水活度测定及其在制药行业的应用

一般而言，产品上的水分有3种表现形态——游离水、吸附水和键合水。游离水存在产品颗粒间隙及其产品颗粒空洞中，性质与作为有机溶剂水一样，能够起增稠分散剂的功效，也有利于微生物菌种生长。吸附水一般是吸咐在产品表面的水分。键合水指通过氢键水合作用与物质相结合的水分。键合水为分子结构表层的单层水分子，而吸咐水分一般产生多层水分子。此外，水分也会以结晶水的方式存在，但结晶水本质上也是键合水。还有一种是存在聚合物疑胶体系中的水分。这类水分借助氢键与聚合物联接组成疑胶的构造，实质上也是键合水，只是这类键合水也是疑胶构造的一部分。

在这里3种水分中，吸附水存在物质表层并且与物质表面相互影响，键合水根据氢键水合作用与分子融合。尽管吸附水的吸附作用要低于键合水氢键结合性，但吸附和键合水也已经失去它水合作用，仅有游离水仍然可以发生水合反应。现阶段，在中国药典中占有主导性的水分测定方法是卡氏滴定法和干燥失重法。可是，这两种测定方式都难以区别游离水、吸附水和键合水，而是测定总水分。而水分活度(water activity)乃是用于表述与物质开展水合作用的水分的量。

美国FDA自1980年代起在食品生产中采用水分活度检测对微生物进行控制，但直到现在，美国FDA仍旧没有针对药品或化妆品采用水分活度测定的法律法规或指导原则。

尽管美国药典并不是法律法规，但制药行业的运用中具有较好的信誉，其测试标准和方法也获得美国FDA的肯定，它的研究工作一直在制药行业质量标准的研究中处于领导作用。针对水分活度的测定方式以及在制药行业中的运用，美国药典也首先于2006年8月第29版正式颁布美国药典方法<1112>，水分活度测定在非无菌药品上的应用，明确提出水分活度的基本概念、测定方式及其可运用的领域。接着，具有法律效力的欧洲药典于2011年4月欧洲药典第7版正式颁布2.9.39节，水分固体相互作用：等温吸附解吸和水分活度测定，这清楚说明了水分活度已经开始在药品生产中运用。因而，了解水分活度概念，掌握水分活度的测定方式，及其通晓水分活度在制药行业中的运用领域，对于掌握药政法规的潜在发展与提高药品生产质量均有助益。

水分活度基础理论

一个封闭系统里的水的热力学能量状态即水分活度，用通俗的话来说就是把水分活度叙述为系统内“可以用”水的量。水分活度表示的是产品中出现的及其相似的纯水的量的指标。水分活度下降说明产品里的水能量的下降，其实就是“可以用”于微生物生长、化学反应、水分迁移，甚至于作为溶剂的水的量下降。

样品中出现的水的能量取决于样品里的水可不可以转移至气相，因此，样品上的饱和蒸汽压就和水分活度紧密相关。因而，水分活度界定为在相同温度下，产品的蒸汽压(p)与纯水的蒸汽压(p0)的比值。空气相对湿度是空气中蒸汽压与饱和蒸气压的比率，假如做到蒸气和温度平衡，样品水分活度就等于是样品所处密闭环境下的空气相对湿度。水分活度乘于100就可以获得百分比表述的等效相对湿度。水分活度值是一比值，没有单位。如果用小数来表示，范围是从**干燥的0到纯水的1.0。

水分活度测定方式

水分活度的测定即测定样品所属空间中的相对湿度，理论上来说，一切类别的湿度仪都可用以测定相对湿度。从早期恒定相对湿度平衡测定方式，到选用各种类型湿度计如毛发湿度计和等压湿度计等相对湿度传感器测定法，都可以用于测定水分活度。而间接性测定水分活度的办法也是有冰点下降、蒸汽压压力计和冷镜露点等测定方法。

将样品放置于一个比较小的密闭容器，其顶空体积相较于样品体积要够小，以消除样品测定环节中吸咐状态的改变。达到平衡的热力学过程往往需要较长的时间，应用容器中内循环可促使尽快达到平衡。因为水分活度值与测定时温度紧密相关，所以测定水分活度的的同时须测定温度，这就需要仪器设备有灵敏的温度测定功能，并且测定容器须热绝缘良好以确保恒温测定。

美国药典第29版正式颁布的第1112章及欧洲药典第7版颁布的2.9.39节均指定采用冷镜露点方法来测定水分活度。这种测定方法源自于AOAC International的方法978.18。将抛光冷冻镜面作为凝结表面，冷却系统与接收镜面反射光的光电单元相连接，达到湿度平衡的气流直接流向镜面，并在镜面凝结。凝结起始的温度即为露点温度，并由此得到平衡相对湿度。

采用冷镜露点法的实用仪器在用于水分活度测定前须评估系统适应性并校正。通常使用饱和盐溶液在25℃下进行仪器校正。可用作仪器校正的饱和盐溶液的水分活度：K2SO4、BaCl2、NaCl、Mg(NO3)2、MgCl2等。

水分活度在制药工业的应用

水分活度并不是个新概念，在食品工业中已经应用于微生物生长的控制。但由于药事法规中很少有在药品质量控制中应用水分活度的要求，与制药工业分析实验室中的常规分析技术如液相色谱、气相色谱等相比，水分活度的测定不受重视。但在制药工业的实际研究生产中，水分活度对药品中活性成分的变化及其在制剂配方研究中的有效作用的研究工作一直在持续进行。

水分活度的控制对于控制制药产品中活性成分的稳定性，降低非无菌产品染菌风险，优化制剂配方，减少结块和凝结，以及控制水分迁移都有裨益。简而言之，水分活度的控制与研究对提高批量生产产品的质量十分重要，是制药产品质量控制的重要质量参数。

水分迁移

当两种物料混合时，水就开始从高的区域向低的区域迁移。但迁移并不一定是从水含量高的部分移向水含量低的部分。实际上，在日常中可能注意到的一个现象就是干燥的部分更加干燥，而潮湿的部分更加潮湿。能够迁移的水分子是活性水分子，所以影响水分子迁移的是水分活度。

在制药工业中，药品如是有外包衣的片剂或是有填充物的胶囊以及软胶囊，均会受到水迁移的影响。如软胶囊变硬变脆或是变得太软，或是有外包衣的片剂外包衣剥落，或是在包装内药片崩解等现象，都与水迁移有密切关系。以软胶囊为例，从将软胶囊内容物加入软胶囊的一刻起，如果不同组分的水分活度不同，水分即在不同组分间开始迁移，直到水分活度达到平衡。

实际上，包装与软胶囊一起形成了一个四相系统，外环境、包装内环境、软胶囊外壳和软胶囊内容物。在这个四相系统中，存在有3个水扩散转移步骤。**，水在包装内外的气相中的扩散转移；**，水在包装内的气相与软胶囊壳间的扩散转移；第三，水在软胶囊壳及内容物间的扩散转移。由于外环境与包装内气相，包装内气相与软胶囊壳间的扩散转移在长时间的贮存时已经达到了平衡，因此第三步的扩散转移——水在软胶囊壳与内容物间的扩散转移则至关重要。

例如某种软胶囊壳的水分活度是0.85，其内容物的水分活度是0.2，在一定时间之后，整体软胶囊的水分活度即达到平衡值0.53。软胶囊壳的水分活度降低造成软胶囊壳的干燥和脆裂，对产品质量造成隐患。而且由于水分自软胶囊壳迁移至内容物，如果活性成分的水溶性较差，就有可能造成活性成分的析出，使得产品质量无法保证。

解决由于水分活度的不同而造成的水迁移问题，要在制剂配方研究起始时就开始考虑，改变软胶囊壳及内容物的配方来消除或减少由水迁移引起的质量隐患。

药政法规和水分活度

人用药品注册要求国际协调组织(ICH)的对产品质量检验和生产批次放行程序提供指导，它强调质量检验程序是基于风险评估和科学证据的支持。ICH指导原则Q6A提供了制定药品放行检验程序和适用规格标准的指导。其6号和8号决策树给出了测定微生物特性的*佳方法的指导。在这2个决策树中，微生物限量检测的需**建立在产品是否可以保持足够“干燥”的前提下，足够“干燥”的产品是不支持微生物的生长的。

制药工业中使用水分含量或产品中的总水量来表示“干燥”程度，通常使用卡氏水分来测定。但是，食品工业中关于水与微生物生长关系的研究表明，水分活度是微生物生长的*好指标，是水分活度或水的能量而不是产品中水的含量，即系统中的微生物可使用的水的量，决定了微生物的生长。一个产品可能含有相对较多的水分，但如果水已经化学“键合”保湿剂或溶质如盐分、糖，或是其他多羟基类化合物，则这些水就不可以作为支持微生物生长的水。

美国药典第29版正式颁布的第1112章及欧洲药典第7版正式颁布的2.9.39节均提供了更进一步的科学依据证明水分活度有必要成为基于风险评估的药品批次放行质量标准，从而保证微生物生长的**性以及产品的质量。美国药典第1112章明确指出，水分活度的测定可以在四个方面帮助提高非无菌制药产品的质量控制，**，优化产品配方，提高防腐系统的**效力；**，减少配方中易受化学水解影响的活性成分的降解；第三，减少配方的微生物污染的可能性，特别是液体、油膏、乳液以及乳膏制剂等；第四，提供减少微生物限量检验的原理依据，包括减少产品批次放行检验和稳定性试验。

与水分活度的测定相比较，水含量的测定准确度较差且测定费时较长，特别是对于制药产品。有时，制药化合物的水含量低至0.05％，在这个范围，测定水含量比较困难且需要精密天平。但对于这种化合物，小到0.02％的水含量的变化，则对应于水分活度0.2的变化。因此，使用水分活度的测定，可以对制药产品的质量进行更加严格的控制。

结语

水分活度已经在食品工业中用作微生物生长控制的质量标准。在制药工业中，由于早前的药事法规中没有硬性规定，水分活度的应用被忽视。但是，水分活度在药品配方研究、稳定性研究、包装材料的研究以及早已应用于食品工业的微生物生长的控制等方面有重要作用，水分活度的概念也可以在制药工业中广泛使用。

美国药典通则-微生物学专家委员会提议修订美国药典USP<1112> “水分活度测定在非无菌制剂中的应用”。METER Group, Inc.公司的应用科学家应邀对该提案进行修改和讨论。在水分活度仪上，美国METER Group, Inc.公司占据***地位。和市面上同类仪器不同的是，美国METER Group, Inc.公司生产的AquaLab水分活度仪采用镜面冷凝露点法测量药品的水分活度，具有以下优点：

1. 镜面冷凝露点法是各国药典方法的测量方法，包括USP<1112>, USP<922>等，可以溯源到国家和标准的方法。

2. 测量准确性高，可达±0.003 aw，重复性可达±0.001 aw。

3. 测量时间短，小于5分钟

4. 无需校准，长期稳定