Comparaison de spectromètres proche infrarouge

TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
Pascal CHALUS1,2, Yves ROGGO1, Stéphanie FREITAG2, Michel ULMSCHNEIDER1
Comparaison de spectromètres
proche infrarouge pour la
détermination de principe actif
dans des comprimés à faible dosage
RÉSUMÉ
La spectroscopie proche infrarouge (SPIR) est aujourd’hui très largement utilisée dans
l’industrie pharmaceutique. L’utilisation de l’analyse multivariée combinée à des prétraitements
mathématiques a rendu possible l’extraction d’information à partir de spectres par nature
difficiles à interpréter et à exploiter. Ainsi des méthodes de régression permettent par exemple
de construire des modèles de prédiction quantitative de teneur en principe actif dans des
comprimés. Nous avons réalisé dans cette étude la comparaison de 5 appareils utilisant
trois modes distincts de séparation des longueurs d’ondes (spectromètre à Transformée de
Fourier, spectromètre séquentiel, spectromètre à barrettes de diodes). Dans un premier temps,
les performances spectrales des instruments utilisant la réflexion diffuse sont comparées à
l’aide de standards spectraux certifiés. Puis la répétabilité spectrale sur dix répétitions de dix
échantillons pharmaceutiques est évaluée pour tous les instruments. Dans un second temps,
une gamme étalon de comprimés contenant de 20 % à 130 % de la concentration nominale
d’un médicament à faible teneur en principe actif est utilisée pour la construction de modèles
quantitatifs. Après une réduction nécessaire de la gamme spectrale des acquisitions en
transmission, il apparaît que ce mode de mesure est optimal pour la détermination de teneur en
principe actif dans de tels comprimés.
MOTS-CLÉS
Spectroscopie proche infrarouge, teneur en principe actif, spectromètre, réflexion diffuse,
transmission.
Etude
Comparison of near infrared spectrometers for the determination of
active ingredient in intact low-dosage pharmaceuticals
SUMMARY
Nowadays near-infrared spectroscopy (NIRS) is widely used in pharmaceutical industry. In this study spectrometers
of three different conceptions (Fourier transformation, grating, and diode arrays) have been compared. Five
different spectrometers were studied.
Spectral accuracy of the spectrometers was tested by comparison of certified standards. Then the repeatability
on 10 measurements of 10 samples was compared for all the spectrometers. The grating device was the most
accurate under these conditions.
In a second time, tablets ranging from 20 to 130 % of active content compared to the nominal content of 2 mg
were used for the construction of a quantitative model. Several mathematical pretreatments such as standard
normal variate (SNV), mean scatter correction (MSC), and derivative (first and second) were tried out. Confirming
1 F. Hoffmann-La Roche Ltd., Bâle, Grenzacherstrasse - 4070 BASEL – Suisse
Tél :+41 (0)61 68 86 502 - Fax : +41 (0)61 68 87 408 – E-Mail : [email protected]
2 GSEC Université de Haute Alsace (UHA), Mulhouse, France
44
SPECTRA ANALYSE n° 247 • Décembre 2005
Technologie appliquée
Comparaison de spectromètres proche infrarouge
pour la détermination de principe actif dans des comprimés
our observations, the study revealed that the grating device was again the most accurate for quantitative
determination of an active ingredient in pharmaceuticals. However the transmission mode appears to be the
more promising for PAT (Process Analytical Technology) applications even if the spectral range has to be reduced
and the spectra are noisy.
KEYWORDS
Near-infrared spectroscopy, active content, content uniformity, spectrometer, reflectance, transmittance.
I - Introduction
La spectroscopie proche infrarouge (SPIR) est
couramment utilisée dans l’industrie pharmaceutique. Jusqu’à présent ses principales applications
étaient l’identification (1) de matières premières
et de produit (2) ou la détermination de teneur
en eau (3). Un nombre croissant d’études souligne l’intérêt de la SPIR dans le cadre de l’initiative
Process Analytical Technology (PAT) initiée par
la Food and Drug Administration (FDA) pour le
contrôle de qualité des procédés de production de
l’industrie pharmaceutiques (voir Note) (4,5) ainsi
que pour l’analyse quantitative de principes actifs
dans les comprimés (6-8).
Afin d‘obtenir une méthode SPIR précise et robuste, il est nécessaire d’optimiser les conditions
de mesure. Il est notamment impératif de bien
choisir le spectromètre dans le contexte d’une offre commerciale de plus en plus étoffée. L’objectif
de cette étude est de proposer une procédure qui
peut être suivie pour la sélection d’un appareil. A
titre d’exemple elle est réalisée sur une formulation pharmaceutique solide à faible dosage en
benzodiazépine.
NOTE
nochromatique et que le miroir mobile se déplace
à vitesse constante, le signal rendu par le détecteur (par exemple : InGaAs ou PbS) est sinusoïdal. Pour un faisceau incident polychromatique,
ce signal est alors un interférogramme représentant la somme des signaux sinusoïdaux rendus
pour chaque longueur d’onde. La transformation
de Fourier du signal permet d’obtenir le spectre
de l’échantillon scanné. Le principal avantage des
spectromètres FT-PIR est la précision de la position des longueurs d’ondes.
Pour plus
d’information
voir : www.fda.
gov/cder/OPS/
PAT.htm
II - Matériel et méthodes
Figure 1
1.Instrumentation
Interféromètre de Michelson.
Les instruments utilisés font appel à trois technologies différentes afin de permettre l’acquisition de
spectres sur toute la gamme du proche infrarouge.
Ces trois technologies sont : la transformation de
Fourier (FT-PIR), les appareils dits séquentiels à
réseau et les instruments à barrettes de diodes.
Elles sont brièvement décrites dans les points 1.1
à 1.3.
1.1 - Spectromètres à transformée
de Fourier
Les spectromètres PIR à transformée de Fourier
sont basés sur le même principe de fonctionnement que les spectromètres moyen infrarouge. Le
banc optique comporte un interféromètre de Michelson (figure 1).
Le rayon incident se divise en deux parties pour
suivre deux chemins optiques différents. Il se
crée alors une différence de marche dépendante
de la position du miroir mobile. Cette différence
de trajet optique entraîne, lorsque les deux faisceaux se recombinent, la formation d’une figure
d’interférence. Alors, si le rayon incident est mo-
Fente de sortie
Lumière diffractée
Détecteur
Échantillon
Référence
Réseau
holographique
,U
M
IÒR
EP
OLY
CH
RO
M
AT
IQ
UE
(longueur d’onde)
Détecteur
Filtre d’ordre
Miroir
Lampe
(source)
Fente d’entrée
Figure 2
Spectromètre séquentiel.
SPECTRA ANALYSE n° 247 • Décembre 2005
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TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
1.2 - Spectromètres séquentiels
Peltier. Deux paramètres sont importants pour ce
type de détection : le nombre d’acquisition mais
également le temps d’exposition durant chaque
acquisition.
Ces spectromètres sont très rapides et robustes de
par l’absence de balayage et de pièce mobile.
L’utilisation d’un monochromateur permet la sélection des longueurs d’onde qui viennent frapper
l’échantillon. Le monochromateur est constitué
d’un réseau qui tourne devant la source lumineuse
(figure 2, voir page précédente).
Les détecteurs communément utilisés sont des
semi-conducteurs au sulfure de plomb PbS. Ces
appareils présentent un bon rapport signal/bruit
et sont généralement très robustes.
1.4 - Les instruments étudiés
Cinq spectromètres mesurant en réflexion diffuse
ont été utilisés dans cette étude (tableau I). Trois
d’entre eux sont des appareils à transformée de
Fourier (FT-PIR), un est à réseau, et le dernier fait
appel à la technologie des barrettes de diodes. Ces
appareils seront notés de R1 à R5 tout au long de
cet article. Deux des spectromètres étudiés permettent également des mesures en transmission
(tableau II), ils seront respectivement notés T1 et
T2 lorsque ce mode de mesure est considéré.
Les spectromètres ont été utilisés dans des configurations par défauts préconisées par les fabricants. Ils ont par ailleurs tous été vérifiés par les 5
constructeurs au cours de l’étude.
2. Logiciel
Tous les calculs de cette étude sont effectués sous
Matlab (v 6.5 R13, MathWorks, Natick, MA, USA)
additionné de la PLS_Toolbox (v 3.0, Eigenvectors,
Manson, WA, USA).
Figure 3
3. Standard
Principe de la détection
par barrette de diodes.
Tableau I
Caractéristiques des
appareils utilisant la
réflexion diffuse.
Dans ce type d’appareil, le faisceau incident polychromatique ne subit aucune modification avant
d’interagir avec l’échantillon. Le faisceau transmis
ou réfléchi est ensuite dispersé par un monochromateur. Le détecteur est constitué de barrettes
pouvant contenir plusieurs centaines de diodes
photosensibles (figure 3). Ces diodes, selon leur
position et la géométrie du système, rendront un
signal proportionnel à l’intensité lumineuse d’une
longueur d’onde particulière. Elles sont généralement constituées d’une ou plusieurs barrettes de
256 semi-conducteurs InGaAs refroidis par effet
4. Mesure du bruit
Le bruit dans les spectres est évalué en utilisant un
écart type au spectre moyen (RMS) de dix mesures successives d’un échantillon pharmaceutique.
Cette procédure est répétée sur dix échantillons.
Ainsi le calcul du bruit se fait sur cent spectres.
R1
R2
R3
R4
R5
1998
2003
2004
1998
2004
Réflexion diffuse
Réflexion diffuse
Réflexion diffuse
Réflexion diffuse
Réflexion diffuse
FT-PIR
FT-PIR
FT-PIR
Réseaux
Barrettes de diodes
1000-2500
834-2778
1000-2500
1100 - 2498
1100-2090
Puissance de la source lumineuse (W)
10
20
17
71
7,5
Détecteur
PbS
PbS
InGaAs
PbS
Barrettes de diodes
Incrément
12 cm-1
4 cm-1
3,85 cm-1
2 nm
3,9 nm
Nombre de points
500
2178
1557
700
256
Nombre de scans
32
20
32
32
10*0,02 s
Durée de la mesure (s)
135
20
20
45
0,5
Instrument
Année de fabrication
Mode de mesure
Type
Gamme spectrale (nm)
46
Le standard utilisé comme référence est de l’oxyde
de dysprosium (DO) Labsphere®. Cette référence
a été utilisée pour tester la précision en longueur
d’onde des instruments car elle présente en proche infrarouge des pics fins bien résolus (figure 4).
La référence a été mesurée trois fois sur chaque
appareil, elle a été tournée entre chaque mesure.
1.3 - Spectromètres à barrettes de diodes
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Comparaison de spectromètres proche infrarouge
pour la détermination de principe actif dans des comprimés
Instrument
R2
R3
Dénomination en mode transmission
T1
T2
Transmission
Transmission
FT-PIR
FT-PIR
834-1824
1000-1666
20
17
Détecteur
InGaAs
InGaAs
Incrément
3,85 cm-1
3,85 cm-1
Nombre de points
843
1038
Nombre de scans
32
32
Durée de la mesure (s)
20
20
Mode de mesure
Type
Gamme spectrale (nm)
Puissance de la source lumineuse (W)
Avec n nombre d’échantillons, i.e. dix dans notre
cas, w nombre de points par spectre, yi,j absorbance du spectre i au point j, et ymoy,j absorbance du
spectre moyen au point j.
5. Echantillons pharmaceutiques
Les échantillons pharmaceutiques se composent
d’un principe actif, de cellulose microcrystalline,
d’amidon, de lactose et de stéarate de magnésium.
La teneur nominale en principe actif est de 2 mg
par comprimé, soit une concentration de 1.18 %
en masse. L’analyse a été effectuée sur une gamme
de concentration allant de 20 à 130 % de la masse
nominale. Six échantillons présentant les concentrations suivantes ont été utilisés : 20, 40, 60, 70,
80, 90, 110, 120, 130 %. Cinq échantillons commerciaux ont été ajoutés à ce lot, soit un total de
65 échantillons. Pour chaque concentration issue
du développement quatre échantillons sont utilisés dans l’ensemble de calibration et le reste des
échantillons est utilisé dans l’ensemble de validation. Tous les comprimés issus de la production
ont été inclus à l’ensemble de validation.
Les données brutes n’ont pas été modifiées avant
l’application des prétaitements et du calcul des
modèles, c’est-à-dire que les unités d’acquisition
des spectres ont été conservées pour la modélisation.
Tableau II
Caractéristiques des spectromètres mesurant en transmission.
Spectrum of the DO standard
5
4
3
III - Résultats et discussion
2
1. Standard en réflexion
1
La précision en longueur d’onde a été évaluée sur
le spectre moyen des trois mesures.
Les spectres obtenus avec les spectromètres R2 et
R3 présentent un double pic entre 1297 et 1301
nm en raison de la résolution choisie (tableau III).
Les résolutions utilisées par ces appareils sont
inférieures à celle utilisée dans le certificat de la
référence.
L’instrument à réseaux offre une bonne précision
en longueur d’onde alors que celui à barrettes de
diodes présente une dérive de la déviation avec
l’augmentation des longueurs d’ondes. Ainsi la
barrette de diodes doit être étalonnée avec une
grande rigueur.
0
-1
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
Wavelength nm
Figure 4
Spectre PIR de la
référence DO.
La formule de calcul de RMS est la suivante :
w
n
Tableau III
Précision spectrale par
rapport aux pics d’oxyde
de dysprosium.
RMS = ∑
i =1
∑
( y i , j − y moy , j ) 2
w
j =1
n
Pic (nm)
1088,8
1232,8
1279,1
1299,4
1684,2
R1
1089
1233
1280
1300
1684
R2
1089
1234
1281
1298/1301
1686
R3
1088
1233
1280
1297/1301
1685
R4
-
1234
1280
1300
1684
R5
-
1235
1283
1299
1674
Instrument
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2.Répétabilité sur des échantillons
Les prétraitements (SNV+D1) n’améliorent pas
significativement les résultats (tableau VI). Cependant il est à noter que les résultats obtenus
avec le spectromètre R2 présentent une impor-
La Figure 5 présente les différents spectres d’un
même échantillon mesurés sur tous les spectromètres. Les valeurs de RMS obtenus pour chacun
des appareils sont données dans le tableau IV. Le
RMS le plus faible est obtenu avec l’instrument à
réseau.
5
R1
R5
4
3.Analyses quantitatives
R3
R4
Les analyses quantitatives ont été effectuées par
le calcul d’une régression aux moindres carrés
partiels (PLS) sur la même gamme spectrale pour
tous les instruments. Cette gamme s’étend de 1100
à 2090 nm (soit 9090 à 4785 cm-1) en réflexion et
entre 1000 et 1350 nm (soit de 10000 à 7400 cm-1)
en transmission.
Afin de comparer les spectromètres uniquement,
le nombre de facteurs utilisé pour le calcul a été
fixé de manière à avoir les mêmes paramètres de
modélisation pour chaque appareil.
Les résultats en réflexion et transmission sont résumés dans les tableaux V et VI.
Le tableau V montre que le calcul sur les spectres
bruts en réflexion entre 1100 et 2090 nm permet la
construction de modèles dont les prédictions sont
précises pour les spectromètres R3 et R4. De telles
prédictions autorisent la construction de droites
de régression avec un coefficient de corrélation
supérieur à 0,99. Les autres instruments mesurant
en réflexion n’atteignent pas une telle fiabilité des
prédictions, cependant les résultats restent acceptables pour les spectromètres R1 et R2.
3
R2
2
1
0
-1
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
Wavelength nm
Figure 5
Spectre en réflexion d’un échantillon commercial sur les différents instruments.
Instrument
R1
R2
RMS
0,0065 0,0137
R3
R4
R5
T1
T2
0,0004
0,0007
0,0008 0,0018
0,0375
Tableau IV
Résultat de RMS des spectromètres pour l’évaluation du bruit.
Sans prétraitement
Réflexion
Transmission
Instrument
R1
R2
R3
R4
R5
T1
T2
Nombre de facteurs
8
8
8
8
8
7
7
Pente
0,96
0,87
0,99
0,97
-0,15
0,98
0,61
Ordonnée
4,13
8,66
3,11
0,61
95,31
1,92
29,30
SEP
5,57
9,78
4,12
2,98
39,74
1,77
18,29
2
0,9849
0,9532
0,9918
09958
-0,3111
0,9964
0,8260
R
Tableau V
Tableau VI
Résultats sur l’ensemble de validation des modèles construits sans prétraitements.
Résultats sur l’ensemble de validation des modèles construits après une SNV et
dérivation du premier ordre.
SNV + D1
48
Réflexion
Transmission
Instrument
R1
R2
R3
R4
R5
T1
T2
Nombre de facteurs
6
6
6
6
6
3
3
Pente
0,86
0,64
0,97
0,94
0,08
0,96
-0,08
Ordonnée
15,25
25,72
3,38
3,19
75,32
3,13
85,84
SEP
10,81
15,49
3,73
4,41
30,07
5,99
38,63
R2
0,9420
0,8951
0,9932
0,9915
0,4060
0,9825
-0,1275
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Comparaison de spectromètres proche infrarouge
pour la détermination de principe actif dans des comprimés
tante diminution de qualité après prétraitement
des spectres. En effet, cet appareil fournissait les
spectres les plus bruités, la dérivation amplifie ce
signal aléatoire qui empêche d’obtenir une calibration acceptable.
En transmission moins de facteurs ont été nécessaires au calcul des modèles. Après prétraitement
les mêmes conclusions qu’en réflexion peuvent
être faites en ce qui concerne les signaux bruités.
L’instrument T2 qui présente le plus de bruit empêche toute utilisation de dérivation alors que le
modèle construit sur les données du spectromètre
T1 reste de bonne qualité. Seulement trois facteurs sont nécessaires au calcul du modèle dans
ce cas.
IV - Conclusion
Les spectromètres qui combinent plusieurs modes de mesures semblent très attractifs. Cependant, dans le cas des deux appareils utilisés dans
cette étude, un des modes de mesures est moins
performant que l’autre et ne permet pas le développement de modèles fiables. Les spectromètres
à transformée de Fourier permettent d’atteindre
des résolutions que les autres technologies n’autorisent pas. L’inconvénient est que l’utilisation de
telles résolutions implique un fort bruit dans les
spectres qui rend presque impossible l’utilisation
de dérivées. Grâce à un temps d’acquisition réduit
les appareils à barrettes de diodes sont plus optimisés pour des applications on-line. Cependant
leurs principaux inconvénients sont la faible gamme spectrale utilisée et le faible nombre de points
de mesures. Un autre point sensible observé au
cours de cette étude est l’étalonnage en longueur
d’onde de la barrette de diodes. Les spectromètres
à réseaux semblent les plus adéquats pour une utilisation au laboratoire. Sur ce point notre étude est
en accord avec la littérature existante (9).
Même si la gamme spectrale utilisable est restreinte, la transmission, au contraire de la réflexion,
permet la mesure de la totalité du comprimé. En
effet la réflexion ne permet l’analyse que d’une faible épaisseur, de l’ordre de quelques micromètres,
du comprimé. Ainsi lorsque cette technique est
utilisée, il est impératif de la combiner avec une
autre méthode permettant de vérifier la masse et
l’homogénéité du produit fini.
BIBLIOGRAPHIE
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