水蒸气吸附测试

1.定义和概念

吸湿性(hygroscopicity)是药物科学、食品科学等领域非常重要的一个性质。空气中的水分是一直存在的，而且可能对一些物理化学过程产生影响，比如固体的稳定性、包材的渗透性等。如果掌握了固体制剂和辅料的吸湿性情况，可以为辅料的选择以及样品存储条件、包材的选择提供指导。吸湿性简单来说就是物质吸附和保留水分的性质，不同的文献对吸湿性的定义不完全一致，一些文献定义如下：

吸湿性通过通过DVS测试，得到的是样品平衡水含量在一定温度下与相对湿度的关系曲线。测试时，样品暴露在一定湿度下直至重量达到平衡。平衡后进行下一个湿度的测试。动态吸附曲线如下图所示。实验所需的时间就和水分吸附的类型有关，如果是表面吸附，那么时间就比较短，通过蒸汽扩散的内部吸附则需要较长的时间。由于实验参数设置的不同，样品也可能在设置的最大平衡时间内并没有达到平衡，这样的信息可以通过动态吸附曲线得到。如果没有平衡，就可能需要通过调节实验参数来获取更加真实的吸湿性结果。

吸湿性在结果表现为样品重量的增大，而微观的过程可能相差很大，如下表所示：

对于任何物质而言，水分都可能吸附在其表面，但表面的吸附量是非常有限的，通常小于1%。对于无定型而言，由于缺少长程有序，所以水分子也容易进入固体内部，但这需要一定的时间。由于水分子的参与，无定型可能发生一些物理变化，如重结晶或者潮解。由于水分子体积非常小，而且容易形成氢键，所以也比较容易进入晶体内部形成水合物。这部分水可能是化学计量比的，也可能是非化学计量比的。对于同一种物质，可能几种情况同时存在。

同样对于无定型也可能存在不同的情形，如上图所示。无定型样品存在玻璃化转变，如果在Tg以下，称之为玻璃态，这时候样品硬而脆，水分吸附在样品表面以及固体内部浅层。这时候水分容易脱去。如果温度高于其玻璃化转变温度，称之为橡胶态，水分吸附在样品表面和固体内部，这时候水分就脱去较慢。而如果是晶体，长程有序，晶体内部致密，水分子比较难进入，只能吸附在表面，也很容易脱去。这里所说的情况都只是一般情况，具体情况仍需具体分析。

2.仪器结构

DVS仪器结构比较简单，如下图所示：

既然DVS测的是增重百分比和相对湿度的关系，那么至少需要两个装置：一个是天平，用于重量的测定;另一个装置用于提供可控的环境湿度。DVS的相对湿度是通过控制干燥氮气和湿氮气的量来调节的。对于不同厂家的仪器，其结构也可能存在一定的差异。但总体思路都是一致的。

3.结果分析

上图展示了几种常见的DVS曲线图。a图中，样品质量随RH增大而增大，尤其在高湿条件下吸湿比较大(90%RH下，重量变化超过20%)，通常无定型样品具有这样的吸附特性。如b图所示，样品在测试开始时吸湿很小，而在高湿度下，重量变化发生突跃，这很可能是发生了潮解。结晶度比较高的样品可能吸湿很小，如图c所示，而且吸附的水在湿度降低后可以脱去。在吸附量中等情况时，如果是化学计量比的水合物，平衡水含量是阶梯式增加或降低的，DVS曲线如d-g所示;如果是非化学计量比的水合物，平衡水含量是逐步增加或减少的，DVS曲线如f和h所示。水合物形成时，重量百分比变化和化合物分子量有关。同样是一水合物，分子量大的化合物重量变化要小于分子量小的化合物。当然，重量变化百分比和起始样品中水分的含量有关。在对水合物或者溶剂化物进行DVS分析时，低湿度下会导致它们脱去水或者溶剂，导致晶型转变或者结晶度下降，所以对于这样的样品可以从环境湿度开始测试。

如果动力学，或者水合/脱水过程不同，那么吸附和脱附曲线就不会重合，有一定的迟滞。例如图h，吸附的水使得样品重结晶得到新的晶型，吸附的水减少。所以吸附和脱附曲线可以反映不同水合物的动力学稳定性。DVS测试前后，甚至测试过程中可以对样品进行其它的表征，如XRPD等，从而理解样品在不同湿度下的结构变化情况。值得注意的是，除非是原位测定，离线测试的样品由于离开的原来的环境，在进行其它测试前可能已经发生了变化。同样的，在测一个未知样品时，在对吸湿性结果进行分析时应注意，它的杂质、纯度、结晶度等都可能会对它的水分吸附行为产生影响。

水分吸附等温线可以对潜在的相变可能进行探究，在一定程度上也可以判断不同的晶型在一定温度下，不同相对湿度的热力学稳定关系。需要注意的是，仅通过水分重量平衡来判定临界水分含量是不严谨的，因为物理相变可能是时间依赖的过程。比如无水晶型变成水合物，吸附可能达到平衡，但还没有发生相变。所以这时候临界水活度不能仅仅通过吸附等温线来确定。这种情况下可以通过悬浮打浆来确定。

关于药物引湿性，药典中有相关的阐述。但药典中采用的是静态的方法，也就是将样品放在某一特定湿度下一段时间，然后看重量变化。而随着科技的进步，现在大多采用仪器进行测试。仪器可以测在不同湿度下的重量变化，这样有助于判断样品在吸附和脱附过程中发生的物理化学变化。下面是药典中的描述，供参考。

9103 药物引湿性试验指导原则

药物的引湿性是指在一定温度及湿度条件下该物质吸收水分能力或程度的特性。供试品为符合药品质量标准的固体原料药，试验结果可作为选择适宜的药品包装和贮存条件的参考。

具体试验方法如下：

取干燥的具塞玻璃称量瓶(外径为50mm，高为15mm )，于试验前一天置于适宜的25oC±1 oC恒温干燥器(下部放置氯化铵或硫酸铵饱和溶液)或人工气候箱(设定温度为25 oC±1oC，相对湿度为80%±2% )内，精密称定重量(m1)。

取供试品适量，平铺于上述称量瓶中，供试品厚度一般约为1mm，精密称定重量(m2)。

将称量瓶敞口，并与瓶盖同置于上述恒温恒湿条件下24小时。

盖好称量瓶盖子，精密称定重量(m3)。

增重百分率 =(m3-m2)/(m2-m1)*100%

引湿性特征描述与引湿性增重的界定：

潮解：吸收足量水分形成液体。

极具引湿性：引湿增重不小于15% 。

有引湿性：引湿增重小于15%但不小于2%。

略有引湿性：引湿增重小于2%但不小于0.2% 。

无或几乎无引湿性：引湿增重小于0.2%。

不同的相对湿度可以通过控制温度和采用不同的盐来获取，具体如下表所示：

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