Investigation of the retention behaviour of basic drugs in chaotropic chomatography

Abstract

This study explores the impact of different counterions, including K+, Na+, and NH4+, derived from chaotropic agents and ionic strength modifiers, on the retention behavior of protonated basic solutes in chaotropic chromatography. Utilizing hexafluorophosphate (PF6 -) as the chaotropic anion, the concentration of PF6 -, as well as the pH of the mobile phase, were investigated as influential factors. To ensure consistency, experiments were conducted at a constant ionic strength, utilizing chloride salts (NaCl, KCl, and NH4Cl) as corresponding counterions. The results revealed that counterion type significantly influences both retention and the developed surface potential (Ψ0). Na+ demonstrated higher adsorbophilicity compared to K+ and NH4+, affecting electrostatic potential and retention properties. This finding suggests that different counterions can be used to manipulate analyte elution sequences, enabling optimized separation in chaotropic chromatography. Additionally, retention modeling using an extended thermodynamic approach emphasized the importance of analyzing analyte structure and chromatographic parameters simultaneously in influencing retention. An interpretable empirical retention model, utilizing fitting parameters e and s, shed light on the specific processes underlying separation in chaotropic chromatography. Overall, this study highlights the potential of chaotropic chromatography for versatile separation of protonated basic analytes through the careful selection of chaotropic anions and counterions. Furthermore, in this dissertation, a novel chaotropic chromatography method is presented for the quantitative determination of bupropion and its impurities, adhering to analytical quality-by-design (AQbD) principles. The method design was based on the analytical target profile (ATP), which aimed to achieve efficient separation and reliable determination of bupropion and five impurities in tablets. Initial experiments indicated the need for the addition of a gradient elution component. A screening fractional factorial experimental design was employed to select critical method parameters (CMPs), followed by a Box-Behnken design (BBD) to investigate their influence on pre-defined critical method attributes (CMAs). Monte Carlo simulations were conducted to calculate the design space (DS), wherein CMPs meet acceptance limits with a high level of probability (π ≥ 85%). The selected working point from the DS involved conditions of 37.5% acetonitrile at the start of the gradient program (up to 70% at the end), 45 mM of potassium hexafluorophosphate in the water phase, and the start of the linear gradient step in the gradient program at 10 min. The method was validated according to ICH guidelines and successfully applied to the analysis of Wellbutrin® tablets containing bupropion hydrochloride. Lastly, this dissertation also addresses the challenge of chromatograms with overlapping peaks and a disturbed baseline through the implementation of a baseline correction technique using Rstudio. The Asymmetry Least Squares (ALS) algorithm, with specific parameters lambda and p, was employed to correct the baseline. Peak deconvolution, integration, and area quantification were achieved through Fytik software. The feasibility and impact of the proposed correction method were demonstrated using chromatographic data from the validation procedure. A robustness study was conducted to evaluate the factors that significantly influence baseline correction robustness. The study concludes by confirming the reliability of this procedure through random parameter changes. In conclusion, the findings presented in this dissertation provide valuable insights into the effects of counterions in chaotropic chromatography for the optimization of protonated basic analyte separation. The integration of these findings and the proposed innovative chaotropic chromatography method can significantly contribute to the development of efficient and reliable separation protocols in the field of analytical chemistry.

Η μελέτη αυτή εξετάζει την επίδραση διαφορετικών κατιόντων, συμπεριλαμβανομένων των K+, Na+ και NH4+, ως συζυγών κατιόντων σε χαοτροπικά άλατα και μετατροπείς ιοντικής ισχύος, στη συμπεριφορά κατακράτησης πρωτονιoμένων βασικών αναλυτών στη χαοτροπική χρωματογραφία. Χρησιμοποιώντας ως χαοτροπικό ανιόν το εξαφθοροφωσφορικό (PF6-), διερευνήθηκε η επίδραση της συγκέντρωση του, καθώς και του pH της κινητής φάσης στην κατακράτηση των αναλυτών. Για τη διασφάλιση της συνέπειας, τα πειράματα διενεργήθηκαν σε σταθερή ιοντική ισχύ, χρησιμοποιώντας χλωριούχα άλατα (NaCl, KCl και NH4Cl) ως συζυγή ανιόντα, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο τύπος του συζυγούς κατιόντος επηρεάζει σημαντικά τόσο την κατακράτηση όσο και την αναπτυσσόμενη ηλεκτροστρατική επιφανειακή τάση (Ψ0). Το Na+ παρουσίασε μεγαλύτερη προσροφητικότητα σε σύγκριση με τα ιόντα K+ και NH4+, επηρεάζοντας την ηλεκτροστατική επιφανειακή τάση και τις ιδιότητες κατακράτησης. Συμπερασματικά, διαφορετικά συζυγή κατιόντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο κατακράτησης ακολουθίας αναλυτών, επιτρέποντας την βελτιστοποίηση της χαοτροπικής χρωματογραφίας. Επιπλέον, η μοντελοποίηση της κατακράτησης χρησιμοποιώντας μια διευρυνόμενη θερμοδυναμική προσέγγιση, υπογράμμισε τη σημασία της ανάλυσης της δομής του αναλύτη και των χρωματογραφικών παραμέτρων, ταυτόχρονα, στην επίδραση στην κατακράτηση. Ένα ερμηνεύσιμο εμπειρικό μοντέλο κατακράτησης, χρησιμοποιώντας τις παραμέτρους προσαρμογής, έφερε στο φως συγκεκριμένες διεργασίες που καθορίζουν την χαοτροπική χρωματογραφία. Συνολικά, η μελέτη αυτή τονίζει τη δυνατότητα της χρωματογραφίας χαοτροπικών ιόντων για την ευέλικτη διαχωριστική διαδικασία πρωτονιομένων βασικών αναλύτων μέσω της προσεκτικής επιλογής χαοτροπικών ανιόντων και αντισταθμιστικών ιόντων.Επιπλέον, σε αυτή τη διατριβή παρουσιάζεται η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου χαοτροπικής χρωματογραφίας για τον ποσοτικό προσδιορισμό της βουπροπιόνης και των προσμίξεων της με την τεχνική της Υγροχρωματογραφίας Υψηλής Απόδοσης (HPLC), βασισμένη στις αρχές της Αναλυτικής Ποιότητας στο Σχεδιασμό (Analytical Quality by design - AQbD). Η σχεδίαση της μεθόδου βασίστηκε στον αναλυτικό στόχο, ο οποίος ήταν ο επαρκής διαχωρισμός και προσδιορισμός της βουπροπιόνης και των 5 προσμίξεων της σε δισκία. Τα αρχικά πειράματα έδειξαν την ανάγκη για την εφαρμογής μια βαθμιδωτής έκλουσης. Χρησιμοποιήθηκε ένας κλασματικός παραγοντικός πειραματικός σχεδιασμός για την επιλογή των κρίσιμων παραμέτρων μεθόδου (Critical Method Parameters - CMPs) και ακολούθησε ένας σχεδιασμός Box-Behnken (BBD) για να διερευνήσει την επίδρασή τους σε προκαθορισμένα κρίσιμα χαρακτηριστικά της μεθόδου (Critical Method Attributes CMAs). Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις Monte Carlo για τον υπολογισμό του χώρου σχεδιασμού (DS), όπου οι CMPs πληρούν τα όρια αποδοχής με υψηλό επίπεδο πιθανότητας (π ≥ 85%). Το επιλεγμένο σημείο εργασίας από το DS περιελάμβανε συνθήκες με 37,5% ακετονιτρίλιο στην έναρξη της ισοκρατικής έκλουσης (έως 70% στο τέλος), 45 mM KPF6 στο υδατικό διάλυμα της κινητής φάσης, και την έναρξη της βαθμιδωτής έκλουσης στα 10 min. Η μέθοδος επικυρώθηκε σύμφωνα με τις οδηγίες του ICH και εφαρμόστηκε με επιτυχία στην ανάλυση των δισκίων Wellbutrin® που περιέχουν υδροχλωρική βουπροπιόνη.Τέλος, αυτή η διατριβή περιλαμβάνει την αντιμετώπιση προκλήσεων επί χρωματογραφημάτων με επικαλυπτόμενες κορυφές και διαταραγμένη γραμμή βάσης μέσω της εφαρμογής της τεχνικής διόρθωσης γραμμής βάσης, χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα Rstudio. Ο αλγόριθμος Asymmetry Least Squares (ALS), με συγκεκριμένες παραμέτρους lamda και p, χρησιμοποιήθηκε για τη διόρθωση της γραμμής βάσης. Η αποσυνέλιξη των κορυφών, η ολοκλήρωση και η ποσοτικοποίηση εμβαδών επετεύχθησαν μέσω του λογισμικού Fytik. Η εφαρμογή και η επίδραση της προτεινόμενης μεθόδου διόρθωσης επιδείχθηκαν χρησιμοποιώντας χρωματογραφικά δεδομένα από τη διαδικασία επικύρωσης. Πραγματοποιήθηκε μια μελέτη ανθεκτικότητας για την αξιολόγηση των παραγόντων που επηρεάζουν σημαντικά την ανθεκτικότητα της διόρθωσης της γραμμής βάσης. Η μελέτη καταλήγει επιβεβαιώνοντας την αξιοπιστία αυτής της διαδικασίας μέσω τυχαίων αλλαγών των παραμέτρων.Συνοψίζοντας, τα ευρήματα που παρουσιάζονται σε αυτήν τη διατριβή παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τις επιδράσεις των συζυγών κατιόντων στη χαοτροπική χρωματογραφία για τη βελτιστοποίηση της διαχωριστικής διαδικασίας πρωτονιομένων βασικών αναλύτων. Η ένταξη αυτών των ευρημάτων και η προτεινόμενη καινοτόμος μέθοδος χρωματογραφίας χαοτρoπικών ιόντων μπορεί να συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη αποτελεσματικών και αξιόπιστων πρωτοκόλλων διαχωρισμού στον τομέα της αναλυτικής χημείας.