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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
ii
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
vi
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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!
viii
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
x
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!
xiv
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.
xxiv
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.
xxvi
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
2.5 Referncias Bibliogrficas 37
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
3.2 Parte experimental 45
xxx
3.3 Resultados e discusses 46
3.4 Concluses 54
3.5 Referncias Bibliogrficas 55
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
4.2 Parte experimental 65
4.3 Resultados e discusses 67
4.4 Concluses 72
4.5 Referncias Bibliogrficas 72
CAPTULO 5 - ANLISES DE PELLETS FARMACUTICOS: UMA
ABORDAGEM UTILIZANDO ESPECTROSCOPIA DE IMAGEM
QUMICA NA REGIO DO INFRAVERMELHO PRXIMO.
75
5.1 Introduo 77
5.2 Parte experimental 82
5.3 Resultados e discusses 84
5.4 Concluses 92
5.5 Referncias Bibliogrficas 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
xxxvi
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.
4
5
CAPTULO 1
INTRODUO ESPECTROSCOPIA DE IMAGENS QUMICAS POR
INFRAVERMELHO PRXIMO E QUIMIOMETRIA
6
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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20
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.
22
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,