矿物药质量控制手段与方法(雄黄)

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1、矿物药质量控制手段与方法中国中医科学院中药研究所张志杰2015年10月矿物药定义矿物动物植物地质作用所形成的天然单质或化合物相对固定的化学组成具有确定的内部结构在一定的物理化学条件范围内稳定是组成岩石和矿石的基本单元约3000大部分固态无机物大部分晶质矿物天然矿物（石膏、滑石、炉甘石、自然铜、雄黄、硫磺）矿物加工品（轻粉、砒霜、芒硝）化石类（龙骨、龙齿、琥珀）矿物药概述矿物药分类大部分无机化合物 天然单质大部分固体 少部分液体离子类型按阳离子分类:朱砂（HgS）、轻粉（Hg2Cl2）、红粉（HgO）为汞化合物类；以阴离子分类:朱砂为硫化物；石膏（CaSO4.2H2O）芒硝（Na2SO4.10H

2、2O）硫酸盐类。按阳离子的种类进行分类：汞化合物类：朱砂铁化合物类：自然铜、赭石铜化合物类：胆矾 铝化合物类：白矾钙化合物类：石膏砷化合物类：雄黄、信石矿物药概述按阴离子的种类进行分类：硫化合物类：朱砂、雄黄、自然铜硫酸盐类：石膏、芒硝、白矾氧化物类：磁石、赭石、信石 碳酸盐类：炉甘石矿物药概述矿物类中药的基本性质矿物类中药的基本性质1.晶形晶形4.颜色颜色3.透明度透明度2.结晶习性结晶习性矿物在白色毛瓷板上划过后所留下的粉末痕迹称为条痕，粉末的颜色称为条痕色。矿物药概述 5.光泽光泽6.比重比重7.硬度硬度金属光泽（自然铜）半金属光泽（磁石）金刚光泽（朱砂）玻璃光泽（硼砂）特殊光泽:油脂光

3、泽，绢丝光泽，珍珠光泽，土状光泽摩氏硬度十级 8.解理与断口解理与断口9.矿物的力学性质矿物的力学性质10.磁性磁性矿物受力后沿一定结晶方向裂开成光滑平面的性能称为解理。矿物受力后不沿一定结晶方向断裂，断裂面 不规则，不平整，这种断裂面称为断口。11.气味气味2000年年应用历史应用历史矿物药矿物药28种种中成药中成药170种种2010版药典版药典新增品种中新增品种中7.1%基源混乱基源混乱伪品泛滥伪品泛滥质控方法缺乏质控方法缺乏矿物药目前状况与存在问题矿物药与民族药矿物药在民族药中的应用广泛：如维药、藏药、蒙药中矿物药品种分别约占30%、510%、12%。金石剂：金石剂亦珍宝剂。它以珍宝类药

4、物，如金、银、珍珠、玛瑙、玉石、红珊瑚、松石等以及金属矿物类药物，如赤铜、白锡、铁寒水石、月石、金精石、银精石、水银、硫黄、黄丹等为主药，适当配合动、植物药而制成。矿物药质控的困境分析矿物产状复杂矿物产状复杂地质过程不同矿物组合不同体内研究困难自身背景形态分析方法难以示踪药用要求高药用要求高主成分含量伴生成分含量药效验证作用机理毒理毒代 矿物成因复杂，同种矿物，不同成因和同一成因不同产地的样品，由于形成时地质演化不同和所处地区微量元素背景值不同，造成矿物组分、结构构造（矿物颗粒粒度大小，排列方式及共存矿物间的嵌生状态）、微量元素的种类和量比相差甚大，但药用却要求严格；体内研究难度大，成为矿物药

5、研究的瓶颈。矿物药经典鉴别方法 性状鉴别外形、颜色、条痕、质地、气味；显微鉴别硬度、解理、断口、磁性、比重。偏光显微镜化学分析化学分析矿物药仪器分析 X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)：是确定晶体结构的权威方法。对已知晶体可通过与PDF卡片的对比确定其种类。电子探针物相-成分分析(Electron Probe X-ray Microanalysis，EPMA)：是一种将显微形貌分析与成分分析结合的技术，可确定矿物的微观成分。偏振光显微分析(Polarizing microscope)：通过光性分析确定矿物种类。等离子光谱/质谱分析(Inductively Coupled

6、Plasma，ICP-AES/MS)：确定微量元素含量。红外光谱(Infrared Spectroscopy,IR)与拉曼光谱(Raman spectra)：确定官能团与分子结构（晶体与非晶体）。炮制研究涉及的技术 炮制是矿物理化性质一个随水、热加工发生变化的过程，除了上述技术外，还应配合以下技术进行研究：热重分析(Thermogravimetric Analysis，TG或TGA)：研究热加工过程与成分变化的关系，可确定受热反应的历程。X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)：是确定晶体结构的权威方法。对已知晶体可通过与PDF卡片的对比确定其种类。将具有一定波长的X射线照射到

7、晶体物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。电子探针物相-成分分析(Electron Probe X-ray Microanalysis，EPMA)：显微形貌分析与成分分析结合。利用经过加速和聚焦的极窄的电子束为探针，激发试样表面的微小区域，使其发出特征X射线，测定该X射线的波长和强度，对该微区的元素作出定性或定量分析。扫描电子显微镜和电子探针结合，把观察到的显微结构和元素成分联系起来。可对绝大部分元素进行定性和定量分析。偏光显微镜(Polarizing microscope)是鉴定物质细微结

8、构光学性质的一种显微镜，研究各向异性物质的重要方法。将普通光改变为偏振光进行镜检的方法，以鉴别物质双折射性(各向异性)的特点。（单折射-各向同性，双折射性是晶体的基本特性）偏振光(polarized light)，光学名词。光是一种电磁波。电磁波是横波，其振动方向和波前进的方向垂直，相对于传播方向以一固定方式振动。偏振光是相对于传播方向以一固定方式振动的光。红外光谱与拉曼光谱法是根据分子内部原子间的相对振动和转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的方法。具有连续波长的红外光通过物质，物质分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。偶极矩变化红外，偶极矩不变拉曼 等离

9、子光谱/质谱分析(Inductively Coupled Plasma，ICP-AES/MS)：确定微量元素含量。等离子体是一种在一定电离程度下的气体，其中电子和阳离子的浓度处于平衡状态，宏观上呈现电中性。ICP是高频电流感应线圈产生高频电磁场，使工作气体形成等离子体，并火焰状放电达到10000K高温，使样品完全蒸发、原子化，原子在高温下会发射出特征谱线，根据特征谱线的强度可以对元素进行定量和定性的检测。热重分析（Thermogravimetric Analysis，TG或TGA），是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份。一 雄黄的化

10、学实质研究 二 可溶性砷的研究 三 雄黄炮制与储藏对质量的影响雄黄研究实例一、我国药用雄黄的晶体结构鉴定 雄黄晶体结构研究的文献追踪 雄黄的X射线衍射（XRD）分析 雄黄晶体结构的拉曼光谱研究 样品代表性分析 我国药典自1963年版开始收载雄黄，在1963年版，1977年版中，对雄黄来源的表述均为1：单斜晶系雄黄的矿石，主含硫化砷。自1985年版药典，对雄黄的表述修订为2：本品为硫化物类矿物雄黄族雄黄，主含二硫化二砷(As2S2)。1中华人民共和国卫生部药典委员会.中华人民共和国药典.1977年版,1部.5782中华人民共和国卫生部药典委员会.中华人民共和国药典.1985年版,1部.298雄黄

11、晶体结构研究的文献追踪 国外晶体结构方面的文献：1952年ITO等首次确认realgar的晶体结构为1：该晶体为单斜晶系，空间群为P21/n，其后，D.J.E.Mullen等在1972年2，Nodland D.等在1990年3验证了该构型。当后续研究发现了-As4S4后，该晶型被称为构型，在国外文献中，AsS也是指该构型。1T.ITO,N.MORIMOTO and R.SADANAGA.Acta Crystallogr.5(1952)7752D.J.E.Mullen and W.Nowacki,Z.Kristallogr.,136(1972)48.3 Nodland D.MoCarthy G.

12、Bayliss P.ICDD Grant-in-Aid.(1990)1972年，E.J.Porter等报道了雄黄的-As4S4构型1，这是一个高温稳定相，空间群为C2/c。其晶体结构为：1 E.J.Porter and G.M.Sheldrick,J.Chem.Soc.Dalton Trans.,13 (1972)1347.1976年Kutoglu在500-600 将AsS熔融物淬火重结晶获得了As4S4的同质异象体-As4S41。1 A.Kutoglu,Z.Anorg.Allg.Chem.,419 (1976)176.1980年A.C.Roberts等发现了雄黄的一种新晶型1，单斜晶系，空间

13、群为P21/c（C2h5），这种新晶型被称为pararealgar,即副雄黄。1 A.C.Roberts,H.G.Ansell and M.Bonardi,Can.Miner.,18 (1980)525,我国药用雄黄的晶体结构鉴定样品采集道地性：湖南石门矿石60kg代表性：矿石、饮片、中成药共10批样品情况编号采集情况 采集时间或批号1湖南石门矿业有限公司（矿石、天然晶体）2008.12.082北京市东直门医院 2009.13南京市百草堂中医门诊部 2009.14河南省平顶山市中医院 2009.15浙江中医药大学中药饮片厂（雄黄粉）2009.106河南瑞龙中药饮片公司（矿石）2009.127河

14、南瑞龙中药饮片公司（雄黄粉）0912018赤峰天奇制药有限责任公司（矿石）2010.49赤峰天奇制药有限责任公司（雄黄粉）2010.410安徽省天康药业有限公司(复方黄黛片)09100111美国sigma-aldrich公司 12581AJX射线衍射（XRD）分析：实验仪器及测试条件：德国布鲁克公司多晶X射线衍射仪，型号D8 Advance，Cu靶，扫描范围：10-70，步长0.02，工作电压40kV，工作电流40mA。样品处理：饮片直接测试，矿石样品用玛瑙研钵研成均匀细粉供测试，中成药制剂去除包衣，玛瑙研钵研成均匀细粉供测试。样品的X射线衍射图谱，与国际“粉末衍射标准联合委员会”（JCPDS

15、）发布的PDF卡片拟合，即可得到样品的晶胞参数，晶体常数。雄黄的晶体结构分析 来源于湖南石门的雄黄矿石，随机测试了10块，其中8块矿石的XRD图谱经检索均为单一物相，其特征峰数据经全谱拟合，对应PDF卡片标示的化合物为-As4S4。Realgar71-2434(C)-Realgar-AsS-Y:34.88%-d x by:1.-WL:1.5406Operations:Smooth 0.100|Import-File:3#09-08-19.raw-Type:2Th/Th locked-Start:10.000?-End:70.000?-Step:0.020?-Step time:0.4 s-Te

16、mp.:25 癈(Room)-Time Started:0 s-2-Theta:10.000?-Theta:5.000?-Display plane:1-Lin(Counts)01020304050607080901001101201301401501601701801902002102202302-Theta-Scale1020304050607014.664?15.482?16.069?16.425?21.835?24.674?28.193?29.242?29.939?30.570?32.157?32.883?36.327?36.827?37.424?39.906?41.152?41.66

17、9?42.552?45.825?49.033?53.695?54.703?55.358?56.694?单一物相的雄黄矿石的XRD叠加图单一物相雄黄的X射线衍射共有峰 Peak No.d(A)I/I0Peak No.d(A)I/I017.45.2.9172.755.610.126.76.08.6182.7031.347.336.018.129.4192.679.518.545.736.974.2202.579.717.455.514.627.1212.505.09.765.4100.0222.375.29.474.68.911.4232.335.16.184.011.015.9242.2411.

18、927.593.76.010.2252.1710.624.8103.65.820.1262.145.06.6113.137.764.3272.117.115.7123.010.544.2281.847.915.4132.9617.225.8291.805.013.9142.9215.927.0301.697.18.8152.8933.362.3311.685.511.8162.836.412.4321.665.715.1雄黄与雌黄共生 1 2 3203040506070Theta(02505007501000Intensity(Counts)另2块矿石的图谱经检索为雄黄与雌黄（orpiment

19、,As2S3)共生，共生相中雄黄的特征峰与单一物相雄黄的特征峰的角度位置一致，说明两者晶体结构一致，共生相中的雄黄也是-As4S4。-As4S4 As2S3共生相中国雄黄sigma对照品 203040506070Theta()0250500750Intensity(Counts)购自sigma公司的对照品，经XRD分析，与国产雄黄的谱峰位置不同。雄黄的拉曼光谱分析 PerkinElmer公司中阶梯光栅型拉曼光谱仪RamanMicro300激发波长785nm激光，中阶梯光栅，二维面阵CCD检测器，激发波长：785nm，放大倍数：20倍；功率：60%，积分时间：2s，累加次数：10次。图谱采集及处

20、理采用Perkin Elmer公司的Spectrum v5.0.1操作软件。样品处理：直接测试矿石及饮片，中成药制剂去除包衣测试内容物，每个样品测5个点。不同构型雄黄的拉曼光谱143cm-1 As-As-S 弯曲振动167cm-1 As-As-S 弯曲振动172cm-1 As-As伸缩振动182cm-1 As-S-As弯曲振动193cm-1 As-As伸缩振动221cm-1 As-As-S弯曲振动343、354cm-1 As-S弯曲振动144cm-1 As-As-S 弯曲振动164cm-1 As-As-S 弯曲振动185cm-1 As-As-As伸缩振动218cm-1 As-S-As弯曲振动2

21、32cm-1 As-As-As伸缩振动342cm-1 S-As-S伸缩振动360cm-1 As-S弯曲振动100.0150200250300350400450.0拉曼位移/cm-1INT x1e5-As4S4 x-As4S4375369354343328221193182172167143360342232218185164144135通过对成键情况的分析，我国雄黄为-As4S4。Sigma对照品为-As4S4。10批药用雄黄的拉曼光谱图100.0150200250300350400450.0拉曼位移/cm-1INT x1e6炮制对雄黄晶体结构的影响 常规炮制、制剂加工没有改变雄黄的晶体结构1

22、00.0150200250300350400450.0拉曼位移/cm-1INT x1e5晶体干研水飞水洗酸洗碱洗醋洗雄黄晶体结构讨论 在雄黄的晶体结构研究中，还出现过雄黄是As2S2的说法，并且中国药典目前仍在沿用这种说法，但是，迄今为止，未见到认定雄黄晶体结构为As2S2的研究报告；国际“粉末衍射标准联合委员会”（The Joint Committee on Powder Diffraction Standards,简称 JCPDS）曾发布过As2S2的PDF（The Powder Diffraction File）卡片，但后来删除了该卡片。在1952年ITO的研究报告中，作者认为雄黄（re

23、algar，As4S4）可以容易地向雌黄（orpiment,As2S3）转变，其转变的过程似乎可以通过一个虚拟的As2S2 结构来完成。雄黄晶体结构讨论图中b显示了设想的As2S2的键（实线部分）和As2S3的键（实线部分加虚线部分）。实地调研及文献研究发现，湖南石门雄黄矿是世界上最大的雄黄矿，已开采1400余年，也是我国唯一一个品质符合药典要求的雄黄矿，自上世纪八十年代以来，一直是国内药用雄黄的唯一来源1（且产量严重萎缩中）。就其全部矿脉来讲，地质成因一致，矿物共生组合简单2。本实验的样本量可以代表湖南石门雄黄晶体化学的整体状况。临床饮片及成药制剂的研究表明，常规的炮制、制剂加工没有改变雄黄

24、的晶体结构。天然雄黄矿所产雄黄为构型，以天然雄黄为基源的我国药用雄黄均为-As4S4。建议中国药典对雄黄的来源进行修订。雄黄晶体结构小结 1刘运和，矿物学报.12(1992）522熊先孝.矿山地质.3(1991)160 二、雄黄中可溶性砷的分析1梁国刚，张启伟.中国中药杂志，2002，2 7(5)：392 雄黄中可溶性砷是雄黄的毒性成分。As(III)和As(V)，毒性相差两倍以上1。As(V)可直接治理，As(III)则不能。实验仪器：高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光分光光度仪(HPLC-HG-AFS)。北京吉天仪器有限公司SA-10型 测试条件：负高压300V，灯电流：总电流50mV，主

25、辅阴极各25mL（高性能双阴极元素灯）；原子化器高度8mm，载气300mL/min，屏蔽气900mL/min；C18柱，流动相：（NH4）2HPO415mmol/L，流速 1mL/min。可溶性砷提取方法考察：提取溶剂：纯水，1100(v/v)稀盐酸，2100稀盐酸,乙醇 甲醇。提取方式：搅拌、超声。提取次数：提取一次，提取二次，提取三次。溶剂用量：40ml,20ml,10ml（提取1.0g雄黄）。最佳提取条件：20ml(1100)的稀盐酸超声两次，每次30min。酸提的原理：As2O3+6HCl=2AsCl3+3H2O可溶性砷的分析As2O3、DMA、MMA、As2O5四种标品的图谱。分离度

26、As(III)DMAMMA As(V)t(s)2.593.844.9410.58w(s)0.570.670.690.83R2.021.627.52重现性及精密度As(III)DMAMMAAs(V)浓度(g/L)峰高(mV)浓度(g/L)峰高(mV)浓度(g/L)峰高(mV)浓度(g/L)峰高(mV)150689.7150308.9550509.3150167.46250668.1450314.3950505.8450160.48350686.1550326.0450501.3350165.54450630.2850319.3650495.7050166.69550638.1150327.515

27、0472.6650171.42650662.7450335.1550515.1350160.59750656.1050328.7750491.2550163.55平均值661.60322.88498.74165.10RSD(%)3.382.812.822.38工作曲线在较宽的浓度范围内，As（III）、As（V）的线性相关系数都在0.999以上。最低检测限分别为0.5ng/ml，1ng/ml。雄黄样品加样回收（n=3）样品编号取样量加入量测得量理论量回收率A s(I I I)(ppm)4.60.625.35.22101.5%4.61.245.85.8499.3%4.61.866.36.4697

28、.5%A s(V)(ppm)1.19.9811.410.08105.5%1.117.9617.719.0692.9%1.127.9431.428.04113.4%从加样回收率的结果来看，As(III)的加样回收率比较好，在95105%之间As(V)的加样回收率偏移较大，这可能跟As(V)信号弱有关。在所进行的70余次测量中，雄黄中可溶性砷均以As2O3或As2O3、As2O5并存的形式存在，未出现其他形式砷化合物的峰。样品测试可溶性砷的分析 雄黄样品中可溶性砷分布情况 34.632.8838.830.9633.711.8136.710.9625.453.1430.130.9426.321.97

29、30.310.9331.992.7337.620.92可溶性砷与总砷总砷采用等离子光谱法直接测定可溶性砷的分析 不同样品的可溶性总砷最高含量（以测试液中的浓度计）为117.17 mg/L，最低为8.77 mg/L，两者相差13倍；As（）的含量最低5.21mg/L，最高44.66 mg/L，后者为前者的8.6倍；As（）的含量最低未检出，最高达97.09 mg/L，差异巨大。各样品间毒性成分含量差异巨大，给雄黄的安全使用带来了风险，这个结果提示我们，对雄黄进行规范的炮制加工，是必不可少的；控制雄黄中可溶性总砷的含量就可以有效保证雄黄的安全性。制订雄黄中可溶性总砷的限量标准不会造成对雄黄安全性的

30、过度控制可溶性砷小结三、雄黄粉末的显微光性鉴定化学法分析元素组成光谱法分析化学结构电子探针显微形貌与微区成分分析X射线晶体结构分析磁共振非专属昂贵 确定的晶体结构和固定的化学成分矿物 物理性质的均一性异向性和对称性晶格构造 对可见光的反射、折射、吸收性质光学性质矿物药粉末显微光性鉴别方法的建立理论依据鉴别步骤取样及制片颗粒载片的观察颗粒油片、颗粒胶片的观察相似矿物的鉴别常见伪品的鉴别判别标准显微光性判别标准主要杂质矿物的存在形式及种类确认矿物药粉末的显微光学特征常见伪品的显微光学特征。雄黄粉末的显微光性鉴别 建立了矿物药粉末显微光性鉴别的方法。通过对三个品种矿物药粉末的鉴别特征总结、主要杂质确

31、认、常见伪品分析、相似矿物药区分等鉴别需求的系统验证，认为矿物药粉末显微光性鉴别方法可以实现矿物药的即时、准确鉴别，操作简便，仪器易得。1常丽华、陈曼云、金巍、李世超、于介江.透明矿物薄片鉴定手册.北京：地质出版社，20062 Cees W.Passchier，Rudolph A.J.Trouw.Microtectonics.Springer Berlin Heidelberg New York炮制及储存对雄黄的影响雄黄水飞的机理分析雄黄的晶胞之间靠范德华力联系，能量低，使得雄黄质脆、易碎，在粉碎过程中不需要耗费很多机械能。雄黄粉的表面能低，难以润湿，对发挥生物活性不利。1 Makovicky

32、 E.(2006)Crystal structures of sulfides and other chalcogenides.Phys.Rev.Lett.51,111雄黄粉的润湿角测定雄黄粉的表面能测定（200目）42.53mN/m极低能表面水飞的研磨过程可增加表面能，使雄黄粉与水较好润湿，利于可溶性砷的溶出分离矿物杂质：雄黄水飞的机理雄黄水飞的机理高纯雄黄酸洗可溶性砷的溶出0102030405060700123456789水2%HCl人工肠液0102030405060708090100051015202530酸洗的化学反应3HCl+Cl-比OH-的电负性更强，使As3+具有更强的离子特性和

33、更强的生物活性。As2O3在25 时水中的溶解度2.04g/100g水，AsCl3为液体，可与水以任意比例互溶。水飞、酸洗效率低下的原因 因雄黄的润湿性很差，在研磨过程中形成的细微颗粒不易快速分散在水中，常常出现团聚现象，经观察是因为气泡拱抬造成，控制分散状态可提高炮制效率。控制分散状态下的高效炮制 可溶性砷的溶出控制分散状态下的高效炮制 矿物杂质的去除 经水飞、酸洗法炮制后，雄黄饮片中可溶性总砷含量大幅降低。炮制可显著降低可溶性砷的含量，尤其酸洗法效果明显。雄黄细粉长期暴露于空气和光照下，可溶性砷总量大幅度增加。雄黄饮片中可溶性砷含量差异大，但炮制后可溶性砷均可降至2mg/g以下，故雄黄饮片

34、中可溶性砷限量定为不高于2mg/g为宜。小结矿物药品种与基源的研究 重视对医疗市场样品的研究和临床的反馈；参考古籍记载，理清品种变化；结合矿物学研究成果，准确鉴定品种。根据矿物成因分析，指导基源确认和质量研究。矿物药炮制研究 重视炮制文献考证，探究古人炮制意图；炮制工艺研究，分解炮制步骤，分析每个步骤发生变化的性质；注重解析炮制工艺的物理意义。不轻率否认传统认识与传统方法，许多效率低下的笨办法常常有其内在的合理性。矿物药质控研究 不局限于主成分研究，纯净的矿物极少，矿物药绝大多数是复合物；区分矿物杂质与元素杂质；有害元素合理限量。矿物药研究思路 以质量控制为目标；注重基础研究数据的积累；成因研究为基础，炮制变化研究为主线。感谢各位的耐心！本报告中仪器原理部分图片来源于网络，特此致谢！谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH