荷状态分布(state profile)。作为下文所提供的示例的证据，可以在不到一分钟的时间内使用实时检测以皮克级或甚至飞克级，检测在两个后续检测点之间的质量的平均变化。因此，该方法的检测极限可以达到与当前先进的分析方法(诸如质谱法)的检测极限相似的水平。在一个实施例中，作为唯一所需的参数，可以根据被成像颗粒(一个或多个)的减小的颗粒面积和/或半径和/或其他改变的性质的斜率足够精确地确定在特定化学或物理环境中的溶解度。例如，这允许对未知化学和物理成分的未知物质进行快速、完全的物理化学表征。简单且经济有效的设置、以及广泛的适用性(例如使用常规的光学显微镜)为这种技术提供了很大优势。

在许多领域中，在许多化学环境中筛选物理化学性质的能力具有重要价值。在不限制任何特定优点的情况下，利用本方法可以以快速、有效、稳健且经济有效的方式实现物质的至少九个基本物理化学性质：溶解速率、固有溶解速率(IDR)、天然溶解度、固有溶解度、平衡溶解度、表观溶解度、pKa、logP、以及logD。甚至可以使用自动数据分析根据单个纳克级晶体来确定这些参数。无需液体取样或样品处置(treatment)或处理(handling)步骤，基于自动检测的、纳克量物质的分析大大减少了消耗和潜在的有毒废物。另外，操作员与潜在有害物质的接触大大减少。它还允许可靠地分析具有高价值或稀缺可用性的化合物，诸如在药物开发中。

在一个实施例中，根据第一方面的表征方法包括另一步骤vii，该步骤包括将上述变化与流体的至少一种物理化学性质相关联。该实施例的优点在于它可以被用于同时表征颗粒材料以及流体。

该表征方法可被用于表征流体的至少一种物理化学性质。在一个实施例中，颗粒中的变化可以与颗粒材料(或流体)的至少一种物理化学性质相关联，诸如流体用于溶解颗粒材料的能力。

在实施例中，上述流体包括悬浮媒介物。在另一实施例中，该悬浮媒介物被用于筛选体内制剂。

在不限制任何特定的粘附技术的情况下，利用本方法可以将一个或几个颗粒固定化(immobilize)在检测区域的表面上，以允许检测特定颗粒(一个或多个)。朝向渗透/半渗透层的固定化允许颗粒(一个或多个)通过机械方式或使流体流经和/或流过该层以手动地或自动地被预定位或被供应颗粒。

根据第二方面，提供了一种分析设备，包括：

反应室；

至少一个第一入口，用于使流体进入反应室；

至少一个出口，用于使流体离开反应室；

固定化区(immobilization zone)，被布置在上述反应室之内，该固定化区被配置为允许将颗粒固定化在流体中；以及

允许检测上述固定化区的装置。

根据第三方面，提供一种系统，该系统包括根据第二方面的分析设备，并且该系统还包括：用于使流体受控地穿过分析设备的流体处理装置、检测装置、以及用于分析数据并且提供输出的计算装置。

在第三方面的一个实施例中，该检测装置是成像装置。

在第三方面的一个实施例中，该系统包括用于照明(illuminating)反应室的固定化区的照明装置(illuminating means)。

已经说明或将要说明本发明的不同非约束方面以及实施例。所公开的实施例仅仅被用于解释可以在本发明的实现中利用的所选方面、实施例或步骤。可以仅参考本发明的某些示例方面来呈现一些实施例。应当领会的是，对应的实施例也可以应用于其他示例方面。可以形成实施例的任何适当组合。

附图简要说明

现在将仅通过示例的方式、参考附图来描述本发明，其中：

图1示出了根据一个示例实施例的方法的流程图；

图2示出了分析设备的一个实施例的剖视图。

图3示出了分析控制系统的框图的一个实施例。

具体实施方式

定义

logP/logD是指分配(partition)/分布(distribution)系数。它描述了化合物的亲油性，确定了在例如环境和人体中的分配。

pH非依赖性分配(partition)系数P或pH依赖性分布(distribution)系数D描述了例如生物膜中的渗透以及吸收现象。

图1示出了本方法的示意流程图。首先，在表面上提供至少一个颗粒(1)。提供流体(2)，并且流体与颗粒(一个或多个)接触(3)。当颗粒(一个或多个)与流体接触时，颗粒(一个或多个)被成像(4)。分析在检测期间所获取的图像(5)。在图像分析之后，使用从经分析的图像所获得的信息，确定颗粒(一个或多个)的至少一种物理化学性质(6)。

当颗粒(一个或多个)与流体相互作用时，例如当作为流体的溶剂溶解颗粒(一个或多个)的表面时，残留的颗粒(一个或多个)被顺序地成像，以便检测其尺寸、形状、质量损失或增加、压强差、特异性和非特异性吸附、粘附、反应(4)。还可以记录检测的时间点或图像之间的时间间隔。优选地，使用计算机化图像分析装置确定形状以及尺寸/质量损失或增加根据时间的变化(5)。最后，使用关于尺寸、形状、和/或质量损失或增加根据时间的信息来确定感兴趣的物理化学性质。

在某些实施例中，检测变化可以包括检测两个检测点之间没有变化。

在一个实施例中，使用根据第二方面的分析设备或根据第三方面的系统执行上述方法。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)被固定化在由流体所形成的流中。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)通过流体流过渗透或半渗透层被固定化在渗透或半渗透层上。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)被固定化在表面上，并且该表面是渗透或半渗透层，颗粒(一个或多个)通过流体流过该渗透或半渗透层被固定化在该渗透或半渗透层上。

在一个实施例中，通过使用流体在渗透或半渗透层上的压强差，颗粒(一个或多个)被固定化在该渗透或半渗透层上。该渗透或半渗透层可以被布置在反应室内，流体流过该反应室使得基本上所有的流体都穿过该渗透/半渗透层。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)被设置、被固定化在反应室内表面上的固定化区中。在一个实施例中，通过将颗粒(一个或多个)附着在表面上(例如，通过熔化、通过粘合、通过抽吸)执行固定化。在另一实施例中，通过在膜内或附加的隔室内提供颗粒(一个或多个)，该固定化被布置在反应室内。

在一个实施例中，内表面(或在其上提供颗粒(一个或多个)的表面)是渗透/半渗透层。

在一个实施例中，使用半渗透层。

在一个实施例中，步骤iv.包括检测颗粒的至少一部分。

在一个实施例中，使用流体作为载体加载颗粒。在一个实施例中，被用作载体的流体是无腐蚀性流体。

在一个实施方案中，使用一个以上的反应室。该反应室可以被分离或被集成到一个保持器(holder)(例如，孔板(wellplate))中，其中每个孔穴(well)是反应室。入口和/或出口流量可以由分离的泵和设备控制，或者可以由一个设备控制、并且被分成许多流体流。为了同时检测所有室，可以通过以下方式检测室中的颗粒：使用多个检测器、使用一个移动检测器、或使用一个大型检测器。这可能会增加分析吞吐量(analysis throughput)。

在一个实施例中，渗透/半渗透层是过滤器或过滤膜、膜或多孔层。该渗透/半渗透层可以被布置成使得流体流过它，从而将颗粒(一个或多个)固定化在该渗透/半渗透层的表面上、以及在流动的流体中。在一个实施例中，颗粒(一个或多个)被布置在两个多孔层之间，诸如膜片之间。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)通过反应室中的窗口被检测。在一个实施例中，通过窗口被检测的颗粒(一个或多个)被固定化在表面上。

在一个实施例中，通过使用被布置在反应室的壁中的探针或检测器进行检测。在一个实施例中，该检测器可以是CCD或CMOS传感器。在一个实施例中，该探针可以是一根光纤、或一根以上的光纤。

在一个实施例中，使用流体作为载体，在反应室内加载颗粒(一个或多个)。在一个实施例中，使用相同的入口和相同的流体来加载颗粒(一个或多个)，这被用于分析颗粒(一个或多个)的性质。在另一实施例中，使用不同的入口和任选的加载流体来加载颗粒(一个或多个)，该加载流体可以与在其中分析颗粒(一个或多个)性质的流体相比相同或不同。该加载流体可以是无腐蚀性流体。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)被手动地加载、被自动地加载、被预加载、或被机械地加载(例如使用微操纵器)。

在一个实施方案中，通过允许流体流过多孔层在检测期间将颗粒(一个或多个)固定化，颗粒(一个或多个)被固定化在渗透/半渗透层的表面上。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)通过抽吸被固定化。可以使用流体流、并且提供压强差来实现该抽吸。

在一个实施例中，该流体流是层流(laminar)。

在一个实施例中，该流体流是湍流(turbulent)。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)被固定化在渗透/半渗透的表面上，并且该颗粒(一个或多个)的密度低于流体的密度，即该颗粒(一个或多个)漂浮在流体中。优选地，在这种情况下，流动或设备是反向的，即流动是从底部到顶部，以使颗粒(一个或多个)保持在多孔层的下侧。当流体流速低时，这样特别有利的。

在另一个实施例中，流体流动是水平的。在该实施例中，任选地，渗透/半渗透层是垂直的。本领域技术人员能够修改分析设备，包括对应地改变入口和出口的位置以获得水平流动设备。

在一个实施例中，在反应室内，流体处于均匀状态。

在一个实施例中，在反应室内，提供了流体性质的梯度。例如，可以在反应室内产生pH、压强、和/或温度梯度。这可以通过使用多个流动入口或通过在设备中集成热电或流体冷却/加热功能来实现。在另一实施例中，电场或磁场被施加在反应室上方或内部。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)是化学、生物化学、或生物颗粒(一个或多个)，诸如组织、细胞、病毒、粉末颗粒(一个或多个)、晶体、小球(pellet)、凝胶、微粒(granule)、谷粒、纤维、囊泡(vesicle)、脂质体(liposome)、聚合物囊泡、聚合物结构、或其混合物。

在一个实施例中，提供至少两个颗粒，并且这些颗粒由相同的材料或化学化合物组成，或者它们由至少两种不同的材料或化学化合物组成。因此，具有不同化学组成的多个颗粒能够被设置在表面上，并被表征。

在另一实施例中，颗粒(或多个颗粒中的至少一些颗粒)包括一种以上的材料或化合物。在另一实施例中，该颗粒是包括一种以上化学化合物、材料、或物质的混合物。

在一个实施例中，流体是透明的。在一个实施例中，透明度包括被用于执行检测的、在电磁频谱的部分中的透明度。在一个实施例中，透明度包括光学透明度。

在一个实施例中，流体是液体、超临界流体、离子流体、气体、生物流体、含有细菌菌群的流体、含有蛋白质(诸如酶)的流体、流动相、分散体、或其混合物。

在一个实施例中，流体是超临界流体，并且该方法任选地还包括控制压强。在另一实施例中，物理化学性质是溶解度。

在一个实施例中，在进行该方法期间或在该设备中循环该流体。

在一个实施例中，在进行该方法期间或在该设备中不循环该流体。

在一个实施例中，使用光学检测来执行检测。在另一实施例中，通过以下方式进行检测：通过超声波检测；通过光谱学(包括紫外(UV)、拉曼(Raman)和红外(IR)光谱)；通过干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、核磁共振(NMR)、或任何其他合适的检测装置；通过原位检测(in situ detection)、或通过其组合。在一个实施例中，原位检测包括使用探针(诸如光纤探针、拉曼探针、UV探针、IR探针、或超声探针)在封闭室内进行检测。在一个实施例中，原位检测包括利用被集成到结构(诸如室的一个或多个壁)中的检测器进行检测。

当使用超声波检测时，在一个实施例中，超声波探针被设置成与反应室中的流体直接接触。该探针可以被集成在反应室中。

在一个实施例中，检测包括获取图像序列。可以以预定间隔(诸如规则间隔)来获取图像。在一个实施例中，图像是使用光学显微镜所获取的显微照片。

在一个实施例中，当使用超声波检测执行检测时，流体不是光学透明的。

在一个实施例中，检测是二维检测。在一个实施例中，检测是三维和/或二维检测。在一个实施例中，借助于共聚焦显微镜、使用一个或多个检测器，或通过移动一个或多个检测器、或设备的其他部分来执行三维检测。在一个实施例中，使用多个集成的、原位、或外部检测器来执行三维检测。在一个实施例中，使用一个集成的、原位、或外部检测器来执行三维检测。在另一实施例中，辐射经由一个或多个反射镜、棱镜、和/或透镜的装置被传递到检测器。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)被照亮。合适的照亮方法包括：准直辐射、偏振辐射、多色辐射、单色辐射、相干或非相干辐射、或其任意组合。在一个实施例中，从选择的一个方向执行照亮。在一个实施例中，同时从多个方向执行照亮。在一个实施例中，以预定或随机序列从多个方向执行照亮。

在一个实施例中，分析图像涉及测量颗粒(一个或多个)的半径、投影面积、表面积、体积、强度、颜色、周长、圆球度中的至少一个，或其至少一部分。

在一个实施例中，被测量的至少一部分是颗粒(一个或多个)的角、边缘、侧部、面部、突出部、和/或投影部分。

在一个实施例中，物理化学性质包括溶解、形态变化、收缩、膨胀、生长、燃烧、氧化、还原、蒸发、升华、冷凝、腐蚀、吸附、吸收、解吸、再吸收、结合、润湿中的至少一种，或上述性质的任何逆过程。在一个实施例中，物理化学性质是被检测材料的稳定性或无变化。在一个实施例中，被检测的性质是定向的、各向同性的、或各向异性的。在一个实施例中，被检测的性质在所有方向上。

在一个优选的实施例中，物理化学性质是溶解度。在另一优选的实施例中，表征方法包括将变化与颗粒材料的至少一种物理化学性质相关联，并且该物理化学性质是溶解度。

在一个实施例中，验证步骤被用于确定当检测被停止和/或分析准备好时的时间点。在一个优选实施例中，验证步骤是使用适当的方法(诸如统计方法)进行验证。

在一个实施例中，颗粒(一个或多个)的初始质量不高于100mg，优选地不高于100μg，更优选地不高于500ng，更优选地不高于100ng。

在一个实施例中，上述方法是用于确定颗粒(一个或多个)质量中的ng，优选地pg，甚至更优选地fg，最优选地ag变化。

在一个实施例中，上述方法包括分析离开反应室的流体的化学组成。化学分析可以包括例如色谱分析、光谱分析、或质量分析。

在一个实施例中，上述方法包括在多孔层上产生压强差。这可以增强颗粒(一个或多个)在表面上的附着，并且改善通过多孔层的流动。进一步地，这可以改善将流动保持在反应室顶部中的层流。

在一个实施例中，控制流体(任选的在反应室中的流体)的温度。

在一个实施例中，控制流体(任选的在反应室中的流体)的pH。

在一个实施例中，控制流体(任选地在反应室中的流体)的离子强度。

在一个实施例中，控制流体(任选地在反应室中的流体)的组成。

在一个实施例中，在进入反应室之前实现流体的组成。在另一实施例中，在反应室内实现流体的组成。

在一个实施例中，控制反应室内(任选地整个设备内)的压强。

在一个实施例中，电场被设置在由流体所占据的反应室中的区域(以及任选地其中颗粒(一个或多个)被设置的区域)上。

在一个实施例中，磁场被设置在由流体所占据的反应室中的区域(以及任选地其中颗粒(一个或多个)被设置的区域)上。

在一个实施例中，流体包括指示剂，诸如pH指示剂、离子强度指示剂、氧化还原指示剂、荧光指示剂、或络合指示剂。

图2示出了分析设备10的一个实施例的示意图。分析设备10包括反应室20，该反应室20由壁180、顶板100、和底板150所限定。分析设备10包括至少一个用于使流体170进入反应室20的第一入口120，以及至少一个用于使流体175离开反应室的出口160。在反应室内的是被布置在底板上的渗透/半渗透层140，在该实施例中用作固定化区。待被成像的颗粒(一个或多个)130被布置在渗透/半渗透层140上。至少一个窗口110被布置在壁、顶板、或底板中，以用于允许检测面向顶板的多孔层的表面。颗粒(一个或多个)130能够通过窗口110成像。

入口120可以从流体贮存器接收流体、被任选地连接到将流体流提供到反应室中的控制装置。该控制装置可以包括泵、混合器、加热元件、冷却元件、脱气装置中的至少一种。

反应室20可以是温度控制的。这可以通过使用在分析设备10的结构中所集成的加热或冷却元件来实现。上述元件可以被设置在设备的顶板100、底板150、和/或侧壁180中，或者它们可以被设置在分析设备10的外侧。当需要温度控制时，具有良好导热性的材料优选地被用于制造分析设备10。

反应室20也可以是压强控制的。当在室内使用高于或低于环境气压的压强时，选择分析设备的材料使得其不限制在所选压强下的操作。

可以进一步分析离开反应分析设备10的流体175。例如，可以分析流体175的化学组成，并且与流体170的组成进行比较。这样的分析可以被用于揭示被溶解或被附着在颗粒(一个或多个)130上的物质、或者颗粒(一个或多个)能够在流体中产生的变化。

分析设备10还可以被设置有一个以上的窗口110。在这个实施例中，窗口110是允许检测固定化区的装置。当使用一个以上的窗口时，可以从不同视角、和/或使用不同的检测方法对颗粒(一个或多个)130成像。窗口还可以被设置为对颗粒(一个或多个)执行光谱分析。

也可以在没有窗口110的情况下封闭分析设备10。在这种情况下，利用探针或集成的检测器执行颗粒(一个或多个)130的检测。

顶板100可以从分析设备10拆卸，以用于加载和卸载颗粒130(一个或多个)(以及任选地渗透/半渗透层140)。备选地，底板150可以是可拆卸的，并且它可以被配置成与多孔层140可拆卸的。在这种配置中，可以通过打开底板、并暴露渗透/半渗透层140来执行颗粒130(一个或多个)的加载和卸载。分析设备10也可以是封闭的。在这种情况下，通过入口或出口通道之一执行颗粒(一个或多个)的加载。

在一个实施例中，渗透/半渗透层140被配置成经由流体流容纳(receive)至少一个颗粒。

在一个实施例中，反应室是圆柱形或基本上圆柱形。

在一个实施例中，反应室是矩形或基本上矩形。

在一个实施例中，反应室被成形为优选的几何形状，在该室内产生流体流动和/或梯度。

在一个实施例中，允许检测固定化区的装置包括窗口。在另一实施例中，上述装置被集成在限定反应室的结构(诸如反应室的顶板、底板、或壁)中。例如，可以集成探针。

在一个实施例中，允许检测的装置包括被布置在限定反应室的顶板或底板、或壁中的窗口。任选地，该顶板、底板、或壁是可拆卸的。

在一个实施例中，该顶板、底板、或壁是窗口。

在一个实施例中，窗口被布置在可拆卸的顶板或底板中。

在一个实施例中，通过布置开口来设置窗口，从而设置开口系统。该开口可以部分地将反应室打开，或者它可以延伸到反应室的壁，从而使反应室的整个顶部打开。作为一个示例实施例，开口系统可以通过设置没有顶板100的设备，或者通过在窗口110的位置设置开口，由图2中所示的分析设备10制成。在一个实施例中，入口170的直径可以被充分地增加以允许通过开口进行检测。

在一个实施例中，允许检测的装置被集成在设备的壁、顶板、或底板中。

在分析设备的一个实施例中，固定化区包括被配置成经由流体流容纳至少一个颗粒的渗透/半渗透层。

在一个实施例中，检测是3D成像，并且反应室是透明的，以用于允许从一个以上的视角进行检测。检测可以包括使用镜子、棱镜、或其组合。

在一个实施例中，顶板或底板是用于允许加载颗粒(一个或多个)的盖。在一个实施例中，渗透/半渗透层是可互换的，并且被配置成通过盖被改变。在另一个实施例中，颗粒(一个或多个)与多孔层一起被加载在反应室内。

在一个实施例中，利用流体流动，颗粒(一个或多个)被加载到反应室内。在一个实施例中，利用合适的装置(诸如针(pin)、针(needle)、镊子、或显微操纵器)颗粒(一个或多个)被手动地加载到反应室内。在一个实施例中，利用合适的装置，颗粒(一个或多个)被自动地加载到反应室内。

可以通过控制系统来控制分析方法或系统。在一个示例实施例中，分析设备是计算机控制的分析系统中的组件。被存储到系统的存储器中的计算机程序包括指令，该指令在由系统的至少一个处理器执行时使得分析系统能够根据指示操作。该指令可以是计算机可读程序代码的形式。

图3示出了分析控制系统700的粗略的框图。在基本系统设置过程中，利用软件对参数进行编程，并且利用人机界面(HMI)终端706执行指令、并且经由总线704将该指令下载到控制箱702。在一个实施例中，控制箱702包括通用可编程逻辑控制器(PLC)单元。控制箱702包括至少一个微处理器，以用于执行包括被存储在以下器件中的程序代码的控制箱软件：存储器、动态和静态存储器、I/O模块、A/D和D/A转换器、以及功率继电器。控制箱702向流体管线阀的控制器和分析系统的泵(图4中未示出)发送电力，以及与馈入流体控制器(infeed fluid controller)(图4中未示出)进行双向通信，以及控制流体控制和检测的操作，以及除此之外控制分析系统的操作。当使用多种流体时，控制箱702还可以控制所需的阀和泵。控制箱702可以测量并且将探针读数从分析系统中继传播到HMI终端706。控制箱702还可以控制样品处理(诸如加载和卸载)，或任选地流体的后处理分析(诸如色谱分析或质量分析)。虚线716指示了分析系统部件与控制箱702之间的界面线。

检测

可以通过能够(根据颗粒的变化或不变)获得关于颗粒(一个或多个)或其任何部分的形变或稳定性的信息的任何合适的技术来执行检测。示例包括成像、光学显微镜法(产生对应于光与颗粒(一个或多个)的相互作用的图像)、荧光显微镜法(产生与在适当地激发下的颗粒(一个或多个)/物质的荧光吸收或发射对应或成信号比例的图像)、紫外检测(产生与由颗粒(一个或多个)/物质吸收和/或发射的紫外光对应或成信号比例的图像)、拉曼光谱法(基于颗粒(一个或多个)的拉曼散射，产生光谱和/或图像)、红外光谱法(产生与由颗粒(一个或多个)/物质所吸收和/或发射的红外辐射对应或成信号比例的图像)、干涉法(基于干涉图案产生图像，该干涉图案由与样品相互作用的辐射产生)、衍射和动态光散射(给出关于颗粒(一个或多个)尺寸的数据，该数据由光的衍射和/或散射所确定)。

检测技术是已知的、并且可以本发明所需的小体积以获得关于至少一个单个颗粒或其至少一部分的性质的信息。合适的检测设备是可商购的。需要注意的是其中的容器壁或窗口对于由检测设备所使用的辐射是透明的。也就是说，容器本身不能显著衰减或改变由检测设备所记录的辐射，例如在光学显微镜情况下的光学波长。

在一个实施例中，校准检测器。可以通过使用已知流体的化合物(诸如水)在恒定温度下的溶解度产生校准曲线来实现校准。

在一个实施例中，该校准涉及使用晶体密度数据和/或分子量数据。

检测可以利用样品的直接照射、背光照射、频闪照射、荧光、磷光或自发光。

数据分析

从检测设备所获得的图像或任何其他检测数据可以被存储在分析单元(诸如计算机)上，在分析单元使用适当的软件和算法对它们进行分析，以便根据所需确定物理化学性质(例如溶解度)。图像或任何其他检测数据也可以被存储在被连接到系统的外部数据存储器上。该分析取决于所使用的检测技术，因为所记录的辐射的来源是不同的。

在光学显微镜法的情况下，所获得的每个图像包括在例如溶解过程的不同阶段和潜在地不同取向的颗粒(一个或多个)的“显微照片”(即投影图像)。可以对颗粒(一个或多个)的不同取向成像，例如使用多个检测设备、镜子、反射器、使用多个光源、多个成像设备、棱镜。

在一个实施例中，图像处理包括以下的至少一个：

-根据连续图像确定颗粒(一个或多个)残留物的投影尺寸，即基于其横截面表面积，

-根据连续图像确定颗粒(一个或多个)残留物的投影形状，即基于其横截面表面积，

-基于来自横截面表面积的数据，估计颗粒(一个或多个)残留物的相对或绝对质量(或与第一图像(或被估计的初始颗粒(一个或多个)尺寸)相比从颗粒(一个或多个)释放的质量)，

-基于颗粒(一个或多个)残留物的尺寸和关于检测时间的信息来确定溶解速率，

-基于从图像中提取的颗粒(一个或多个)残留物的尺寸、检测时间和表面积信息来确定本征溶解速率，

-基于从图像中提取的颗粒(一个或多个)残留物的尺寸和检测时间来确定物质的溶解度。

-基于从图像中提取的颗粒(一个或多个)残留物的尺寸和检测时间来确定物质的pKa和/或电荷状态。

-基于从图像中提取的颗粒(一个或多个)残留物的尺寸和检测时间来确定物质的分配(partition)(logP)和分布(distribution)(logD)系数。

根据一个实施例，基于直到此所获得的数据，随着检测的进行，实时执行所需物理化学性质(一种或多种)的计算。结果可能是开始时的近似值，并且随着更多数据变得可用，准确度也会提高。该数据分析也可以是迭代的，并且利用从图像数据导出的形貌(topographical)和形态(morphological)信息进行3D颗粒(一个或多个)重建。

根据另一实施例，仅在溶解过程已经达到预定点之后，执行物理化学性质的计算，在此之后该过程可以被终止。

在不限制专利权利要求的范围和解释的情况下，本文所公开的示例性实施例的某些技术效果列出如下：一个技术效果是高内涵地筛选颗粒(一个或多个)和物质的可能性。另一技术效果是确定非常难溶的物质的溶解度。另一项技术效果是无创确定物质(诸如物质的颗粒)的物理化学性质。另一技术效果是每一个颗粒(一个或多个)使用几种流体或者每一种或多种流体使用几个颗粒(一个或多个)。

示例

通过确定具有各种化学结构和性质的模型化合物的溶解速率和溶解度来证明该方法的非特异性和广泛适用性。

申请人使用了十四种模型化合物：对乙酰氨基酚(Hawkins Inc.，明尼苏达州，美国)、生物活性玻璃S53P4(BonAlive Biomaterials Ltd，土尔库，芬兰)、塞来昔布(Kemprotec，康福斯，英国)、二水合磷酸氢钙(Chemische Fabrik Budenheim KG，布登海姆，德国)、呋塞米(TCI Europe，兹韦恩德雷赫特，比利时)、氢氯噻嗪(Alfa Aesar，兰开夏，英国)、布洛芬(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、吲哚美辛(Hawkins，明尼苏达州，美国)、重组人胰岛素(SAFC Pharma，密苏里州，美国)、伊曲康唑(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、酮洛芬(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、萘普生(ICN Biomedichals Inc.，俄亥俄州，美国)、苯妥英(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、丙磺舒(Sigma-Aldrich Chemie Gmbh，斯德海姆，德国)，对于这些化合物的溶解度高度相关。

吲哚美辛是一种弱酸性有机药物分子，通常被用作难溶性药物的模型化合物。吲哚美辛的水溶性通常表现为“几乎不溶”。这种定性描述符虽然价值不大，但经常被用于极少量分析物的定量可能具有挑战性。另外，只有少于5％的专门训练的计算模型能够准确地预测所研究的化合物吲哚美辛和丙磺舒在简单含水缓冲液中的溶解度。

1982年，胰岛素成为首个引入的重组蛋白治疗剂。早期的蛋白质制剂方法专注于降低胰岛素的溶解度，以便实现控释和缓释(controlled and sustained release)。蛋白质晶体工程(例如共结晶)，仍然是一种广泛使用的策略，以提高蛋白质治疗剂的稳定性和有效性。在鉴定和优化这些配方期间，快速筛选物理化学性质(诸如溶解速率和溶解度)，需要可靠的高通量方法(high-throughput methods)。

二水合磷酸氢钙(CaHPO₄·2H₂O，DCPD，透钙磷石)是临床上被用于整形外科和牙科应用的生物相容性材料。它还应用在例如药物输送、癌症治疗和生物传感器的开发中。通过其在生理条件下溶解和再吸收的能力，DCPD具有优于其他磷酸钙胶合剂系统的独特优势。随着时间的推移，取决于浸泡环境，DCPD被转化为溶解度较低的磷灰石矿物。这些生理上出现的矿物质的溶解度和溶解速率具有病理学相关性，例如确定对牙釉质的酸侵袭和再矿化的敏感性。这些矿物质的、由它们在各种生理环境中的溶解度所确定的过饱和度，也是形成例如肾结石背后的驱动力。

生物活性玻璃S53P4是FDA批准的骨再生移植物。它的生物活性取决于溶解度，已知从玻璃所释放的钙和硅酸盐离子促进细胞水平上的骨形成。使用单晶方法，申请人能够在生理学相关条件下确定所有模型化合物的水溶性和溶解速率。

另外，扩展该方法以确定对于模型药物吲哚美辛的完整物理化学分布(physicochemical profile)(固有溶解度、天然溶解度、平衡溶解度、溶解速率、pKa、logP和logD)。在生理学相关的范围(pH 2-9)内，在含水缓冲液中执行溶解度-pH分布(solubility-pH profile)。另外，在三种模拟体液(禁食状态模拟肠液(pH 6.5)、进食状态模拟肠液(pH 5)和禁食状态模拟胃液(pH 1.6))以及两种常用有机溶剂(乙醇和辛醇)中，确定有效溶解度。观察到弱酸的溶解度从最高pH 9开始线性降低，根据电离的降低程度，在大约pH 4.5后达到平稳。根据溶解度分布(solubility profile)的两个阶段的两个回归线的交点来确定吲哚美辛的pKa 4.4。当获取非离子化形式(S0，pH 2-3)的水中的溶解度以及在辛醇中的溶解度时，吲哚美辛的logP值被确定为4.1。另外，使用logP、pKa和pH数据，logD值被确定为pH的函数。使用本方法所确定的所有参数与理论和文献数据相关。因此，通过仅观察和表征一个变量(即单个晶体的颗粒(一个或多个)尺寸减小)，可以以高内涵分析(HCA)方式，挖掘材料的六个基本材料特征的完整物理化学分布(physicochemicalprofile)。

对于实时分析，在两个随后的10个样本的线性回归线的斜率上应用双样本t检验分析。当t检验分析的p值降至0.05以下时，则假设斜率已达到稳定值。使用这种统计验证，可以在具有足够精确度的情况下，显著提前地终止单个实验。在实时终止点，斜率与完整实验的回归线斜率平均相差0.21个对数单位。不确定度在完整测量的RSD范围内，并且大大低于标准方法的不确定度。我们观察到，无论所研究的物质如何，一般地在0.4分钟内或在20-30个数据点之后达到稳定斜率。所以，确定时间似乎是由数据采集速度控制，并因此通过CCD传感器的帧速率和分辨率来控制，而不是依赖于物质。这强烈地表明基于检测的材料分析可以被应用于高内涵筛选(HCS)应用。

被分析的单个晶体的平均质量为5.0ng。因此，使用基于图像的HCA进行单个测量所需的物质可以比现有技术的小型化方法所需的物质少三个数量级以上。与以mg和g的量级操作的标准方法相比，增益要高得多。从总共少于400ng的化合物(n＝69)的分析中，可以获得模型化合物吲哚美辛的完全溶解度-亲油性-电荷状态分布(state profile)。这意味着使用单个晶体的HCA，分析完全溶解度-亲油性-电荷状态分布(state profile)的总量比使用现有技术的一种溶剂的一次实验所需的量小一个数量级以上。此外，两个后续检测点之间的质量平均变化为160pg，中位数为5.4pg且最小值为4.5fg。在0.4分钟的实时检测点，从第一个数据点的质量平均变化平均为5.8ng，中位数为210pg，最小值为180fg。这将图像分析的定量限设定在与当前先进分析方法(诸如质谱法)相同的水平上。然而，通过HCA的物理化学表征可以在没有任何物质或溶剂特异性分析方法开发的情况下执行。必要时，可以根据减小半径矢量的斜率作为唯一需要的参数，以足够的精度确定在特定化学环境中的溶解度。这意味着可以在一分钟内、在任何透明溶剂中确定未知化学和物理组成的未知物质的完整物理化学分布(physicochemical profile)。简单且经济有效的设置以及使用常规的光学显微镜的广泛适用性为该技术提供了很大的优势。

在许多化学环境中筛选物理化学性质的能力在许多领域具有重要价值。通过使用HCA，可以以快速、有效、稳健和经济有效的方式实现。我们已经表明，可以使用自动图像分析根据单个的纳克级晶体来确定物质的六种基本物理化学性质，即溶解速率、固有溶解度、溶解度、pKa、logP和logD。对纳克量物质进行基于自动检测的分析，而无需液体取样(liquid sampling)或样品处置(treatment)或处理步骤，大大减少了消耗以及潜在的有毒废物。另外，操作员与潜在有害物质的接触大大减少。它还允许可靠地分析具有高价值或稀缺可用性的化合物，诸如在药物开发中。

材料

释放溶质的颗粒(一个或多个)

在这项工作中共分析了14种物质：对乙酰氨基酚(Hawkins Inc.，明尼苏达州，美国)、生物活性玻璃S53P4(BonAlive Biomaterials Ltd，土尔库，芬兰)、塞来昔布(Kemprotec，康福斯，英国)、二水合磷酸氢钙(Chemische Fabrik Budenheim KG，布登海姆，德国)、呋塞米(TCI Europe，兹韦恩德雷赫特，比利时)、氢氯噻嗪(Alfa Aesar，兰开夏，英国)、布洛芬(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、吲哚美辛(Hawkins，明尼苏达州，美国)、重组人胰岛素(SAFC Pharma，密苏里州，美国)、伊曲康唑(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、酮洛芬(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、萘普生(ICN Biomedichals Inc.，俄亥俄州，美国)、苯妥英(Orion Pharma，埃斯波，芬兰)、丙磺舒(Sigma-Aldrich Chemie Gmbh，斯德海姆，德国)。选择这些物质来表示溶解度和化学性质的最大可变性。

作为溶剂的流体

超纯去离子(Mill iQ)水被用于溶解12种已知的水溶性化合物，以产生标准曲线。根据欧洲药典8.8章4.1.3.1(European Pharmacopoeia 8.8 chapter 4.1.3.1)，制备磷酸盐缓冲溶液(pH 2.0、3.0、4.5、5.8、6.8、8.0)和缓冲溶液(pH 9.0)。根据制造商的指导书制备磷酸盐缓冲盐水溶液(Sigma-Aldrich，pH 7.4)以及进食状态模拟肠液(FeSSIF)、禁食状态模拟肠液(FaSSIF)和禁食状态模拟胃液(FaSSGF)。乙醇(Altia，拉贾马基，芬兰)和辛醇(YA Kemia，赫尔辛基，芬兰)被用为模型有机溶剂。

分析设备和实验装置

分析设备被构造为由两个耐腐蚀平坦金属板组成的流通设备。在其下部钻出1mm的孔作为出口通道。顶部金属板承载入口通道并且准备有玻璃窗以便于检测。0.2μm无机膜过滤器(Whatman核孔)被放置于底板上，而待被分析的颗粒(一个或多个)被放置于位于出口通道上方的、膜过滤器的部分的顶部。

在开始实验之前两个金属板被紧密密封。在所有实验期间，被用作流体的溶剂经脱气并以恒定流速1ml/min被泵送(Agilent 1260 Infinity四元泵)通过流动室。通过使液体流过恒温柱隔室(Agilent 1200系列)来调节温度。在安装有Leica 50x(N Plan L50X/0.50-∞/0/C)物镜的Leica DMLB显微镜上，利用8MP CMOS图像传感器(Gigastone，加利福尼亚州，美国)通过窗口对颗粒(一个或多个)成像。

确定物理化学因子

溶解度

基于重组的单一颗粒扩散层模型溶解速率方程，根据图像分析数据来计算平衡溶解度S，

其中ρ是颗粒的密度，h是扩散层厚度，w₀是颗粒的初始重量，w_t是颗粒在时间t的重量，而D是扩散系数。基于化合物的分子量和晶体的真密度、针对晶体体积使用的球体近似来计算晶体重量。D近似于斯托克斯-爱因斯坦方程(Stokes-Einstein equation)的简化版，

其中MW是物质的分子量，而h被估计为30μm。从文献中获取所有有机和无机化合物的晶体密度，从而获取重组人胰岛素的晶体密度以作为蛋白质单体的部分比体积的倒数。

为了产生校准曲线，除了减小颗粒投影面积和半径的斜率外，还将平衡溶解度值与来自文献的平衡溶解度值进行比较。从像素数据直接获取投影面积，并且基于等效圆近似计算半径。

从平均固有溶解度值(pH 2和pH 3)与电离形式的有效溶解度的线性拟合的交点获取模型药物吲哚美辛的pKa(图2，补充表4和5)。基于pKa和pH数据，根据下式计算理论pH依赖性溶解度函数，

S＝S₀(10^-pKa+pH+1)

其中，S₀是未电离形式的固有溶解度。此外，基于辛醇和水中的固有溶解度数据，根据下式确定分配(partition)系数(logP)，

并且，根据下式，基于logP、pH和pKa值估计分配(distribution)系数(logD)，

基于颗粒(一个或多个)的表面面积估计和溶解速率，可以确定固有溶解速率。

通过本发明的特定实施方式和实施例的非限制性示例，前面的描述已经提供了发明人当前所设想的、用于执行本发明的最佳模式的完整且详实的描述。但是，对于本领域技术人员来说清楚的是，本发明不限于上文所呈现的实施例的细节，而是可以在不脱离本发明特征的情况下，使用等同手段在其他实施例中实施。

另外，该发明的上述公开实施例的一些特征可以在没有对应地使用其他特征的情况下有利于地使用。如此，前面的描述应该被认为仅仅是对本发明原理的说明，而不是对其的限制。因此，本发明的范围仅受所附的专利权利要求的限制。

Claims

1.一种表征方法，包括：

i.在表面上提供至少一个颗粒；

ii.提供至少一种流体；

iii.允许所述流体与所述颗粒接触；

iv.检测所述颗粒；

v.根据在所述检测期间所获取的数据来分析所述颗粒中的变化；以及

vi.将所述变化与所述颗粒的材料的至少一种物理化学性质相关联。

2.一种表征方法，包括：

i.在表面上提供至少一个颗粒；

ii.提供至少一种流体；

iii.允许所述流体与所述颗粒接触；

iv.检测所述颗粒；

vi.将所述变化与所述流体的至少一种物理化学性质相关联。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述颗粒被固定化在由所述流体所形成的流中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述颗粒被固定化在所述表面上，并且所述表面是渗透或半渗透层，通过流体流过所述渗透或所述半渗透层，所述颗粒被固定化在所述渗透或所述半渗透层上。

5.根据权利要求4所述的方法，其中通过使用所述流体在所述渗透或所述半渗透层上的压强差，所述颗粒被固定化在所述渗透或所述半渗透层上。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中步骤iv.包括：检测所述颗粒的至少一部分。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述颗粒的初始质量不高于100mg，优选地不高于100μg，更优选地不高于100ng。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其用于确定所述颗粒质量中的ng，优选地pg，甚至更优选地fg，最优选地ag的变化。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述颗粒使用流体作为载体、被加载在所述表面上。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述颗粒被照明。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述颗粒通过所述反应室中的窗口被检测。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中检测包括检测两个数据点之间没有变化。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述流体是超临界流体。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述物理化学性质是溶解度。

15.一种分析设备，包括：

反应室；

至少一个第一入口，用于使流体进入所述反应室；

至少一个出口，用于使流体离开所述反应室；

固定化区，被布置在所述反应室之内、被配置为允许将颗粒固定化在流体中；以及

允许检测所述固定化区的装置。

16.根据权利要求15所述的分析设备，其中所述允许检测的装置包括被布置在限定所述反应室的顶板、底板、或壁中的窗口。

17.根据权利要求15或16所述的分析设备，其中所述允许检测的装置被集成在所述设备的壁、顶板、或底板中。

18.根据权利要求15-17中任一项所述的分析设备，其中所述固定化区包括渗透或半渗透层，所述渗透或半渗透层被配置成经由流体流容纳至少一个颗粒。

19.一种包括权利要求15-18中任一项所述的分析设备的系统，所述系统还包括：用于使所述流体受控地穿过所述分析设备的流体处理装置、检测装置、以及用于分析数据并且提供输出的计算装置。

20.一种包括权利要求15-18中任一项所述的分析设备的系统，其中所述检测装置是成像装置。

21.根据权利要求20所述的系统，包括用于照明所述反应室的所述固定化区的照明装置。