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用SRS顯微鏡對(duì)配方產(chǎn)品進(jìn)行表征分析

點(diǎn)擊次數(shù):569 更新時(shí)間:2023-03-31

成分定位和皮膚滲透可視化

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從藥品和消費(fèi)者健康產(chǎn)品到農(nóng)用化學(xué)品和油漆,霜?jiǎng)?、糊劑、凝膠、乳劑和片劑常見(jiàn)于眾多制造領(lǐng)域。為提高有效性以及產(chǎn)品性能和安全性,有必要了解產(chǎn)品中各成分之間的相互作用。具備能評(píng)估活性成分的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性并對(duì)其輸送進(jìn)行可視化的技術(shù)對(duì)配方產(chǎn)品制造業(yè)而言具有重大價(jià)值。




成分分布可視化







受激拉曼散射(SRS)和相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)可提供具有高空間和時(shí)間分辨率的無(wú)標(biāo)記化學(xué)信息,因此非常適合用于可視化配方產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),包括監(jiān)測(cè)單一成分在使用期間的所帶來(lái)的結(jié)果(包括在使用期間監(jiān)測(cè)單一組分的命運(yùn))。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)睦灰?,可以從預(yù)先存在的單個(gè)成分的拉曼光譜(圖1左),或從獲取λ掃描生成的SRS光譜(見(jiàn)下文,以及圖3中的示例)進(jìn)行SRS對(duì)比,從而對(duì)單一成分進(jìn)行成像。






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圖1:左:在532nm激發(fā)下獲得的石蠟(紅色)和水(藍(lán)色)的自發(fā)拉曼光譜。右:用SRS顯微鏡對(duì)商業(yè)水乳劑配方進(jìn)行成像,以顯示凡士林油相(紅色,2850 cm-1處的CH?鍵)vs水相(藍(lán)色,3400 cm-1處的O-H鍵)。通過(guò)簡(jiǎn)單地將一小滴樣品置于兩個(gè)蓋玻片之間,準(zhǔn)備進(jìn)行正向SRS成像。

除了這些對(duì)比波數(shù)外,還應(yīng)在附近預(yù)期無(wú)拉曼強(qiáng)度的波數(shù)處獲取“非共振"控制圖像(見(jiàn)圖2中的示例),從而確保檢測(cè)到的信號(hào)基于拉曼光譜,并能識(shí)別任何雜散信號(hào),如激光吸收產(chǎn)生的偽影。在各成分/相的所需波數(shù)下獲得圖像后,可將圖像合并成一個(gè)復(fù)合圖像,從而了解材料中不同成分之間的關(guān)聯(lián)性。除了SRS對(duì)比,還可通過(guò)使用二次諧波生成或熒光等方法來(lái)同時(shí)成像,獲得其他結(jié)構(gòu)信息。圖2中的圖像顯示了用SRS顯微鏡成像的防曬霜樣品中油vs水的相位分布,以及用SHG可視化的氧化鋅顆粒。

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圖2:用SRS和SHG顯微鏡對(duì)防曬霜配方進(jìn)行成像,用正向SRS顯示油相vs水相,用epi-SHG顯示氧化鋅顆粒分布。







生成SRS光譜以提供化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息


SRS光譜可通過(guò)執(zhí)行λ掃描來(lái)生成,在此期間,SRS圖像在泵浦光束的波長(zhǎng)上以非常小的增量被捕獲,以生成跨越感興趣波數(shù)范圍的圖像棧。圖3顯示了在含有多種活性成分的皮膚用藥物配方上獲得的這種λ掃描圖像棧。當(dāng)泵浦光束掃過(guò)與拉曼光譜的指紋區(qū)相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)時(shí),不同的成分依次受到激發(fā),因?yàn)槠洳〝?shù)受到刺激。獲得這些圖像棧后,可立即選擇相關(guān)特征來(lái)生成感興趣區(qū)域(ROI)。從這些ROI中,通過(guò)繪制ROI SRS信號(hào)強(qiáng)度和泵浦光束波長(zhǎng)(可轉(zhuǎn)換為波數(shù))的關(guān)系,生成SRS光譜。有時(shí),為波長(zhǎng)堆棧中所有圖像生成最大投影有助于在一張圖像中實(shí)現(xiàn)所有特征的可視化,確保不會(huì)遺漏任何重要特征。


皮膚用藥物配方的SRS λ掃描圖像堆棧。

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圖3:左:皮膚用藥物配方的SRS λ掃描。從顯示的圖像棧中創(chuàng)建的最大投影圖像,注釋描述了ROI。在約2000 cm-1至1000 cm-1的范圍內(nèi),以泵浦光束的0.1 nm增量獲取圖像。右:各ROI的SRS光譜根據(jù)SRS信號(hào)強(qiáng)度和波長(zhǎng)繪制而成。

從λ掃描中生成SRS光譜后,可立即將這些光譜與單一成分的自發(fā)拉曼光譜進(jìn)行比較。將光譜信息與圖像中的形態(tài)信息相結(jié)合,對(duì)配方的問(wèn)題分析具有重大價(jià)值,如識(shí)別是否存在多晶、共晶或氧化產(chǎn)物。







皮膚中成分滲透的可視化


除了分析配方本身的特性外,SRS顯微鏡也可用于對(duì)單一成分使用后帶來(lái)的最終結(jié)果進(jìn)行可視化。例如,監(jiān)測(cè)化學(xué)品在皮膚中的滲透,這在藥物輸送和化學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。圖4顯示了4-氰基苯酚給藥后皮膚的圖像。將組織冷凍切片,用SRS成像,以在2235 cm-1(品紅色)處通過(guò)腈基官能團(tuán)的對(duì)比來(lái)顯示這種化合物的分布。在2850 cm-1處使用CH2鍵振動(dòng)模式(紅色)、在1666 cm-1處采用酰胺I(藍(lán)色)以及使用SHG通道的膠原蛋白分布(綠色),對(duì)皮膚結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。

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圖4:4-氰基苯酚給藥后的豬皮膚的正向SRS和Epi-SHG合成圖像。在2850 cm-1處使用CH2鍵振動(dòng)模式(紅色)、在1666 cm-1處采用酰胺I(藍(lán)色)以及使用SHG通道的膠原蛋白分布(綠色),對(duì)皮膚結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化。在2235 cm-1處采用腈基官能團(tuán)顯示4-氰基苯酚的分布(品紅色)。*


由于SRS信號(hào)與濃度呈線性關(guān)系,因此有可能通過(guò)圖像分析提取某些定量信息,例如,化學(xué)物質(zhì)的相對(duì)濃度和皮膚深度。對(duì)于在同一共焦平面上成像的物理截面,該操作合理且簡(jiǎn)單。然而,當(dāng)對(duì)三維標(biāo)本進(jìn)行成像時(shí),必須對(duì)激光散射和隨著深度增加產(chǎn)生的吸收所致的信號(hào)損失進(jìn)行校正。


試圖對(duì)不含dute化學(xué)官能團(tuán)的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行成像時(shí),有時(shí)很難獲得特定的對(duì)比度。在這種情況下,對(duì)感興趣的分子進(jìn)行氘化,可幫助將峰值轉(zhuǎn)移到拉曼光譜的生物“沉默"區(qū)域,該區(qū)域的組織中幾乎無(wú)自然存在的信號(hào)。這種方法可便于對(duì)敏感和化學(xué)特異性成分進(jìn)行可視化,而無(wú)需引入會(huì)擾亂物理化學(xué)特性,從而擾亂藥代動(dòng)力學(xué)特征的熒光基團(tuán)。另外,還可采用多變量數(shù)據(jù)分析方法,對(duì)不同成分進(jìn)行光譜拆分。

致謝

衷心感謝“分析化學(xué)信托基金"和“分析測(cè)量科學(xué)共同體"的支持。

*數(shù)據(jù)通過(guò)與英國(guó)巴斯大學(xué)的Richard Guy教授小組合作獲得。本研究的資金部分由美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局資助(1U01FD006533-01)。所有觀點(diǎn)不一定反映美國(guó)衛(wèi)生與公眾服務(wù)部的guanfang政策;提到任何商品名稱(chēng)、商業(yè)慣例或組織也不一定獲得美國(guó)政府的認(rèn)可。


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