日本研究团队开发超宽带碳纳米管成像系统，新方法可提高药品生产中的质量检测

近日，日本中央大学的研究团队成功开发出基于碳纳米管 (Carbon nanotube，CNT) 光热电成像扫描仪的超宽带无损检测系统，该技术能够实现药物制剂的在线动态质量监控，为制药企业提供了前所未有的实时检测能力。

 

这一研究成果的相关论文已于近期在《Nature》子刊《Light: Science & Applications》发表。研究团队针对当前制药行业在产品质量控制方面面临的技术瓶颈，开发出能够在生产线上连续、动态、非接触式检测药片内部缺陷和异物的创新系统。

 

 

从实验室走向生产线
 

传统的制药质量检测方法主要依赖目视筛查、抽样检测和可见光机器学习等手段，这些方法在检测隐藏缺陷和材料成分识别方面存在明显局限。虽然太赫兹时域光谱 (THz-TDS) 和傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 等光谱技术在材料分析方面表现出色，但其设备体积庞大、配置复杂，难以集成到生产线的在线检测环节。

 

该团队的创新之处在于将碳纳米管薄膜光热电成像技术与紧凑型多波长光源相结合，构建出可自由附着的薄膜成像片。该系统工作波长覆盖亚太赫兹到红外波段 (4.33-909 μm)，能够穿透各种非金属材料，通过分析不同波长下材料的透射特性来识别药片的成分构成和内部异物。

 

图：产品概念图

 

研究数据显示，该系统在维持与现有检测方法相当的基础监测性能的同时，实现了紧凑型在线动态实验环境下的稳定运行。在材料成分识别精度方面，系统对药片透射率值的检测误差控制在 5% 以内，其中镇静剂样品的光谱法测定值与光热电检测值分别为 42.43% 和 37.86%，抗血小板样品的对应数值为 25.75% 和 28.07%。

 

 

三类药物的精确识别

 

在实际应用验证中，研究团队选用了三种典型的药物制剂进行测试：依氨脑柯酸 (解热镇痛药)、盐酸噻氯匹定片 (抗血小板药) 和溴化钾 (镇静剂)。实验结果表明，系统能够准确识别这些在外观上难以区分的药片的材料成分。

 

具体而言，镇静剂在两种不同波长的外部光照射下均表现出较高的透射率值；解热药对短波红外 (SWIR) 辐射呈现选择性透射行为；抗血小板药则对长波红外 (LWIR) 辐射表现出选择性透射趋势。这种基于光谱特征的材料识别方法为药物制剂的自动分类提供了可靠的技术基础。

 

更为重要的是，该系统还能够检测药片内部隐藏的异物。在针对塑料、玻璃和金属三种不同材质异物的检测实验中，系统通过多波长亚太赫兹-红外监测成功识别了所有隐藏异物的材质类型。塑料异物在长波和短波红外照射下均呈现较低的透射率；玻璃异物对长波红外辐射表现出选择性低透射率；金属异物则由于其固有的反射特性，在所有三个波长下均不表现出透射特征。

 

 

速度与精度的平衡

 

在设备性能方面，该系统在移动桌面设置下实现了最高 3 mm/s 的扫描速度，能够处理最大厚度 7 mm、最高药物浓度 20% 的连续流动药片。研究团队通过控制碳纳米管薄膜的材料组成，进一步提升了系统的高速运行能力。

 

实验数据显示，采用较低电阻 (660 Ω) 的碳纳米管薄膜通道相比高电阻 (10.8 kΩ) 通道，在快于 4 毫秒的高速信号读取操作下表现出更清晰的瞬态波形和更低的噪声信号。这一材料优化策略使得整个系统能够在 0.50 秒/扫描步长的条件下稳定运行，在高强度红外辐射条件下甚至可达到 0.45 秒/扫描步长。

 

在空间分辨率控制方面，系统在 0.4 mm/扫描步长 (转换为 0.8 mm/s)、1 mm/扫描步长 (转换为 2 mm/s) 和 1.5 mm/扫描步长 (转换为 3 mm/s) 的条件下均能正确可视化目标药片的形状和光学特性，其中 2 mm/s 的扫描速度仍能提供适当的成像信息。

 

 

碳纳米管的独特性能
 

该系统的核心器件碳纳米管薄膜光热电成像仪具有两个关键特性：超宽带光吸收特性和溶液可加工配置。碳纳米管薄膜在超宽带毫米波-可见光波段展现出超过 90% 的高效光吸收率，这种优异的光学特性源于碳纳米管独特的形态结构和电子性质。

 

图：超宽带光电成像仪的基本操作

 

在中红外-可见光波段，不同直径的碳纳米管具有不同的带隙能级，呈现特定的外部光辐射峰值波长。由于碳纳米管具有离散量化的态密度 (范霍夫奇点)，宽直径分布的碳纳米管薄膜将各自的能量跃迁峰值波长聚合成宽带光吸收特性。在毫米波-远红外波段，光辐射触发碳纳米管内的一维轴向等离子体共振，实现德鲁德吸收和内部离域自由载流子的带内能量跃迁。

 

此外，该技术采用机械液体印刷技术制造设备，通过空气射流分配器将水性碳纳米管分散液直接图案化在水吸收膜过滤器基板上。这种溶液可加工的制造工艺避免了热蒸发或溅射等传统方法所需的大量材料消耗和复杂的真空或高温处理步骤，使得器件能够在各种薄膜支撑材料上灵活制造。

 

 

产业化前景
 

从产业化应用的角度来看，该系统展现出良好的实用化潜力。研究团队指出，当前配置理论上可处理多达 30 片药片的单次在线扫描 (基于 7 mm 直径药片和 10 mm 间隔的设置)，如果采用更长扫描范围的定制化光学步进电机台，系统理论上可以在最快成像速度 3 mm/s 下每小时处理 635 片药片。

 

与传统检测方法相比，该系统在维持基础监测性能的同时，通过超宽带光监测实现了隐藏杂质的材料成分识别功能。系统的操作灵敏度通过处理数百微米至几毫米厚度药片时透射率值的误差比率控制在 5% 以内来量化，这一精度水平与现有静态光谱技术相当。

 

该系统所使用的各类光源成本范围在 2000-14000 美元之间，而静态光谱仪或 X 射线模块的成本有时可超过 100000 美元。除光源外，该系统仅需要广泛商用的载物台或数据记录器电路，这为大规模无损应用提供了成本优势。
 

尽管该技术在实验室环境下展现出优异性能，但从实验室到实际生产线应用仍存在需要解决的工程化问题。研究团队指出，通过优化碳纳米管薄膜光热电成像仪的读取电路，系统的理论运行速度有望达到 270 mm/s (当前为 3 mm/s)，这一性能提升基于碳纳米管薄膜光热电像素的最快时间常数 (5 ms)，而当前使用的数据记录器仍需要 0.45 秒/扫描步长。

 

未来的技术发展方向包括：将反射单元集成到当前的透射光学系统中，以处理更高浓度的药剂片；从当前的空气射流分配技术过渡到电场驱动的喷墨打印技术，有望将碳纳米管薄膜光热电成像仪的像素集成间距提升至 10 μm 范围内的高空间分辨率。

 

新技术的成功开发，为制药行业的质量控制提供了新的技术路径。在制药企业日益重视产品质量和生产效率的背景下，这种能够实现在线、实时、无损检测的技术创新，有望在未来的智能制造体系中发挥重要作用。

 

 

参考资料：

Kubota, M., Kinoshita, Y., Hirokawa, S., Shikichi, D., Izumi, N., Hagiwara, N., ... & Li, K. (2025). In-line multi-wavelength non-destructive pharma quality monitoring with ultrabroadband carbon nanotubes photo-thermoelectric imaging scanners. Light: Science & Applications, 14(1), 306.

 

来源：国际医药商情

作者：John Xie