Espectroscopia de imagen en el infrarrojo próximo. Caracterización instrumental y aplicación al análisis de productos sólidos

Resumen

Esta tesis tiene como objetivo principal la evaluación de una cámara de imagen en el infrarrojo cercano y su aplicación al análisis de productos farmacéuticos sólidos. La cámara está dotada de un sistema modulable de selección de longitudes de onda que permite registrar el espectro NIR en cada pixel de la imagen. Dado que, en cada imagen, se obtiene un enorme volumen de datos con estructura tridimensional, se necesita desarrollar métodos quimiométricos que permitan extraer el máximo de información. La imagen NIR, como cualquier otra imagen, se obtiene normalmente en modo reflectancia difusa, y por tanto, se obtiene información tanto química como física de la muestra, información que se encuentra muy correlacionada, y que hace que la señal obtenida sea difícil de interpretar. Por esto, el proyecto contempla una primera fase en la que se realiza el estudio sistemático del efecto del tamaño de partícula y su distribución sobre el espectro registrado y la evaluación de diversos procedimientos quimiométricos para su minimización. Para ello se ha aplicado la teoría de la capa representativa, de nueva aparición, desarrollada por Dahm & Dahm en el año 19992. Esta teoría no había sido aplicada a muestras sólidas reales. En la tesis se ha estudiado un producto que presenta absorción en NIR (hidrógenoftalato de potasio) y otro que no absorbe (cloruro de sodio) y cuyo efecto principal es contribuir a la dispersión de la radiación en la absorción en NIR de la humedad que contiene. Se estudió la influencia en los espectros del tamaño de partícula (50-500 micrómetros). La radiación NIR tiene la capacidad de penetrar en una muestra sólida de una forma significativa, adquiriendo información importante de la muestra. Ésta es una de las características que hace especialmente útil a la radiación NIR para el estudio de sólidos, ya que se puede obtener información química de una forma no invasiva ni destructiva, de una cantidad de muestra relativamente grande, que no podría ser analizada de esta forma por ninguna otra técnica espectroscópica. En reflectancia difusa, los detectores registran la información obtenida de una cierta cantidad de muestra que es desconocida y que depende de diversos factores físicos y del poder de absorción de la muestra3. En esta tesis se ha realizado un estudio de la penetración de la radiación NIR en los dos productos mencionados anteriormente. Para cada longitud de onda, se ha estudiado el efecto del tamaño de partícula y del grado de absorción del producto en la penetración de la radiación. En este trabajo, por primera vez, los valores obtenidos experimentalmente se han comparado con los estimados a partir de la teoría de Dahm. Existen tres tipos de resolución en una imagen química, la resolución óptica del aparato, la resolución del espectral y la resolución química. Ligado a la evaluación de la cámara NIR, se ha estudiado su resolución química, es decir, qué cantidad de muestra contribuye a la medida que es registrada en una determinada superficie (píxel), o dicho con otras palabras, el grado de contaminación del espectro de un pixel por material de los pixeles vecinos. Para ello se ha estudiado la frontera entre materiales puros (polímeros y materiales en polvo)4. El resultado se ha comparado con el obtenido con un instrumento comercial distribuido por Malvern S.L. Se ha estudiado la variación de la resolución con la absorción específica a cada longitud de onda y con las características de dispersión de la muestra. En la actualidad existen muy pocas aplicaciones informáticas específicas para el tratamiento de imagen NIR5. Además, éstas suelen ser muy cerradas a la hora de ofrecer información al usuario de los algoritmos o funciones estadísticas o matemáticas que utilizan y, por otro lado, significan una inversión económica importante. La tendencia general es utilizar por separado algún software de tratamiento de imagen que permita realizar el desdoblamiento de la matriz tridimensional de datos y utilizar posteriormente algún software específico para el tratamiento de espectros NIR. Por lo tanto, de forma paralela a la puesta en marcha y evaluación del prototipo, se ha llevado a cabo el desarrollo de algunas herramientas para el tratamiento de datos obtenidos en NIR-CI. Estas herramientas han sido elaboradas en forma de rutinas programadas para ser ejecutadas en MatLab, dado que el programa de adquisición del prototipo genera una matriz de datos que puede abrirse directamente en dicho software. Se ha desarrollado una metodología para obtener información a partir de una imagen (o conjunto de imágenes) sin disponer de ninguna información previa sobre ella, a través del uso de coeficientes de correlación, análisis de componentes principales (PCA) y la aplicación de una función, propuesta específicamente para mapas de coeficientes de correlación, que sirve para mejorar el contraste de los mapas. Otra aplicación caracteriza el grado de uniformidad en muestras sólidas utilizando imagen NIR y análisis de macro-píxel. Gracias a estas dos herramientas, es posible el cálculo de la intensidad y la escala de segregación de una muestra sólida, a través del estudio de las denominadas curvas de uniformidad.