用实力说话|微谱生物医药技术团队学术论文被知名杂志收录刊登

近日，微谱生物医药相容性技术团队（杨佳佳、张晓科、徐美兰、周其光）撰写的学术论文《扫描电子显微镜在药用玻璃内表面微观形貌领域的研究-以脱片为例》被中国医药包装协会《医药&包装》杂志（2020年第6期总第072期）收录并刊登。

药品包装与药品质量以及用药安全息息相关，一直受到国家的重视。为更好的推动包材相容性领域的发展，微谱不断加大科研力度，通过理论与实践相结合的模式，来推动中国医药包装行业的进步。本次论文的成功发表和被收录，亦是微谱身体力行的体现。

《医药&包装》由中国医药包装协会（CNPPA）创办，是我国较早创办的医药包装期刊，以报道医药领域国内外重点科研成果、热点学术问题研究现状以及导向性的基础与临床研究成就作为中心任务，被全国医药工作者视为代表医药水平的学术刊物，受到广大读者的广泛关注和喜爱。

学术论文全文如下：

扫描电子显微镜在药用玻璃内表面微观形貌领域的研究-----以脱片为例

张晓科¹  杨佳佳^*1  徐美兰¹  周其光¹

上海微谱化工技术服务有限公司，包材相容性研究中心，上海，200438

1. 上海微谱化工技术服务有限公司包材相容性研究中心

摘要：通过使用不同类型的玻璃安瓿瓶（以下简称玻璃包材）做模拟阳性实验，用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察玻璃包材被反应溶液侵蚀后的脱片情况，结果表明清洗流程对包材拍摄具有较大影响，选择合适的清洗液，可以有效的清除附着在玻璃包材表面的有机物和异物，且不会对脱片本身造成影响，恢复玻璃包材初始的面貌，从而提高对脱片真实性的鉴定。同时根据玻璃包材脱片的表面形貌，对玻璃包材脱片做了初步分类，分别为龟裂型和腐蚀型，腐蚀型又包括面蚀型和点蚀型，反应机制主要涉及到离子络合和浸出交换。

关键词：玻璃脱片  腐蚀型  龟裂型  扫描电镜

Scanning electron microscopy research in thefield of microscopic topography of medicinal glasses-----Take stripping as anexample

Zhang Xiaoke¹  Yang Jiajia^*1  Xu Meilan¹  Zhou Qiguang¹

ShanghaiWEIPU Chemical Technology Service Co., Ltd,Packaging Compatibility ResearchCenter,Shanghai,200438

1.Shanghai WEIPU ChemicalTechnology Service Co.,Ltd,Packaging Compatibility Research Center

Abstract:Differenttypes of glass ampoules were used to carry out positive simulation experimentin this article.The stripping of glasses packaging material eroded by reactionsolution was observed by Scanning Electron Microscope(SEM).The result showsthat the cleaning process has a greater impact on the package materialshooting.Choosing appropriate cleaning solution can effectively remove organicmatter and foreign objects attached to the surface of the glass packagematerial,but it will not affect the stripping and restore the original state ofthe glass package material,which can help to improve the identification of theauthenticity of stripping.Meanwhile, according to the surface morphology of theglasses packaging material stripping,it is classified into crack type andcorrosion type, and the latter further includes surface corrosion type andpitting corrosion type,the reaction mechanism mainly involves ion-condensationand ion-exchange processes.

Keywords:Glasspackage material stripping  Corrodedstripping  Cracked stripping  Scanning Electron Microscope

20世纪50年代，就已经有玻璃脱片现象的出现，长期以来，就已经有国内外相关通知公告指导原则、文献及专著的基础上，讲述了药品包装的玻璃容器中的玻屑或脱片形成的机制、影响因素、研究方法及一些常见的检测技术^[1-8]。但是对脱片真实性的鉴别研究却鲜有报道，脱片的真实性鉴别对玻璃包材生产商、制药企业和药用安全性的整个价值链具有重要的影响。

常见的脱片鉴定有亚甲基蓝染色法，硅硼浓度比变化，光镜分析和电镜分析等。亚甲基蓝染色法具有易操作，效果直观等特点，作为研究玻璃包材内表面脱片趋势的良好方法。化学药品注射剂与药用玻璃包装容器相容性研究技术指导原则提出应通过考察硅硼浓度比的变化来预示玻璃容器受侵蚀后的脱片趋势^[7]。近年来，随着科技日新月异的发展，微观结构的分析也在发生天翻地覆的变化，主要集中于各种显微镜分析，常见是光学显微镜，把人眼不能识别的微小物质放大成像，探索微观世界，分辨率通常都是在um级别，而nm级别的微观形貌，显然光学显微镜已经达不到要求，因此衍生出了TEM、SEM、AFM为代表的各类电子显微镜，显然电子显微镜比传统光学显微镜拍摄的图片具有更高的放大倍数。而SEM因其拍摄的照片立体感强烈、形貌逼真、分辨率高，因此被越来越多地应用于包材玻璃内表面的微观形貌分析^[2、3、8]。

玻璃包材是直接接触药品的包装材料和容器，其相容性主要考察包材是否被药液侵蚀以及包材中化学成分是否向药物中迁移，因此对药包材性能优劣的评价起至关重要的指导作用^[9、10]。玻璃材料是较常用的药包材，其广泛被应用于生物制品、血液制品、注射器材等领域，主要因其耐高温性强，容易消毒，成本低廉，部分可回收重复使用且对环境污染小^[10、11]。中国参照ISO12775：1997（E）分类方法^[12]，根据B₂O₃的含量和热膨胀系数将玻璃分为两类，分别为硼硅玻璃和钠钙玻璃，其中硼硅玻璃又分为低硼硅玻璃、中性硼硅玻璃和高硼硅玻璃。根据玻璃的用途和性能会添加各种不同的化学物质以达到预期的效果。

医用玻璃包材的主要成为以二氧化硅为主，二氧化硅是一种的耐酸（HF除外），但耐碱能力相对较弱的材料，药液在长期贮存过程中很可能使玻璃中的某些阳离子迁移进入药液，或者是药液中的OH^-离子和玻璃中的硅氧骨架发生溶蚀，生成硅酸盐类物质致使玻璃内表面产生脱片现象^{[1-3、13-16]}。

1样品和分析方法

1.1样品制备

    准备不同厂家和不同类型的玻璃包材，依照YBB00332002安瓿耐碱性实验方法和USP玻璃内表面耐受性评估指南^[17、18]，称取等量相同浓度的模拟液装于洁净玻璃安瓿中，于相同的反应条件下进行加速实验，缩短实验历程，试验结束后按照我司规定制样流程制备样品，电镜样品均喷金增加其导热性和导电性。

1.2分析方法

    XRD测试是在德国Bruker D8 Advance型X-射线衍射仪上进行，测试条件：Cu靶，40kV，40mA，发散狭缝0.6mm，Time/Step=0.5s，Increment=0.01°，测试范围3-80°；SEM测试工作在德国Zeiss公司生产的Sigma500型场发射扫描电镜和美国FEI公司生产的Q45上完成，其中Sigma500测试条件为：电压=1kV，WD=5±1mm；Q45的测试条件为：电压=10kV，束斑=4.0，扫描速率=6us，WD=10±1mm；能谱分析是在德国BrukerXFlash 6|60能量型能谱仪上进行，计数率大于20，采集时间4min；光镜的拍摄是在德国Zeiss数码显微镜Smartzoom500上拍摄。

    定性测试、形貌分析和元素分析均在上海微谱化工技术服务有限公司生物医药事业部仪器测试中心完成，本文涉及的图表和数据均属于上海微谱化工技术服务有限公司生物医药事业部。

2结果分析

2.1XRD结果

图Z、Z1是不同类型未使用过的玻璃包材磨成粉末测试的XRD谱图，图Z主要以非晶态的二氧化硅和硫酸钠为主，图Z1主要是非晶态二氧化硅，未见其他明显的物质，说明成品的玻璃包材中，成分主要是非晶态的SiO₂。

图1玻璃包材XRD

Figure 1 The XRD spectrum ofglasses packaging

2.2SEM结果

2.2.1扫描电镜在微观形貌分析上的优势。

    扫描电子显微镜在脱片观察方面更有优势，场发射型扫描电子显微镜比光学显微镜和钨灯丝型扫描电子显微镜拍摄的图片具有更高的放大倍数、更富有立体感、形貌更加逼真、分辨率更高（图2，图3）。

图2相同样品的光镜（A、B）和扫描电镜照片（A1、B1）

Figure 2 Photos of samesamples under light microscope（A、B）andscanning electron microscope（A1、B1）

图A和A1，B和B1是相同的样品分别在光镜和电镜下的照片，图A1和B1相比于A和B，明显可以观察到A1和B1具有较高的放大倍数和分辨率，样品本身的各个细节相貌清晰可见。

图3相同样品的钨灯丝扫描电镜（C、C1）和场发射扫描电镜照片（D、D1）

Figure 3 Photos of samesamples under Tungsten filament scanning electron microscope（C、C1）and Fieldemission scanning electron microscope（D、D1）

图C和D，C1和D1是相同的样品分别在钨灯丝电镜和场发射电镜下拍摄的照片，图C和D对应的是表面干净的玻璃包材样品，没有明显的区别；而C1和D1则是玻璃脱片样品，明显可以观察到，相同的放大倍数下，因电镜本身的差异，放大级数具有一定的差别，但是场发射电镜明显具有比钨灯丝电镜高的分辨率，样品本身的各个细节相貌清晰可见。

2.2.2常见的脱片类型

常见的脱片类型为龟裂型（图E、E1）和腐蚀型，腐蚀型又包括面蚀型（图F、F1）和点蚀型（图G、G1）。龟裂型中可观察到裂缝与裂缝连接成龟甲纹状的不规则裂缝；面试型主要以大片腐蚀现象为主，而点蚀型则以玻璃包材表面出现大小、深度不规律的凹坑现象为主。

图4不同类型的脱片现象

Figure 4 Different types ofstripping

3讨论

3.1合适清洗流程对包材脱片鉴定的影响

清洗过程需要保证附着的有机物和异物可以被清洗掉，但是不会对脱片本身造成影响。目前清洗过程没有被重视，在SEM测试中误将表面附着的药液、异物、覆膜、甚至于玻璃包材本身的一些制作工艺缺陷被判断为脱片。图H和图H1是同一样品分别使用乙醇和清洗液清洗后拍摄的SEM照片；图I、J、K中玻璃包材的表面分别有机物沾染，药液沾染，膜层划痕，上述现象在电镜下直观判断，和脱片侵蚀现象具有一定的相似性，很容易造成误判，但使用合适的清洗液清洗之后，会露出本来面貌，如图I1、J1、K1所示，表面干净整洁，玻璃包材内表面本身没有明显的变化。

图5-1清洗对玻璃包材表面形貌的影响

Figure 5-1 Effect of cleaningon the surface morphology of glasses packaging

图L中可以看出有一层难溶解的物质附着在包材的表面，图L1是使用清洗液清洗之后露出的侵蚀表面，可以看到整个视野下的包材内表面颜色深暗程度不一，高低起伏不平，说明不同地方的腐蚀程度不同；图M和M1是龟裂型脱片，分别使用乙醇和清洗液清洗，没有很明显的区别，龟裂的现象依旧存在，说明玻璃内表面脱片现象是一种永久性存在的“痕迹”。

图5-2清洗对玻璃脱片表面形貌的影响

Figure 5-2 Effect of cleaningon the surface morphology of glasses stripping

3.2生产工艺对包材脱片的鉴定影响。

笔者通过拍摄大量的空白包材样品发现，包材的生产工艺流程也会造成类似于脱片的现象。如图N和N1典型的假脱片现象，这种现象属于本身制作工艺的问题，玻璃制品的生产过程中，主要因为原料熔化温度低，熔化不良，同时富集了较多的气泡，待成品时，气泡破裂，在玻璃表面形成形状比较规则的凹坑。图O和O1是玻璃包材在制作的过程中，SiO₂的熔化不均一，造成局部成分不均一所致。

图6生产工艺对玻璃包材表面的影响

Figure 6Effect of production process on the surface of glasses packaging

3.3拍摄参数的影响

工作距离WD和电压是非常关键的参数。工作距离是直接影响图片清晰度的因素之一，影响分辨率和景深。任何电镜，任何电压束流条件，都是工作距离越近，分辨率越高；景深和放大倍数相关，放大倍数特别大时，试样稍有起伏便会聚焦不清。图P和P1是不同工作距离下拍摄的脱片形貌对比，可以明显观察到6.6mm的条件下，整体形貌模糊了；工作电压相同的条件，通常电压越低，分辨率越好，因为电子束具有一定的穿透功能，会穿过样品，带走一部分样品的形貌信息，造成局部细节缺失，但并不是说电压越低越好，电压太低，电子束强度不够，激发不出样品表面元素的核外电子。图Q和Q1是不同工作电压下拍摄的脱片形貌对比，可以明显观察到1.5kV的条件下，局部细节出现形貌模糊。

图7工作电压和工作距离对SEM照片的影响

Figure 7Influence of working voltage and working distance on SEM photos

3.4脱片的科学原理

脱片机理本问题在于玻璃包材的稳定性及其对各种耐受性。脱片反应是一种化学反应且这种反应对玻璃的内表面造成了永久性的“伤害”。笔者根据实验结果将常见的反应机理归纳为三类情况。

3.4.1腐蚀型机理

药液中的某些有机物，对玻璃具有较强的侵蚀性。如图8B所示，通过络合包材本身的一些阳离子（Si⁴⁺、Ca²⁺、Na⁺等），形成可溶性的复合物^{[1、2、13、14]}。或者形成一些难溶解的物质附着在包材的表面，需要选择合适的清洗液清洗之后才会展现出被阳离子络合而被侵蚀的表面（图8C），例如常见的EDTA络合玻璃包材本身Na⁺的，形成EDTA-二钠（图9）。

图8腐蚀型脱片形成示意图

Figure 8Schematic diagram of the formation of corroded stripping

图9EDTA络合Na⁺

Figure 9 EDTA complex Na⁺

图R是用乙醇和纯化水清洗的玻璃脱片样品，并对其对EDS能谱分析，图R1的谱图中可以看出该脱片样品的阳离子种类为Si⁴⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺（含量分别为14%、0.5%、7.5%、0.6%），将该样品用合适清洗液清洗之后，如图S所示，表面附着的一层物质被清洗掉，露出原表面由于侵蚀作用造成的不规则凹坑，同时图S1能谱显示的阳离子种类为Si⁴⁺、Na⁺、Mg²⁺（含量分别为11%、4%、0.2%），前后元素含量的变化说明，附着在表面的是一层含钠硅的化合物，说明玻璃包材本身的Si⁴⁺、Na⁺离子参与反应。

图10不同清洗方式的腐蚀型脱片SEM图和EDS元素分析

Figure 10 SEM images and EDSelemental analysis of corroded stripping with different cleaning methods

3.4.2龟裂型脱片机理

药液的pH大于7时，溶液中的氢氧根离子腐蚀玻璃中的硅氧骨架，骨架中硅和碱金属离子的不断浸出到溶液中，玻璃网络骨架结构变得疏松，大块的薄片可能会从玻璃内表面剥落，最终形成脱片。如图11B所示，离子的浸出和硅碱持续反应会导致局部成分不均一，受力不平衡，产生裂隙，持续的反应造成局部脱落（图11C）。

图11龟裂型脱片形成示意图

图T是用乙醇和纯化水清洗的玻璃脱片样品，并对其对EDS能谱分析，图T1的谱图中可以看出该脱片样品的阳离子种类为Si⁴⁺、Na⁺、Mg²⁺（含量分别为26%、2%、0.4%），将该样品用合适清洗液清洗之后，如图U所示，表面未发生明显变化，同时图U1能谱显示的阳离子种类为Si⁴⁺、Na⁺、Mg²⁺（含量分别为25%、1%、0.3%），前后元素含量没有发生明显的变化，说明整个过程更倾向于离子的浸出交换而导致的受力不均一产生脱片。

图12同清洗方式的龟裂型脱片SEM图和EDS元素分析

Figure 12 SEMimages and EDS elemental analysis of cracked strips with different cleaningmethods

3.4.3水-玻璃包材侵蚀型

外界物化因素的强烈变化，如温度和压力的极端变化等，主要影响玻璃包材的耐水性，而包材的表面耐水性和玻璃脱片的产生具有相关联性。高温或者高压条件下，如图13所示，溶液中的水分子作用于玻璃中的硅氧骨架，发生溶蚀，生成硅酸^[15]；玻璃被侵蚀的另一种方式是水对玻璃骨架结构中某些碱金属离子的浸出，发生离子交换反应^[19-22]，由于NaOH的生成，致使环境的pH升高，两者反应相结合可以生成硅酸盐类的物质。但是和前面两种脱片形成还是有本质的区别，这样的情形基本只发生在玻璃和水作为介质的情况下，腐蚀型和龟裂型主要针对的还是药液和玻璃包材的接触反应，且反应机制和实际情况更为复杂。

图12同清洗方式的龟裂型脱片SEM图和EDS元素分析

Figure 12 SEMimages and EDS elemental analysis of cracked strips with different cleaningmethods

3.4.3水-玻璃包材侵蚀型

外界物化因素的强烈变化，如温度和压力的极端变化等，主要影响玻璃包材的耐水性，而包材的表面耐水性和玻璃脱片的产生具有相关联性。高温或者高压条件下，如图13所示，溶液中的水分子作用于玻璃中的硅氧骨架，发生溶蚀，生成硅酸^[15]；玻璃被侵蚀的另一种方式是水对玻璃骨架结构中某些碱金属离子的浸出，发生离子交换反应^[19-22]，由于NaOH的生成，致使环境的pH升高，两者反应相结合可以生成硅酸盐类的物质。但是和前面两种脱片形成还是有本质的区别，这样的情形基本只发生在玻璃和水作为介质的情况下，腐蚀型和龟裂型主要针对的还是药液和玻璃包材的接触反应，且反应机制和实际情况更为复杂。

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（素材来源于《医药&包装》2020年第6期 总第072期）