estratégias quimiométricas aplicadas ao estudo de ... · internacionais que tive a oportunidade...

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GUILHERME POST SABIN

ESTRATGIAS QUIMIOMTRICAS APLICADAS AO ESTUDO DE IMAGENS

QUMICAS: NOVAS POSSIBILIDADES PARA CARACTERIZAO DE

PRODUTOS E PROCESSOS FARMACUTICOS

CAMPINAS

2013

iii

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

INSTITUTO DE QUMICA

GUILHERME POST SABIN

ESTRATGIAS QUIMIOMTRICAS APLICADAS AO ESTUDO DE IMAGENS

QUMICAS: NOVAS POSSIBILIDADES PARA CARACTERIZAO DE

PRODUTOS E PROCESSOS FARMACUTICOS

ORIENTADOR: PROF. DR. RONEI JESUS POPPI

TESE DE DOUTORADO APRESENTADA AO

INSTITUTO DE QUMICA DA UNICAMP PARA

OBTENO DO TTULO DE DOUTOR EM CINCIAS.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE VERSO FINAL DA TESE DEFENDIDA

POR GUILHERME POST SABIN, E ORIENTADA PELO PROF.DR. RONEI JESUS POPPI.

______________________

Assinatura do Orientador

CAMPINAS

2013

iv

FICHA CATALOGRFICA ELABORADA POR SIMONE LUCAS - CRB8/8144 - BIBLIOTECA DO INSTITUTO DE QUMICA DA UNICAMP

Sabin, Guilherme Post (1977-). Sa13e Estratgias quimiomtricas aplicadas ao estudo de

imagens qumicas: novas possibilidades para caracterizao de produtos e processos farmacuticos / Guilherme Post Sabin. Campinas, SP: [s.n.], 2013.

Orientador: Ronei Jesus Poppi.

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Qumica.

1. Imagem qumica. 2. Quimiometria.

3. Infravermelho prximo. I. Poppi, Ronei Jesus. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Qumica. III. Ttulo.

Informaes para Biblioteca Digital Ttulo em ingls: Chemometric strategies applied to the study of chemical imaging: new possibilities for the characterization of pharmaceutical products and processes Palavras-chave em ingls: Chemical imaging Chemometrics Near infrared rea de concentrao: Qumica Analtica Titulao: Doutor em Cincias Banca examinadora: Ronei Jesus Poppi [Orientador] Marco Flres Ferro Edson Irineu Mller Fabio Augusto Celio Pasquini Data de defesa: 11/03/2013 Programa de ps-graduao: Qumica

vii

Dedico esse trabalho aos meus pais e ao meu irmo

pelo exemplo de vida e luta,

Aos meus avs

pelo incentivo e torcida,

minha esposa e minha filha

que sempre estiveram ao meu lado

tornando a minha vida cada dia melhor

por todos os lugares onde estivemos juntos.

O meu amor e dedicao a vocs!

ix

Honestidade, lealdade, integridade, respeito, dedicao, paixo, idealismo,

altrusmo, amizade... so alguns sentimentos e valores que aprendi com pessoas

especiais, com quem tive a sorte de conviver.

O verdadeiro homem aquele que tem um ideal e fiel a ele at o fim

In memoriam

Ernani Maydana Sabin

xi

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao Prof. Dr. Ronei Jesus Poppi, por sua

orientao e amizade. Obrigado pelos ensinamentos e por todas as oportunidades

que voc me proporcionou ao longo desta tese. Hoje, tenho novas perspectivas,

oportunidades e liberdade de escolha profissional!

Agradeo aos professores do Instituto de Qumica da Unicamp, com quem tive

a oportunidade de aprender. Em especial aos professores que participaram das

minhas bancas de qualificaes e da minha defesa: Dr. Jarbas Jos Rodrigues

Rohwedder, Dr. Clio Pasquini, Dr. Fbio Augusto, Dra. Susanne Rath, Dra.

Adriana Vitorino Rossi, Dr. Marco Flors Ferro e Dr. Edson Irineu Mller.

Em especial, agradeo ao Prof. Dr. Marco Flres Ferro, que teve a viso de

colocar a quimiometria na grade curricular da UNISC quando a disciplina ainda era

desconhecida pela grande maioria das universidades. Voc fez a diferena!

Aos colegas do Laboratrio de Quimiometria em Qumica Analtica, que

contriburam para dias agradveis de convvio, parecerias e troca de experincias.

No citarei nomes, pois no quero ser trado pelo esquecimento!

Ao Instituto de Qumica pela estrutura e auxlios na srie de eventos nacionais e

internacionais que tive a oportunidade de participar.

Aos funcionrios da Coordenao de Ps-Graduao, pelo pronto atendimento

e profissionalismo.

Aos rgos de fomento pesquisa: Capes, CNPq, Fapesp, INCT Bioanaltica

e Conicet, que proveram bolsas de estudo e recursos para pesquisa.

xii

Ao Prof. Dr. Alejandro Csar Olivieri, pela recepo e orientao nos trabalhos

desenvolvidos na Argentina. Aos colegas da Universidad Nacional de Rosario,

pela receptividade e parcerias cientficas.

Aos profissionais da PerkinElmer, pelas parcerias e colaboraes. Agradeo

aos convites e oportunidades de palestrar em workshops e encontros de usurios.

Obrigado tambm pela oportunidade e auxlio para realizao do treinamento na

Inglaterra.

Embu Cientfica / Acatec, pela oportunidade de atuar como consultor em

quimiometria aplicada, atravs de regime de dedicao parcial. Obrigado Sr.

Affonso Aquino e Felipe Aquino pela oportunidade de conhecer os maiores

centros de pesquisa do nosso pas atravs deste trabalho. Obrigado tambm pelo

suporte em treinamentos na Umetrics, Estados Unidos. Vocs so exemplos de

viso e empreendedorismo no desenvolvimento tecnolgico do nosso pas!

Ao Centro de Ps-Graduao das Faculdades Oswaldo Cruz, pela

oportunidade de lecionar a disciplina de Quimiometria no Curso de Anlise

Instrumental Avanada.

Souza Cruz S.A., pela flexibilidade e incentivo para a elaborao da etapa final

do meu doutorado. Meus sinceros agradecimentos ao Jos Roberto Pereira da

Silva e ao Marcos Vinicius Gama Pereira pela oportunidade de atuar na fronteira

do conhecimento analtico provendo recursos e apoio para a realizao do meu

trabalho e finalizao desta tese. Obrigado aos colegas Lothar Bergter, Waldenir

Farias Braga, Nadir Hermes, Fernando Henrique Rosa pelo incentivo na

concluso desta tese. Muito obrigado equipe do Laboratrio de Qumica

Aplicada: Fernando Fontanive, Priscila Possamai, Liane Bokowski e ngela

Jandrey. Valeu a torcida!

xiii

A TODA MINHA FAMLIA que sempre foi a base da minha vida e fonte de

inspirao. A ela, ofereo o meu esforo, minha dedicao e meu sucesso!

minha av, Sueli Lia Post, pela dedicao, motivao, contribuio e,

sobretudo, pela grande torcida. Ao meu av, Frederico Post, que no pode

esperar a minha defesa e partiu semanas antes de saber da minha volta ao Rio

Grande do Sul. Um dia, quem sabe, terei muitas novidades para te contar!!!

Ao meu irmo, Gustavo Post Sabin, por tudo que representou na minha vida,

sendo sempre um exemplo de dedicao, competncia e luta na busca pelos seus

ideais. Valeu professor!

Agradeo minha me, Juara Post Sabin, pelo carinho, ateno e dedicao.

Obrigado pela sua ajuda, e pelo papel de me e pai que voc assumiu. A minha

vitria tua tambm, te amo!

Ao meu pai, Ernani Maydana Sabin, que foi um exemplo de idealismo, carter,

competncia e dedicao. Pelo seu amor vida e famlia e por todos os seus

ensinamentos. A sua luta no foi em vo!

minha filha, Renata Rodrigues da Rosa, por toda sua preocupao, por seu

carinho nos momentos difceis, pela sua compreenso e sacrifcio nas minhas

escolhas e por compreender que s vezes precisamos ter pacincia para obter

sucesso. Obrigado, te amo!

minha esposa, Janice Magalhes Rodrigues, que sempre acreditou em mim e

lutou ao meu lado, me dando fora e incentivo para seguir em frente. A todas as

dificuldades e expectativas que pude compartilhar contigo e principalmente pelo

teu amor, parceria e compreenso. Voc sempre foi a mulher perfeita em todos os

momentos. Eu no conseguiria nada sem a tua ajuda, te amo!

xv

SMULA CURRICULAR

1- Dados pessoais

Estado Civil: Unio Estvel;

Nacionalidade: Brasileiro;

Data de nascimento: 19/04/1977;

E-mail: [email protected]

Currculo Lattes: http://lattes.cnpq.br/9584193081809850

2- Formao Acadmica

Doutorado em Cincias / Qumica Analtica

UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas. 3/2009 3/2013.

Tese: Estratgias quimiomtricas aplicadas ao estudo de imagens qumicas:

novas possibilidades para caracterizao de produtos e processos farmacuticos.

Orientador: Prof. Dr. Ronei Jesus Poppi.

Bolsista: CAPES.

Estgio sanduche: Universidad Nacional de Rosario - Argentina.

Supervisor: Prof. Dr. Alejandro Csar Olivieri.

Histrico: Qumiometria em Qumica Analtica: (A); Fundamentos de Qumica

Analtica: (B).

Mestrado em Qumica / Qumica Analtica

UFSM - Universidade Federal de Santa Maria. 8/2004 - 9/2007.

Dissertao: Desenvolvimento e validao de mtodo utilizando SPE e GC-MS

para a determinao multirresduo de pesticidas em gua potvel.

Orientadores: Prof. Dr. Renato Zanella e Profa. Dra. Martha Bohrer Adaime

Histrico: Mtodos Instrumentais em Qumica Analtica: (A); Qumica Analtica

Avanada: (A-); Anlise de Resduos de Pesticidas: (A); Cromatografia Aplicada:

(A-); Seminrios em Qumica: (B+).

mailto:[email protected]

xvi

Qumica Industrial / Fsico-Qumica

UNISC - Universidade de Santa Cruz do Sul. 3/1995; 03/1997 - 12/2001.

Monografia: Determinao de parmetros fsico-qumicos de fenis e cidos

saliclicos p-substitudos e 2-(2hidroxifenil)benzoxazolas 5-substitudas, para

estudo de correlao quantitativa estrutura-atividade.

Orientadores: Prof. Dr. Valeriano Antnio Corbellini e Prof. Dr. Marco Flres

Ferro.

Mdia final das disciplinas: 9,0.

Bolsas de iniciao cientfica:

PIBIC/CNPq e PUIC - Produtos Naturais (2,5 anos).

PUIC - Biotransformao (1 ano).

3- Experincia Profissional

Philip Morris Brasil Indstria e Comrcio Ltda. 2002 - 2009.

Tcnico de Auditoria da Qualidade Snior

Principais atividades: Atuei como signatrio do Laboratrio Central de Auditoria da

Qualidade da Philip Morris Brasil e respondi tecnicamente ISO 17025. Principais

responsabilidades: sistema da qualidade, superviso de resultados, validao de

mtodos fsicos e qumicos, organizao de ensaios interlaboratoriais para

Amrica Latina, desenvolvimento de mtodos para estudos especiais e projetos

globais da Philip Morris Internacional (PMI), capacitao de pessoal e suporte

analtico. Outras atividades: comit de produtos qumicos, assuntos regulatrios

(ANVISA), traduo de mtodos da PMI, comisso da ABNT para tradues de

normas tcnicas.

Centro de Ps-Graduao das Faculdades Oswaldo Cruz. 2011.

Professor

Lecionei a disciplina de Quimiometria em nvel de ps-graduao do curso de

Anlise Instrumental Avanada. Contedos desenvolvidos: anlise exploratria,

mtodos de classificao, calibrao multivariada e tpicos especiais (seleo de

xvii

variveis, anlise de imagens, resoluo de curvas, etc.). Orientei a aluna Lerys

Fernanda G. Freitas no seu trabalho de concluso de ps-graduao.

Embu Cientfica. 2011 - 2012.

Consultor em Quimiometria

Trabalhei como consultor para projetos da Umetrics no Brasil. A Umetrics foi

fundada pelo cientista sueco Svante Wold, criador do termo chemometrics, e

lder mundial de mercado na rea de quimiometria. Principais atividades: promover

reunies tcnicas com o intuito de informar e/ou estudar a viabilidade de projetos

com a Umetrics. As atividades foram realizadas em grandes centros de pesquisas

como: LNLS, CTBE, CTI, CTC, USP, UNICAMP, UFRGS, UFPE, entre outros.

Principais temas: planejamento experimental, otimizao de processos e anlise

multivariada de dados. Os trabalhos foram direcionados para desenvolvimento de

processos industriais no mercado nacional e pesquisa aplicada.

Especialista em Pesquisa Analtica II

Souza Cruz S.A. 2012 - atual.

Principais atividades: Coordenao do Laboratrio de Qumica Aplicada para

desenvolvimento de novas estratgias analticas e quimiomtricas ao Global Leaf

Research da British American Tobacco BAT. Suporte cientfico rea de

Servios Analticos do Product Centre Americas da Souza Cruz. Interaes com

grandes centros de excelncia como, Max Plank Institute.

4- Produo bibliogrfica (2009 2013)

Artigos publicados em peridicos

1. GP Sabin, OD Prestes, MB Adaime, R Zanella. Multiresidue

determination of pesticides in drinking water by gas chromatography-

mass spectrometry after solid-phase extraction. J Braz Chem Soc 20 (5)

918-925, 2009.

http://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:u5HHmVD_uO8Chttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:u5HHmVD_uO8Chttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:u5HHmVD_uO8C

xviii

2. GP Sabin, OD Prestes, ML Martins, MB Adaime, R Zanella. Analytical

response enhancement through the optimization of the splitless

injection system in gas chromatography by employing the ideal gas

law. Quim Nova 34 (3) 414-418, 2011.

3. WFC Rocha, GP Sabin, PH Maro, RJ Poppi. Quantitative analysis of

piroxicam polymorphs pharmaceutical mixtures by hyperspectral

imaging and chemometrics. Chemometr Intell Lab Syst 106 (2) 198-204,

2011.

4. GP Sabin, MC Breitkreitz, AM de Souza, P da Fonseca, L Calefe, M Moffa,

RJ Poppi. Analysis of pharmaceutical pellets: An approach using near-

infrared chemical imaging. Anal Chim Acta 706 (1), 113-119, 2011.

5. GP Sabin, WF de Carvalho Rocha, RJ Poppi. Study of the similarity

between distribution maps of concentration in near-infrared

spectroscopy chemical imaging obtained by different multivariate

calibration approaches. Microchem J 99 (2), 542-547, 2011.

6. GP Sabin, AM de Souza, MC Breitkreitz, RJ Poppi. Desenvolvimento de

um algoritmo para identificao e correo de spikes em

espectroscopia Raman de imagem. Quim Nova 35 (3), 612-615, 2012.

7. RS Ortiz, KC Mariotti, NV Schwab, GP Sabin, WFC Rocha, EVR de Castro,

RP Limberger, P Mayorga, MI Bueno, W Romo. Fingerprinting of

Sildenafil Citrate and Tadalafil Tablets in Pharmaceutical Formulations

via X-Ray Fluorescence Spectrometry (XRF). J Pharm Biomed Anal, 58

(1), 7-11, 2012.

8. MC Breitkreitz, GP Sabin, G Polla, RJ Poppi. Characterization of semi-

solid Self-Emulsifying Drug Delivery Systems (SEDDS) of Atorvastatin

calcium by Raman Image Spectroscopy and Chemometrics. J Pharm

Biomed Anal, 73 (1), 3-12, 2013.

9. LW Hantao, HG Aleme, MP Pedroso, GP Sabin, RJ Poppi, F Augusto.

Multivariate curve resolution combined with gas chromatography to

enhance analytical separation in complex samples: A review. Anal

Chim Acta, 731 (6), 11-23, 2012.

http://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:zYLM7Y9cAGgChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:zYLM7Y9cAGgChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:zYLM7Y9cAGgChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:zYLM7Y9cAGgChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:u-x6o8ySG0sChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:u-x6o8ySG0sChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:u-x6o8ySG0sChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:Y0pCki6q_DkChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:Y0pCki6q_DkChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:UeHWp8X0CEIChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:UeHWp8X0CEIChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:UeHWp8X0CEIChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:UeHWp8X0CEIChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:Tyk-4Ss8FVUChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:Tyk-4Ss8FVUChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:Tyk-4Ss8FVUChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:2osOgNQ5qMEChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:2osOgNQ5qMEChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:2osOgNQ5qMEChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:d1gkVwhDpl0Chttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:d1gkVwhDpl0Chttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:d1gkVwhDpl0Chttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:qjMakFHDy7sChttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:qjMakFHDy7sC

xix

10. LF Marcellos, AF Faria, MVN de Souza, MR Almeida, GP Sabin, RJ Poppi,

MAL de Oliveira. Simultaneous analysis of first-line anti-tuberculosis

drugs in tablets by UV spectrophotometry compared to capillary zone

electrophoresis. Cent Eur J Chem, 10, 1808-1816, 2012.

Resumos expandidos publicados em anais de congressos

1 WFC ROCHA, GP SABIN, PH MARO, RJ POPPI. Quantitative analysis

of Piroxicam polymorphs pharmaceutical mixtures by hyperspectral

imaging and chemometrics. Congrs Chimiomtrie, 2009, Paris. Trabalho

premiado: "Best Poster Award",

2 GP SABIN, WFC ROCHA, RJ POPPI. Calculation of the similarity

between images using fast NIR-CI and chemometrics: application to

carbamazepine drug. In: VII Colloquium Chemiometrium Mediterraneum,

poster presentation, 2010, Granada.

Resumos publicados em anais de congressos

1. GP SABIN, RJ POPPI. Image spectroscopy in near infrared region and

chemometrics: a powerfull tool for carbamazepine tablets analysis, 7th

International Congress of Pharmaceutical Sciences, sesso de pster,

2009, Ribeiro Preto.

2. GP SABIN, RJ POPPI. Espectroscopia de Imagem e calibrao

multivariada de dados hiperespectrais para mapeamento de frmacos,

15 Encontro Nacional de Qumica Analtica, sesso de pster, 2009,

Salvador.

3. GP SABIN, RJ POPPI. Resoluo multivariada de curvas: aplicao em

espectroscopia de imagens hiperespectrais, 15 Encontro Nacional de

Qumica Analtica, sesso pster, 2009, Salvador.

4. GP SABIN, MC BREITKREITZ, AM SOUZA, RJ POPPI. Analysis of

pharmaceutical pellets: an approach using near-infrared chemical

http://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:YsMSGLbcyi4Chttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:YsMSGLbcyi4Chttp://scholar.google.com.br/citations?view_op=view_citation&hl=pt-BR&user=kfyXslQAAAAJ&sortby=pubdate&citation_for_view=kfyXslQAAAAJ:YsMSGLbcyi4Chttp://lattes.cnpq.br/1030306192969513http://lattes.cnpq.br/1030306192969513

xx

imaging. In: 12th International Conference on Chemometrics in Analytical

Chemistry, poster presentation, 2010, Antwerp.

5. GP SABIN, VA LOZANO, WFC ROCHA, W ROMO, RJ POPPI. Study of

the distribution profile of sildenafil citrate in differents pharmaceutical

formulations using image spectroscopy and chemometrics: a

characterization approach. In: 12th International Conference on

Chemometrics in Analytical Chemistry, poster presentation, 2010, Antwerp.

6. GP SABIN, LAF GODOY, PH MARO; F AUGUSTO, RJ POPPI. An

alternative algorithm for alignment of two-dimensional comprehensive

gas chromatography. In: 12th International Conference on Chemometrics

in Analytical Chemistry, poster presentation, 2010, Antwerp.

7. WFC ROCHA, GP SABIN, RJ POPPI. Image spectroscopy in near-

infrared region and chemometrics methods for validation of models of

multivariate calibration for the study of polymorphism in

pharmaceutical formulation. In: 12th International Conference on

Chemometrics in Analytical Chemistry, poster presentation, 2010, Antwerp.

8. GP SABIN; RJ POPPI. Mtodo rpido para obteno do mapa de

distribuio de princpio ativo em medicamento utilizando

espectroscopia de imagem e CLS, sesso de pster, 33 Reunio Anual

da Sociedade Brasileira de Qumica, 2010, guas de Lindia.

9. WFC ROCHA, GP SABIN, RJ POPPI. Microespectroscopia no

infravermelho prximo: uma poderosa ferramenta para anlise de

polimrficos na indstria farmacutica, sesso de pster, 33 Reunio

Anual da Sociedade Brasileira de Qumica, 2010, guas de Lindia.

10. M BAPTISTO, GP SABIN; RJ POPPI. Utilizao de histogramas de

imagens espectroscpicas no estudo de homogeneizao de

comprimidos de carbamazepina, sesso de pster, 34a Reunio Anual

da Sociedade Brasileira de Qumica, 2011, Florianpolis.

11. GP SABIN; PH MARO, F AUGUSTO, RJ POPPI. Desenvolvimento de

um algoritmo para correo de dados instrumentais: aplicao em

xxi

alinhamento de cromatogramas, sesso de pster, 34a Reunio Anual da

Sociedade Brasileira de Qumica, 2011, Florianpolis.

12. GP SABIN; AM SOUZA; BREITKREITZ, M. C.; RJ POPPI.

Desenvolvimento de um algoritmo para identificao e correo de

spikes em espectroscopia Raman de Imagem, sesso de pster, 34a

Reunio Anual da Sociedade Brasileira de Qumica, 2011, Florianpolis.

13. MC BREITKREITZ, AM SOUZA, GP SABIN; RJ POPPI. Espectroscopia

Raman de Imagem para avaliao de homogeneidade em formulaes

de Gelucire 44/14 e Vitamina E, sesso de pster, 34a Reunio Anual da

Sociedade Brasileira de Qumica, 2011, Florianpolis.

14. AM SOUZA; MC BREITKREITZ, GP SABIN, P FONSECA, L CALEFE, M

MOFFA, RJ POPPI. Espectroscopia Raman de imagem e Mnimos

Quadrados Clssicos (CLS) para caracterizao de pellets de

diclofenaco de sdio, sesso de pster, 34a Reunio Anual da Sociedade

Brasileira de Qumica, 2011, Florianpolis.

15. LF MARCELLOS, AF FARIA, MVN SOUZA, MR ALMEIDA, GP SABIN, RJ

POPPI, MAL OLIVEIRA. Simultaneous analysis of 4-FDC anti-

tuberculosis drugs in tablets by UV spectrophotometry using

chemometric approaching, 13th International Conference on

Chemometrics in Analytical Chemistry, poster presentation, 2012, Budapest.

16. GP SABIN, RJ POPPI, AC OLIVIERI. Application of ant colony

optimiztion for selection of variables in second order data, 13th

International Conference on Chemometrics in Analytical Chemistry, poster

presentation, 2012, Budapest.

17. JC HASHOMOTO, GP SABIN, CA BALLUS, JA LIMA-PALLONE, P

EFRAIM, RJ POPPI. Feasibility of the determination of cocoa solids

content in chocolate by ner-infrared spectroscopy, 13th International

Conference on Chemometrics in Analytical Chemistry, poster presentation,

2012, Budapest.

xxii

Softwares sem registro ou patente

1 GP SABIN. Algoritmo para alinhamento de matriz: aplicao

cromatograma bidimensional. Linguagem Matlab, 2010.

2 GP SABIN. Algoritmo para correo de spikes em espectroscopia

Raman de Imagem. Linguagem Matlab, 2011.

3 GP SABIN. Algoritmo para alinhamento de matriz: aplicao

superfcie bidimensional tempo de reteno x massa/carga. Linguagem

Matlab, 2013.

Sesses coordenadas, seminrios, palestras ou workshops

1 GP SABIN, RJ POPPI. Espectroscopia de Imagem e calibrao

multivariada de dados hiperespectrais para mapeamento de frmacos,

15 Encontro Nacional de Qumica Analtica, sesso coordenada, 2009,

Salvador.

2 GP SABIN. Aplicaes da Espectroscopia de imagem na regio do NIR

no controle de qualidade de frmacos, I Encontro de IR, 2010,

PerkinElmer, So Paulo.

3 GP SABIN. Aplicaes da Espectroscopia de Imagem na regio do NIR,

Workshop PerkinElmer sobre NIR aplicado ao Agronegcio, 2010,

Embrapa, So Carlos.

4 GP SABIN. Espectroscopia de imagem na regio do NIR - princpios e

aplicaes, 2010, TP 293 - Anlise de Alimentos por Espectrometria,

Programa de Ps-Graduao em Cincia de Alimentos, Unicamp,

Campinas.

5 GP SABIN, RJ POPPI. Mtodo rpido para obteno do mapa de

distribuio de princpio ativo em medicamento utilizando

espectroscopia de imagem e CLS, sesso coordenada, 33 Reunio

Anual da Sociedade Brasileira de Qumica, 2010, guas de Lindia.

xxiii

Destaques e prmios recebidos

2012 - Maior produtividade cientfica no Product Centre Americas / Souza

Cruz S.A. / British American Tobacco. Categoria: Profissionais. Meno

Honrosa. Souza Cruz S.A.

2009 - Best Poster Award. Congrs Chimiomtrie 2009 (Paris). Prmio de

300 euros da CCCTA e uma licena do software "The Unscrambler" da CAMO.

2003 - Destaque em Cincia e Tecnologia. Cmara Municipal de Vereadores

de Santa Cruz do Sul. Placa e Meno Honrosa.

2001 - Exames Nacional de Cursos 1 Lugar da Instituio, conceito A.

2001 - XIV Jornada Brasileira de Iniciao Cientifica em Qumica 1

Lugar, Associao Brasileira de Qumica ABQ. "Uso da anlise exploratria

(PCA/PLS) de dados dos solos da Bacia do Arroio Joo Dias, Minas do

Camaqu, RS, visando a prospeco de cobre.

2001 - Prmio Talento Universitrio 2 Lugar. Meno Honrosa e 2.500

reais. "Biotransformao da (S)-(+)-Carvona por Aspergillus niger: Aplicao

da Biotecnologia a Agroindstria leo Qumica.

xxv

RESUMO

Estratgias quimiomtricas aplicadas ao estudo de imagens qumicas: novas

possibilidades para caracterizao de produtos e processos farmacuticos.

A indstria farmacutica est em constante busca por novas tecnologias analticas

capazes de fornecer informaes relevantes sobre produtos e processos

industriais. Esta tese sugere novas possibilidades no estudo de medicamentos

atravs de imagens qumicas obtidas por microespectroscopia na regio do

infravermelho prximo e as seguintes ferramentas quimiomtricas: MLR, CLS,

MCR e PLS. Os trabalhos esto divididos em quatro tpicos e contribuem para o

avano analtico neste campo de conhecimento. Na primeira aplicao, foi

realizado um estudo da similaridade entre imagens obtidas por tcnicas

quimiomtricas distintas. O trabalho mostra como estimar limites de confiabilidade

para a concentrao por pixel de imagem. Assim, foi possvel diminuir o tempo de

aquisio de imagens mantendo a confiabilidade analtica no estudo de

comprimidos de carbamazepina. O segundo estudo mostra uma aplicao onde a

vantagem de segunda ordem foi requerida. Este estudo traz uma abordagem nova

sobre o reconhecimento de padres de imagem na caracterizao de produtos

farmacuticos. Na terceira aplicao, o objetivo foi acompanhar o desenvolvimento

industrial de um produto farmacutico com baixo teor de ativo, auxiliando no

processo de deciso em termos de micro-homogeneidade da formulao. O

estudo mostrou que a concentrao local pode ser explorada como vantagem

analtica. Na quarta aplicao, foi abordado pela primeira vez na literatura, o

estudo da estrutura de pellets farmacuticos atravs de informaes qumicas

obtidas por espectroscopia de imagem qumica na regio do infravermelho

prximo. Este trabalho abre alternativas para o estudo de medicamentos de

entrega controlada.

xxvii

ABSTRACT

Chemometric strategies applied to the study of chemical imaging: new possibilities

for the characterization of pharmaceutical products and processes.

The pharmaceutical industry is constantly searching for new analytical

technologies capable of providing relevant information about products and

industrial processes. This thesis suggests new possibilities in the study of drugs by

using chemical images obtained by microspectroscopy in the near infrared region

and the following chemometric tools: MLR, CLS, MCR e PLS. The work is divided

into four topics and it contributes to the advancement in the field of analytical

knowledge. In the first application, a study was performed about the similarity

between images obtained by different chemometric techniques. The work

demonstrates how to estimate concentration reliability limits per image pixel. Thus,

it was possible to shorten the time of image acquisition while maintaining analytical

reliability in the study of carbamazepine tablets. The second study presents an

application where the advantage of the second order was required. This study

presents a new approach to the recognition of image patterns in the

characterization of pharmaceuticals. In the third application, the aim was to follow

the industrial development of a pharmaceutical product with a low active content,

assisting in the decision about the process in terms of micro-homogeneity of the

formulation. The study showed that the local concentration can be exploited for

analytical advantage. In the fourth application, addressed in a publication for the

first time, is the study of the structure of pharmaceutical pellets through chemical

information obtained by near infrared chemical imaging. This work opens up

alternatives for the study of controlled delivery drugs.

xxviii

xxix

NDICE

LISTAS DE ABREVIATURAS xxxi

LISTA DE FIGURAS xxxiii

LISTA DE TABELAS xxxvii

PREFCIO 1

OBJETIVOS 3

CAPTULO 1 INTRODUO ESPECTROSCOPIA DE IMAGENS

QUMICAS POR INFRAVERMELHO PRXIMO E QUIMIOMETRIA

5

1.1 Aplicaes analticas de imagens hiperespectrais 7

1.2 Espectroscopia vibracional 9

1.3 Espectroscopia de imagem 10

1.4 Novas oportunidades em anlise de medicamentos 11

1.5 Ferramentas quimiomtricas 13

1.6 Referncias Bibliogrficas 17

CAPTULO 2 - ESTUDO DA SIMILARIDADE ENTRE MAPAS DE

DISTRIBUIO DE CONCENTRAES OBTIDOS POR NIR-CI:

AVALIAO DE DIFERENTES ABORDAGENS QUIMIOMTRICAS

EM COMPRIMIDOS DE CARBAMAZEPINA.

21

2.1 Introduo 23

2.2 Parte experimental 25

2.3 Resultados e discusses 30

2.4 Concluses 36


CAPTULO 3 - ESTUDO DO PERFIL DE DISTRIBUIO DO

CITRATO DE SILDENAFILA EM DIFERENTES FORMULAES

FARMACUTICAS UTILIZANDO ESPECTROSCOPIA DE IMAGEM

E QUIMIOMETRIA: UMA ABORDAGEM SOBRE A

CARACTERIZAO DE PRODUTOS.

39

3.1 Introduo 41


xxx


3.4 Concluses 54


CAPTULO 4 - ESPECTROSCOPIA DE IMAGEM QUMICA NA

REGIO DO INFRAVERMELHO PRXIMO E QUIMIOMETRIA:

ESTUDO DA MICRO-HOMOGENEIDADE DE PRODUTOS

FARMACUTICOS COM BAIXO TEOR DE INGREDIENTE ATIVO.

59

4.1 Introduo 61



4.4 Concluses 72


CAPTULO 5 - ANLISES DE PELLETS FARMACUTICOS: UMA

ABORDAGEM UTILIZANDO ESPECTROSCOPIA DE IMAGEM

QUMICA NA REGIO DO INFRAVERMELHO PRXIMO.

75

5.1 Introduo 77



5.4 Concluses 92


CONSIDERAES FINAIS 97

xxxi

LISTA DE ABREVIATURAS

ALS - Alternating Least Squares

ATR - Attenuated Total Reflectance

CLS - Classical Least Squares

FDA - U. S. Food and Drug Administration

FIR - Far Infrared

FT - Fourier Transform

GA - Genetic Algorithm

GMPc - cyclic Guanosine MonoPhosphate

HCA - Hierarchical Cluster Analysis

HPLC - High-performance liquid chromatography

MCR - Multivariate Curve Resolution

MCT - Mercury Cadmium Telluride

MIR - Mid Infrared

MLR - Multiple linear regression

MSC - Multiplicative Scatter Correction

NASA - National Aeronautics and Space Administration

NIPALS - Non-linear Iterative Partial Least Squares

NIR - Near Infrared

NIR-CI - Near Infrared Chemical Imaging

NIRS - Near Infrared Spectroscopy

PASG - Pharmaceutical Analytical Sciences Group

PAT - Process analytical technology

PCA - Principal Component Analysis

PED5 - PhosphodiEsterase type 5

pH - potencial Hidrogeninico

PLS - Partial Least Squares

PLS-DA - Partial Least Squares- Discriminant Analysis

QbD - Quality by Design

RMSEP - Root Mean Square Error of Prediction

xxxii

ROI - Region of Interest

SEM - Scanning Electron Microscopy

SNV - Standard Normal Variate

USP - United States Pharmacopeia

xxxiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Aplicaes analticas de imagens hiperespectrais. 8

Figura 2 Representao de imagem hiperespectral 10

Figura 3 Estratgia analtica na obteno de imagens qumicas. 29

Figura 4 Espectros puros dos compostos da formulao. As linhas

tracejadas na vertical correspondem aos nmeros de ondas

selecionados por GA para MLR.

30

Figura 5 Mapas de distribuio de concentraes de carbamazepina

por diferentes algoritmos. A) 61% (m/m); B) 1% (m/m); e C)

1% (m/m) com limite de sensibilidade de 20%.

32

Figura 6 Mapas de distribuio de concentraes de celulose

microcristalina e seus respectivos histogramas. A) imagens

de celulose com 17% (m/m); B) histogramas de frequncia de

concentraes.

33

Figura 7 Relao entre o nmero de varreduras e a variabilidade da

imagem por MLR.

34

Figura 8 Mapas de distribuio para todos os compostos. 35

Figura 9 Micrografias obtidas por Microscopia Eletrnica de Varredura

dos compostos puros.

36

Figura 10 Estratgia de obteno de imagens qumicas do citrato de

sildenafila por MCR-ALS.

46

Figura 11 Sobreposio dos espectros pr-processados de citrato de

sildenafila: padro (pontilhado) e optimizado por MCR-ALS

(linha slida). Formulaes dos produtos de A at F.

48

Figura 12 Mapas de distribuio de concentraes de citrato de

sildenafila obtidos por MCR-ALS. Produtos de A at F em

replicatas.

50

xxxiv

Figura 13 Histogramas do perfil de distribuio de citrato de sildenafila.

Produtos de A at F em replicatas.

51

Figura 14 Histogramas de distribuio de frequncia de pixels por

faixas de concentrao normalizada. Produtos de A at F em

replicatas.

53

Figura 15 Imagem qumica pela aboddagem CLS. A, B e C

representam os componentes qumicos da amostra. As cores

representam informaes qumicas resolvidas.

66

Figura 16 Imagem em % de reflectncia mdia por pixel. 67

Figura 17 Sequncia de pr-processamentos. A) espectros brutos; B)

espectros da regio de interesse; C) espectros em

absorbnica e suavizados; D) espectros normalizados (SNV).

68

Figura 18 Sobreposio dos espectros puros de compostos presentes

no comprimido.

69

Figura 19 Mapas de distribuio de concentraes dos compostos

presentes na amostra.

70

Figura 20 Imagens qumicas de carbegolina em diferentes processos

de homogeneizao. Processos nas linhas e replicatas nas

colunas.

71

Figura 21 Abordagem por CLS para anlise de pellets. 84

Figura 22 Microscopia Eletrnica de Varredura. A) Imagem do corte

transversal de um pellet farmacutico; e B) Aumento da

imagem para observao das camadas.

86

Figura 23 Pr-processamento dos dados espectrais. A) espectros

brutos; B) seleo da regio de interesse (ROI); C) logaritmo

inverso dos valores de reflectncia; D) Normalizao por

SNV.

87

Figura 24 Espectros NIR dos componentes puros. 88

xxxv

Figura 25 Imagens qumicas do pellet. (A) copolmero metacrilato

(camada externa): (B) de polivinilpirrolidona (camada

interna), (C) soma das duas camadas, D) croscarmelose de

sdio; (E) diclofenaco de sdio, (F) carboximetilcelulose, (G)

manitol, (H) polietilenoglicol 4000, (I) soma dos compostos do

ncleo.

89

Figura 26 Histogramas das imagens qumicas. (A) copolmero

metacrilato (camada externa): (B) de polivinilpirrolidona

(camada interna), (C) soma das duas camadas, D)

croscarmelose de sdio; (E) diclofenaco de sdio, (F)

carboximetilcelulose, (G) manitol, (H) polietilenoglicol 4000,

(I) soma dos compostos do ncleo.

90

Figura 27 Avaliao das previses do CLS. A) concentraes totais da

imagem; B) histograma das concentraes totais da imagem.

91

xxxvii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Valores de RMSEP em % (m/m) 31

1

PREFCIO

Nesta tese de doutorado, sero apresentados quatro estudos empregando

espectroscopia na regio do infravermelho prximo e abordagens quimiomtricas

para obteno e anlise de imagens qumicas. No captulo 1 est apresentada

uma introduo sobre a espectroscopia no infravermelho prximo e dos mtodos

quimiomtricos utilizados.

Os temas foram escolhidos de forma a contriburem para avanos em

estudos de imagens qumicas, mostrando novas possibilidades em abordagens

quimiomtricas, reconhecimento de padres em imagens, diagnsticos para

desenvolvimento de processos, alm de uma aplicao indita para o estudo de

pellets projetados para liberao controlada de ingrediente ativo.

Na primeira aplicao foi realizado um estudo de similaridade entre mapas

de distribuio de concentraes obtidos por tcnicas quimiomtricas distintas,

com a finalidade de assegurar imagens confiveis. Para tal, foi proposta uma

metodologia para estimar o limite prtico de confiana para a concentrao de

compostos prevista nos pixels. Com isso, foi possvel diminuir significativamente o

tempo de aquisio de imagens, mantendo a confiabilidade. Atravs das imagens

obtidas, a distribuio de compostos presentes na superfcie de comprimidos de

carbamazepina foi estudada. Esta aplicao est descrita no captulo 2 desta tese.

O segundo estudo mostra uma aplicao onde a vantagem de segunda

ordem foi requerida. A escolha da ferramenta quimiomtrica foi realizada com

base nas informaes incompletas sobre a composio da amostra,

impossibilitando a construo de modelos de regresso de primeira ordem. Este

estudo traz uma abordagem nova sobre o reconhecimento de padres de imagens

em produtos de origem farmacutica, o que pode ser til para a caracterizao de

produtos ilegais. O captulo 3 apresenta essa aplicao.

No terceiro trabalho, apresentado no captulo 4, foram estudados diversos

comprimidos de diferentes lotes de medicamento produzidos na indstria

2

farmacutica. O objetivo foi acompanhar o desenvolvimento de um produto

farmacutico com baixo teor de ativo, auxiliando no processo de deciso em

termos de micro-homogeneidade. Neste estudo foi verificado que a informao

local, provinda da heterogeneidade das imagens, pode ser explorada como

vantagem analtica para melhorar a deteco de informaes em baixas

concentraes.

Na quarta aplicao foi realizado o estudo da estrutura de pellets

farmacuticos atravs de informaes qumicas obtidas por espectroscopia de

imagem qumica na regio do infravermelho prximo. Este trabalho abre

alternativas para o estudo de micro-homogeneidade ou ainda para avaliao do

processo de ganho de camadas em recobrimentos de pellets. Esta ltima

aplicao est descrita no captulo 5 desta tese.

Por fim, so apresentadas as consideraes finais envolvendo algumas

perspectivas futuras no estudo de imagens qumicas e quimiometria.

3

OBJETIVOS

Este trabalho tem por objetivo desenvolver estratgias quimiomtricas para

obteno de informaes de imagens a partir de dados espectrais obtidos por

microespectroscopia de mapeamento na regio do infravermelho prximo. Os

estudos foram direcionados para amostras slidas de medicamentos.

5

CAPTULO 1

INTRODUO ESPECTROSCOPIA DE IMAGENS QUMICAS POR

INFRAVERMELHO PRXIMO E QUIMIOMETRIA

7

1.1 Aplicaes analticas de imagens hiperespectrais

No incio, era somente luz. Ento, em 1666, Isaac Newton demonstrou que a

luz natural poderia ser decomposta num espectro de cores visveis. Mais tarde,

no comeo do sculo XIX, William Herschel, estudando as relaes entre

temperaturas e cores, sugeriu que estas propriedades no estavam restritas

regio do espectro visvel. Assim, surgiram os estudos na regio do infravermelho

prximo. Hoje, a anlise multivariada do espectro de luz a base para obteno

de informaes qumicas em espectroscopia vibracional de imagem.

As imagens hiperespectrais tiveram sua origem na Administrao Nacional

do Espao e da Aeronutica (NASA) nos Estados Unidos, na dcada de 1970.

Atualmente, as aplicaes analticas de imagens hiperespectrais abrangem vrias

reas de interesse e podem registrar informaes do macro ao micro espao

amostral. Para citar alguns exemplos, podemos estudar grandes extenses

territoriais por imagens de satlites ou de aeronaves [1], controlar a qualidade de

alimentos com cmeras adaptadas em produo [2], ou ainda, estudar estruturas

muito pequenas por meio de espectrofotmetros acoplados a microscpios [3]

com aplicaes em reas farmacuticas, forenses, de materiais, entre outras.

Em um levantamento bibliogrfico realizado na base da Web of Science, o

histrico de publicaes relacionadas s imagens hiperespectrais, cresceu muito

ao longo da primeira dcada do sculo XXI. Buscando apenas os termos

hyperspectral imaging (ou hyperspectral image) e chemical imaging (ou

chemical image) em ttulos de artigos cientficos, o nmero de publicaes nos

ltimos trs anos da pesquisa (200 artigos) de aproximadamente quatro vezes

superior se comparado ao mesmo perodo no incio da dcada. A pesquisa mostra

ainda, que aproximadamente 20% do total de publicaes esto em reas bem

mais recentes no estudo de imagens hiperespectrais, como: a qumica, a biolgica

e a farmacutica, Figura 1.

8

Figura 1 Aplicaes analticas de imagens hiperespectrais.

Pesquisa realizada na base de dados da Web of Science referente primeira

dcada deste sculo.

Dentro das principais reas de aplicaes foram realizadas buscas no banco

de dados da ScienceDirect. No total, 308 artigos foram classificados quanto s

tcnicas instrumentais utilizadas. Este levantamento foi feito de forma subjetiva,

atravs da identificao da tcnica no resumo ou na metodologia descrita em cada

artigo. No sensoriamento remoto [4-6], os equipamentos que operam na regio do

espectro visvel e infravermelho prximo so predominantes. Nos setores de

alimentos [7-8] e agrcola [9], as cmeras com arranjo de plano focal tambm

operam nesta regio espectral e, em alguns casos, uma fonte de luz ultravioleta

auxilia no estudo de compostos fluorescentes. Nas reas qumicas, biolgicas e

farmacuticas, as tcnicas de microespectroscopia vibracional utilizando as

regies do infravermelho prximo [10], infravermelho mdio [11] e espalhamento

Raman [12], so as mais utilizadas. Mais recentemente, a tcnica vibracional

Terahertz [13] de imagem surge de forma promissora, principalmente em anlise

de frmacos. No campo de estudo envolvendo materiais e cincias forenses, as

tcnicas analticas so mais diversificadas, surgindo alm das tcnicas j

mencionadas, a espectrometria de massas [14] e a deteco de raio-X em

espectroscopia eletrnica de varredura [14].

45%

20%

13%

10%

6%5%

Aplicaes de Imagens hiperespectrais

Sensoriamento remoto

Qumica, Biolgica e Farmacutica

Agrcola e Alimentos

Materiais e Forense

Informtica e Terica

Outras

9

1.2 Espectroscopia vibracional

A espectroscopia vibracional [15] abrange a regio do espectro

eletromagntico compreendida entre 13.000 cm-1 e 10 cm-1 (correspondendo aos

comprimentos de onda 0,76 m e 1000 m, respectivamente) e, como o prprio

nome indica, fornece informaes sobre os estados vibracionais de energias das

ligaes qumicas. Esta regio do espectro, chamada infravermelho, subdividida

em trs regies: infravermelho distante (FIR, situada entre: 400-10 cm-1 ou 26-

1000 m), infravermelho mdio (MIR, situada entre: 4.000-400 cm-1 ou 2,6-26 m)

e infravermelho prximo (NIR, situada entre: 13.000-4.000 cm-1 ou 0,76-2,6 m),

nomeadas assim, em relao regio do visvel.

O espectro MIR mostra as absores de energia nas frequncias

vibracionais e rotacionais especficas de conjunto de tomos que compem as

molculas. Neste espectro, as bandas de absoro so numerosas e estreitas

caracterizando transies fundamentais nestes nveis de energia e permitindo a

identificao de grupos funcionais e molculas. No entanto, devido forte

absoro, as amostras frequentemente devem ser diludas para evitar saturao

do detector ou devem-se utilizar tcnicas como reflexo total atenuada (ATR)

tornando o MIR difcil de ser aplicado em muitas situaes de anlise [15].

Por outro lado, a regio do NIR uma faixa mais estreita que o MIR. Nesta

regio espectral so registradas bandas de combinao e sobretons de transies

provenientes do MIR. Sinais mais largos e sobrepostos dificultam a clara

identificao de estruturas qumicas e o posicionamento de suas bandas

espectrais. Assim, tcnicas quimiomtricas so necessrias para extrair

informaes qualitativas e quantitativas das amostras. As anlises no NIR podem

ser no-destrutivas e, frequentemente, requerem pouco ou nenhum preparo de

amostra.

10

1.3 Espectroscopia de imagem

Na espectroscopia clssica, um espectro reflete a informao da superfcie

de uma amostra que depende do tamanho da rea da amostra atingida pela fonte

de energia. No incio da dcada de 1990, sistemas espectroscpicos de imagens

qumicas tornaram possveis aquisies de espectros bem localizados e suas

posies no espao, dando origem chamada espectroscopia de imagem [16]. A

localizao espacial de espectros identifica espcies qumicas na amostra e seu

mapa de distribuio de concentraes. Espectroscopia de imagem

essencialmente combina espectroscopia molecular e imagem digital [17]. Ela

baseia-se na medida de um espectro completo por unidade de superfcie da

amostra e equivale ao pixel da imagem qumica desta superfcie.

A representao de uma imagem hiperespectral, ou simplesmente imagem

espectral, pode ser vista na Figura 2. O cubo espectral um arranjo tridimensional

contendo informao espacial (imagem) nos eixos x e y, e informao espectral

(espectro, ou resposta multivariada) no eixo z.

Figura 2 Representao da imagem hiperespectral.

11

A tcnica de mapeamento mais utilizada at o ano 2000 era o point

mapping [18], que consiste numa espectroscopia clssica com estgio de

movimento. Nesta tcnica, cada espectro obtido individualmente reunido para a

formao da imagem. Uma evoluo deste conceito a line imaging [19], que

adquire informaes espaciais e espectrais simultaneamente, porm ainda

necessitando pr-definir posio espacial para a cobertura de toda a rea

rastreada. Nos ltimos doze anos, os detectores pticos denominados focal plane

array [20], compostos por milhares de elementos formando uma matriz de pixels,

tem aumentado sua popularidade devido a possibilidade de fornecerem milhares

de espectros (um por pixel) simultaneamente. A principal vantagem o aumento

de eficincia em relao ao tempos de obteno de imagens. Porm, apresenta

desvantagens com relao focalizao de grandes reas em superfcies

irregulares.

1.4 Novas oportunidades em anlise de medicamentos

A indstria farmacutica est em constante busca por novas tecnologias

analticas capazes de caracterizar produtos e aumentar o entendimento sobre

processos industriais. Aspectos como a velocidade em que as informaes

analticas so adquiridas tm sido cada vez mais valorizados pela indstria,

agregando um valor competitivo ao setor. De modo geral, as tcnicas

espectroscpicas tem despertado grande interesse no setor produtivo, tendo em

vista a possibilidade de fornecer informaes importantes sobre propriedades de

interesse tanto na pesquisa e desenvolvimento de produtos, quanto no

monitoramento e diagnsticos de processos. Neste sentido, a espectroscopia na

regio do infravermelho prximo (NIRS) [21] tem despertado interesse devido a

sua versatilidade na obteno de informaes fsicas e qumicas. Alm disso, a

NIRS uma tcnica rpida, limpa e que fornece informaes quantitativas de

interesse na rea farmacutica. Devido a estas caractersticas, NIRS tem estado

em lugar de destaque para programas como tecnologia analtica do processo

(PAT), que visa controlar o processo, integrando conhecimentos sobre suas

etapas, e consequentemente, diminuindo as possibilidades de no conformidades

12

nos produtos atravs de conceitos de qualidade por planejamento (Quality by

Design - QbD) [22].

Embora a espectroscopia no infravermelho prximo apresente vantagens

indiscutveis para sua aplicao na indstria farmacutica, algumas desvantagens

devem ser mencionadas. Os fenmenos nesta regio so de baixa intensidade,

limitando a utilizao da NIRS para estudos na faixa de porcentagem. Alm disso,

os espectros obtidos so de difcil interpretabilidade, j que refletem

principalmente bandas de combinaes e sobretons de informaes

qualitativamente mais bem interpretveis na regio do infravermelho mdio. Por

essa razo, a espectroscopia no infravermelho prximo est quase sempre

associada a ferramentas quimiomtricas capazes de extrair informaes, tanto

qualitativas quanto quantitativas das propriedades de interesse [23].

Em anlise quantitativa tradicional, a homogeneidade da amostra deve ser

tal que possibilite uma anlise representativa. Assim, as amostras normalmente

so gases, solues homogneas, ou ainda, amostras slidas cuidadosamente

homogeneizadas. Independente do estado fsica da mistura, o que se busca neste

tipo de abordagem so informaes globais sobre a amostra analisada, como por

exemplo, a concentrao de um analito. No entanto, em amostras heterogneas

existe a possibilidade de se caracterizar uma amostra no apenas por suas

propriedades globais, mas tambm por suas caractersticas locais [17].

Na ltima dcada, estudos empregando microespectroscopia tem sido

realizados atravs da tcnica conhecida como imagem qumica na regio do

infravermelho prximo (NIR-CI) [24]. Estes estudos tem apresentado um aumento

importante na capacidade de entendimento de diversos aspectos ligados micro-

homogeneidade de produtos farmacuticos [25].

Nos estudos de cristalizao de ingrediente ativo em creme farmacutico

[26], separao de fases em pomadas [26] ou anlise de polimorfismo em

comprimidos [27] foi possvel encontrar uma identificao visual das estruturas

obtidas por imagem qumica. No entanto, muitas vezes a imagem no pode ser

13

interpretada de forma to bvia assim. Em anlise de comprimidos, por exemplo, a

localizao da informao qumica na superfcie de uma amostra um processo

aleatrio entre replicatas. Assim, a interpretao das imagens pode ser feita

atravs da anlise de histogramas, recuperando o padro de homogeneidade.

Outras possibilidades, como a associaes entre compostos da formulao e o

padro de distribuio deixado por um processo, so caractersticas que podem

ser estudadas.

1.5 Ferramentas quimiomtricas

Regresso Linear Mltipla (MLR)

A regresso linear mltipla utilizada para modelar a relao entre duas ou

mais variveis aleatrias em funo de uma ou mais variveis dependentes

(propriedades de interesse) atravs do ajuste de uma equao linear para os

dados observados. Assim, a MLR est baseada em mnimos quadrados [28] de

acordo com as equaes 1 e 2 a seguir:

Y=XB+E (1)

B=(XTX)-1XTY (2)

onde Y a matriz de variveis dependentes, X a matriz de variveis

independentes, B a matriz de coeficientes de regresso (ou seja, parmetros do

modelo) e E a matriz residual (ou erro).

A MLR exige um nmero de variveis menor que o nmero de observaes

(idealmente 5 observaes para cada varivel x) e que as variveis tenham rank

completo, ou seja, sejam ortogonais. Para que seja possvel utilizar MLR para

modelar dados instrumentais (muitas variveis correlacionadas) necessria uma

etapa prvia de seleo de variveis. Esta seleo pode ser realizada por

experincia do qumico analtico, ou por mtodos adequados como: algoritmo

gentico, seleo por colnia de formigas, importncia da varivel na projeo,

14

razo de seletividade, incerteza de coeficientes, validao cruzada (de variveis),

etc [29-31].

Mnimos Quadrados Clssicos (CLS)

O CLS um mtodo de quantificao bem conhecido que assume que cada

medio a soma ponderada dos sinais linearmente independentes, de acordo

com a seguinte equao [32-34]:

X=CST+E (3)

onde X a matriz de resposta (dados instrumentais), C a matriz de

concentraes e S a matriz de espectros puros.

O CLS uma ferramenta simples e muito robusta desde que todos os

espectros puros que constituem a mistura sejam conhecidos. Esta caracterstica

torna-se uma abordagem muito importante para a indstria farmacutica, onde a

composio qumica dos frmacos , muitas vezes, conhecida completamente.

Desta forma, as concentraes C podem ser facilmente calculadas como segue:

C=XS+ (4)

onde S+ a pseudo-inversa de S:

S+=S

T(SS

T)-1

(5)

Apesar da baixa complexidade matemtica para obter a matriz C, o CLS

tem dois inconvenientes importantes: a) o sinal pode ser afetado por variaes

no-sistemticas que adicionam erro ao padro espectral da matriz X; b) quando

h indisponibilidade de todos os espectros puros, ou seja, a anlise de um

medicamento cuja a formulao no totalmente conhecida; c) quando as

interaes de compostos qumicos causam alteraes espectrais. Para estes

casos, outro mtodo deve ser escolhido.

15

Mnimos Quadrados Parciais (PLS)

O PLS um mtodo de regresso multivariada que no requer conhecimento

de todos os compostos presentes em uma amostra. Este mtodo apresenta a

vantagem de primeira ordem, ou seja, a capacidade de prever o vetor de

respostas y (ou matriz Y) na presena de interferentes previstos na etapa de

calibrao [35-37]. O PLS requer um conjunto de dados de calibrao composto

de vrias amostras, abrangendo uma faixa de concentrao adequada para

construir um modelo de novas previses. As matrizes X e Y so decompostas em

matrizes menores (escores e pesos) de acordo com as seguintes equaes:

X=TPT+E (6)

Y=UQT+F (7)

onde: Y a matriz de variveis dependentes (propriedades de interesse) e X a

matriz de observaes (objetos). T e U correspondem aos escores de X e Y,

respectivamente. PT e QT so os pesos (loadings) de X e Y, respectivamente. E

e F correspondem a matriz de erros de X e Y, respectivamente.

O PLS uma ferramenta muito robusta que reduz as dimenses das

variveis originais X e Y mantendo elevada a varincia explicada em um nmero

reduzido de variveis latentes. Ao mesmo tempo, maximiza a relao das matrizes

T e U de escores atravs de uma matriz B de coeficientes.

Resoluo de Curvas Multivariadas - Mnimos Quadrados Alternados (MCR-ALS)

O MCR-ALS tornou-se uma ferramenta quimiomtrica conhecida que visa

resoluo de respostas de componentes mltiplos em misturas desconhecidas, ou

seja, no resolvidas. Por um lado, a importncia da tcnica vem da grande

variedade de conjuntos de dados que podem ser analisados por mtodos de

resoluo de curvas, essencialmente, qualquer sistema multicomponente que

possa ser descrito por meio de um modelo bilinear [35- 40].

16

Para o mtodo de MCR, bem como outros mtodos de processamento de

dados com vantagem de segunda ordem, deve-se primeiro verificar duas

condies bsicas. A primeira que o sinal analtico obedea a uma relao

semelhante lei de Beer, isto , se os dados espectrais, por exemplo, tem uma

relao linear com a concentrao, igual equao 3.

A MCR-ALS uma ferramenta que deve ser inicializado por uma estimativa

inicial de C ou S e um nmero de espcies qumicas presentes na mistura.

Existem vrias formas de inicializao, incluindo espectros conhecidos, estimativa

de perfis puros, entre outros. Para informar o nmero de espcies presentes,

geralmente utiliza-se decomposio de valores singulares.

A otimizao ainda conta com uma srie de restries [41] que direcionam a

soluo do algoritmo de acordo com as informaes fornecidas, como por

exemplo: no-negatividade de espectros e/ou concentraes, balano de massa

igual a 100%, deficincia de rank, etc. Por fim, a soluo recupera as

concentraes C e os espectros dos componentes puros S para reconstruo de

X com o mnimo possvel de E.

A MCR-ALS pode ser utilizada com sucesso em situaes onde a informao

sobre o sistema parcial, ou ainda, no h possibilidade de construo de uma

curva de calibrao atravs do preparo de um conjunto de amostras, como so

observados em muitos casos de imagens qumicas. Por outro lado, preciso

eliminar as ambiguidades rotacionais do sistema bilinear, caso contrrio a

informao pode ser qualitativa ou semi-quantitativa.

Aps esta breve abordagem sobre algumas formas de tratamento de dados

fica claro que algumas abordagens so matematicamente menos complexas (ex.:

CLS) que outras (ex.: MCR-ALS). Muitas vezes, a utilizao de ferramentas

quimiomtricas diferentes fornecem resultados semelhantes e o quimiometrista

deve utilizar o princpio da parcimnia, ou seja, a preferncia pela explicao mais

simples quando os resultados so equivalentes.

17

1.6 Referncias Bibliogrficas

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CRC Press by Taylor & Francis Group, Boca Raton, FL, USA, 2008.

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21

CAPTULO 2

ESTUDO DA SIMILARIDADE ENTRE MAPAS DE DISTRIBUIO DE

CONCENTRAO OBTIDOS POR NIR-CI: AVALIAO DE

DIFERENTES ABORDAGENS QUIMIOMTRICAS EM

COMPRIMIDOS DE CARBAMAZEPINA.

23

2.1 Introduo

Espectroscopia de imagem qumica no infravermelho prximo (NIR-CI) uma

ferramenta poderosa no fornecimento de uma grande quantidade de informao

sobre amostras farmacuticas. Nesta tcnica, o espectro de infravermelho prximo

(NIR) pode ser medido em uma ampla faixa de comprimentos de onda a cada

ponto predefinido da superfcie da amostra equivalente aos pixels da imagem da

propriedade de interesse [1].

Assim, esta possibilidade de aumentar a compreenso da qualidade do

produto e/ou do processo est de acordo com a chamada Tecnologia Analtica de

Processos (PAT), uma iniciativa que visa entender o processo integrando

conhecimento sobre suas partes. Alm disso, a NIR-CI tem recebido ateno da

FDA Food and Drug Administration - dos Estados Unidos em relao a

aplicaes farmacuticas [2]. Uma das principais vantagens do NIR a

possibilidade de trabalhar com reflectncia difusa diretamente da superfcie da

amostra de uma forma rpida e no destrutiva [3].

Existem vrios mtodos que podem ser usados para prever o teor de

constituintes presentes em formulaes farmacuticas e/ou para produzir um

mapa de distribuio de concentraes, tais como: resoluo de curvas

multivariadas (MCR) [4-6], mnimos quadrados parciais (PLS) [7], regresso linear

mltipla (MLR) [8] e mnimos quadrados clssicos (CLS) [9]. Estas abordagens

diferem nos seus algoritmos, mas tem em comum a capacidade para estimar as

espcies presentes nas formulaes farmacuticas. Foram relatadas diferentes

aplicaes para o estudo de frmacos utilizando NIR-CI e mtodos quimiomtricos

[4,10-12]. Ravn et al. [2] realizou uma comparao de diferentes modelos de

calibrao multivariada, a fim de obter imagens do ingrediente ativo e de

excipientes presentes em formulaes farmacuticas por NIR-CI. Amigo e Ravn

[13] estudaram o potencial de modelos CLS e MCR para fornecer informao

quantitativa e espacial de todos os ingredientes em um comprimido composto por

5 componentes, sem o desenvolvimento de qualquer modelo prvio de calibrao.

Tambm Amigo et al. [12] compararam CLS e PLS utilizando uma biblioteca de

24

espectros de padres puros. Clarke et al. [14] relataram a utilizao de

microscopia NIR-CI para identificao de comprimidos que sofreram problemas

durante o processamento e para a investigao de pr-misturas de comprimidos

com problemas de dissoluo utilizando PCA e PLS.

Neste trabalho, o frmaco carbamazepina foi estudado por NIR-CI. A

carbamazepina um dos medicamentos antiepilpticos mais utilizados no mundo,

prescrito com sucesso para o tratamento psicomotor e crises convulsivas

complexas [15]. Produtos farmacuticos que contm a carbamazepina como

ingrediente ativo apresentam com frequncia os seguintes excipientes [16] na

formulao: celulose microcristalina, dixido de silcio, estearato de magnsio,

croscarmelose sdica e polividona. A celulose em p utilizada como diluente,

enquanto o estearato de magnsio utilizado como lubrificante. Por outro lado, a

croscarmelose sdica e o dixido de silcio coloidal so utilizados como

desintegrante. O dixido de silcio coloidal tambm utilizado como um agente

adsorvente de disperso de lquidos em ps. Em comprimidos, polividona

utilizada como aglutinante para os processos de granulao mida. Assim,

conhecer o comportamento dos excipientes e suas interaes podem trazer

informaes alm da anlise qumica convencional, ou seja, do conhecimento

exato da composio da formulao farmacutica.

H vrios trabalhos que demonstram a importncia dos estudos de

carbamazepina em formulao farmacutica. Virtanen [17] estudou a uniformidade

da mistura do p de carbamazepina por NIR. Tambm, Perissutti et al. [18]

demonstraram que a dissoluo da carbamazepina pode estar associada com a

maior superfcie de contato entre o frmaco e o meio de dissoluo. Neste sentido,

a obteno da imagem qumica de uma formulao farmacutica a base de

carbamazepina pode ser uma atividade importante na indstria farmacutica.

Embora vrias ferramentas quimiomtricas possam ser utilizadas para a

construo de modelos de calibrao, a concentrao referente a cada pixel no

conhecida a priori, uma vez que apenas o espectro mdio de uma amostra pode

ser relacionado com a concentrao formulada no comprimido. Assim, difcil de

25

verificar se o mapa de concentraes da superfcie de uma amostra confivel,

ou qual abordagem quimiomtrica gera mapas mais adequados. Uma

possibilidade de verificar esta adequao a realizao de um estudo da

semelhana entre os mapas de distribuio de concentraes (imagens qumicas)

obtidos atravs de diferentes modelos quimiomtricos. A similaridade pode ser

expressa atravs do clculo do coeficiente de correlao (r), obtido no ajuste linear

das concentraes estimadas em todos os pixels de uma imagem por dois

diferentes mtodos quimiomtricos, ou seja, a similaridade entre imagens [12].

Neste trabalho, as similaridades das imagens geradas por diferentes

abordagens quimiomtricas (MCR, MLR, CLS e PLS) foram avaliadas com o

intuito de obter um melhor diagnstico para a informao obtida. Este estudo

torna-se importante a medida que sugere como estimar nveis de concentrao

em que as imagens so confiveis. O estudo de similaridade foi aplicado a dados

adquiridos em condies instrumentais especiais visando velocidade analtica. As

imagens de todos os compostos da formulao obtidas por NIR-CI foram

comparadas com as micrografias obtidas por microscopia eletrnica de varredura

(SEM), sendo brevemente discutidas. Algumas observaes sobre a uniformidade

de mistura foram apontadas.

2.2 Parte experimental

Neste estudo, 45 comprimidos foram preparados com uma composio

variada (faixa aproximada: entre 0% e 80% em massa) dos seguintes compostos:

carbamazepina (CBZ), celulose microcristalina (CEL), croscarmelose de sdio

(CS), dixido de silcio (DS), estearato de magnsio (EM) e polividona (PVD).

Os compostos presentes em cada comprimido foram pesados

individualmente em balana analtica de preciso (0,01 mg) diretamente em

frascos mbar, sendo armazenados em dessecador. O contedo de cada frasco

(equivalente composio comercial de um comprimido, 280 mg) foi

homogeneizado em Vrtex por 2 minutos. Aps a homogeneizao, as

26

formulaes foram colocadas em pastilhador e prensadas sob uma fora de 3

toneladas/cm2 por um perodo de 10 segundos para obteno dos comprimidos.

As aquisies das imagens foram realizadas atravs do Spotlight 400N FT-

NIR Imaging da PerkinElmer. Este equipamento incorpora um detector (MCT

resfriado por nitrognio lquido) de arranjo linear (16 pixels) e permite o

mapeamento da superfcie atravs do movimento da amostra nos eixos x e y,

alm do ajuste do foco no eixo z. Os parmetros instrumentais utilizados foram:

8x8 mm (tamanho da imagem), 50 m (tamanho de pixel), 16 cm-1 (resoluo

espectral), 7800-4000 cm-1 (faixa espectral) e 2 varreduras. Esta configurao

permite rpida aquisio de dados, aproximadamente 13,6 minutos por amostra.

Para criao dos modelos, foi utilizado Matlab 7.8 e PLS toolbox 5.2.1.

Cada comprimido foi analisado em ambos os lados, aumentando a rea superficial

de amostragem (maior representatividade). Para cada imagem, um cubo de dados

tridimensional (160x160 pixels e 239 comprimentos de onda) foi obtido e

desdobrado para remoo da dimenso espacial, gerando uma matriz de dados

por amostra. Os dados originais em reflectncia (R) foram convertidos para

pseudo-absorbncia (log10 1/R) e normalizados pela variao normal padro

(SNV). Em seguida, foram obtidos os espectros mdios de 51.200 pixels (nmero

de espectros obtidos em ambos os lados do comprimido) por amostra, para

formao do conjunto de 45 espectros representativos das amostras. Diferentes

mtodos de modelagens simultneas (modelos com 6 variveis dependentes)

foram avaliados para obteno dos mapas de distribuio por compostos: mnimos

quadrados parciais (PLS), resoluo de curvas multivariadas (MCR), mnimos

quadrados clssicos (CLS) e regresso linear mltipla (MLR). Os procedimentos

utilizados nesta etapa foram: MCR - inicializao do ALS pelas concentraes do

planejamento experimental e balano de massa igual a 100%; e MLR - seleo

por algoritmo gentico: 7056, 7024, 6480, 6128, 5664, 4928, 4000 cm-1.

Os conjuntos de calibrao e validao foram selecionados pela rotina de

Kennard-Stone de planejamento. Os modelos de calibrao (conjunto de 30

amostras) foram validados (conjuntos de 15 amostras) e utilizados para obter os

27

mapas de distribuio de concentrao em 21 novas amostras. Um estudo da

similaridade entre as imagens obtidas atravs dos quatro modelos diferentes foi

realizado. Todos os comprimidos, em diferentes nveis de concentrao, foram

submetidos comparao pixel a pixel. A semelhana entre as imagens foi

expressa atravs do coeficiente de correlao (r). Esta comparao foi feita

sistematicamente, abrangendo todas as seis combinaes possveis entre os

modelos, para todos os compostos da formulao, em todos os nveis de

concentrao e em diferentes nmeros de varreduras (1, 2, 4, 8 e 16 varreduras).

Um resumo da estratgia analtica pode ser visto na Figura 3. As etapas a,

b, c, d e e indicam cronologicamente o procedimento analtico utilizado. O estudo

de similaridade foi obtido a partir das imagens na etapa e. A sequncia de eventos

est resumida nas etapas abaixo:

a) Aquisio e transformaes de imagens hiperespectrais.

A imagem obtida diretamente a partir da superfcie do comprimido, e

consiste de um hipercubo espectral dos dados brutos, em que os eixos x e y so

os coordenados espaciais, caractersticos da superfcie do frmaco e os eixos z

so os comprimentos de ondas (). Assim, para cada pixel da imagem existe um

espectro completo na terceira dimenso. No passo seguinte, para cada amostra,

os dados so desdobrados para eliminao da dimenso espacial, o que resulta

numa matriz de (xy.). A informao acerca da posio do pixel mantida nas

linhas da matriz. Com os dados desdobrados, os pr-processamentos so

efetuados e um espectro mdio da matriz obtido para representar cada amostra

nos modelos quimiomtricos.

b) Conjunto de calibrao

Nesta etapa, os cubos de dados (representando as amostras) desdobrados,

pr-processados e representados pelos espectros mdios, um para cada

comprimido, so utilizados para obter uma matriz X que est relacionada com a

concentrao C conhecida dos compostos de interesse. Esta matriz foi obtida por

planejamento experimental, onde cada amostra da formulao foi construda com

independncia dos 6 componentes da mistura.

c) Abordagens quimiomtricas

28

Todas as tcnicas quimiomtricas so utilizadas atravs de uma abordagem

de calibrao, da seguinte forma:

- CLS: iniciado com a estimativa da matriz de espectros puros S,

considerando as informao das matrizes X e C. Aps, a matriz C de uma

nova observao pode ser obtida atravs da funo de calibrao direta.

- MCR: inicializado utilizando a matriz C com restries para a otimizao

por ALS. Neste caso, C e S so otimizados para minimizar o erro na

recuperao de X. Assim, aps as matrizes C e S serem otimizadas, uma

calibrao direta realizada.

- MLR: uma calibrao inversa utilizando variveis originais. Uma vez que,

o nmero de variveis maior do que a de amostras, uma seleo de

variveis realizada utilizando algoritmo gentico (GA). Esta nova matriz X

de dimenso muito menor (n=7) pode ser utilizada para encontrar BMLR

de coeficientes.

- PLS: tambm uma calibrao inversa, porm utiliza um processo

interativo por mnimos quadrados parciais NIPALS para estimar BPLS. Desta

forma, possvel chegar a matriz C, considerando todas variveis de X.

d) Conjunto de validao

Os modelos desenvolvidos devem ser verificados por conjunto de validao

externa. Estes modelos mostram a qualidade da previso sob toda a faixa de

concentrao das amostras. Trata-se do mesmo procedimento do estgio b,

porm com amostras ausentes na etapa de calibrao e representativas de acordo

com algoritmo de Kennard-Stone.

e) Mapas de distribuio de concentraes

Na etapa de previso de imagens, os dados desdobrados e pr-processados

so submetidos aos modelos e utilizados para a previso da concentrao no

nvel do pixel. Assim, a matriz de concentraes previstas em cada pixel C

obtida para cada constituinte presente na formulao farmacutica. Finalmente, os

mapas de concentrao so obtidos atravs do rearranjo dos pixels, formando

uma imagem para cada componente na formulao farmacutica.

29

Figura 3 Estratgia analtica na obteno de imagens qumicas.

MLR1) GA2) BMLR = (X

TX)-1XTC3) C = XBMLR

PLS1) NIPALS2) BPLS = W(P

TW)-1QT

3) C = XBPLS

CLS1) S = (CTC)-1CTX2) X = CS3) C = XST(SST)-1

MCR1) ST = C+TX2) C = XS+

3) C = XST(SST)-1

ALS

c) Abordagens quimiomtricas

X

n

m

C

m

p

X

n

m

C

m

p

Matriz espectral(espectro por comprimido)

Matriz espectral(espectro por comprimido)

calibrao(nvel de amostra)

validao(nvel de amostra)

Matriz de concentrao(planejamento)

Matriz de concentrao(planejamento)

b) Conjunto de calibrao d) Conjunto de validao

x

y

.

.

.

x.y

Cubo de dados(amostra de comprimido)

Dados desdobrados(espectro por pixel)

desdobramento

Pr-processamentos

Espectro mdio por comprimido

a) Aquisio e transformao da imagem hiperespectral

x.y

C

x.y

p

reconstruo

x

y

p

Mapas de distribuio de concentrao para cada

composto

desdobramentopredio

(nvel de pixel)

Informao de concentrao

Pr-processamentos

Cubo de dados(amostra de teste)

Dados desdobrados(espectro por pixel)

e) Mapas de distribuio de concentrao (imagem qumica)

x

y

.

.

.

30

2.3 Resultados e discusses

Embora a aquisio de dados espectrais com 2 varreduras possa parecer

insuficiente para construo de modelos de quantificao, preciso observar que

os modelos so construdos com uma mdia de 51.200 pixels, o que garante um

grande nmero de varreduras no espectro mdio da amostra. Por outro lado,

neste estudo foi notado que o ponto fundamental para construo de modelos

mais robustos est relacionado com o aumento da rea amostral. Neste caso, o

espectro adquirido em uma grande rea de observao representa melhor a

composio qumica informada ao modelo, reduzindo o resduo da regresso.

A Figura 4 mostra a sobreposio dos espectros puros e as variveis

selecionadas para MLR (linhas verticais tracejadas). Foi possvel observar que a

celulose microcristalina e a croscarmelose de sdio apresentam perfis

semelhantes. Por outro lado, a carbamazepina e estearato de magnsio tm maior

seletividade espectral.

Figura 4 Espectros puros dos compostos da formulao. As linhas tracejadas na

vertical correspondem aos nmeros de ondas selecionados por GA para MLR.

31

A Tabela 1 mostra a raiz quadrada do erro quadrado mdio de previso

(RMSEP), conhecido como erro padro de previso, obtido em cada modelo para

a quantificao de todos os componentes presentes na formulao farmacutica.

Todos os modelos desenvolvidos tm erros inferiores a 2% para a quantificao

da carbamazepina (princpio ativo) e menor que 5% para a previso dos

excipientes. Os resultados foram obtidos com 2 varreduras por pixel.

Tabela 1 - Valores de RMSEP em % (m/m).

MLR CLS PLS MCR

Carbamazepina (API) 1,9 1,8 1,8 1,8

Celulose microcristalina 4,1 2,7 2,8 2,9

Croscarmelose sdica 3,6 4,0 4,4 4,6

Dixido de silcio 3,3 4,3 4,7 4,5

Estearato de magnsio 2,7 3,4 3,4 3,4

Polividona 4,2 3,9 4,2 4,1

Faixa: aproximadamente entre 0 e 80% (m/m).

Os resultados mostram RMSEP semelhantes para todos os mtodos de

calibrao. No entanto, esta abordagem s mostra a informao global sobre o

erro de previso dos mtodos quimiomtricos. Para comparar a semelhana entre

a concentrao prevista pelo modelo de calibrao nas imagens, foram

considerados os resultados previstos dos 6 compostos para 21 novas amostras

obtidas por todos os modelos sugeridos: PLS, CLS, MCR e MLR. O coeficiente de

correlao entre imagens mostra que o CLS e o MCR apresentam resultados mais

semelhantes, possivelmente porque aps o processo de otimizao por ALS, os

clculos para a calibrao direta (X=CST) so os mesmos nas duas abordagens.

Da mesma forma, o PLS proporciona resultados muito semelhantes aos modelos

CLS e MCR, provavelmente porque utilizam informaes de todas as variveis

tornando o modelo to robusto quanto os anteriores. Alm disso, como h um

mnimo de interferentes desconhecidos na formulao proposta, a matriz de

coeficientes torna-se muito semelhante. Neste caso, no h vantagem na

priorizao de informaes dos analitos em detrimento dos interferentes, uma

32

caracterstica do PLS. Por outro lado, embora MLR tenha revelado um RMSEP

comparvel aos outros modelos, as previses nos pixels no so to semelhantes,

provavelmente devido ao baixo nmero de variveis selecionadas.

Assim, o coeficiente de correlao entre mapas de distribuio de

concentraes foi utilizado para verificar as semelhanas entre os resultados

usando PLS, CLS, MCR e MLR ao nvel do pixel. Em todas as comparaes foram

observados r>0,97 para PLS, CLS e MCR, traduzindo a grande semelhana entre

mapas de distribuio de concentraes. Estas ferramentas quimiomtricas tm

em comum o uso de todo o espectro, que proporcionando uma melhor robustez

para o mtodo. No entanto, quando comparamos as imagens obtidas por MLR

com os outros modelos, os resultados mostraram uma reduo da semelhana em

concentraes mais baixas (abaixo de 20%). Nestes casos, os valores de r esto

no intervalo entre 0,9 e 0,4. A Figura 5 apresenta os mapas de distribuio para

dois nveis de concentrao de carbamazepina (66% e 1%).

Figura 5 - Mapas de distribuio de concentraes de carbamazepina por

diferentes algoritmos. A) 61% (m/m); B) 1% (m/m); e C) 1% (m/m) com limite de

sensibilidade de 20%.

33

importante observar que as imagens do comprimido mostrando a

distribuio de altas concentraes de carbamazepina apresentam grande

similaridade (Figura 5A, linha superior), sendo um forte indicativo para exatido

dos modelos de previso para altas concentraes. No entanto, as imagens do

comprimido que mostram a distribuio de baixas concentraes revelam baixa

similaridade (Figura 5B, linha central), apontando para a falta de sensibilidade na

previso de pixels com baixas concentraes. Neste sentido, possvel notar que

mesmo nas imagens dissimilares, os pixels que apresentam maior concentrao

de ativo (superior a 20% (m/m)) so detectados em todas as imagens com alta

similaridade, (Figura 5C, linha inferior). Assim, possvel observar uma tendncia

de divergncia entre as imagens onde a concentrao do frmaco baixa,

sugerindo limite de detectabilidade para MLR.

Outro modo de demonstrar a similaridade entre os resultados obtidos

por diferentes mtodos quimiomtricos atravs de mapas de distribuio e

seus respectivos histogramas. Para exemplificar isso, os resultados obtidos para

um dos excipientes (celulose microcristalina em 17%) so apresentados

na Figura 6.

%(m/m) %(m/m) %(m/m) %(m/m)

Figura 6 Mapas de distribuio de concentraes de celulose microcristalina e

seus respectivos histogramas. A) imagens de celulose com 17% (m/m); B)

histogramas de frequncia de concentraes.

Fre

qu

n

cia

de

pix

els

34

possvel observar que a MLR produz maior variabilidade ao nvel do pixel.

Ao analisar o histograma gerado por MLR, o perfil de distribuio mais baixo e

alargado do que os outros modelos apresentados. Este fato resulta em uma

imagem mais dissimilar,

estratégias quimiométricas aplicadas ao estudo de ... · internacionais que tive a oportunidade...

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