製薬業界におけるイオンクロマトグラフィの応用

イオンクロマトグラフィ（IC）は、イオン性および極性のある分析物を分離・定量するための分析技術です。ICは水質や化学分析など、さまざまな用途で広く受け入れられ、製薬業界や規制機関での利用が拡大しています。近年では医薬品の分析にも適用されるようになりました。医薬品およびバイオ医薬品製品の標準化を推進するアメリカ薬局方-国家医薬品集（USP-NF、アメリカ薬局方（USP））は、近代化の取り組みを通じてICの可能性を高め、一般章、分析法、及び不純物試験において適切かつ有効な技術として位置づけました。

このコラムでは、イオンクロマトグラフィの原理を簡単に紹介した後、USP一般章<1065>「イオンクロマトグラフィ」を基に、製薬分析におけるICの応用と利点について紹介しています。

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• イオンクロマトグラフィの原理
  
• 製薬業界におけるイオンクロマトグラフィの重要性
• USP <1065> に基づくICの検出技術と応用

イオンクロマトグラフィの原理

イオンクロマトグラフィ（IC）は、高性能液体クロマトグラフィ（HPLC）の一種で、イオン性および極性のある分析物を同時に分離・定量するために使用されます。分離機構として、主にイオン交換が用いられます【1–3】（アニメーション1）。

イオン交換分離カラムと導電率検出器の組み合わせが、ほとんどのICアプリケーションで使用されていますが、UV/VIS検出器、アンペロメトリック検出器、または質量分析計との連携など、他の検出技術を使用することも一般的です【3,4】。液体クロマトグラフの主な構成要素は図1に示されています。これには、移動相（溶離液）の貯蔵を備えた高圧ポンプ、インジェクター（サンプル導入）、分離カラム（分析カラム）、および検出システム（誘導化、データ収集、データ処理を含む）が含まれます。

メトロームでのイオンクロマトグラフィの開発や、その多彩な検出技術については、以下の関連資料で詳しく紹介しています。

Blog post: History of Metrohm IC – Part 1

Monograph: Ion Chromatography

Monograph: Practical Ion Chromatography – An Introduction

製薬業界におけるイオンクロマトグラフィ（IC）の重要性

HPLC（高性能液体クロマトグラフィ）が製薬業界における液体クロマトグラフィの主流である一方、イオンクロマトグラフィ（IC）も広く受け入れられるようになりました。ICが他の液体クロマトグラフィや、滴定などの従来の手法に対して製薬業界で持つ利点は、以下のようにまとめられます【5,6】：

• サンプル中の複数成分を一度に測定
• イオン性および極性分析物専用の分析手法
• 非金属の流路
• 溶離液は塩類、弱酸、弱塩基に基づく
• サプレッション技術（アニメーション2）：低ノイズのベースラインを実現し分析感度を向上
• 柔軟な装置構成： 導電率、UV/VIS、アンペロメトリック検出、または質量分析計との連携など、多様な検出器に対応
• 高度な自動化による効率の最大化と所有コストの低減（例：インラインサンプル調製オプションや単一標準物質による校正）

IC（イオンクロマトグラフィ）をUSP-NF基準における検証済み手法として

医薬品分析手法の標準化を推進する主要機関の一つであるUSP-NF（米国薬局方―国家処方集）は、製造工程および使用時における医薬品の品質、安全性、有効性を保証しています［6,7］。USP-NF基準の歴史は非常に長く、200年以上にわたります［6］。しかし、2010年にはFDA（米国食品医薬品局）およびUSP-NFによる世界的な近代化イニシアチブの一環として、新たな品質基準と技術が導入されました。

ICは、微量不純物、賦形剤、有効成分（API）、代謝物および分解生成物、さらに医薬品溶液や体液中のイオン性成分の分析手法として［5,8–15］、多くのUSP章、試験法、不純物試験および同定試験において検証済みの手法となっています。これにより、ICは従来の手法（例：滴定）に部分的に取って代わるか、あるいは最先端技術の活用を目的とした新しい基準に組み込まれる形で採用されています。

クロマトグラフィ技術の基本事項は、USP一般章<621>および<1065>に記載されています［16,17］。これらの一般章では、手法の詳細や全体的な装置構成に加え、医薬品分析におけるクロマトグラフィ手法の精度および信頼性に関する主要なパラメータと要件が説明されています。

USP一般章<621>および<1065>：クロマトグラフィの基本原則と基礎知識

USP一般章<621>では、さまざまなクロマトグラフィ技術の概要が示されており、装置や手順の定義（例：移動相、カラム、溶出の種類、メソッド手順）、一般的なパラメータ、そしてシステム適合性試験（例：システムの再現性、感度、ピーク性能）に関する要件が記載されています［16］。さらに、クロマトグラフィカラムの分類も説明されており、充填剤（L番号）、固定相（G）、支持体（S）の一覧が示され、クロマトグラフユーザーにとっての参考情報となります［18］。

イオンクロマトグラフィにおけるUSPアプローチのL番号およびカラム同等性手順に関する詳細は、以下の記事に記載されています。

コラム：USPで検証された分離カラムの同等性評価手法の適用

一方で、USP一般章<1065>は、イオンクロマトグラフィ（IC）に関する包括的な概要を提供しており［16,17］、特定の分析対象物（アッセイや不純物）の定量・定性試験法として広く認められているこの技術の重要性が強調されています。ICは多くの場面で有効な特性評価手法であり、医薬品製造のあらゆる側面と整合しています［8,17］。その応用範囲は非常に広く、原料、医薬品成分、製剤の品質管理から、製造に用いるプロセス用水、培地、洗浄液、廃水の評価にまで及びます［17］。

USP <1065>には、イオンクロマトグラフィに関する基本知識が含まれており、ICとは何か、装置の詳細（図1）、一般的な検出機構、手順、適切なメソッド開発のための重要な注意点などが記載されています。

さらに詳しいメソッドバリデーションの基準と要件については、USP一般章<1225>「公定試験法のバリデーション」に関連しています。この章では、分離能、保持時間、ピーク形状などのパラメーターを評価することで、分析前にICシステムが正しく機能しているかを確認するシステム適合性試験や、直線性、精度、正確性、特異性、検出限界（LOD）、定量限界（LOQ）などの重要パラメーターを含むバリデーション要件が記載されています［19］。

一般にICメソッドを開発する際には、効率的な分離と適切な選択性・感度を確保するために、適切な移動相および固定相を選択することが非常に重要です（図1、USP <1225>に準拠）［17,19］。移動相は通常、高純度水に希釈した酸、塩基、または塩類からなり、固定相はシリカ系またはポリマー系の材料が使用されます。

その重要性から、カラムと適切な移動相はUSPの各モノグラフや一般章に組み込まれています。ただし、カラム同等性の概念により、分析ワークフローへの手法導入に一定の柔軟性が認められています。

ICカラムに関する詳細は、以下のブログ記事シリーズでご覧いただけます。

Blog post: Best practice for separation columns in ion chromatography (IC) – Part 1

USP <1065>に基づくIC検出技術とその応用

このセクションでは、一般的に使用されている4つのIC（イオンクロマトグラフィ）検出器について説明します（以下の項目をクリックすると該当箇所にジャンプします）：

• 伝導度検出器
• UV/VIS（紫外・可視）検出器
• アンペロメトリック（電流）検出器
• 質量（MS）と接続したIC（IC-MS）

伝導度検出器

最も一般的なIC（イオンクロマトグラフィ）の検出法は伝導度検出器です［17］。その原理はコンダクタンス法（伝導度測定）に基づいており、アニメーション3で示されています［2］。伝導度検出器では、溶液中のイオンが2つの電極間で電流をどれだけ効率よく伝導するかを測定することで、存在するイオン種の濃度に関する情報を得ることができます。サプレッサと組み合わせることでバックグラウンド信号が低減され、感度および信号対雑音比が大幅に向上します（アニメーション2）［2,17］。

伝導度検出器を用いたICは、以下を含む医薬品分析において幅広い応用範囲を持ちます：

イオンクロマトグラフィ（IC）の特長は、一度の分析で複数の成分を同時に測定できる点にあります。例えば、複数の陰イオン成分（酢酸塩、塩化物、クエン酸塩、硫酸塩）を輸液中で測定する例（AN-N-051）や、複数の陽イオン成分（ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム）を経腸栄養剤中で測定する例（AN-C-022）があります。高容量のICカラムのおかげで、たとえ非常に複雑なマトリックス中であっても成分の分離が可能です［7］。

UV/VIS 検出器

UV/VIS は、直接法・間接法・ポストカラム誘導体化法のいずれの手法でも使用可能な光学検出技術であり、UV/VIS 光を吸収するイオンの検出に有用です［2,17］。

直接的な UV/VIS 検出器は、電気伝導度検出器と併用されることがあり、例えば、UV領域で強く吸収するイオン（亜硝酸塩、硝酸塩、有機陰イオン）を、無機イオン（塩化物、リン酸塩、硫酸塩）の高濃度存在下でも検出感度を向上させる目的で用いられます。これらの無機イオンはUV吸収能がほとんどないか、あっても非常に小さいためです［2］。この検出法の原理は、アニメーション4に示されています。

間接的なUV検出では、可視または紫外スペクトル領域で高い吸光度を持つ溶離液（例えば、フタル酸緩衝液）が使用されます [17]。検出波長は、溶離液が吸収し、試料イオンが吸収しないように選ばれます。この選択により、分析対象物の濃度に比例した負のピークが得られます。

アンペロメトリック検出器

アンペロメトリック検出は、電気化学的な分析手法であり、作動電極上での分析対象物の酸化または還元によって発生する電流を時間の関数として測定する方法です [20]（アニメーション5）。

前提条件として、対象となるイオンは還元または酸化される必要があり、すなわち電気化学的に活性な物質でなければなりません [2,17]。分析対象の例としては、有機化合物、遷移金属、陰イオン（例：亜硝酸塩、硝酸塩、硫化物、亜硫酸塩）、および炭水化物などが挙げられます [2]。医薬品業界におけるICとアンペロメトリック検出の応用例には、ラクトース（乳製品およびサプリメント中、AN-P-089)、カテコールアミン（医薬注射液中、AN-P-053）、ゲンタマイシン（ゲンタマイシン液中、AN-P-080）、プロピレングリコール（ジクロフェナク外用液中、AN-P-076）。

メトロームの ホワイトペーパー では、インフルエンザ菌ワクチン中のポリリボシルリビトールリン酸（PRP）の定量を、パルスアンペロメトリック検出を用いたICによって行う方法について説明しています（図4）。

クロマトグラム中の黒い線は、3 µg/mLのPRP濃度を持つ標準を示しています。青緑色の線は、総PRP含有量（最終濃度 19.42 mg/L）を示しており、表示されている規定値（16～24 mg/L）の80～120％の範囲内にあります。品質基準によれば、遊離PRPは総PRP含有量の20％未満である必要があります。クロマトグラム中の黄緑色の線は、測定された遊離PRPの含有量（最終濃度 2.03 mg/L）を示しており、規定の要件を満たしています。

質量分析計と接続したイオンクロマトグラフ（IC）

イオンクロマトグラフは、質量分析計（MS）と組み合わせることで、有機酸、炭水化物、微量元素の検出感度を高めることができます。装置は不活性に設計されており、使用する移動相に対する柔軟性があり、特に微量元素のスペシエーション分析では汚染防止において重要です。ICの抑制技術により、これらの高感度な質量分析計に導入される液体は、分析対象物と水（および必要に応じて若干の有機修飾剤）のみとなります。これは、分析の安定性、感度の向上、そして装置寿命の延長に寄与します。

こちらの資料で、ICとMSのハイフネーション（接続）についてさらに詳しくご覧いただけます。  

Hyphenation of ion chromatography and mass spectrometry

White Paper: An introduction to ion chromatography mass spectrometry (IC-MS)

結論

イオンクロマトグラフィは、医薬品分野において強力で多用途な分析手法です。さまざまな試料タイプに対応でき、イオン性およびイオン化可能な物質の検出において高感度を発揮します。さらに、ICは異なる検出方式を組み合わせることができるため、医薬品製造や品質管理において非常に重要な役割を果たしています。

お役立ち情報

Drug monographs, assays, and impurity evaluations – Bring your USP methods up to date with Metrohm Ion Chromatography

Flyer: Bring your USP methods up to date!

Blog post: Applying USP validated methods for separation column equivalency

White Paper: When HPLC fails: IC in food, water, and pharmaceutical analysis

On-demand webinar: Ion chromatography for pharmaceutical applications

On-demand webinar: Analysis of impurities in pharmaceuticals using ion chromatography