扫描电子显微镜-能谱联用在鉴别药包材上的应用

蔡志威，梁键谋，陈 超

（浙江省食品药品检验研究院，浙江省药品接触材料质量控制研究重点实验室，浙江 杭州 310052）

药品包装材料是指用于制造包装容器、包装装潢、包装印刷、包装运输等满足产品包装要求所使用的材料，它既包括金属、塑料、玻璃、陶瓷、纸、竹本、野生蘑类、天然纤维、化学纤维、复合材料等主要包装材料，又包括涂料、粘合剂、捆扎带、装潢、印刷材料等辅助材料[1-4].由于药品包装材料种类繁多，因此对于未知药品包装材料的鉴别，也成为了一大难题.传统的红外鉴别手段需要将未知物的红外图谱与已知物质的红外图谱进行对比[5-9]，在测定未知化合物时，需要逐一排查，工作量极大.而扫描电子显微镜-能谱联用技术可以确定未知化合物的元素组成和比例，极大程度上缩减了排查匹配的工作量，提高了效率[10-14].

本研究开发了一种以扫描电子显微镜-能谱联用为主，联合红外分光光度计和差示扫描量热仪分析鉴别药用包装材料的方法.成功对未知成分的胶塞和复合膜进行了分析鉴别，并且准确测定了胶塞覆膜和复合膜每一层的厚度信息.

扫描电子显微镜-能谱联用技术可以确定未知化合物的元素组成和比例，可以解决传统鉴别手段在鉴别未知物时所遇到的瓶颈，极大地提高了鉴别的效率和准确度，为鉴别药用包装材料提供了一种全新的思路[15-19].

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

XL-SE-EDS台式扫描电子显微镜能谱一体仪[复纳科学仪器（上海）有限公司]，SBC-12离子溅射仪（北京中科科仪股份有限公司），DSC214差示扫描量热仪（德国耐驰），Nicolet In10傅里叶变换显微红外光谱仪（美国赛默飞世尔），XPE205电子天平（瑞士梅特勒），UF55plus电热恒温干燥箱（德国美墨尔特），SXL-1 208箱式电阻炉（上海精宏实验设备有限公司），硝酸（AR级，默克），硝酸银、碳酸氢钠、乙酸乙酯（AR级，国药集团），导电胶（导电物质为碳粉，日本日新）.本研究所测试胶塞为西林瓶用胶塞，复合膜为颗粒剂用复合膜.

1.2 试验方法

使用刀片小心切开胶塞和复合膜，保持刀口整齐.采用导电胶将胶塞和复合膜粘在样品台上，10 mA溅射电流喷金处理60 s，以确保其导电性，最后置于扫描电子显微镜下，结合能量色散X射线光谱仪分析观察.为进一步确认胶塞和复合膜的材质，本研究同时联用了红外分光光度计、差示扫描量热仪和化学鉴别手段.

1.2.1 红外分光光度计

乙酸乙酯浸泡复合膜4 h，小心剥离复合膜每一层，分别为最外层、次外层、次内层和内层.自然烘干，然后将复合膜的每一层分别置于红外分光光度计下观察其红外图谱.胶塞可直接置于红外分光光度计下观察其各个部位的红外图谱.

1.2.2 差示扫描量热仪

精密称定3 mg复合膜的各层材料，铝坩埚制样，并置于差示扫描量热仪下进行分析测试.

1.2.3 化学鉴别

精密称定2 g胶塞，切成小颗粒，置于坩埚中，加碳酸氢钠2.0 g，均匀覆盖胶塞，在电炉上缓慢加热至碳化，放冷.在箱式电阻炉中300 ℃加热至完全灰化，取出后，冷却至室温，加水10 mL使其溶解，过滤，取续滤液1.5 mL，置于试管中，加硝酸酸化，加入硝酸银试液1滴，观察沉淀颜色.取沉淀物置于电热恒温干燥箱中，于100 ℃干燥2 h，取出冷却至室温.使用导电胶将沉淀物粘在样品台上，采用10 mA溅射电流喷金处理60 s，以确保其导电性，对沉淀物进行能量色散X射线扫描.

2 结果与讨论

2.1 扫描电子显微镜（SEM）分析

对胶塞和复合膜的横截面进行SEM分析，结果如图1所示.由图1（A）可知，该胶塞为覆膜胶塞，覆膜厚度约为24 μm.由图1（B）可知，该复合膜共4层，外层（a层）厚度约为38 μm，次外层（b层）厚度约为19 μm，次内层（c层）厚度约为13 μm，内层（d层）厚度约为14 μm.

图1 （A）胶塞的SEM图，（B）复合膜的SEM图Fig.1 (A) SEM diagram of rubber stopper, (B) SEM diagram of laminated film

2.2 能量色散X射线光谱仪（EDS）分析

考虑到胶塞层及其覆膜层和复合膜各层的材质和元素组成可能差异较大，因此对胶塞层及覆膜层和复合膜各层进行EDS扫描，加速电压15 kV，得到各元素含量如表1、2所列，其元素组成如图2、3所示.除了喷金处理引入的金元素以外，胶塞覆膜层元素以碳元素和氟元素为主，推测胶塞层为含氟化合物，胶塞层元素主要为碳，伴随一定量的氧元素，少量的硅、溴等元素.复合膜a层主要成分为碳和氧元素，复合膜b层和d层仅检测到碳元素，推测复合膜b层和d层主要成分为聚烯烃，复合膜c层主要为铝元素，推测复合膜c层为铝层.

图2 （A）胶塞覆膜层EDS图，（B）胶塞层EDS图Fig.2 (A) EDS diagram of laminating layer of rubber stopper, (B) EDS diagram of rubber stopper

表 1 胶塞层及覆膜层原子百分比Table 1 Atomic concentrations of rubber stopper and laminating layer

表 2 复合膜各层原子百分比Table 2 Atomic concentrations of each layer of laminated film

2.3 其他辅助分析手段

为了准确分析药用包装材料的类型，还需要使用到一些其他辅助手段，联合SEM共同分析.

2.3.1 红外分光光度计

将复合膜的每一层分别置于红外分光光度计下观察其红外图谱，结果如图4所示.由图4可知，复合膜b层和d层仅在2 915、2 848、1 463、718 cm-1处出现4个峰，是亚甲基（-CH2-）的出峰，表明复合膜b层和d层仅含有亚甲基，为聚乙烯材质.复合膜a层在1 717 cm-1吸收峰为共轭苯环上的羰基伸缩振动峰，1 095 cm-1吸收峰为-O-CH2-CH2的不对称伸缩吸收峰，在723 cm-1吸收峰为苯环上C-H摇摆振动吸收峰.通过比对聚对苯二甲酸乙二醇酯红外图谱，表明复合膜a层为聚对苯二甲酸乙二醇酯.复合膜c层为银色软质层，无明显红外特征吸收峰.胶塞层在2 950和2 892 cm-1为甲基伸缩振动峰，在1 472 cm-1为甲基/亚甲基扭曲变形振动吸收峰，在1 389和1 365 cm-1为叔丁基扭曲变形振动吸收峰，在1 230 cm-1为甲基摇摆振动吸收峰.通过比对卤化丁基胶塞红外光谱，表明胶塞层为卤化丁基胶塞.胶塞覆膜层在1 454、719 cm-1是亚甲基扭曲变形振动吸收峰，在1 220、1 146 cm-1为CF2伸缩振动峰.通过比对乙烯-四氟乙烯共聚物红外光谱，表明胶塞覆膜层为乙烯-四氟乙烯共聚物.

图3 （A）复合膜a层EDS图，（B）复合膜b层EDS图，（C）复合膜c层EDS图，（D）复合膜d层EDS图Fig.3 (A) EDS diagram of a-layer of laminated film, (B) EDS diagram of b-layer of laminated film, (C) EDS diagram of clayer of laminated film, (D) EDS diagram of d-layer of laminated film

图4 （A）复合膜a层，（B）复合膜b层，（C）复合膜c层，（D）复合膜d层，（E）胶塞层和（F）胶塞覆膜层的红外光谱图Fig.4 IR spectra of (A) a-layer of laminated film, (B) b-layer of laminated film, (C) c-layer of laminated film, (D) d-layer of laminated film, (E) rubber stopper, and (F) laminating layer of rubber stopper

2.3.2 差示扫描量热仪（DSC）

在确定复合膜b层和d层为聚乙烯材质之后，为了进一步区分复合膜b层和d层为高密度聚乙烯还是低密度聚乙烯，可通过DSC加以鉴别，如图5所示.由图5可知，复合膜b层熔点为105.51 ℃，复合膜d层熔点为109.68 ℃，通过测试低密度聚乙烯和高密度聚乙烯的标准品，低密度聚乙烯标准品熔点为110.38 ℃，而高密度聚乙烯标准品熔点为136.20 ℃.美国药典规定，低密度聚乙烯与标准品相比，不得有8 ℃的差异，高密度聚乙烯与标准品相比，不得有6 ℃的差异.因此可判断复合膜b层和d层均为低密度聚乙烯.

图5 （A）复合膜b层和（B）复合膜d层的DSC图Fig.5 DSC of (A) b-layer of laminated film and (B) d-layer of laminated film

2.4 EDS再分析

红外分光光度计不能推断胶塞属于溴化胶塞还是氯化胶塞，因此需要进一步通过EDS分析.经过化学处理的胶塞其元素组成如图6所示，各元素含量如表3所列.除了喷金处理引入的金元素以外，胶塞的主要成分为银元素和溴元素，其比例接近1∶1，推测沉淀物为溴化银沉淀，即胶塞为溴化胶塞.

表 3 复合膜c层及胶塞沉淀物原子百分比Table 3 Atomic concentrations of c-layer of laminated film and sediment of rubber stopper

图6 胶塞沉淀物EDS图Fig.6 EDS diagram of sediment of rubber stopper

3 结论

本研究开发了一种以扫描电子显微镜-能谱联用为主，联合红外分光光度计和差示扫描量热仪分析鉴别药用包装材料的方法.

为分析未知成分的胶塞，本研究通过SEM确定胶塞为覆膜胶塞，覆膜厚度约为24 μm.利用扫描电子显微镜-能谱联用，测得胶塞覆膜元素以碳元素和氟元素为主.通过红外分光光度计，测得胶塞覆膜材质为乙烯-四氟乙烯共聚物，胶塞为卤化丁基胶塞.通过化学反应的手段结合扫描电子显微镜-能谱联用，测得胶塞中卤素为溴元素，因此该胶塞为覆有乙烯-四氟乙烯共聚物膜的溴化丁基胶塞，覆膜厚度约为24 μm.

为分析未知成分的复合膜，本研究通过SEM确定复合膜为4层材料复合膜，外层厚度约为38 μm，次外层厚度约为19 μm，次内层厚度约为13 μm，内层厚度约为14 μm.通过红外鉴别手段，测得外层为聚对苯二甲酸乙二醇酯，次外层和内层为聚乙烯.通过扫描电子显微镜-能谱联用测得次内层材质层主要元素为铝.配合差示扫描量热仪，根据熔点判断次外层和内层的聚乙烯为低密度聚乙烯，因此该复合膜为聚对苯二甲酸乙二醇酯/低密度聚乙烯/铝/低密度聚乙烯复合膜，厚度分别约为38、19、13、14 μm.

扫描电子显微镜-能谱联用技术可以用于分析未知化合物的元素组成和比例，提高了鉴别的效率和准确度，也为一些难以用常规手段分辨的药用包装材料鉴别提供了一种全新的思路.