Fourier transform infrared mapping to determine the distribution of active ingredients in pharmaceutical formulations

Abstract

A basic problem in pharmaceutical manufacturing is that a relatively simple formulation can produce widely varying therapeutic performance depending upon how the ingredients are distributed in the final matrix. Many methods have been employed to study the distribution of different components in a tablet. Traditional spectroscopic techniques analyze the sample in bulk and determine an average composition across the entire sample. Conventional spectroscopy cannot directly determine the spatial distribution of the components in the final product. To accomplish this, use of chemical maps and images have become increasingly important during the past few years. The objective of this study is to evaluate vibrational maps based on Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopic as a tool to assess drug product homogeneity in tablets. Variables, such as spectral and spatial resolution, which may impact the performance of maps based on FT-IR, were evaluated. After establishing optimal parameters, FT-IR mapping was performed on different positions, chosen arbitrarily on the surface of the tablet. Measurements were carried out for commercial tablets and reference laboratory-manufactured tablets, containing pure Active Pharmaceutical Ingredient (API). The spatial distribution of API was determined based on the variation or contrast in pixel intensity, which in turn is provided by the intrinsic vibrational signature of the constituent in the tablet. Moreover, histograms of the maps were generated and statistical procedures were used as a measure of the homogeneity of the distribution. Chemical images were generated by using the most unique peak of the API spectrum and as principal component (PC) scores. The application of multivariate (Chemometrics) analysis had the aim to demonstrate if the univariate approach provided a clear description of the chemical features of the sample. Similarity between the images obtained by the two methods of analysis was established. FT-IR mapping has turned out to be an important method to gain information concerning microscopic characterization of samples.

Un problema básico en la fabricación de productos farmacéuticos es que una formulación relativamente sencilla puede producir variación terapéutica dependiendo de cómo los ingredientes están distribuidos en la matriz final. Muchos métodos han sido empleados para estudiar la distribución de diferentes componentes en una tableta. Las técnicas espectroscópicas tradicionales analizan la muestra en el grueso y determinan una composición promedio a través de la muestra entera. La espectroscopia convencional no puede determinar directamente la distribución espacial de los componentes en el product final. Para obtener esto, el uso de mapas e imágenes químicos ha adquirido más importancia en años recientes. El objetivo de este estudio es evaluar el uso de mapas vibracionales basados en FT-IR como una herramienta para evaluar la homogeneidad de drogas en tabletas. Se evaluaron variables, tal como la resolución espectral y espacial, que pueden afectar el desempeño de la técnica de mapas basados en FT-IR. Después de establecer los parámetros óptimos, se adquirieron mapas vibracionales infrarrojos obtenidos en diferentes áreas, escogidas arbitrariamente en la superficie de la tableta. Las medidas fueron llevadas a cabo para tabletas comerciales y tabletas de laboratorio como referencia, que contenían Ingrediente Farmacéutico Activo (IFA) puro. La distribución espacial de IFA se determine en base a la variación o el contraste en la intensidad de los píxel, que a su vez se proporciona por la firma vibracional intrínseca del componente en la tableta. Además, los histogramas de los mapas se generaron y se utilizaron procedimientos estadísticos como medida de la homogeneidad de la distribución. Se generaron imágenes químicas utilizando la señal más intensa del espectro de API y componentes principales (CP). La aplicación de análisis de multivariables (Quimiometría) tenía el propósito de demostrar si con un enfoque mono variado se proporcionaba una descripción clara de las propiedades químicas de la muestra. Se estableció la similitud entre las imágenes obtenidas por los dos métodos del análisis. Mapas vibracionales basados en FT-IR ha demostrado ser un método importante para adquirir información con respecto a caracterización microscópica de las muestras.