カールフィッシャー水分計の選び方：容量法・電量法と気化法

カールフィッシャー水分計カールフィッシャー試薬と水の反応を利用して、試料に含まれる微量の水分量を精密に測定する装置です。詳しく →は、水がヨウ素と反応する性質を使って、試料の水分量を求める装置です。機種は、ヨウ素をどう用意するかという滴定の原理（容量法か電量法か）と、試料をどうセルへ運ぶかという導入の方式（直接か、加熱して気体で運ぶ気化か）の2つで選びます。

ただし、カタログの測定範囲は、装置が原理の上でどこまで検出できるかを示す数字で、自社の試料を正しく測れるかは教えてくれません。

この記事では、測定の原理、範囲の数字の読み方、直接滴定と気化方式の違い、よくある失敗、選定の前に確かめる点を順に説明します。

1. 水分は、水が使ったヨウ素の量から求める

カールフィッシャー滴定試薬と水の反応を利用して微量の水分量を定量する滴定法。原薬の水分管理などに用いる。詳しく →は、水がヨウ素と二酸化硫黄を使って反応する性質を利用します。試料の中の水が反応で使うヨウ素の量から、水の量を求めます。

水分は医薬品の安定性を左右する数字です。とくに凍結乾燥凍らせた試料を減圧下に置き、氷を直接水蒸気にして（昇華）水分を除く乾燥の方法です。液のままでは安定性を保ちにくいタンパク質製剤などに使い、使う前に溶かして戻します。詳しく →品では、規格に入っているかどうかが出荷の判断に直結します。

では、容量法と電量法は何が違うのか。そのヨウ素の用意の仕方です。容量法はヨウ素を含む試薬をビュレット（目盛り付きの滴下管）で少しずつ加え、電量法は電気分解でヨウ素をセルの中でその場で作ります。

範囲の数字は機種ごとに違います。容量法は 100 ppm から 100% を掲げる機種が多く、電量法は 1 ppm から 5% 前後が一般的です。Metrohm の 899 Coulometer は、電量法が絶対法なので力価の決定が要らないことを特徴にしています。

2. カタログの測定範囲は、自社の試料を測れる範囲なのか？

0.001% から 100% までをうたう電量法の装置もあります（Hanon の T931 など）。ただし、これは下限の細かさと、測れる水分の幅を並べた数字です。

電量法でヨウ素を作る速さには上限があります。水分が多い試料では、電解が追いつくまで待たされるのです。幅広くうたう装置でも、100% 近い試料を毎日測る用途なら、容量法のほうが速く終わります。

逆の場合はどうか。容量法の装置で微量の水分を測ると、使う試薬が少なすぎて、1滴分の誤差が結果に大きく響きます。

たとえば凍結乾燥ケーキ凍結乾燥後に残る固形物のこと。崩れると外観や再溶解性が悪くなるため、形状の確保が重要になる。詳しく →が 100 mg で、水分が 1% なら、中の水は 1 mg で、電量法の推奨範囲（Metrohm の 851 Titrando で 10 µg から 200 mg）に収まります。一方、水分が比較的多い原薬原薬。精製を終えた有効成分そのもので、製剤化する前の段階を指す。詳しく →や粉体を日常的に測るなら、容量法が向きます。

選ぶ前に言えるようにしておきたいのは、自社の試料の水分量と、1回に使える試料の量の2つです。

カタログの範囲の広さより先に、自社の試料の水分量が、その原理の得意な域に入っているかを見ます。

3. 溶けない試料や副反応を起こす試料は、気化（オーブン）方式で運ぶ

もう一つの軸は、試料をセルへ入れる方式です。直接滴定と気化（オーブン）方式があります。

直接滴定は、試料を溶媒に溶かしてそのままセルに入れる方式です。反応が速く、測定時間も短くて済みます。ただし、溶媒に溶けにくい試料や、ケトンや金属酸化物のように試薬と副反応を起こす成分を含む試料は、この方式では正しく測れません。

気化（オーブン）方式は、試料を加熱して水分だけを追い出し、乾いた気体（窒素など）でセルへ運びます。試料が試薬に触れないので、溶けにくい固体でも、副反応を起こす原薬でも、水分だけを測れます。

凍結乾燥ケーキの測定でも、この方式がよく使われます。Mettler-Toledo の Compact V30S は、InMotion KF オーブンと組み合わせて、固体や難溶解の試料を気化で測ります。平沼産業の AQV-2200A も、気化装置を併用して難溶解の固体を測れます。

ただし、気化方式には直接滴定にない変数が1つ加わります。加熱温度です。高すぎると、糖のような成分が分解して水を出し、見かけの水分が実際より高く出ます。低すぎると水が出きらず、実際より低く出ます。

最適な温度は処方によって変わります。分解しやすい成分を多く含む処方は低めの温度に抑える必要があり、結晶水を持つ成分を含む処方は水が出きるまで高めの温度が要ります。

決め方の基本は、温度を段階的に変えて測り、水分値が頭打ちになる範囲を探すことです。メーカーの資料には、水が出きってドリフト（装置が背景で拾う水分の量）が元に戻る温度を選び、試料が分解する温度よりおよそ 20℃ 低くとどめる、という目安が示されています。分解が起きると、ドリフトが上がり続ける、煙が出る、試料の色が変わる、といった兆候が出ます。

気化方式は試料と試薬の副反応を避けられる代わりに、加熱温度を試料ごとに実測で決める仕事を引き受けます。

4. つまずくのは装置の性能より、範囲だけの選定・温度の未設定・吸湿

カールフィッシャー滴定でつまずく原因の多くは、使い方の前提にあります。

最も多いのは、測定範囲だけを見て機種を決め、試料の水分量や性質を確かめないことです。溶けない試料に直接滴定の装置を入れたり、微量の水分しかない試料に容量法の装置を当てたりすると、あとから方式ごと替える羽目に陥ります。

二つめは、気化方式の加熱温度を決めずに運用に入ることです。ある温度で測った値が、別の温度では変わる処方もあります。温度を決めた根拠が測定法の記録に残っていないと、試験法の移管や監査のときに説明できません（試験法の移管）。

三つめは、空気中の水分を拾うことです。凍結乾燥品の多くは吸湿しやすく、バイアルを開けて秤量する間にも水を吸います。試料を取り出してから測るまでの時間と環境の湿度を、手順として決めておきます。

装置側でも、ドリフトが高いままの状態で微量の試料を測ると、背景の補正が大きすぎて結果がマイナスになることがあります。乾燥剤（モレキュラーシーブ）や、針を刺す隔膜（セプタム）の交換、安定化の待ち時間、試料量の増加で対処します。

四つめは、容量法で滴定液の力価の確認を怠ることです。力価がずれれば、値そのものがずれます。水の標準を測って定期的に確かめる運用を、手順に組み込みます。

五つめは、規格が方法を決めていることを忘れることです。日米欧の薬局方国または地域の公的機関が定める医薬品の規格・試験法・品質基準を収載した公定書。詳しく →は、容量滴定と電量滴定を別の方法として並べています。規格書に「カールフィッシャー法」とだけあっても、どちらの方法で試験法を組むかは、装置を選ぶ前に品質保証と決めておきます。

日本薬局方の水分測定法（カールフィッシャー法）では、第十八改正で装置適格性試験の項目が加わりました。装置の導入時に、適格性確認の資料をメーカーから受け取れるかも見ておきます（装置の適格性確認）。

装置を選んだ後の仕事、つまり温度、吸湿、力価、薬局方との整合は、カタログに載っていません。

5. 機種選定や見積依頼の前に、試料の水分量と性質を確かめる

品質管理原料・資材・中間体・製品を規格に照らして試験し、使ってよいか、出荷してよいかの合否を決める仕事です。GMPでは製造部門から独立させます。詳しく →の担当者だけでなく、機種を比べる購買や、仕様を聞かれる営業にとっても、滴定の原理と導入の方式の2つの軸を押さえておくと話が早くなります。機種選定や見積依頼の前に、次の順に確かめます。

• 試料の水分量と量⁠：試料の水分量の範囲と、1回に使える試料の量を確かめます。
• 溶けるかと副反応⁠：試料が溶媒に溶けるか、副反応を起こす成分（ケトン、金属酸化物など）を含むかを確かめます。気化方式なら、温度を振って水分値が頭打ちになる温度を、自社の処方で実測します。
• 吸湿とドリフトの管理⁠：試料を取り出してから測り始めるまでの時間と湿度の上限を、手順に決めます。容量法なら力価確認の頻度、電量法なら電解液の交換頻度と、ドリフトの管理目標も決めておきます。
• 薬局方と適格性⁠：薬局方のどの方法に合わせるかを決め、装置適格性の資料をメーカーから受け取れるかを確かめます。
• 自社の試料での実測⁠：自社の凍結乾燥ケーキや原薬で、メーカーに回収率とばらつきを実測してもらえるかを確かめます。

装置の一覧はカールフィッシャー水分計のページにまとめています。

凍結乾燥品の残留水分が品質にどう効くかは凍結乾燥の崩壊温度と残留水分の管理で解説しています。バイアルを壊さずに水分を測る試みは凍結乾燥の残留水分を壊さず測る、そもそも凍結乾燥にするかどうかの判断は凍結乾燥か液剤かで読めます。

参考文献

• 日本薬局方 一般試験法 2.48 水分測定法（カールフィッシャー法）（容量滴定法と電量滴定法。第十八改正で装置適格性試験の項目を追加）
• USP米国で医薬品・原料・試験法の公式基準を定める公定書で、製薬用水に関する規格も収載されている。詳しく → General Chapter 〈921〉 Water Determination（容量滴定と電量滴定を別の方法として規定）
• Ph. Eur.欧州医薬品品質局（EDQM）が発行する、医薬品の品質基準を定めた公定書で、署名国・加盟国の規制に法的効力を持つ。詳しく → 2.5.12 Water: semi-micro determination（容量法）、2.5.32 Water: micro determination（電量法）
• Metrohm, Frequently asked questions in Karl Fischer titration, Part 2（気化方式の温度の決め方、ドリフトが高いときの対処）
• Pharmaceutical Technology, Residual Moisture Testing Methods for Lyophilized Drug Products（凍結乾燥品の吸湿性と気化方式）
• Metrohm, 899 Coulometer 製品情報（絶対法で力価決定が不要）／ Mettler-Toledo, Compact C30SX 電量法KFクーロメータ データシート（1 ppm から 5%）／ Hanon, T931 製品情報