Summary
Coherent Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) Mikroskopie mit einer Grenzdurchfluss Auflösung Setup, um in situ und Echtzeit-Visualisierung der Oberfläche des pharmazeutischen Tabletten unterziehen Auflösung ermöglichen kombiniert. Mit diesem maßgeschneiderten Aufbau ist es möglich, Videos mit CARS Drogenauflösungsprofile aufgenommen mit Inline-UV-Absorptionsspektroskopie zu korrelieren.
Abstract
Traditionelle pharmazeutischen Auflösungstests bestimmen die Menge der Droge im Laufe der Zeit durch Messung Drogengehalt im Lösungsmedium gelöst. Dieses Verfahren bietet nur wenig direkte Information darüber, was auf der Oberfläche des Löse Tablette passiert. Wie der Tablettoberfläche Zusammensetzung und Struktur kann während der Auflösung ändern, ist es wichtig, sie während der Auflösung Tests überwachen. In dieser Arbeit kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung Mikroskopie wird während der Auflösung der Bild die Oberfläche von Tabletten verwendet wird, während UV-Absorptionsspektroskopie wird gleichzeitig eine Inline-Analyse von gelösten Wirkstoffkonzentration für Tabletten, die eine 50% ige Mischung von Theophyllin Anhydrats und Ethylcellulose. Die Messungen zeigten, dass in situ der CARS-Mikroskopie ist in der Lage selektiv Abbildungs Theophyllin in Gegenwart von Ethylcellulose. Zusätzlich zu Theophyllin-Monohydrat umgewandelt Theophyllin Anhydrats die während der Auflösung, mit nadelförmigen SchreiŠtāls wachsen auf der Tablettoberfläche während der Auflösung. Die Umwandlung von Theophyllin Anhydrat in das Monohydrat, verbunden mit reduzierten Exposition des Arzneimittels an das strömende Lösungsmedium führte zu einer verringerten Auflösungsraten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass in-situ-CARS-Mikroskopie in Kombination mit Inline-UV-Absorptionsspektroskopie in der Lage ist die Überwachung pharmazeutische Tablette Auflösung und Oberflächenveränderungen korrelieren mit Veränderungen in der Auflösungsrate.
Introduction
Während der Entwicklung von oralen pharmazeutischen Dosierungsformen, wie Tabletten und Kapseln gibt es eine starke Betonung auf Auflösungsprüfung. Orale Dosierungsformen erforderlich, sich aufzulösen, bevor sie für die therapeutische Wirksamkeit absorbiert werden. Schwerlösliche Medikamente haben in der Regel Probleme erreichen eine ausreichende Konzentration, die Auflösungstests besonders wichtig 1 macht. Arznei Auflösung Methoden werden am häufigsten für die Auflösung Analyse verwendet. In den meisten Fällen erfordert dies die Vorbereitung das Medikament als eine Tablette oder Kapsel, die dann in ein Becherglas von fließenden Lösungsmedium platziert wird. Das gelöste Wirkstoffkonzentration wird dann durch Analyse von Proben des Auflösungsmediums unter Verwendung eines Standard-Spektroskopieverfahren, wie UV-Absorptionsspektroskopie 2 bestimmt. Diese traditionellen pharmazeutischen Auflösungsverfahren bieten keine direkte Analyse der Probe oder alle Änderungen, die an der Lösefläche der Dosierungsform auftritt könnte.Direkte Analyse der Probe während der Auflösung können mehr Informationen über das Auflösen Dosierungsform und potentiell Probleme zu identifizieren, was zur Auflösung Testfehler.
Direkte Analyse Auflösen Darreichungsformen erfordert die Verwendung von in situ-Analysetechniken, die zur Überwachung des Auflösungsprozesses sind. In situ während der Auflösung der Aufzeichnung analytische Technik nicht durch die Anwesenheit des Lösungsmediums beeinflusst werden und das Verfahren benötigt eine hohe zeitliche Auflösung, um Änderungen in der Lösungsdosierungsform in der Größenordnung von Sekunden zuverlässig zu messen. Abgeschwächte Totalreflexion der UV-Spektroskopie wurde gezeigt, geeignet für die Messung von Veränderungen während der Auflösung sein, aber fehlt räumliche Auflösung von Abbildungstechniken 3 vorgesehen. Traditionelle Pharmabildgebende Verfahren wie Rasterelektronenmikroskopie (SEM), und spontane Raman-Mapping beide begrenzenden Faktoren Verhinderung ihrer Verwendung insitu für die Auflösung.
SEM-Bildgebung ist ein hochauflösender schnelle Bildgebungsverfahren in der Lage ist die Abbildung der Oberfläche des pharmazeutischen Darreichungsformen. Allerdings ist REM-Aufnahmen in der Regel unter Vakuumbedingungen durchgeführt und erfordert eine Probebeschichtung so dass es für die in situ-Bildgebung Auflösung ungeeignet. Fasergekoppelte spontane Raman-Spektroskopie in Kombination mit einer Durchflusszelle und UV-Durchfluß-Absorptionsspektroskopie durchgeführt worden, um verschiedene Arzneimittel Systeme in situ während der Auflösung zu überwachen, einschließlich Theophyllin 4, Carbamazepin, Indomethacin und 5. Raman-Spektroskopie der Lage war, die Identifizierung Oberflächenveränderungen während der Auflösung auftreten, aber es gab keine räumlichen Informationen darüber, wo die Oberflächenveränderungen auftraten. Spontane Raman-Mapping verwendet Raman-Spektren und stellt räumliche Informationen über die Oberfläche der Probe, sondern Abbildung erfolgt in der Grßenordnung von Minuten bis Stunden, abhängig von der Bildfläche, so dasses für die in situ-Bildgebung Auflösung ungeeignet.
Coherent Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) Mikroskopie ist eine schnelle Bildgebungstechnik und mit Inline-UV-Absorptionsspektroskopie hat es uns erlaubt, eine Technik, mit der In-situ-Analyse Auflösung zu entwickeln. CARS-Mikroskopie ermöglicht eine schnelle chemisch selektive Bildgebung, die nicht durch die Anwesenheit von Lösungsmedium beeinflusst wird dass es ein geeignetes Verfahren zur In-situ-Analyse der Auflösung. CARS Techniken lassen sich grob in zwei Gruppen, basierend auf der Pulsdauer des Lasers aufgeteilt ist; wobei ein Schmalband-CARS (Pikosekunden-Pulslasern), und die andere ist Breitband-CARS (Femtosekundenlaser). Eine typische CARS-Mikroskop-System besteht aus zwei gepulste Laserquellen und einem inversen Mikroskop. Um ein CARS-Signal zu erzeugen, einer der gepulste Laser abstimmbar zu sein braucht, so gibt es eine Frequenzdifferenz zwischen den beiden Lasern, die eine Raman-Schwingung entspricht. Zusätzlichdie beiden Laser erforderlich sind, um überlappen im Raum (Raum-) und Zeit (zeitliche) mit Impulsen von beiden Laser auf den gleichen Bereich der Probe zur gleichen Zeit ankommen. Als Raman-Schwingungen sind chemisch spezifische und CARS-Signal ist nur im Fokusvolumen des Mikroskops erzeugt wird, ist der CARS-Mikroskopie, die chemisch selektive Darstellung mit einer Auflösung bis in den Beugungsgrenze.
Schmalband-CARS-Mikroskopie mit einem einzigen Raman-Schwingungsmodus ermöglicht im Vergleich zu spontanen Raman-Mapping-Techniken 6 über 100x schneller Bildgebung. Breitband-CARS-Mikroskopie-Aufnahmen über einen größeren Spektralbereich (600-3,200 cm -1 vs ~ 4 cm -1), hat aber eine geringere spektrale Auflösung (ca. 10 cm -1 vs ~ 4 cm -1) und langsamere Belichtungsgeschwindigkeit (50 ms / Pixel vs ~ 5 Mikrosekunden / Pixel) im Vergleich zu Schmalband-CARS-Mikroskopie 7.
Schmalband-CARS-Mikroskopie hat zu dru Bild verwendet wurdeg Mitteilung von einigen pharmazeutischen Anlagen. Im Bereich der pharmazeutischen Formulierungen, Kang et al. 8-10 abgebildet Arzneimittel beladene Polymerfilme. Sie anfangs abgebildet wird die Verteilung der Arzneimittelbeladung, die durch Abbildung der Wirkstofffreisetzung aus einem statischen Auflösungsmedium wurde gefolgt. Jurna et al. Windbergs 11 und et al. 12 ging einen Schritt weiter und zuerst abgebildet Theophyllin die Lipidverteilung in Darreichungsformen, gefolgt von Abbildung der Arzneimittelauflösung mit Hilfe eines dynamischen Lösungsmedium.
Wir haben eine neue analytische Methode, um Veränderungen der Oberfläche auf dem Tablet unterziehen Auflösung mit Schmalband-CARS-Mikroskopie während der Aufnahme des gelösten Wirkstoffkonzentration mit UV-Absorptionsspektroskopie gleichzeitig zu überwachen entwickelt. Wir zeigen die Verwendung dieser Methode Bildgebung Tabletten mit dem Medikament Theophyllin Modell kombiniert mit Ethylcellulose zogen Auflösung mit Wasser als Lösungsmedium.
Protocol
Abbildung 1. Schematische Darstellung der CARS-Mikroskop-Setup mit dem Eigenstrom durch Auflösung Setup. Diese Zahl hat sich von Fussell et al 13 geändert.
1. Systemstart
- Schalten Sie die 20 ps gepulst 1064 nm Laser CARS und damit der Laser warm-up (ca. 1,5 h).
- Schalten Sie die Deuteriumlampe UV-Lichtquelle und lassen es warm-up (ca. 10 min).
- Öffnen Sie den Verschluss auf der Deuterium-Lampe UV-Lichtquelle, indem Sie die Verschlussschalter zu "öffnen".
- Schalten Sie den PC Mikroskopsteuerung und öffnen Sie die Mikroskop-Software.
- Schalten Sie die UV-Spektrometer PC und öffnen Sie die Spektrometer-Software.
2. Mimikroskop-Setup
- Wählen Sie die gewünschte Mikroskopobjektiv. Verwenden Sie einen 20X/0.5 NA Ziel, die Ergebnisse in dieser Arbeit vorge zu erreichen.
- Stellen Sie die Filter in der Filtersatz Revolver Anregung Laser übertragen und spiegeln die CARS-Signal. Wähle einen 775 nm-Langpass dichroitischen Spiegel und ein 650 nm-Bandpassfilter 40 nm, die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse zu replizieren.
- Legen Sie geeignete Filter vor dem Photomultiplier (PMT)-Detektor, der CARS-Signal und filtern unerwünschte Licht zu übertragen. Filtern das Licht mit 750 nm Kurzpassfilter und einem 650 nm Bandpassfilter 40 nm, die Versuche in dieser Arbeit durchgeführt reproduzieren.
3. System Testing
- Schalten Sie die peristaltische Pumpe und Pumpenauflösungsmedium für ein paar Minuten durch den Z-förmigen UV-Durchflusszelle, um vorherige Flüssigkeit aus der Rohrleitung zu löschen.
- Die Fließgeschwindigkeit der Pumpe durch Wiegen der Menge des Lösungsmediums in 2 min gepumpt. Stellen Pumpendrehzahl until gewünschte Durchflussmenge erreicht ist. Pumpe das Auflösungsmedium bei einer Flussrate von 5 ml / min, um die Ergebnisse in dieser Arbeit berichtet erzielen.
4. UV Auflösung Mess
- In der UV-Spektrometer-Steuersoftware, klicken Sie auf das Menü "Datei" und dann auf "Neu Absorptionsmessung", um ein Fenster, das alle verfügbaren Spektrometer listet öffnen.
- Klicken Sie auf den richtigen UV-Spektrometer, und klicken Sie dann auf "Weiter", um ein Fenster, das die Daten der Erfassungsparameter zeigt öffnen.
- Definieren Sie sowohl die Integrationszeit und die spektrale Mittelung. Wählen einer Integrationszeit von 150 ms mit 200 Durchschnittswerte, die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse zu replizieren.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche "Weiter" die verwendet werden, um die Referenzspektrum aufnehmen Bildschirm zu bringen.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche, die als gelbe Glühbirne, ein Referenzspektrum aufzunehmen erscheint. Pumpe Auflösungsmediums kontinuierlich während dieser Messung.
- Schließen Sie den Auslöser auf der Deuterium-Lampe UV-Lichtquelle, indem Sie den Schalter auf "geschlossen".
- Klicken Sie auf die Schaltfläche "Weiter" die verwendet werden, um die Dunkelspektrum aufnehmen Bildschirm zu bringen.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche, die als graue Glühbirne, ein Dunkelspektrum aufzeichnen erscheint. Pumpe Auflösungsmediums kontinuierlich während dieser Messung.
- Klicken Sie auf den Button mit der Aufschrift "Finish", um die UV-Absorptionsmessungen beginnen.
5. CARS Auflösung Video
- In der CARS-Mikroskop-Steuersoftware, klicken Sie auf die Schaltfläche, die ein "XYT" Messung auswählt.
- Klicken Sie auf das Dropdown-Feld und wählen Sie die Bildgröße in Pixeln. Wählen Sie eine Bildgröße von 512 x 512 Pixeln, um die Bilder in dieser Arbeit berichtet reproduzieren.
- Ziehen Sie den Schieberegler, um Abbildungsgeschwindigkeit entweder dem "schnell", "mittel" oder "langsam"-Position. Verwenden Sie die schnelle Scangeschwindigkeit (1,12 sec pro Bild) zu erreichenDie Ergebnisse in dieser Arbeit gezeigt.
- Klicken Sie auf die Pfeile "Zoom" bezeichnet, um den Zoom einzustellen. Wählen Sie "2x" zoom, das Niveau der Zoom-und Sichtfeld (350 x 350 um) verwendet für diese Ergebnisse zu replizieren.
- Klicken Sie auf das Dropdown-Feld und wählen Sie das Ziel verwendet.
- Klicken Sie auf das Eingabefeld und geben Sie die Anzahl von Frames für die CARS Auflösung Video (je nach Länge des Experiments) erforderlich. Führen Sie die Auflösung für ca. 15 min durch die Aufnahme 900 Bilder, die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse zu reproduzieren.
6. CARS Wellenlänge Tuning
- Verwendung des optisch parametrischen Oszillators (OPO) Steuerung die Einstellungen des OPO wie Temperatur, piezo Position und Lyot-Filterposition bis maximale Laserleistung bei der gewünschten Raman-Frequenz erreicht ist. Tune die OPO zu 2960 cm -1, die gleichen Ergebnisse wie die in diesem Artikel vorgestellten aufzeichnen.
7. Die Auflösung Experiment
- Legen Sie eine Tablette in die Probenhalter der fertigten CARS Durchflusszelle, Schraube der Probenhalter fest verschlossen, um ein Auslaufen zu verhindern.
- Befestigen Sie die Rohrleitungen zu den Autos fließen Zellenverbindungs CARS Flusszelle auf den Becher mit dem Lösungsmedium und die peristaltische Pumpe.
- Stellen Sie die Fahrzeuge Flusszelle, die eine Tablette auf dem Mikroskoptisch.
- Überprüfen Sie, dass die Autos die Durchflusszelle ist mit dem Lösungsmedium Becher, der Schlauchpumpe, Z-förmigen UV-Durchflusszelle und der Abfallsammelbecher verbunden.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche "XY wiederholen", um die Scan-Mikroskop-System in einem kontinuierlichen Scan-Modus zu starten.
- Einstellen des Fokus des Mikroskops durch Bewegen der Objektiv, bis die Oberfläche der Tablette in dem Sichtfeld auf dem Bildschirm Mikroskopsteuerung.
- Klicken Sie auf den Schieberegler in der Mikroskopsteuerung-Software mit der Bezeichnung "PMT". Stellen Sie die Empfindlichkeit des Detektors durch Erhöhung / Verringerung PMT-Spannung bisein zufriedenstellendes Bild (weder zu dunkel noch gesättigt) ist auf dem Bildschirm sichtbar. HINWEIS: Achten Sie darauf, nicht die PMT durch Verwendung von Hochspannung zu überlasten. Für diese Arbeit verwendeten wir ein PMT-Spannung etwa 600 V, aber dies kann in Abhängigkeit von der PMT verwendet werden, variieren.
- Klicken Sie auf "Stop" in der Mikroskopsteuerung Software, um die kontinuierlichen Scan stoppen.
- Gleichzeitig (oder so nah wie möglich) pumpen Lösungsmedium, starten Sie die Aufnahme eines einzigen XYT-Scan, und sammeln UV-Absorptionsspektren.
- Während der Auflösung Experiment überwachen die Video-Aufzeichnung und das Mikroskop manuell einstellen Fokus, um sicherzustellen, die Tablette ist ständig im Fokus.
8. Beitrag Auflösung
- Stoppen Sie die peristaltische Pumpe, indem Sie es aus.
- Klicken Sie im Menü "Datei" und klicken Sie dann auf "Speichern als Video" auf der Mikroskopsteuerung Software, um die XYT Scan als Video zu speichern.
- Klicken Sie auf das Menü "Datei", dann auf "Speichern "und dann auf" Stop Export "auf der Spektrometer-Steuersoftware, die Sammlung von UV-Absorptionsspektren zu stoppen.
- Entfernen Sie die Durchflusszelle CARS von der Mikroskoptisch und nehmen Sie die Tablette aus der CARS-Durchflusszelle.
- Waschen Sie die CARS-Durchflusszelle mit Wasser und Ethanol, und trocknen mit Seidenpapier.
Representative Results
In-situ-Analyse mit Auflösung CARS-Mikroskopie wurde auf Tabletten (12 mm Durchmesser, flache), der eine 50:50-Mischung aus dem Modellarznei Theophyllin Anhydrats und Ethylcellulose mit destilliertem Wasser auf 5 ml / min als Lösungsmedium durchgeführt. CARS Bilder (512 x 512 Pixel) wurden alle 1,12 Sekunden bei der Raman-Schwingungsfrequenz 2.960 cm -1, die selektiv für den Theophyllin-Gehalt in der Tablette für die Dauer des Lösungsversuch. 2 zeigt ausgewählte Bilder aus dem Video-Auflösung gesammelt. Zu Beginn der Auflösung (Abbildung 2, Zeit 0 s) gibt es Gebiete, die den grünen Theophyllin Gehalt der Tablette und es gibt auch dunkle Bereiche, wo es nur Ethyl vorliegenden Cellulose auf der Oberfläche der Tablette. In den dunklen Bereichen auf der Oberfläche der Tablette ist es möglich, schwach sehen die Ethylcellulose Gehalt. Dies liegt daran, es wird berichtet, dass Ethyl cellulose Raman-Schwingungsfrequenzen mit Maxima um 2930 und 2975 cm -1 14. Nach etwa 60 Sekunden erscheint der Beginn Theophyllin-Monohydrat-Kristallwachstum auf der Oberfläche, die als schmale nadelförmige Kristalle nach außen wächst aus mindestens einer Kristallkern in der Mitte des Rahmens (2, Zeit 60 Sek.) gesehen werden kann . Das Monohydrat Kristallwachstum viel deutlicher nach 130 sec beobachtet (Fig. 2, Zeit 130 sec). Zusätzlich wird zum Zeitpunkt 130 Sekunden ist ersichtlich, dass die Monohydrat-Kristall nicht vollständig über die Oberfläche der Tablette verteilt. Es scheint, als ob die Anwesenheit der Ethylcellulose Regionen physisch blockiert die Verlängerung des Monohydrats Nadeln. Nach 250 Sek. kann gesehen werden, dass die Monohydrat Bedeckung der Oberfläche ist nicht, wie vorstehend was nahe legt, dass die Monohydrat-Kristalle beginnen sich aufzulösen.
Abbildung 2. Rahmen von CARS Auflösung Video. Ausgewählte Autos Bilder (2960 cm -1) von einer Auflösung Video für eine Theophyllin Anhydrats mit Ethylcellulose Tablette. Die Bild 0 sec ist an einem Bereich der Probe aufgezeichnet, während die 60, 130 und 250 sec Bilder in einem anderen Bereich der Probe aufgezeichnet. Die CARS-Video ist als Zusatzinformation zur Verfügung. Scale-Bar ist 50 um.
Ultraviolett-(UV-) Spektroskopie ist eine Form der Absorptionsspektroskopie unter Verwendung von UV-Licht als Anregungsquelle. UV-Spektroskopie Maßnahmen Elektronenübergänge vom Grundzustand in einen angeregten Zustand 15. Theophyllin hat einen breiten Peak um 270 nm zentriert, während Ethylcellulose ist in der Lösungsmedium, so ist nicht zu erwarten, um die UV-Spektrum aufgenommen beitragen praktisch unlöslich. Analyse der DissoziaLösung Medium unter Verwendung des Inline-z-förmigen UV-Durchflusszelle erlaubt uns zur quantitativen Bestimmung der Menge des Arzneimittels während der Auflösung gelöst. Fig. 3 zeigt das UV-Auflösungsprofil die Auflösung des Theophyllin-Anhydrat mit Ethylcellulose Tablette. Die UV-Lösungsprofil (Fig. 3) zeigt, dass die Auflösung von Theophyllin Anhydrat beginnt rasch eine maximale Konzentration von etwa 90 ug / ml innerhalb von 120 sec; nach diesem Zeitpunkt die Auflösungsrate zu sinken beginnt. Die Verringerung der Lösungsgeschwindigkeit kann aufgrund der Anwesenheit von Theophyllin-Monohydrat (Löslichkeit 6 mg / ml bei 25 ° C 16)-Kristalle auf der Oberfläche, die weniger löslich ist als Theophyllin-Anhydrat (Löslichkeit 12 mg / ml bei 25 ° C 16 sein ) und deutlich in der CARS-Auflösung Video (Abbildung 2) zu diesem Zeitpunkt gesehen. Die schrittweise Reduzierung Auflösungsrate könnte auch teilweise erklärt werden bya Verringerung der Theophyllin-Exposition gegenüber dem strömenden Medium. Diese Verringerung tritt auf, da Ethylcellulose ist in Wasser praktisch unlöslich, so daß das Theophyllin löst das verbleibende Ethylcellulose behindert Theophyllin Exposition gegenüber dem Lösungsmedium.
Abbildung 3. UV Auflösungsprofil. Konzentration gegen die Zeit für eine Theophyllin Anhydrats kombiniert mit Ethylcellulose Tablette, die die Konzentration von Theophyllin im Lösungsmedium während der Auflösung Experiment.
Disclosures
Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen konkurrieren.
Acknowledgments
AF wird von der niederländischen Technologiestiftung STW, die der angewandten Wissenschaft Teilung der NWO ist, und dem Technologieprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft unterstützt. (STW OTP 11114).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Paladin 1,064 nm laser | Coherent | Prototype model not for sale | |
| Levante Emerald Optical parametric oscillator | APE Berlin | ||
| IX71 Microscope | Olympus | ||
| Fluoview 300 scanning unit | Olympus | ||
| Photomultiplier tube R3896 | Hamamatsu | ||
| Free standing optics / filters | Thorlabs and Chroma | ||
| Reglo peristaltic pump | ISMATEC | ||
| USB2000+ spectrometer | Ocean Optics | ||
| DT-MINI-2-GS light source | Ocean Optics | ||
| FIA-Z-SMA-TEF Z shaped flow cell | Ocean Optics | ||
| QP400-2-SR-BX optical fiber | Ocean Optics | ||
| Plastic piping | ISMATEC | ||
| CARS dissolution tablet flow cell | Homebuilt at university - designed to hold 12 mm diameter, 3 mm thick tablets. The flowcell has a channel depth of around 0.5 mm. | ||
| Glass beakers | VWR | D108980 | |
| Theophylline anhydrate | BASF | 30058079 | |
| Ethyl cellulose | Colorcon |
References
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