はじめに
Purity Determination これは、物質が安全で信頼性が高く、意図された用途に適していることを保証するための重要な品質管理措置です。分離、合成、または製造後に目的の化合物の同定と品質を確認し、未反応の原料、副生成物、汚染物質などの重大な不純物が含まれていないことを検証します。 この分析は、合成または製造プロセスの有効性を評価し、さらなる精製が必要かどうかを示し、製造バッチ間の一貫性を確保するのに役立ちます。
その物質が治療用途を目的とする場合、Purity Determination の重要性はさらに高まります。 医薬品有効成分（API）の純度は、医薬品としての使用に適しているかどうかを判断する上で極めて重要です。不純物は、製剤化や加工の過程で毒性作用を引き起こしたり、医薬品有効成分（API）の安定性や生物学的利用能を損なう可能性があります。品質保証の観点からは、これは特に、分析法の開発、校正、および日常的な管理のための参照物質として使用される分析標準品にとって重要な意味を持ちます。
共晶不純物
不純物は、液相には溶解するが固相には溶解しない場合、その物質と共晶系を形成することがある。示差走査熱量測定（DSC）において、このような不純物は、不純物含有量の増加に伴い、観測される融点を低下させ、融解吸熱ピークを広がらせることで、材料の融解挙動に影響を及ぼす可能性がある。 この融点降下は、ヴァン・ト・ホフの理論[3]に基づくPurity Determination の基礎となっている。したがって、共晶不純物は融解挙動に影響を与え、加工性に支障をきたすため、特に重要である。そのため、品質管理には迅速な熱分析による純度分析が不可欠である[4]。
ASTM E928 [5] の方法Aで説明されているように、溶融ピークの開始点を溶融分率の関数として分析することにより、ヴァン・ト・ホフの式（式1）を用いて物質の純度を推定することができる。 この式は、融点降下度と共晶不純物の濃度を関連づけるものである。
式中の記号：
TS：試料温度 [K]
T0：純物質の融点 [K]
R：気体定数 (= 8.314 J/mol⁻¹·K⁻¹)
x：不純物のモル分率
Hf：融解熱 [J·mol⁻¹]（ピーク面積から算出）
F：融解率
試料中の不純物濃度を測定するには、以下の条件をいくつか満たす必要がある。
- 物質は結晶性でなければならない。∙ 物質と不純物は固溶体を形成してはならない。すなわち、固相において互いに混和しないこと。
- その物質は不純物と共晶系を形成すること。つまり、その物質と不純物は均一な混合物を形成し、純物質と同様に溶融・凝固すること。
- 多形性を示す化合物は、単一の多形に完全に変換されなければならない。
- 当該物質は、溶融中に分解してはならない。
DSCによる純度測定の手順は、USP <891>、Ph. Eur. 2.2.34、およびASTM E928やDIN 51007 [3,6]などのその他の各種規格に記載されている。
具体的には、ASTM E928 [5] では、高純度物質（濃度 >98.5 mol-%、c <20%、基準法に対するバイアス <0.5 mol-%）に対する DSC 固有の性能基準が記述および標準化されており、DSC 測定を実施すべき具体的な条件が定義されています。
カルバマゼピン（CBZ）は、1953年にノバルティス・グループによって発見され、1962年から市販されている合成抗けいれん薬である（図1）。 純粋な物質は、白色で結晶性、多形性（I～IV型、二水和物）の粉末であり、融点範囲は191～192°C（I型）、モル質量は236.27 g/molである。 CBZの作用機序は、電圧依存性Na+チャネルの阻害に基づく。主な医薬用途は、てんかん、三叉神経痛、双極性障害の治療である。しかし、CBZはアルコール離脱期や神経因性疼痛の治療にも使用される[7,8]。
本研究では、van’t Hoffプロットを適用し、HPLCにより測定された純度が異なる2種類のカルバマゼピン分析標準物質に含まれる不純物の量を定量した。ASTM E928規格に従い、Identify small における、このような参照物質の純度の違いに対するDSC法の適用性と信頼性を評価した。
実験的
DSCによるPurity Determination では、同一の有効成分であるカルバマゼピン（CBZ）の2種類の異なる（二次）分析標準物質が選定された。両製品ともSigma-Aldrich（Merck KGaA）製であり、表1に示す製造元の仕様を満たしていた。
表1：カルバマゼピンの2つのグレードに関するメーカー仕様の比較 [1,2]
| 項目 | カルバマゼピン（CBZ-I） | カルバマゼピン（CBZ-II） |
|---|---|---|
| 製品番号 | 94496 | C4024 |
| ロット | BCCM1539 | MKCT3831 |
| HPCL 純度 | 99.9% (規格: ≥ 99.0%) | 99% (規格: ≥ 98.0%) |
| 外観 | 白色粉末 | 白色粉末 |
| 融点 | 191～192°C | 191～192°C |
製造元のHPLC分析によると、2つのCBZ試料間で純度に0.9%の差が認められた。
この純度の違いは、示差走査熱量測定（DSC）測定（NETZSCH DSC 300Caliris Supreme ）およびNETZSCH Proteus® 9 ソフトウェアの「Purity Determination 」機能を使用して、熱的に検証することができます。
NETZSCH のDSC 300Caliris Supreme およびProteus® ソフトウェアは、ASTM規格に準拠したDSC純度スクリーニングを迅速な試験として可能にし、特に品質管理のための分析用標準試料のモニタリングにおいて非常に有用です。
測定プロトコル
NETZSCH 社製DSC 300（Caliris®Supreme ）による分析に先立ち、アルミニウム製Concavus® の容器をイソプロパノールで洗浄し、425°Cで1分間熱調整を行った。その後、試料（約1.5 mg）を洗浄済みの容器に充填し、気密に密封した。
不純物による融点低下を考慮し、予想される融解開始温度を十分に下回る温度から加熱を開始するよう、温度プログラムが設計された。 このプロトコルでは、2 段階の加熱プロファイルを採用しました。まず、20 K/min の速度で 20°C から 160°C まで急速加熱し、続いて 0.7 K/min の速度で 160°C から 200°C まで徐々加熱しました。 測定は、実験全体を通じてセル内を不活性雰囲気に保つため、40 ml/min のパージ流量で窒素ガス下で行われました。
測定結果
図2は、CBZ-lおよびCBZ-llの最初の加熱サイクルにおけるDSC曲線を示している。 CBZ-l：190.2°C、CBZ-ll：190°Cという190°Cにおける外挿された開始温度は、文献値（LideによるCBZの190.2°C、 D.R [9]によると、CBZの文献値は190.2°Cであるが、CBZ-lの場合はCBZ-llよりも0.2°C高い。
前述の通り、試料に含まれる不純物は融点を低下させ、DSC曲線を幅広にする。 DSC曲線から、純度解析ソフトウェア機能はヴァン・ト・ホフプロットを算出し、DSC純度解析データをグラフで表示します（図3を参照）。このプロットでは、融解温度を融解分率（F）の逆数（1/F）に対してプロットします。ここで、Fは融解ピークの総面積に占める割合を表します。
プロットは一般的に直線的ではなく、非線形性が大きいほど不純物の含有量が多いことを示します。この偏差は、DSCでは検出できない予融解効果に起因します。さらに、測定プログラムやデータ解析もプロットの直線性に影響を与える可能性があります。 例えば、低昇温区間を融解開始点に近すぎる位置から開始すると、誤った融解温度（TS）が得られてしまいます。一方、温度範囲を適切に選択していたとしても、ピーク面積の設定が不正確だと、ピーク積分の境界に影響を与え、算出される融解熱（Hf）に誤差が生じます。いずれの状況も、プロットの非線形性を悪化させます。
直線性を実現するために、解析ソフトウェアは補正係数cを適用し、これを総ピーク面積および各分画面積Fに比例して加算します。この反復調整により、補正されたF値が得られ、TS= f(1/F)という直線関係が成立します。
取得したDSC曲線に加え、Purity Determination ソフトウェアのこの機能では、モル％単位で結果を得るために純物質の分子量が必要となります。最終的な純度は、線形化されたデータの傾きから決定され、1/F = 0 まで外挿することで、100%純物質の理論融点が得られます。 この結果は、補正後のデータが直線性を示し、純度が98.5%以上であり、補正係数cが20%未満の場合にのみ信頼性があります [4]。
100%純粋なCBZの理論融点は、CBZ-lで190.425°C、CBZ-llで190.411°Cであり、 これに対し、実際の融点はそれぞれ190.358°Cおよび190.320°Cであった。測定されたCBZ-l試料の不純物含有量は0.098モル%、CBZ-llでは0.135モル%と算出された。 両試料の補正係数は10%未満であり、CBZ-lが4.633%、CBZ-llが6.978%であった。これは、データの高品質さとASTM規格への準拠を示している。 測定後、試料を再度計量したが、質量損失は検出されなかった。これは、測定中に試料の分解や揮発が発生しなかったことを裏付けており、ASTM規格で規定されている最大質量損失率1%にも準拠している。
CBZ-l（HPLC 99.9%）の純度は 99.902 mol% であり、CBZ-ll（HPLC 99%）の純度は 99.865 mol% である。 0.037%という差はごくわずかであると考えられるが、両側t検定によれば統計的に有意である。ただし、反復測定回数が限られている点は考慮すべきである（図4）。 CBZ-l の c 値が低いこと（4.8% 対 6.2%）は、予備溶融が少ないことを示唆しており、これは純度が高いことが原因である可能性がある [6]。
今回の結果は製造元の仕様を反映しており、したがって、この熱分析法の感度と信頼性を裏付けるものである。 DSC によって測定された純度の差 0.037%（CBZ-l 対 CBZ-ll）は、DSC で検出可能な不純物である共晶不純物のみを反映している。 検出された不純物は、ASTM 法による範囲（1.5 mol% 未満）内にあり、0.001 mol% という定量検出限界を超えています。
結論
本研究では、NETZSCH 社製のDSC 300（Caliris®Supreme ）を、NETZSCH （Proteus® ）のDSC向け「Purity Determination 」ソフトウェア機能と組み合わせて使用することで、溶融過程に影響を与える不純物のスクリーニング、ひいては多数の医薬品の純度測定、さらには異なる分析用標準物質の純度グレードの区別に極めて適しているとの結論に至った。
謝辞
技術的な評価および結果の解釈において貴重な貢献をしてくださったガブリエレ・カイザー氏およびシュテファン・シュメルツァー博士に、心より感謝申し上げます。