Artigo - Uso da técnica da Espectroscopia no Infravermelho Próximo
Autor(a): Fabiana Alves Lima Ribeiro
Espectroscopia na região do Infravermelho Próximo (NIR - Near InfraRed) é uma técnica analítica simples, rápida e não destrutiva, que permite a determinação multicomponente em diversos tipos de matrizes. Os espectros NIR compreendem a radiação com comprimentos de onda entre 780 – 2.500 nm que são decorrentes das transições vibracionais devido à absorção ou emissão de um fóton, e apresentam alta complexidade, com frequente sobreposição de bandas espectrais. Por este motivo, sua análise requer o uso de tratamento matemático adequado, na maioria das vezes com o uso de técnicas de estatística multivariada, conhecidas por técnicas quimiométricas.
Uma das maiores vantagens do seu uso está no fato de requerer pouco ou nenhum preparo de amostras, o que reduz consideravelmente gastos com reagentes e tratamento de resíduos, e aumenta de forma geral a segurança do analista e do ambiente de trabalho, devido à menor exposição às substâncias químicas. Outra vantagem é a possibilidade de realizar medidas em tempo real pelo uso apropriado de sondas de monitoramento, que permitem maior agilidade na identificação de desvios de processos e de parâmetros que possam afetar a qualidade do produto final, e acelerando desta forma a tomada de medidas corretivas.
As principais aplicações na área farmacêutica envolvem a identificação ou qualificação de matéria-prima, a quantificação de alguma propriedade de interesse e o acompanhamento de parâmetros de processos. A identificação ou qualificação de amostras é feita pela comparação espectral com uma amostra de referência, obtida a partir de padrões conhecidos. De forma diferente, a quantificação requer o uso de técnicas de calibração multivariada, capazes de ajustar uma função matemática que correlaciona toda a faixa espectral à resposta de interesse (por exemplo, a concentração). Os métodos de monitoramento de processos são baseados no uso de cartas de controle multivariadas, construídas com os espectros NIR, onde os limites de controle para as condições normais de operação são definidos a partir dos espectros de amostras que atendem aos critérios de conformidade. A seguir, serão apresentados alguns exemplos que ilustram o uso destas técnicas no setor farmacêutico.
Determinação do Tempo Final de Mistura
Esta é uma das etapas críticas durante o desenvolvimento farmacêutico de sólidos. Um tempo de mistura insuficiente resultará em falta de homogeneidade na distribuição do ingrediente ativo farmacêutico (IFA), comprometendo a eficácia do produto. Tradicionalmente, a otimização deste parâmetro é realizada pela análise do teor do IFA no granulado em intervalos de tempo utilizando uma técnica de referência, o que poderá ocasionar interferências no material analisado devido às paradas no processo de homogeneização e erros associados à própria amostragem. Uma forma de contornar este problema é monitorar a mistura diretamente no misturador, por meio de técnicas de espectroscopia NIR associadas ao uso de sondas. Alguns modelos de misturadores permitem a obtenção de espectros em tempo real, viabilizando o monitoramento contínuo da etapa de mistura. Posteriormente, o tempo ótimo de mistura será obtido pelo tratamento matemático dos espectros empregando métodos quimiométricos (Figura 1).
Figura 1
Determinação de Umidade
Outra etapa crítica durante o desenvolvimento de sólidos é a determinação da umidade do granulado durante a etapa de secagem, que geralmente é realizada pelas metodologias de perda por secagem ou Karl Fischer. Estas metodologias envolvem coleta e transporte das amostras até o local de análise, ocasionando paradas no processo que poderão diminuir a sua produtividade. O segundo método requer ainda o uso de reagentes, aumentando os custos com material e tratamento de resíduos. Uma alternativa que permite agilizar esta etapa é o uso de metodologias baseadas em espectroscopia NIR associada aos métodos de calibração multivariada, que permitem quantificar uma espécie de interesse (que neste caso é a umidade) com maior rapidez.
O uso de sondas on-line permite ainda que este monitoramento seja realizado de forma contínua (Figura 2). Isto pode ser feito pela construção de modelos matemáticos que correlacionam os espectros NIR de amostras do granulado com os valores de umidade determinados pela técnica de referência. Uma vez validados, estes métodos poderão ser implementados na rotina, agilizando o processo de tomada de decisão durante a etapa de secagem de sólidos.
Pelo uso de softwares apropriados, é possível ainda automatizar todo o processo de secagem, permitindo que este seja interrompido tão logo seja detectado o valor especificado previamente, garantindo assim o mínimo de interferência no processo.
Figura 2
Determinação de Uniformidade de Conteúdo
Este é um teste farmacopeico de rotina utilizado no controle de qualidade de fármacos para detecção da variabilidade na quantidade do IFA, e em geral é baseado no uso de métodos cromatográficos ou de espectroscopia UV/Vis (Ultra-Violeta/Vísivel).
Como alternativa, métodos de espectroscopia NIR associados à calibração multivariada têm sido utilizados como técnica complementar para detecção antecipada de desvios na uniformidade de conteúdo, agilizando a tomada de ações corretivas.
O desenvolvimento do método é similar ao utilizado para determinação de umidade, citado acima, e requer a construção de uma curva de calibração utilizando amostras piloto ou misturas físicas contendo toda a faixa de concentração do IFA exigida pelas normas regulatórias, tal como é realizado nos métodos tradicionais. Os espectros NIR das amostras são obtidos e as concentrações do IFA são determinadas pelo método analítico de referência.
Métodos de calibração multivariada são utilizados para construção de um modelo matemático que correlaciona os espectros NIR aos valores de concentração do fármaco. Uma vez validado, este método poderá ser utilizado em rotina para quantificação do IFA.
As maiores vantagens deste método em relação aos tradicionais são a economia com reagentes e tratamento de resíduos, uma vez que a técnica não necessita de preparo de amostra, e a agilidade, uma vez que a quantificação de cada amostra poderá ser realizada em poucos segundos. O texto “Artigo explica a utilização da quimiometria”, publicado na edição Maio/Junho de 2007 deste Informativo mostra comparações no custo e tempo de análise em determinações de uniformidade de conteúdo realizadas por métodos tradicionais e baseados em NIR.
Estudos de Deformulação
No desenvolvimento de medicamentos genéricos, o formulador conhece somente a dosagem do princípio ativo e a composição qualitativa dos excipientes, e necessita encontrar a sua composição quantitativa. Esta busca pode ser direcionada pelo uso de técnicas de modelagens quimiométricas associadas às análises por NIR.
Na Figura 3, os pontos em azul representam formulações pilotos de uma solução injetável em que a quantidade do IFA foi mantida constante e as quantidades relativas dos três excipientes (A, B, C) presentes foram variadas sistematicamente a partir das faixas de concentração usualmente indicadas na literatura, de forma a cobrir toda a região experimental permitida.
Pelo uso de técnicas quimiométricas, é possível construir um modelo matemático que correlaciona os espectros NIR obtidos para estas amostras-piloto com as respectivas concentrações de cada excipiente, formando assim uma curva de calibração capaz de determinar a concentração dos excipientes em novas amostras. Após a validação da modelagem, por meio da determinação da concentração dos excipientes em amostras conhecidas (pontos em amarelo na Figura 3), este método pode ser utilizado para determinar a composição quantitativa do medicamento referência (ponto verde na Figura 3).
Posteriormente, a similaridade entre a formulação contendo a composição quantitativa determinada com auxílio do método poderá ser comparada com a formulação de referência utilizando técnicas tradicionais como determinação de pH, densidade, índice de refração, e pela comparação espectral e das curvas de calorimetria diferencial de varredura (DSC - Direct Scanning Calorimetry). A principal vantagem desta estratégia é a abordagem sistematizada, baseada em métodos estatísticos preditivos, que indicarão a região do domínio experimental capaz de garantir as características desejadas para a formulação.
Figura 3
Monitoramento de Processos
O uso de metodologias baseadas em espectroscopia NIR associada às cartas de controle multivariadas, em especial quando associada ao uso de sondas, permite a implantação de técnicas de monitoramento contínuo de parâmetros críticos do processo farmacêutico, viabilizando a detecção antecipada de desvios e sua rápida tomada de ações corretivas. Esta estratégia permite elaborar um protocolo de ações preventivas capazes de atenuar o risco de gerar produtos fora da especificação, reduzindo a quantidades de rejeição ou reprocesso de lotes, e aumentando a produtividade. O artigo “Tecnologias Analíticas em Processo - PAT“, veiculado na edição Novembro/Dezembro de 2014 deste Informativo apresenta mais detalhes sobre ferramentas para monitoramento de processos.
Aspectos Regulatórios
As diretrizes para a implantação destas metodologias têm sido descritas pelas principais normas e guias, tais como ASTM, farmacopeia americana (USP), farmacopeia britânica, guias IUPAC, entre outros, e contemplam etapas de (i) modelagem, (ii) validação e (iii) manutenção dos modelos. A etapa de modelagem envolve a otimização dos modelos matemáticos que melhor descrevem a propriedade de interesse, por meio da análise criteriosa de diversos parâmetros estatísticos. A etapa de validação é necessária para demonstrar o bom desempenho do método nas operações de rotina, e a etapa de manutenção dos modelos é utilizada para identificar a necessidade de atualização dos modelos.
Bibliografia
1. E. Ciurczak & J. K. Drennen III, Pharmaceutical and Medical Applications of Near-Infrared Spectroscopy, Marcel Dekker Inc., New York, 2002.
2. J. Workman Jr. & L. Weyer, Practical Guide to Interpretative NearInfrared Spectroscopy, Taylor & Francis Group, 2008.
3. Near Infrared Spectrophotometry, Chapter <1119>, United States Pharmacopoeia – USP38 NF33, 2015.
4. Annual Book of ASTM Standards, E1655-04: Standards practices for infrared multivariate quantitative analysis, American Society for Testing and Materials International, PA, 2012.
5. K. Danzer, M. Otto & L. A. Currie, “Guidelines for Calibration in Analytical Chemistry. Part 2: Multispecies Calibration (IUPAC Technical Report)”, Pure Appl. Chem., Vol. 76, No. 6, 1215-1225, 2004.
6. Infrared Spectrophotometry (Appendix II A), British Pharmacopoeia, Volume V, 2015.
7. European Medicine Agency (EM EA), “Guideline on the use of near infrared spectroscopy by the pharmaceutical industry and the data requirements for new submissions and variations”, 2014 (http://bit.ly/1JPA9m8, acessado em Agosto/2015).
Bacharel em Química Tecnológica, mestre em Físico-Química, doutora em Ciências - Área de Análise Multivariada de Imagens, e pós-doutora em Química Analítica - Área de Metabolômica, a autora será uma das instrutoras do Módulo III do Curso de Quimiometria, que a Comissão de Química Farmacêutica do CRQ-IV promoverá nos dias 06 e 07/11. Detalhes em http://bit.ly/1UupA9Q.
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