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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO F A C U L T A D D E Q U Í M I C A VALIDACIÓN DE UN SISTEMA DE ESPECTROFOTOMETRÍA FT-IR COMPUTARIZADO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE MATERIAS PRIMAS EN UN LABORATORIO FARMACÉUTICO. T E S I S QUE P AR A O B TENER EL T ÍTULO DE: QUÍMICA FARMACÉUTICA BIÓLOGA P R E S E N T A : LUZDEI SALAZAR FRANCO M É X I C O D . F . 2 0 0 8 Neevia docConverter 5.1 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. i TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................1 2. ANTECEDENTES ...............................................................................................................2 2.1 GENERALIDADES.......................................................................................................2 2.1.1 Validación...........................................................................................................2 2.1.2 Calificación.........................................................................................................4 2.2 ESPECTROFOTOMETRÍA DE ABSORCIÓN EN EL INFRARROJO ................6 2.2.1 Equipos para espectrofotometría de IR..............................................................10 2.2.2 Manipulación de la muestra ...............................................................................20 2.2.3 Reflectancia total atenuada ................................................................................23 2.3 VALIDACIÓN DE SISTEMAS COMPUTARIZADOS...........................................25 2.3.1 Sistemas computarizados .....................................................................................25 2.3.2 GAMP (Buenas Prácticas de Automatización en Manufactura) ..........................30 2.3.3 Ciclo de vida del sistema. ...................................................................................32 2.4 CUMPLIMIENTO REGULATORIO ........................................................................40 2.4.1 CFR 21 parte 11.................................................................................................40 2.4.2 PROY-NOM-059-SSA1- 2006..........................................................................42 2.4.3 Farmacopea de los Estados Unidos Mexicanos .................................................43 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..........................................................................44 4. OBJETIVOS ........................................................................................................................45 5. HIPÓTESIS .........................................................................................................................46 6. MATERIALES Y EQUIPOS .............................................................................................47 7. METODOLOGÍA ...............................................................................................................48 7.1 Especificaciones Requeridas ........................................................................................49 7.2 Calificación de diseño...................................................................................................53 7.3 Análisis de riesgos ........................................................................................................55 7.4 Calificación de instalación............................................................................................56 7.5 Calificación de operación .............................................................................................65 7.6 Calificación de desempeño ...........................................................................................79 7.7 Mantenimiento..............................................................................................................87 7.8 Seguimiento del desempeño .........................................................................................88 7.9 Plan de retiro.................................................................................................................89 8. RESULTADOS ....................................................................................................................94 8.1 Especificaciones Requeridas ........................................................................................94 8.2 Calificación de diseño...................................................................................................98 8.3 Análisis de riesgos ........................................................................................................99 8.4 Calificación de instalación...........................................................................................100 Neevia docConverter 5.1 ii 8.5 Calificación de operación ............................................................................................107 8.6 Calificación de desempeño ..........................................................................................118 8.7 Mantenimiento.............................................................................................................124 8.8 Seguimiento del desempeño ........................................................................................125 8.9 Plan de retiro................................................................................................................127 9. ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................................................128 10. CONCLUSIONES ..............................................................................................................133 11. GLOSARIO ........................................................................................................................134 12. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................135 ANEXOS .............................................................................................................................137 Neevia docConverter 5.1 1 1. INTRODUCCIÓN Desde mediados de los años ochenta, las computadoras comenzaron a tener influencia en todas las fases de manufactura y control de calidad, lo que produjo la necesidad de validar los sistemas computarizados. Un sistema computarizado consiste de hardware, software y componentes de red, junto con las funciones de control y documentación asociada. El término es usado para una gran cantidad de sistemas incluyendo instrumentos, equipo automatizado de fabricación, sistemas de control, sistemas automatizados de laboratorio y sistemas de bases de datos de fabricación. Tradicionalmente los equipos de laboratorio se califican, mientras que el método analítico se valida, en conjunto esto forma un proceso validado. Para muchos sistemas, no se requiere separar estas dos actividades ya que se necesitan ambas para la operación del sistema o las pruebas del método. Se acordó que el uso del término “calificado” puede entenderse como unaactividad menos rigurosa y no es apropiada para referirse al sistema, mientras que las actividades realizadas cumplan con la definición de validación que da la FDA. Los sistemas computarizados pueden ser validados de manera prospectiva, cuando se trata de un sistema nuevo o bien de manera retrospectiva cuando el sistema ya ha sido implementado. El objetivo de este trabajo es realizar la validación prospectiva de un sistema de espectrofotometría de infrarrojo de transformada de Fourier computarizado que se utilizará para el análisis cualitativo de materias primas utilizadas para la fabricación de formas farmacéuticas oftálmicas, siguiendo la estrategia de validación del ciclo de vida de implementación del sistema (SILC). Con esto se pretende presentar una propuesta que permita la validación de otros sistemas computarizados empleados en el laboratorio. Neevia docConverter 5.1 2 2. ANTECEDENTES 2.1 GENERALIDADES 2.1.1 Validación La FDA define validación como: “El establecimiento de evidencia documentada que provee con alto grado de seguridad que un proceso específico producirá de manera consistente un producto que cumpla con las especificaciones y atributos predeterminados de calidad”. La validación se aplica a muchos aspectos en la industria farmacéutica, entre los que se encuentran, los servicios, equipo, sistemas, procesos y la limpieza. En todos los casos el objetivo es generar la evidencia documental que provea de un alto grado de seguridad de que todas las partes de las instalaciones, servicios, procesos o sistemas funcionarán correctamente de manera consistente cuando sean puestos en funcionamiento. 7 La validación consiste de la Calificación de Diseño (CD), Calificación de Instalación (CI), Calificación de Operación (CO) y Calificación de la Ejecución o Desempeño (CE). Figura 1. Los principales beneficios de la validación son: - Reducción de costos de calidad. - Incremento de productividad (optimización de procesos). - Aseguramiento de la calidad. - Incremento de ganancias. - Reducción de gastos. - Cumplimiento de los requerimientos regulatorios. - Minimiza las discrepancias relacionadas a fallas del proceso. - Mantenimiento de los estándares de calidad - El arranque de un equipo nuevo es más rápido y confiable. - Favorece los programas de mantenimiento preventivo y correctivo. - Favorece una rápida implementación de la automatización. Neevia docConverter 5.1 3 El protocolo de validación es el plan escrito donde se especifica la manera de conducir la validación, incluyendo parámetros de prueba, características del equipo y puntos de decisión acerca de lo que se entiende por resultados de prueba aceptables. Figura 1. Actividades para la validación. 7 Planeación Especificaciones Planeación de las pruebas CI, CO y CE Pruebas CI, CO y CE Revisión y Documentación Preparación del plan maestro de validación Preparación de los documentos en donde se describan las pruebas que se realizaran al equipo/sistema. Realización de las pruebas y recolección de resultados Revisión de los resultados para demostrar que el sistema se desempeña de acuerdo a las especificaciones, reporte de las conclusiones y desviaciones. CI. Calificación de Instalación CO. Calificación de operación CE. Calificación de ejecución o desempeño Especificaciones de acuerdo a los requerimientos. Revisión del diseño Neevia docConverter 5.1 4 2.1.2 Calificación La Norma Oficial Mexicana, NOM-059-SSA1-2006 define calificación como: “La evaluación de las características de los elementos del proceso” El proceso de calificación consta de cuatro etapas secuenciales que son: a. Calificación de diseño b. Calificación de instalación c. Calificación de operación d. Calificación de desempeño o ejecución. a. Calificación de diseño Es la evidencia documentada que demuestra que el diseño propuesto de las instalaciones, sistemas y equipos es conveniente para el propósito proyectado.14 La calificación de diseño incluye la revisión planeada y sistemática de las especificaciones, evalúa los sistemas actuales contra los estándares y requerimientos, se identifican problemas y los puntos que requieran acciones correctivas. b. Calificación de instalación La evidencia documentada de que las instalaciones, sistemas, y equipos se han instalado de acuerdo a las especificaciones de diseño previamente establecidas14. La calificación de instalación tiene como objetivo asegurar que las condiciones ambientales y eléctricas así como las condiciones de mantenimiento o calibración son las adecuadas o requeridas para el equipo o sistema. Se deben identificar y documentar los aspectos críticos de acuerdo al diseño y las especificaciones. Cuando un equipo es trasladado a una nueva ubicación, es necesario recalificar la instalación con el fin de asegurar que las nuevas condiciones no afectarán la operación del mismo. c. Calificación de operación La evidencia documentada que demuestra que el equipo, las instalaciones y los sistemas operan consistentemente, de acuerdo a las especificaciones de diseño establecidas. 14 Neevia docConverter 5.1 5 La calificación de operación depende de la verificación de lo establecido documentalmente acerca de la operación en relación con la descripción del proceso y las especificaciones del mismo mientras se trabaja en condiciones normales para determinar si el producto final cumplirá con las especificaciones de calidad. d. Calificación de ejecución o desempeño La evidencia documentada de que las instalaciones, sistemas, y equipos se desempeñan cumpliendo los criterios de aceptación previamente establecidos. 14 Se refiere a la manera en la que se comporta el sistema en las condiciones normales de operación, el objetivo es verificar la habilidad del mismo de proporcionar un resultado de análisis específico en un tiempo determinado y que cumpla con los atributos de calidad de un producto definido que sea reproducible para confirmar la consistencia de los resultados generados así como la confiabilidad de los mismos. Neevia docConverter 5.1 6 2.2 ESPECTROFOTOMETRÍA DE ABSORCIÓN EN EL INFRARROJO La región del infrarrojo del espectro electromagnético se extiende desde el extremo del rojo del espectro visible hasta la región de las microondas. Esta región incluye radiación de longitudes de onda comprendidas entre 0.7 y 500 µm o, en número de onda entre 14 000 y 20 cm-1. La región espectral mas utilizada es la región del infrarrojo intermedio que cubre frecuencias de 4000 a 2000 cm -1 (2.5 a 50 µ). La espectrometría de infrarrojo involucra el examen de los modos vibracionales y rotacionales de torsión y reflexión de los átomos en una molécula. En la interacción con la radiación infrarroja, parte de la radiación incidente es absorbida a longitudes de onda específicas; la multiplicidad de vibraciones que ocurren simultáneamente producen un espectro de absorción muy complejo que es característico solamente de los grupos funcionales que están presentes en la molécula y de la configuración global de la molécula. Los átomos o los grupos atómicos en la molécula están en movimiento continuo. Los modos vibracionales posibles en una molécula poliatómica pueden verse a partir de un modelo mecánico (figura 2). Los átomos se presentan como esferas y sus pesos son iguales a los pesos de los átomos correspondientes y están distribuidos conforme a la geometría espacial de la molécula; resortes con fuerzas iguales a las de los enlaces químicos conectan las esferas entre si y equilibran la estructura. Si el modelo se suspendiera en el espacio, parecería que las esferas sufren movimientos caóticos;sin embargo, si el modelo vibracional se observara con luz estroboscópica de frecuencia variable, se encontrarían algunas frecuencias luminosas en las que las esferas parecerían estar en reposo: esto representa las frecuencias vibracionales específicas de los movimientos observados. 18 Figura 2. Vibraciones y frecuencias características del acetaldehído. El espectro de infrarrojo de un compuesto es esencialmente la superposición de bandas de absorción de sus grupos funcionales específico, aunque las interacciones débiles con los átomos circundantes de la molécula le confieren un sello de individualidad al espectro de cada Flexión –CH3 1460 cm -1 (6.85 µm) 1365 cm -1 (7.33 µm) Estiramiento C-C 1165 cm-1 (8.6 µm) Estiramiento C=O 1730 cm -1 (5.77 µm) Estiramiento C-H del CHO 2720 cm-1 (368 µm) Estiramiento C-H del CH3 2960cm -1 (3.38µm) 2870 cm -1 (3.48 µm) Neevia docConverter 5.1 7 compuesto. Para el análisis cualitativo, uno de los mejores aspectos de un espectro de infrarrojo es que la absorción, o la no absorción, en regiones específicas de frecuencia puede correlacionarse con movimientos específicos de estiramiento o de flexión y en algunos casos, con la relación de estos grupos y el resto de la molécula. Entonces, cuando se interpreta un espectro, es posible establecer que ciertos grupos funcionales se encuentran presentes en el material en tanto que otros están ausentes. A veces, con estos datos, las diferentes posibilidades de identidad para un compuesto desconocido, pueden disminuir tanto que la comparación del espectro con una biblioteca de espectros de compuestos puros permite su identificación. 18 Región de infrarrojo cercano. La región de infrarrojo cercano (NIR, de near-infrarred) abarca la región visible aproximadamente a los 12 500 cm -1 (0.80 µm) y se extiende hasta 4 000 cm-1 (2.5 µm), en esta hay muchas bandas de absorción que provienen de moléculas aromáticas de la banda fundamental o de bandas asociadas a los átomos de hidrógeno. Entre estas se encuentran los primeros sobretonos de las vibraciones de estiramiento de los enlaces O-H y N-H, cerca de 7140 cm-1 (1.40 µm) y de los 6667 cm-1 (1.50 µm) respectivamente; también se encuentran bandas de combinación que resultan de las vibraciones de estiramiento y de deformación del enlace C-H de los grupos alquilo, a los 4548 cm -1 (2.20 µm) y a los 3850 cm-1 (2.60 µm). La absortividad de las bandas del NIR es de 10 a 1000 veces menor que la de las bandas del infrarrojo intermedio, pero el espesor de las capas de muestra (0.5 a 10 mm) compensan este inconveniente. Debido a que las absortividades son mas pequeñas, el haz de NIR penetra mas profundamente en la muestra de reflectancia; además, las impurezas menores dan menos problemas que en el infrarrojo intermedio, tanto en los métodos de transmisión como en los de reflectancia. Los espectros de reflectancia en el infrarrojo cercano encuentran amplia aceptación en la industria de granos y alimentos para la determinación de proteínas, grasas, azucares, aceites insaturaciones y similares. Estos espectros también se han utilizado para la determinación de sustancias en madera, de los componentes de los polímeros, y en la exploración geológica aérea. Las intensidades son débiles, pero medibles y reproducibles. El método es rápido y útil para análisis de rutina y, para muchas sustancias, la preparación de la muestra es sencilla; la muestra es vertida en una celda que se coloca en el portaceldas del instrumento. El método de reflectancia del infrarrojo cercano depende del patrón de reconocimiento de la computadora y, en caso de que hay sustancias no esperadas en la muestra, pueden hacerse determinaciones falsas. 18 Neevia docConverter 5.1 8 Región de infrarrojo intermedio. Muchas correlaciones útiles se han encontrado en la región del infrarrojo intermedio (MIR, de mid-infrared). Esta región se divide en la región de “frecuencias de grupo”, 4000-1300 cm-1 (2.5-7.69 µm), y la región de la “huella digital”, (1300- 650 cm-1) (7.69-15.38 µm). En la región de frecuencia de grupo las bandas principales de absorción se asignan a unidades consistentes de vibraciones de solo dos átomos de la molécula, esto es, unidades que dependen solo del grupo funcional que da la absorción y no de la estructura molecular completa. Sin embargo hay influencias estructurales que le provocan desplazamientos significativos de un compuesto a otro. Para obtener información de un espectro se asignan primero las bandas principales de esta región (grupos funcionales); en el intervalo de 4000 a los 2500 cm -1 (2.5-4.00 µm), la absorción es característica de las vibraciones de estiramiento del hidrógeno con los elementos de masa molecular 19 o menores. La frecuencia de estiramiento C-H son especialmente útiles para establecer el tipo de compuesto presente; por ejemplo, el estiramiento en el C≡C-H se presenta aproximadamente a los 3300 cm-1 (3.03 µm), para los compuestos aromáticos insaturados lo hace entre 3000-3100 cm -1 (3.33-3.23 µm), y para los compuestos alifáticos ocurre a 3000-2800 cm -1 (3.33-3.57 µm). Cuando el C-H esta unido a masas mas pesadas, la frecuencia de estiramiento se translapa con la región del triple enlace. El intervalo intermedio de frecuencias, 2500-1540 cm-1 (4.00-6.49 µm), es llamado a menudo la región no saturada o insaturada. Los triples enlaces y grupos similares de los 2500 a los 2000 cm -1 (4.00-5.00 µm); las frecuencias de los dobles enlaces caen en la región de los 2000 a los 1540 cm -1 (5.00-6.49 µm). Los factores mas relevantes en el espectro entre los 1300 y los 650 cm -1 (7.69-15.38 µm) son las frecuencias de estiramiento de enlaces sencillos y las vibraciones de la flexión o doblez (frecuencias de esqueleto) de sistemas poliatómicos que involucran movimiento de enlaces entre un grupo sustituyente con el resto de la molécula: ésta es la región de la huella digital. La multiplicidad es tan grande como para poder asegurar la identificación de bandas individuales pero, normalmente las bandas de absorción ayudan a identificar el material.18 Región del infrarrojo lejano. La región de 667-10 cm-1 (15.0-1000 µm) contiene las vibraciones de flexión de carbono, nitrógeno, oxígeno y flúor con átomos de masa molecular mayor a 19, así como los movimientos de doblez de los sistemas cíclicos o insaturados. Las vibraciones moleculares de baja frecuencia en el infrarrojo lejano son particularmente sensibles a cambios en la estructura global de la molécula; entonces, las bandas del infrarrojo lejano (FIR, de far-infrared) a menudo difieren, de manera perceptible para diferentes formas isométricas del mismo compuesto base. La frecuencia del infrarrojo lejano de los compuestos organometálicos frecuentemente son sensibles al ión o átomo metálico, lo que puede usarse en Neevia docConverter 5.1 9 los estudios de enlaces de coordinación. Esta región es particularmente adecuada para el estudio de compuestos organometálicos e inorgánicos con átomos pesados y cuyos enlaces tienden a ser débiles. 18 Tipos de vibraciones moleculares. Las posiciones relativas de los átomos en una molécula, no son exactamente fijas, sino que fluctuan continuamente como consecuencia de una multitud de tipos de vibraciones y rotaciones diferentes alrededor de los enlaces de la molécula. Para una molécula sencilla biatómica o triatómica, se puede definir el número y la naturaleza de las vibraciones y relacionarla con las energías de absorción. Sin embargo, en el caso de las moléculas poliatómicas se hace difícil o imposible el análisis de esta clase, no solo a causa del gran número de vibración que presentan las moléculas grandes, sino también por las interacciones que aparecen entre algunos de estos centros. Puedendistinguirse dos categorías básicas de vibraciones: de tensión y de flexión. Una vibración de tensión supone un cambio continuo en la distancia interatómica a los largo del eje de enlace entre los dos átomos. Las vibraciones de flexión se caracterizan por un cambio en el ángulo del enlace y son de cuatro tipos: de tijereteo, de balanceo, de aleteo y de torsión. (Figura 3). 16 Figura 3. Tipos de vibraciones moleculares: + indica movimiento hacia fuera del plano; - indica movimiento hacia adentro del plano En una molécula que contiene más de dos átomos son posibles todos los tipos de vibraciones y además puede producirse una interacción o acoplamiento de las vibraciones si estas involucran enlaces con un mismo átomo central. El resultado del acoplamiento es un cambio en las características de la vibración implicada. 16 Neevia docConverter 5.1 10 2.2.1 Equipos para espectrofotometría de IR Los instrumentos de infrarrojo se dividen en dos clases: los dispersivos y los no dispersivos. Los instrumentos dispersivos usan un prisma o una rejilla. Los espectrofotómetros no dispersivos pueden usar filtros de interferencia, fuentes laser sintonizables o un interferómetro, como es el caso del espectrofotómetro de infrarrojo de transformada de Fourier (FT-IR); también en esta región, se usan espejos de un solo lado ya que el vidrio y el cuarzo usados en las lentes son opacos a la radiación infrarroja. 2.2.1 a. Espectrofotómetro de infrarrojo de Transformada de Fourier. (FT-IR)18 La radiación de infrarrojo puede analizarse por medio de un interferómetro de Michelson de barrido que consta de un espejo móvil, un espejo fijo, y un divisor del haz. La radiación de la fuente de infrarrojo es colimada por un espejo y el rayo resultante se divide en el divisor del haz; la mitad del rayo pasa al espejo fijo y la otra mitad se refleja sobre el espejo móvil. Después de reflejarse, los dos rayos se combinan en el divisor del haz y, para una longitud de onda dada, interfieren constructiva o destructivamente, dependiendo de la diferencia de las trayectorias ópticas entre los dos brazos del interferómetro. Para una velocidad de espejo constante la intensidad de la radiación emergente, a una longitud de onda particular, se modula sinusoidalmente de manera regular. En el caso de una fuente de banda ancha el rayo emergente es una mezcla compleja de modulación de frecuencia que, después de pasar a través del compartimiento de la muestra, se enfoca sobre el detector. La señal de este detector es muestreada a intervalos precisos durante el barrido del espejo. Tanto la rapidez de muestro como la velocidad del espejo se controlan mediante una señal de referencia incidente en un detector, que se produce por la modulación de un rayo laser de helio-neon. La señal resultante en el detector se conoce como interferograma (que se almacena en la memoria) y contiene toda la información requerida para reconstruir el espectro por medio de un procedimiento matemático conocido como transformada de Fourier. Para su uso en espectroscopia la ecuación puede ser escrita como: P(x) = ∫ P()(v)Cos(2πxv)dv 1 en donde P(x) es la intensidad del haz total en el detector, P()(v) es la intensidad de la fuente a la frecuencia v (en cm -1 ), x es el desplazamiento del espejo (en cm) y la suma (integral) es sobre todas las frecuencias, o tantas como haya en la radiación que llega al detector. Neevia docConverter 5.1 11 Sólo se necesita ondas coseno, ya que x se mide a partir de la posición en que ambos brazos del interferómetro se igualan, punto en el cual todas las ondas interfieren constructivamente; esto es, todas las intensidades de las ondas tiene un máximo en x = 0. La transformada de Fourier o espectro como una función de la frecuencia esta dada entonces por la equivalente de la ecuación. P(v) = ∫ P(x)Cos(2πxv)dx 2 La transformada se hace por medio de una computadora que es parte del sistema y con un algoritmo apropiado, como el algoritmo para la transformada de Cooley-Toorkey. Esta técnica tiene varias ventajas sobre las técnicas dispersivas usuales. Solo hay una parte móvil, un espejo que esta montado sobre un cojín de aire sin fricción. No se necesita de dispersión o filtración, por lo que tampoco se requieren rendijas que pierden energía; ésta es una ventaja mayor, particularmente cuando hay gran demanda de energía como en el infrarrojo lejano. El uso de un laser de helio-neón como una referencia trae como consecuencia una mayor aproximación a la exactitud de frecuencias absolutas, que es mejor de 0.01 cm -1 en el intervalo de 4800-400 cm-1. Debido a que todas las longitudes de onda se detectan simultáneamente durante el barrido y el interferómetro de barrido alcanza la misma relación espectral señal-ruido que un espectro dispersivo en una fracción de tiempo (Ventaja de Felgett). El interferograma registrado con cada barrido se almacena en la memoria; este interferograma es entonces automáticamente alineado y sumado a los inteferogramas promediados en otra memoria. Al mismo tiempo comienza la anotación de la gráfica como preparación de la gráfica para el espectro final. Después de un cierto número de barridos, a menudo 32, se obtiene la transoformada de Fourier del interferograma promediado para producir un espectro de un solo haz que, en el modo de muestreo estándar, se almacena en una memoria 3. Tal espectro de un solo haz es entonces relacionado contra el fondo almacenado en la memoria 4 (que se corre una vez al día) y el espectro resultante “de doble haz” se grafica en un graficador digital de alta velocidad. En las ecuaciones 1 y 2, la suma debe extenderse desde -∞ hasta ∞, pero esto no es posible. Si la serie de Fourier es truncada repentinamente (es decir por un truncamiento tajante), la transformada resultante tendrá algunas ondulaciones o “campaneo”, especialmente a los lados de un pico intenso. Para minimizar estos efectos la serie debe ser terminada gradualmente, multiplicando los datos por una fracción apodizante como puede ser una función triangular una trapezoidal o la de Norton-Beer; sin embargo la resolución disminuye al usar una función apodizante. La resolución de un espectro de transformada de Fourier está dada por: Neevia docConverter 5.1 12 R= 1 cm-1/∆max en donde R es la máxima resolución alcanzable, en número de onda, y ∆max es el retardo máximo, es decir, el doble de la distancia del movimiento del espejo, en centímetros. Como la computadora usa datos digitales, la señal del fotodetector debe ser convertida a la forma digital por medio de un convertidor analógico-digital. Los datos deben ser muestreados en puntos precisos y éstos deben ser muestreados al menos dos veces para cada longitud de onda, así el intervalo muestreado debe ser la mitad de la mínima longitud de onda observada; esto es, vmax = 1/2∆x = 1/λmax. Si los intervalos de muestreo son mayores que este valor, las ondas de alta frecuencia serán “apodadas”, o dobladas o pegadas al espectro. La ventaja de Felgett, mencionada anteriormente, se presenta porque un interferómetro mide todas las longitudes de onda simultáneamente. Entonces un espectro interferómetro (cuando se compara con un espectrómetro dispersivo secuencial) realiza N mediciones, donde N es el número de elementos de resolución del espectrómetro dispersivo, en el mismo tiempo que un espectrofotómetro dispersivo secuencial completa un solo barrido; la señal es entonces N veces mas fuerte y el ruido en √N veces mas grande, de manera que la relación señal-ruido es √N (ventaja de Felgett). El interferómetro tiene una apertura de entrada circular grande en lugar de las rendijas pequeñas de entrada de un instrumento dispersivo, aunque el interferómetro pierde la mitad de la radiaciónen el divisor del haz. Los instrumentos de transformada de Fourier son mas rápidos que los instrumentos dispersivos y por lo tanto, son especialmente útiles en situaciones en que se necesita rapidez y barridos repetitivos. Neevia docConverter 5.1 13 Figura 4. Espectrofotómetro FT-IR de un solo haz (PerkinElmer) 16 2.2.1 b. Componentes de los instrumentos de transformada de Fourier. La mayoría de los instrumentos de infrarrojo de transformada de Fourier disponibles comercialmente se basan en el interferómetro de Michelson, aunque también se encuentran otro tipo de sistemas ópticos. Mecanismo de tracción. Para la obtención de interferogramas satisfactorios (y en consecuencia de espectros satisfactorios), es necesario que la velocidad del espejo móvil sea constante y que su posición se conozca exactamente en cada instante. También debe permanecer constante la verticalidad del espejo con respecto a la trayectoria del haz a lo largo de todo el recorrido de 10 cm o más. En la región del infrarrojo lejano, donde el intervalo de longitudes de onda es de 50 a 1.000 µm (de 200 a 10 cm-1) se puede conseguir desplazamientos del espejo en fracciones de longitud de onda y la medida exacta de su posición mediante un tornillo micrométrico accionado con un motor. Sin embargo, para las regiones del infrarrojo medio y cercano se requieren mecanismos más precisos y satisfactorios. En este caso, el soporte del espejo esta suspendido en cojinetes de aire sujetos a unos manguitos de acero inoxidable. Este montaje se acciona por medio de un motor de tracción lineal y una bobina electromagnética semejante a la de un altavoz; el espejo se mueve a una velocidad constante por medio de una Neevia docConverter 5.1 14 corriente creciente en la bobina. Al alcanzar el extremo final, el espejo regresa rápidamente al punto de partida para el próximo barrido debido a una inversión de la corriente. La longitud del recorrido varía de 1 a unos 20 cm y las velocidades de barrido oscilan de 0.01 a 10 cm/s. Para que el sistema del espejo funcione satisfactoriamente se requieren dos características adicionales. La primera es que el sistema pueda muestrear el interferograma a intervalos de desfase exactamente definidos. La segunda es que se pueda determinar con exactitud el punto de desfase cero para hacer posible el promediado de las señales. Si no se conoce con exactitud este punto, las señales de los barridos repetidos no estarán en fase; el promediado tiende a degradar la señal en lugar de mejorarla. Divisores del haz. Los divisores del haz están constituidos de materiales transparentes con índices de refracción tales que aproximadamente el 50 por ciento de la radiación se refleja, y el 50 por ciento se transmite. Para la región del infrarrojo medio se obtienen buenos resultados con películas delgadas de germanio o silicio depositados sobre yoduro o bromuro de cesio, cloruro de sodio o bromuro de potasio. Para trabajar en el infrarrojo cercano se utiliza una película de óxido de hierro (III) que se deposita sobre fluoruro de calcio. Fuentes. Las fuentes de radiación en el infrarrojo constan de un sólido inerte que se calienta eléctricamente a una temperatura comprendida entre 1500 y 2200 °K. Como resultado se obtiene una radiación continua que se aproxima a la del cuerpo negro. A estas temperaturas la máxima intensidad radiante se produce entre 5.000 y 5.900 cm -1 (de 2 a 1.7 µm). A longitudes de onda mayores, la intensidad decrece suavemente hasta llegar a ser el 1 por ciento del máximo a 670 cm-1 (15 µm). A longitudes de onda menores, la disminución es mucho más rápida y se produce una reducción de intensidad similar a los 10.000 cm-1 (1 µm).16 Emisor de Nernst. El emisor de Nerst esta formado por óxidos de circonio, itrio y torio que forman un cilindro con diámetro de 1 a 2 mm y una longitud de unos 20 mm. En los extremos del cilindro se sellan unos cables de platino para permitir la conexión eléctrica, formando un conjunto que equivale a un elemento de calentamiento resistente. Cuando la corriente pasa por este dispositivo se alcanzan temperaturas comprendidas entre 1200 y 2220 °K. El coeficiente térmico de la resistencia eléctrica del emisor de Nernst es muy negativo y debe calentarse extremadamente hasta un color rojo pálido antes de que la corriente sea suficientemente elevada para mantener la temperatura deseada. Debido a que la resistencia disminuye con el aumento de la temperatura, el circuito de la fuente se ha de diseñar para limitar la corriente; si no fuera así la lámpara se calentaría tanto que se destruiría.16 Neevia docConverter 5.1 15 Fuente Globar. Un Globar es una varilla de carburo de silicio, que por lo general tiene unos 50 mm de longitud y 5 mm de diámetro. Se calienta eléctricamente (de 1300 a 1500 °K) y tiene la ventaja de poseer un coeficiente térmico positivo. Por otra parte es necesario enfriar los contactos eléctricos con agua para evitar la formación de un arco. Las energías espectrales del Globar y del emisor de Nerns son semejantes, excepto en la región inferior a 5 µm, donde el Globar proporciona una señal de salida significativamente mayor. 16 Fuente de filamento incandescente. Se trata de una fuente de intensidad algo menor, pero de vida mas larga que la fuente Globar o el emisor de Nernst; consiste en una espiral muy apretada de alambre de nicromo, que se calienta por el paso de una corriente eléctrica a aproximadamente (1100 °K). Un filamento de rodio caliente y sellado a un cilindro de cerámica presenta propiedades semejantes a estas fuentes. 16 Arco de Mercurio. Para la región espectral del infrarrojo lejano (λ>50 µm) se utiliza un arco de mercurio de alta presión. Este dispositivo consta de un tubo de cuarzo que contiene vapor de mercurio a una presión mayor a una atmósfera. El paso de la electricidad a través del vapor origina una fuente de plasma interna que proporciona una radiación continua en la región del infrarrojo lejano. 16 Lámparas de filamente de wolframio. Una lámpara de filamento de wolframio corriente es una fuente adecuada para la región del infrarrojo cercano de 4000 a 12800 cm -1 (de 2.5 a 0.78 µm).16 Fuentes láser de dióxido de carbono. Para el control de la concentración de ciertos contaminantes atmosféricos y para la determinación de especies absorbentes en disoluciones acuosas, se utiliza como fuente de infrarrojo un láser sintonizable de dióxido de carbono. Un láser de dióxido de carbono produce una banda de radiación en el intervalo de 900 a 1100 cm-1 (de 11 a 9 µm), que consta de unas 100 líneas discretas y poco espaciadas. Cualquiera de esas líneas se puede elegir sintonizando el láser. Aunque el intervalo de longitudes de onda disponible es limitado, la región de 900 a 1100 es particularmente rica en bandas producidas por los modos de tensión interactivos del CO2. Por ello, esta fuente resulta útil para la determinación de algunas especies importantes como el amoniaco, butadieno, benceno, etanol, dióxido de nitrógeno y tricloroetileno. Una propiedad importante de la fuente láser es la potencia radiante disponible en cada línea, la cual es varios órdenes de magnitud mayor que la de las fuentes de cuerpo negro. 16 Neevia docConverter 5.1 16 Detectores de infrarrojo. Los detectores de infrarrojo son de tres tipos generales: detectores térmicos, detectores piroeléctricos (detectores térmicos muy especializados) y detectores fotoconductores. Los dos primeros se encuentran por lo común en los espectrofotómetros dispersivos. Los detectores fotoconductores, en los instrumentos multiplex de transformada de Fourier. 16 Detectores térmicos. La respuesta de los detectores térmicos depende del efecto calorífico de la radiación, se emplean para la detecciónde todas las longitudes de onda del infrarrojo, excepto para las mas cortas. Con estos dispositivos se mide el incremento de temperatura que resulta cuando un pequeño cuerpo negro absorbe la radiación. La potencia radiante del haz de un espectrofotómetro de infrarrojo es muy baja (10-7 a 10-9 W), por lo que la capacidad calorífica del elemento absorbente debe ser lo mas pequeña posible para producir un cambio de temperatura detectable. Se hace todo lo posible para reducir al máximo el tamaño y el espesor del elemento absorbente y concentrar todo el haz infrarrojo en su superficie. Bajo las mejores circunstancias los cambios de temperatura se limitan a unas pocas milésimas de grados Kelvin. El problema de la medida de radiación en el infrarrojo por medios térmicos se complica por el ruido térmico del medio circundante. Por este motivo los detectores térmicos se mantienen al vacío y se protegen cuidadosamente de la radiación térmica emitida por otros objetos cercanos. Para minimizar aun más los efectos de fuentes caloríficas extrañas, el haz de la fuente se hace incidir de modo intermitente. De esta forma la señal del analito, después de la trasformación, tiene la frecuencia del cortador y se puede separar electrónicamente de las señales de ruido extrañas las cuales varían solo lentamente con el tiempo. 16 Termopares. En su forma más simple, un termopar consta de un par de uniones que se forma soldando los extremos de dos piezas de un material como el bismuto a otro metal distinto como el antimonio. Entre las dos uniones se genera un potencial que varia en función de su diferencia de temperatura. La unión del detector sobre la que incide la radiación del infrarrojo se realiza con alambres muy finos o por evaporación de los metales sobre un soporte no conductor. La unión se sella en una cámara de vacío con una ventana transparente a la radiación del infrarrojo. La unión de referencia que normalmente se sitúa en la misma cámara que la unión activa, se diseña para que posea una capacidad calorífica relativamente grande y se protege cuidadosamente de la radiación incidente. Debido a que la señal del analito se hace intermitente, solo es importante la diferencia de temperatura entre las dos uniones; en consecuencia la unión de referencia no necesita mantenerse a temperatura constante. Para aumentar la sensibilidad se pueden conectar varios termopares en serie para originar una termopila. Neevia docConverter 5.1 17 Un detector de termopar bien diseñado es capaz de responder a diferencias de temperatura de 10 -6 °K. Esta cifra corresponde a una diferencia de potencia de aproximadamente 6 a 8 µV/µW. El termopar de un detector de radiación en el infrarrojo es un dispositivo de baja impedancia que por lo general se conecta a un preamplificador en los circuitos del detector termopar, un amplificador operacional seguidor de tensión. 16 Detectores piroeléctricos. Los detectores piroeléctricos se constituyen con láminas cristalinas de materiales piroeléctricos, que son aislantes (materiales dieléctricos) con propiedades térmicas y eléctricas especiales. En la construcción de detectores de radiación en el infrarrojo el material piroeléctrico mas utilizado es el sulfato de triglicina (NH2NH2COOH)3·H2SO4 (normalmente deuterado o con una fracción de glicina sustituida por alanina). Cuando se aplica un campo eléctrico a través de un material dieléctrico, tiene lugar la polarización eléctrica, cuya magnitud es función de la constante dieléctrica del material Para la mayoría de los dieléctricos, esta polarización inducida decae a cero cuando se elimina el campo externo. Por el contrario las sustancias piroeléctricas mantienen una fuerte polarización dependiente de la temperatura después de eliminar el campo. De este modo, al colocar el cristal piroeléctricos entre dos electrodos, uno de los cuales es transparente a la radiación en el infrarrojo, se produce un condensador dependiente de la temperatura. Al incidir la radiación en el infrarrojo cambia la temperatura y se altera la distribución de cargas a través del cristal, lo que se puede detectar como una corriente en un circuito eléctrico externo conectado a las dos caras del condensador. La magnitud de la corriente es proporcional al área de la superficie del cristal y a la velocidad de cambio de polarización con la temperatura. Los cristales piroeléctricos pierden su polarización residual cuando se calienta a una temperatura denominada el punto Curie. Para el sulfato de triglicina el punto de Curie es 47 °C. Estos detectores tienen unos tiempos de respuesta lo suficientemente rápidos como para poder seguir las variaciones de la señal en el dominio del tiempo de un interferómetro. Por este motivo, la mayoría de los espectros de FT-IR emplean este tipo de detector. 16 Detectores fotoconductores. Estos detectores constan de una delgada capa de un material semiconductor como sulfuro de plomo, telururo de cadmio/mercurio o antimoniuro de indio, depositada sobre una superficie de vidrio no conductora y sellada en una cámara al vacío para proteger al semiconductor de la atmósfera. En estos materiales, la absorción de radiación impulsa electrones de valencias no conductores a estados conductores de mayor energía, disminuyendo así la resistencia eléctrica del semiconductor. Por lo común un fotoconductor se coloca en serie con una fuente de potencial y una resistencia de carga y la caída de potencial a través de la resistencia de carga sirve como medida de la potencia del haz de radiación. Neevia docConverter 5.1 18 Los fotoconductores de sulfuro de plomo son los transductores mas utilizados para la región espectral del infrarrojo cercano de 10000 a 333 cm -1 (de 1 a 3 µm). Puede funcionar a temperatura ambiente. Los detectores fotoconductores de telururo de cadmio/mercurio se utilizan para la radiación del infrarrojo medio y lejano. Estos detectores de deben de enfriar con nitrógeno líquido (77 °K) para minimizar el ruido térmico. Las longitudes de onda de corte y otras muchas propiedades de estos detectores dependen de la relación telururo de mercurio/telururo de cadmio, la cual se puede modificar continuamente. Los detectores piroeléctricos de sulfato de triglicina se utilizan ampliamente para la región de infrarrojo medio. Cuando se necesitan mejores sensibilidades o tiempos de respuesta más rápido se emplean los detectores fotoconductores de telurio de cadmio/mercurio o de antimonio de indio enfriados con nitrógeno líquido. 16 Interferómetro. El elemento central de un espectrofotómetro de infrarrojo con transformadas de Fourier es el interferómetro de Michelson (figura 5). La radiación procedente de la fuente incide en un cortador de haz, que transmite parte de la luz y refleja otra parte. Cuando la luz incide en el cortador, parte de ella se refleja hacia un espejo estacionario que se encuentra a una distancia OF, y parte se transmite en dirección a un espejo móvil que se encuentra a una distancia OM. Los rayos reflejados por los espejos vuelven a chocar en el divisor del haz, donde la mitad de cada rayo se refleja y la otra mitad se transmite. Un rayo combinado se propaga en dirección del detector, y el otro vuelve en dirección de la fuente. En general los recorridos entre el espejo fijo y el espejo móvil no son iguales, de manera que las dos ondas que llegan al detector, no están en fase. Si las dos ondas están en fase se interfieren constructivamente para dar una onda de amplitud doble. Si las ondas están desfasadas media longitud de onda (180), se interfieren destructivamente y se anulan. Si la diferencia de fases es intermedia, se cancelan en parte. La diferencia de caminos recorridos por las ondas en el interferómetro de la figura 5 es 2(OM-OF). Esta diferencia se llama retardo, δδδδ. Se da una interferencia contractivacuando δδδδ es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda λλλλ de la luz. Y se da un mínimo cuando δδδδ es igual a un múltiplo impar de la semilongitud de onda (λ/2) de la luz. Si el espejo móvil se aleja del divisor del haz a una velocidad constante, la luz que llega al detector pasa por una serie de máximos y mínimos, a medida que se alteran la interferencias constructivas y destructivas. Una representación de la intensidad de la luz de salida en función del retardo, se llama interferograma. Si la luz que procede de la fuente es monocromática, el interferograma es simplemente una onda coseno. 13 Neevia docConverter 5.1 19 Figura 5. Esquema de in interferómetro de Michelson iluminado por una fuente monocromática. 16 Espejo divisor del haz Espejo fijo Muestra Detector Fuente λ Espejo móvil F M -λ - 1 /2 λ 0 1 /2λ λ -2λ -λ 0 λ 2λ P(t) 0 0 Neevia docConverter 5.1 20 2.2.2 Manipulación de la muestra En la espectrofotometría de infrarrojo por lo general no existen buenos disolventes que sean transparentes en toda la región espectral de interés. Como consecuencia, la manipulación de la muestra es con frecuencia, la parte más difícil y que requiere más tiempo en el análisis espectrofotométrico en el infrarrojo.16 Los instrumentos de infrarrojo han alcanzado un notable grado de estandarización, tanto que el comportamiento de la muestra de varios espectrómetros tiene que ver con esto. Sin embargo, lo que es la manipulación directa de la muestra presenta varios problemas en la región del infrarrojo. No hay un material de ventana que sea fuerte, transparente e inerte para esta región. Los haluros alcalinos son ampliamente utilizados, particularmente el cloruro de sodio, que es transparente hasta una longitud de onda de 625 cm-1. Las ventanas de las celdas se empañan fácilmente por su exposición a la humedad y requiere un pulimento constante. A veces se usa el cloruro de plata para muestras húmedas o soluciones acuosas, pero es suave, fácilmente deformable y se obscurece bajo la luz visible. El teflón solo tiene bandas de absorción C-C y C-F. Para frecuencias menores a 600 cm-1, es útil la celda de polietileno. Materiales con alto índice de refracción producen franjas de interferencia fuertes y persistentes. 18 Las técnicas comunes de preparación de la muestra para las medidas de absorción en el infrarrojo son: Líquidos. Cuando la cantidad de muestra es pequeña o cuando no se dispone del disolvente apropiado, es habitual obtener los espectros del líquido puro. En este caso, con una película muy delgada se obtiene un camino óptico lo suficientemente corto como para producir espectros satisfactorios. Por lo común una gota del líquido puro se presiona entre dos placas de sal gema, de cloruro de sodio u otro material transparente a la radiación, para obtener una placa con un espesor de 0.01 mm. Las dos placas que se mantienen unidas por capilaridad, se colocan en la trayectoria del haz. Con esta técnica no se obtienen datos de transmitancia particularmente reproducibles, pero los espectros obtenidos son, por lo general satisfactorios para las investigaciones cualitativas. Las muestras de líquidos puros pueden contener el agua suficiente para deslustrar las placas de sal y se hace necesario el pulido periódico de las mismas. 16 Neevia docConverter 5.1 21 Figura 6. Vista extendida de una celda desmontable de infrarrojo para muestras líquidas. Sólidos. La mayoría de los compuestos orgánicos presentan numerosos picos de absorción en la región del infrarrojo medio, y encontrar un disolvente que no de lugar a solapamiento de picos es con frecuencia imposible. Como consecuencia, a menudo se obtienen los espectros de dispersiones del sólido en una matriz líquida o sólida. Generalmente en estas técnicas, la muestra sólida se pulveriza hasta que el tamaño de sus partículas sea adecuado para realizar el método de preparación de la muestra como se indica a continuación. 16 a) Pastillas. Una de las técnicas mas populares de manipulación de las muestras sólidas es la formación de pastillas de KBr (también se han utilizado otros haluros de metales alcalinos). Las sales de haluros tiene la propiedad de flujo en frío por lo cual cuando se presiona suficientemente este material finamente pulverizado presenta propiedades transparentes o translúcidas como el vidrio. Al usar esta técnica se mezcla a fondo un miligramo o menos de la muestra finamente pulverizada con aproximadamente100 mg de polvo de bromuro de potasio desecado. La mezcla se puede realizar con un mortero y su pistilo, o mejor con un pequeño molino de bolas. Posteriormente se presiona la mezcla con un troquel (prensa) especial empleando una presión entre 700 y 1000 Kg/cm 2 hasta obtener un disco transparente. Se obtiene mejores resultados si el disco se prepara en vacío para eliminar el aire ocluido. A continuación el disco se coloca en la trayectoria del haz de luz del instrumento para su análisis espectrofotométrico. Los espectros resultantes presentan a menudo bandas a 3450 y 1640 cm-1 (2.9 y 6.1 µm) debido a la humedad absorbida. Para muchos compuestos las pastillas de KBr producen espectros excelentes que aparecen en las colecciones de espectros. Siendo iónico el KBr transmite a lo largo de la mayor parte de la región del infrarrojo hasta una frecuencia de aproximadamente 400 cm-1. El yoduro de cesio absorbe por debajo de 200 cm -1 y a veces se utiliza a bajas frecuencias por su mayor transparencia.16 Neevia docConverter 5.1 22 b) Suspensiones. Cuando los sólidos no son solubles en un disolvente transparente en la región del infrarrojo ni es conveniente prepararlos en forma de pastilla de KBr sus espectros de infrarrojo se suelen obtener por dispersión del analito como una suspensión en aceite mineral o un hidrocarburo fluorado. Las suspensiones se preparan moliendo de 2 a 5 mg de la muestra finamente pulverizada (tamaño de partícula menor a 2 µm) en presencia de una o dos gotas de un aceite hidrocarbonado de alto peso molecular (Nujol). Si es probable que interfieran las bandas del hidrocarburo, se puede sustituir algún otro polímero halogenado, por ejemplo Fluorolube. En cualquiera de los casos, la suspensión resultante se examina luego como una delgada película ente placas planas de cloruro de sodio.16 Neevia docConverter 5.1 23 2.2.3 Reflectancia Total Atenuada (ATR) La espectroscopia e reflexión en el infrarrojo ha tenido varias aplicaciones, particularmente en el caso de muestras sólidas difíciles de manipular, como películas de polímeros y fibras, alimentos, gomas productos agrícolas y muchos otros. Los espectros de reflexión en el infrarrojo medio, aunque no son idénticos a los correspondientes espectros de absorción, en general son de apariencia similar y proporcionan la misma información que sus equivalentes de absorción. Cuando un haz de un medio mas denso a uno menos denso, se produce una reflexión. La fracción del haz incidente que se refleja es mayor a medida que aumenta el ángulo de incidencia; mas allá de un cierto ángulo critico, la reflexión es completa. Durante el proceso de reflexión, el haz se comporta como si penetrase una cierta distancia en el medio menos denso antes de reflejarse. La profundidad de penetración que puede variar desde una fracción de longitud de onda a varias longitudes de onda, depende de la longitud de onda de la radiación incidente, del índice de refracción de los dos materiales y del ángulo que forma el haz incidente con la interfase. La radiación que penetra se denomina onda evanescente. Si el medio menos denso absorbe la radiación evanescente, se produce una atenuación del haz en las longitudes deonda de las bandas de absorción, a este fenómeno se le conoce como reflectancia total atenuada (ATR).16 La espectrofotometría infrarrojo ATR es usada para el análisis de la superficie de materiales, también se utiliza para la caracterización de materiales que absorben la radiación muy poco o muy fuertemente. La muestra se presiona contra la superficie del un cristal, usualmente de ZnSe o Ge. La radiación IR del espectrofotómetro entra al cristal, se refleja dentro de éste y penetra en la muestra. Figura 7. Diagrama del prisma de reflectancia interna Muestra Cristal de diamante/ ZnSe IR incidente de la fuente IR al detector Neevia docConverter 5.1 24 El componente principal en los aparatos de ATR es el prisma de reflectancia interna, que es generalmente un prisma o un material que transmite en el infrarrojo con un alto índice de refracción. La luz se focaliza en una de las caras del prisma y penetra en el material. La luz llega con un ángulo tal que impida la reflexión de la luz, de modo que llega a la interfase con un ángulo predeterminado (qi). Se denomina qc al ángulo crítico. Donde qc es: qc=sen -1 (n2/n1) cuando (n1>n2) n2: Índice de refracción de alrededor del medio n1: Índice de refracción del material. Cuando qc<qi la reflexión interna ocurre de forma completa y se puede decir que la luz esta atrapada en el interior del prisma; después de un número de reflexiones la luz deja el prisma. Aunque en alguna de estas reflexiones internas algo de luz puede salir del prisma al medio e interaccionar con este, de manera que se produce una atenuación de la luz reflejada cuando ocurre la absorción. Este es el mecanismo por el cual el ATR se utiliza para generar un espectro infrarrojo. Las ventajas que tiene éste método en comparación con el método de transmisión son: - Cuando se utiliza el accesorio ATR se puede obtener el espectro de las muestras en su estado natural. - La mayor parte de las veces no se requiere una preparación previa de la muestra. Los factores que afectan la intensidad del espectro son: - El número de reflexiones. Con un contacto del 100% entre la muestra y el cristal, un sistema de reflexión múltiple dará absorbancias mayores que con un sistema de reflexión simple, teóricamente dependerá del número de reflexiones. - El ángulo del cristal y el ángulo de incidencia del haz. Esto significa que a mayor ángulo, se obtendrá un espectro menos intenso. Es necesario siempre exceder el ángulo crítico y mantener la reflexión interna en el cristal. - La longitud de onda de la radiación. Al aumentar la longitud de onda, ésta penetra a mayor profundidad en la muestra, visto desde el punto de vista de número de onda, al disminuir el número de onda la penetración en la muestras aumenta. Las desventajas de este método en comparación con el modo de transmisión son: - El cristal de ATR absorbe a niveles menores de energía. - Si la muestra no tiene buen contacto con el cristal, los espectros no serán exactos. Neevia docConverter 5.1 25 2.3 VALIDACIÓN DE SISTEMAS COMPUTARIZADOS Tradicionalmente los equipos de laboratorio se califican, mientras que el método analítico se valida, en conjunto esto forma un proceso validado. Para muchos sistemas, no se requiere separar estas dos actividades ya que se necesitan ambas para la operación del sistema o las pruebas del método. Se acordó que el uso del término “calificado” puede entenderse como una actividad menos rigurosa y no es apropiada para referirse al sistema, mientras que las actividades realizadas cumplan con la definición de validación que da la FDA.8 2.3.1 Sistemas computarizados “Un sistema de computo consiste de hardware, software y componentes de red, junto con las funciones de control y documentación asociada. El término es usado para una gran cantidad de sistemas incluyendo instrumentos, equipo automatizado de fabricación, sistemas de control, sistemas automatizados de laboratorio y sistemas de bases de datos de fabricación” Los sistemas computarizados también son conocidos como sistemas automatizados (incluyendo dispositivos de entrada y salida, cuando aplica) y son utilizados para la manufactura automatizada, laboratorio y sistemas de información de negocios. Todos estos sistemas comparten los componentes que se muestran en la figura 8. 1 Ambiente de operación Operación computarizada Sistema computarizado Procesos controlados Aplicaciones Computacionales & Infraestructura Interfaces Instrumentos/dispositivos aplicables Hardware software Equipos Procesos PNO´s Ambiente de operación Operación computarizada Sistema computarizado Procesos controlados Aplicaciones Computacionales & Infraestructura Interfaces Instrumentos/dispositivos aplicables Hardware software Equipos Procesos PNO´s Figura 8. Elementos de un sistema computarizado. Neevia docConverter 5.1 26 Algunos ejemplos de estos sistemas son: - Manufactura automatizada - Equipos de laboratorio automatizado - Control de proceso - Ejecución de manufactura - Gestión de información de laboratorio - Plan de recursos de la manufactura - Gestión de datos de ensayo clínico - Sistemas de gestión documental. Clasificación de los sistemas computarizados de laboratorio8 (Tablas 1 y 2) Los sistemas computarizados de laboratorio consisten del hardware y el software, éstos elementos están tan estrechamente relacionados que el sistema puede ser retado como una unidad. La guía “GAMP Good Practice Guide: Validation of Laboratory Computarized Systems”, clasifica los sistemas de laboratorio en 7 categorías (A a la G) basado en la capacidad del sistema de generar, guardar, reprocesar o analizar datos, y del uso al que esta destinado. De acuerdo a la categoría asignada al sistema se puede determinar apropiadamente las actividades de validación y los documentos que deben ser generados para respaldar la validación. Una vez que el sistema es evaluado, la funcionalidad de los componentes individuales puede ser probada para determinar el impacto en la seguridad de los datos. Para determinar la categoría de un sistema se debe considerar tanto la funcionalidad del sistema como las actividades a las cuales será destinado. En la Tabla 1 se resumen algunas características o reglas para la categorización de los sistemas. Categoría A: Son sistemas digitales que no producen datos crudos, resultados de pruebas o registros del proceso. Estos sistemas pueden requerir ser calibrados pero no necesitan una computadora como interfase. Neevia docConverter 5.1 27 Categoría B: Son sistemas digitales que producen datos crudos, resultados de prueba o registros del proceso, pero los resultados no son almacenados. Estos sistemas requieren ser calibrados, no usan una computadora como interfase, y el software no pude ser modificado por el usuario. Categoría C: Son sistemas que producen datos crudos, resultados de pruebas o registros del proceso, pero los resultados no son almacenados. Estos son capaces de almacenar la configuración o los parámetros del proceso, pero no usan una computadora como interfase. Categoría D: Son sistemas que producen datos crudos, resultados de pruebas o registros del procesos y estos son almacenados. Debido a que estos sistemas pueden almacenar y reusar la configuración o los parámetros del proceso, los datos pueden ser manipulados desde fuera del sistema. Categoría E: Son sistemas que producen datos crudos, resultados de pruebas o registros del proceso y estos son almacenados. Los parámetros del proceso y de configuración pueden ser establecido por el usuario, almacenados y reusados. Estos sistemas son capaces de procesar los datos después de que son adquiridos. Categoría F:Son sistemas que producen datos crudos, resultados de pruebas o registros del proceso y estos son almacenados. Los parámetros del proceso y de configuración pueden ser establecido por el usuario, almacenados y reusados. Estos sistemas son capaces de procesar los datos después de que son adquiridos. Tiene elementos programables, pero no cambia la configuración “core code”. Categoría G: Estos sistemas son creados para satisfacer las necesidades de un laboratorio en particular y pueden ser construidos por personal de la misma institución o bien solicitados a un proveedor. Neevia docConverter 5.1 28 Tabla 1. Características o reglas para la categorización de los sistemas.8 A B C D E F G Los parámetros de configuración pueden ser almacenados y reusados Sistema hecho a la medida. Configuración El software y la configuración no pueden ser modificadas. El software y la configuración no pueden ser modificadas. Los parámetros de configuración pueden ser almacenados y reusados. Los parámetros de configuración pueden ser almacenados y reusados. Los parámetros de configuración pueden ser almacenados y reusados Elementos configurables por el propietario sin que cambie el código fuente. Funciones lógicas complejas, macros. Interfaces No requiere una computadora como interfase No requiere una computadora como interfase No requiere una computadora como interfase Puede tener 1 Interfase entre la computadora y el instrumento o entre el servidor y el cliente. Puede tener una o varias interfases entre la computadora y el instrumento o entre el servidor y el cliente. Puede tener una o varias interfases entre la computadora y el instrumento o entre el servidor y el cliente. Sistema hecho a la medida. Procesamiento de datos Conversión de señales A/D Conversión de señales A/D Los datos son manipulados desde un programa externo al sistema. Los resultados pueden ser procesados después de ser generados. (se pueden analizar los datos mediante el sistema). Los resultados pueden ser procesados después de ser generados. (se pueden analizar los datos mediante el sistema). Sistema hecho a la medida- La información generada en el instrumento es almacenada. La calibración es almacenada. Pueden establecerse y almacenarse los parámetros de operación. (tiempos o métodos) Pueden establecerse y almacenarse los parámetros de operación. (tiempos o métodos) Pueden establecerse y almacenarse los parámetros de operación. (tiempos o métodos) Pueden establecerse y almacenarse los parámetros de operación. (tiempos o métodos) Sistema hecho a la medida. Resultados y almacenamiento de datos. No produce resultados crudos o resultados de prueba. Produce datos crudos o resultados de pruebas pero los registros no se almacenan o procesan. Produce datos crudos o resultados de pruebas pero los registros no se almacenan o procesan. Produce datos crudos o resultados de pruebas que son almacenados pero no procesados. Produce datos crudos o resultados de prueba que son almacenados y procesados. Produce datos crudos o resultados de prueba que son almacenados y procesados. Sistema hecho a la medida. Neevia docConverter 5.1 29 Tabla 2. Ejemplos de algunos sistemas de laboratorio por categoría. 8 A B C D E F G Hornos Balanzas Termocicladores para PCR Espectrofotóme tros Secuenciadores de DNA LIMS* DGE Centrífugas Medidores de pH Contadores de partículas Lectores de microplatos Sistemas robotizados con adquisición y procesamiento de datos. Hojas de calculo/ software para análisis estadístico/DBs . Incubadoras Termómetros Sistemas robotizados simples Sistemas robotizados integrados Espectrofotómetro de masas. Software para análisis estadístico. (templetes) Controladores de temperatura Viscosímetros Espectrofotómetro de NIR Espectrofotómetro de NIR Analizador de aminoácidos. Cámara ambiental Conductímetros Equipos para electroforesis. Analizadores de química urinaria. Espectroscopios de resonacia magnética nuclear. Sonicadores Tituladotes Cromatógrafos de gases Cromatógrafos de gases. Sistemas automatizados de hematología Registradores de carta. Cromatografos de líquido de alto desempeño (HPLC) HPLC/GC/etc. de marca registrada. Sistemas de adquisición de datos. Lavadoras de cristalería Analizadores de electrolitos. (conductímetros) Panel de control de HPLC Sistemas de inmunoensayo Electrocardiógra_ fos. * Ver glosario Neevia docConverter 5.1 30 2.3.2 GAMP (Buenas Prácticas de Automatización en Manufactura) Ciclo de vida del desarrollo del sistema (SDLC) y ciclo de vida de implementación del sistema (SILC) Es importante entender la diferencia entre SDLC y SILC ya que define el proceso de validación que debe seguirse para los sistemas de laboratorio computarizado de diferente complejidad técnica. La tabla 3, define los elementos de validación (documentos entregables) que son importantes para demostrar que un sistema es adecuado para su uso. Tabla 3. Documentos entregables de acuerdo a la categoría del sistema. A B C D E F G SILC SDLC Especificaciones de requerimientos del usuario Especificaciones de requerimientos del usuario Especificaciones requeridas Especificaciones requeridas Especificaciones requeridas Especificaciones requeridas Especificaciones requeridas Especificaciones funcionales Especificaciones funcionales Riesgos Riesgos Riesgos Riesgos Riesgos Riesgos Riesgos Evaluación de proveedores Evaluación de proveedores Evaluación de proveedores Evaluación de proveedores Evaluación de proveedores Especificaciones detalladas de diseño Especificaciones detalladas de diseño Desarrollo del código Revisión del código Pruebas de integración Calificación de diseño Calificación de diseño Calificación de diseño Calificación de diseño Calificación de diseño e instalación Calificación de diseño e instalación Calificación de diseño e instalación Calificación de instalación Calificación de instalación Calificación de instalación Calificación de instalación Calificación de operación Calificación de operación Calificación de operación Calificación de operación Calificación de operación y desempeño Calificación de operación y desempeño Calificación de operación y desempeño Calificación de desempeño Calificación de desempeño Calificación de desempeño Calificación de desempeño Trazabilidad Trazabilidad Trazabilidad Trazabilidad Trazabilidad Trazabilidad Trazabilidad Reporte de validación Reporte de validación Reporte de validación Reporte de validación Reporte de validación Reporte de validación Reporte de validación Neevia docConverter 5.1 31 Figura 9. Comparación de los documentos generable para el ciclo de vida del desarrollo del sistema (SDLC) y el ciclo de vida de la implementación del sistema (SILC). 8 Proveedor Requerimientos del usuario Especificaciones funcionales Especificaciones de diseño Calificación de diseño Unificación e integración de las pruebas Calificación de diseño Calificación de instalación Calificación de operación Calificación de desempeño Liberación del sistema Uso del sistemay mantenimiento Control de cambios/administración Revisión periódica Retiro del sistema SDLC SILC Neevia docConverter 5.1 32 2.3.3 Ciclo de Vida La validación es el control del proceso del ciclo de vida de un sistema computarizado y debe incluir las etapas de planeación, especificaciones, programación, prueba, responsabilidades, modificaciones y retiro. El modelo en V (Figura 10) muestra en orden cronológico las actividades del ciclo de vida para la validación “prospectiva” de un sistema. Los requerimientos del usuario y las especificaciones de diseño son la fuente de las etapas específicas de los planes de prueba que permiten realizar y reportar la calificación. Cada tarea del ciclo de vida, cuando se ejecuta de manera exitosa genera la evidencia documental que respalda la validación.1 Construcción del sistema Pruebas de integración Reporte CI Calificación de Instalación Especificaciones de Diseño Protocolo CI Especificaciones Funcionales Protocolo CO Especificaciones Requeridas Protocolo CE Reporte CO Calificación de Operación Reporte CE Calificación del Desempeño Revisión periódica Mantenimiento del Estado validado Reporte de validación Preparación del ciclo de vida Plan de validación Auditoria al proveedor verifica verifica verifica verificaC a li fi c a c ió n d e l d is e ñ o ( re v is ió n ) R e p o rt e C .D Construcción del sistema Pruebas de integración Reporte CI Calificación de Instalación Especificaciones de Diseño Protocolo CI Especificaciones Funcionales Protocolo CO Especificaciones Requeridas Protocolo CE Reporte CO Calificación de Operación Reporte CE Calificación del Desempeño Revisión periódica Mantenimiento del Estado validado Reporte de validación Preparación del ciclo de vida Plan de validación Auditoria al proveedor verifica verifica verifica verificaC a li fi c a c ió n d e l d is e ñ o ( re v is ió n ) R e p o rt e C .D Figura 10. Modelo en V del ciclo de vida del sistema para validación prospectiva. 1 Neevia docConverter 5.1 33 El alcance de la validación necesaria para un sistema computarizado se determina basándose en: - Su uso en las GxP - El impacto potencial del sistema sobre la integridad del producto o la seguridad del paciente. - La cantidad de pruebas y documentación que es provista por el vendedor. - Si la validación será realizada de manera prospectiva (sistemas nuevos) o retrospectiva para sistemas que se encuentran en uso actualmente (sistemas heredados). - Si se incorporan elementos nuevos en el sistema. - Cualquier otro factor especificado según proceda. Procedimientos Normalizados de Operación (PNOs) La validación de sistemas computarizados se realiza de acuerdo a procedimientos establecidos y predefinidos que abarquen todo el ciclo de vida del sistema computarizado, desde la planeación, la implementación, la operación, el desempeño y el mantenimiento, hasta el retiro. Por lo tanto se debe contar con PNOs y protocolos escritos que aseguren que las actividades son realizadas de la misma forma todas las veces.1 Plan de validación Debe realizarse un plan de validación (PV) basado en las prácticas de la industria actual, riesgo al negocio e implicaciones regulatorias. El PV define la naturaleza y alcance de las actividades de validación del ciclo de vida del sistema (lo que se realizará, y lo que no se realizará así como las razones). Para sistemas complejos o largos es posible producir PVs subordinados. También esta permitido incluir el PV en el proyecto de validación completo para un proceso de manufactura o equipo. 1 Protocolos de calificación La correcta instalación (Calificación de instalación (CI)), operación (calificación de operación (CO)) y ejecución o desempeño (calificación de desempeño (CE)) del sistema, debe ser documentada usando uno o más de los protocolos de calificación indicados. Los protocolos necesarios (los tres, solo el CI y el CO, o bien un protocolo que combine ambas CIO) dependerá del tipo del sistema y de lo definido en el PV. Para proporcionar el nivel adecuado de evidencia documental, los protocolos de calificación deben ser preparados antes de que se realicen las actividades de calificación y abarcan los siguientes puntos:1 Neevia docConverter 5.1 34 - Los objetivos de la verificación o las pruebas. - La persona responsable de ejecutar la prueba y la de cerrar cada etapa del registro de pruebas. - Definir los métodos específicos para la realización de cada prueba. - Las funciones específicas que no se probarán y la justificación. - Como serán recolectados los datos - Como documentar las desviaciones - El procedimiento de cada prueba incluyendo el criterio de aceptación - Reporte de calificación - Formatos para información suplementaria (identificación de las personas que firmaron, resultados de las pruebas, resultados adicionales de las pruebas, reporte de incidentes de prueba, reporte de desviaciones, revisión del histórico). Especificaciones de requerimientos del usuario (URSs) Las especificaciones de requerimientos del usuario es un documento que debe ser generado para todos los sistemas de laboratorio computarizados. Debe incluir las funciones del hardware y del software. Además de las funciones necesarias también debe contener cualquier especificación técnica o controles en proceso que se requieran para asegurar el cumplimento de las GxP u otra regulación. Las URSs se enfocan en lo que el usuario “quiere” que haga el sistema mientras que las especificaciones funcionales (FS) describen en detalle “como” funcionará el sistema desde una perspectiva técnica y las funciones que proporciona el sistema. Para los sistemas computarizados de laboratorio categorías A a la E, las URS y FS pueden resumirse a un solo documento: las especificaciones requeridas (RS). Las RS deben contener todos los elementos necesarios, funciones, entradas, procesos y productos; debe describir lo que el sistema debe hacer basándose únicamente en el uso que se pretende dar al mismo. Para sistemas de menor complejidad técnica (categorías A a la E) usualmente no es necesario especificar los requerimientos tecnológicos debido al limitado número de proveedores y a la naturaleza de los mismos. Adicionalmente, para los sistemas de categorías A a la C no es necesario generar los requerimientos si estos se encuentran especificados en otro documento como la orden de compra. 8 Neevia docConverter 5.1 35 Calificación de diseño (CD) El objetivo de la calificación de diseño es proveer una revisión documental de que el diseño se realizó conforme a las expectativas de operación y de cumplimiento regulatorio. Además de la revisión del diseño realizada por el proveedor como parte del desarrollo, el dueño del sistema debe realizar una revisión del diseño para asegurar que el sistema cumple sus necesidades técnicas y de calidad detalladas en las especificaciones de requerimientos del usuario. Esta revisión, también asegura que las URS, especificaciones funcionales, especificaciones detalladas de diseño, esquemas, manuales y horarios han sido producidas, examinadas, revisadas y administradas para preparar los protocolos de prueba del sistema. La revisión del diseño realizada por el cliente, se conoce como calificación de diseño (C.D) para sistemas nuevos, y como revisión del cumplimiento del diseño para sistemas existentes. La revisión debe ser documentada formalmente y se considera uno de los documentos entregables. El proceso de la calificación del diseño debe abarcar la revisión técnica, de calidad y comercial. 1 Calificación de Instalación (CI) Este documento tiene como objetivo proveer la evidencia documental de que el sistema se instaló de acuerdo
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