TGA（熱重量測定、Thermogravimetric Analysis）は、試料を加熱しながら重量の変化を精密天秤で連続記録する手法です。「いつ・どれだけ重さが減ったか（または増えたか）」から、分解温度・熱安定性・揮発成分・フィラー含量・酸化挙動が一度に読み取れます。本記事は熱分析の俯瞰記事・DSC徹底解説に続く深掘り編として、TGAの原理からEGA（発生ガス分析）との連携、現場での測定の勘所まで整理します。
この記事の読み方
- 現場の分析者・研究者の方：サーモグラムの読み方（DTG曲線の活用）、測定条件の最適化、EGAの手法選択、応用領域ごとの注意点を中心に。
- 入門者の方：専門用語は初出時に補足しています。まず「TGAの原理」と「サーモグラムの読み方」を押さえると、測定データの全体像がつかめます。
用語補足：サーモグラム とはTGAの測定曲線のこと。横軸に温度（または時間）、縦軸に試料の質量（%またはmg）をとる。
TGAの原理——質量変化を「測る」
TGAの本質は温度制御された炉の中で、高精度の天秤が試料の質量をリアルタイムに計り続けることです。試料は制御された雰囲気（不活性ガス・酸化雰囲気・真空）の中で加熱されます。
質量が変化する現象は大きく3つに分けられます：
- 質量減少：熱分解・揮発・脱水・脱ガス・酸化による質量損失
- 質量増加：酸化・吸着などによる試料への物質取り込み
- 変化なし：融解・ガラス転移・結晶化など（→これらはDSCが担う）
測定の出力は2本の曲線です：
- TGA曲線：残存質量（%またはmg）を温度に対してプロット。どの温度で何%減ったかが一目でわかる。
- DTG曲線（微分熱重量曲線）：TGA曲線の一次微分。質量の変化速度を示す。複数の分解段階が重なった多成分系でも、DTGのピークがそれぞれのステップを明確に分離する（ACS Omega, 2025）。
用語補足：DTG曲線 とはTGA曲線を時間または温度で微分したもの。ピーク温度が各分解ステップの「最速点」を示す。DTGが平坦なら質量変化なし、ピークが鋭いほどその温度域に変化が集中している。
解析の3つのキーポイント：
- 温度オンセット：TGA曲線の変化が始まる温度。熱安定性の定量的指標。接線法で求める。
- 残渣（残存質量）：加熱終了後に残った不揮発性成分や灰分の量。フィラー含量・灰分・炭素残渣の定量に使う。
- DTGピーク：質量減少速度が最大になる温度。多段分解の各ステップの「温度の指紋」。
測定条件の勘所——昇温速度・雰囲気・試料量・パン
正確なデータは実験設計から生まれます。4つの因子が結果を左右します。
昇温速度の使い分け
標準的なラボ実験では 5〜20 K/min が多く使われますが、目的に応じた選択が重要です：
- 速い昇温（20〜50 K/min）：感度（質量変化量の絶対値）に有利。スループット重視のルーチン。ただし分解温度が高温側にシフトし、近接する2つのステップが重なりやすくなる。
- 遅い昇温（1〜5 K/min）：分離能に有利。複数ステップを分けたい場合や動態解析に向く。
なお、EGA（後述）との連携ではガス転送時間のズレが生じるため、遅い昇温のほうが相関精度が上がる。
雰囲気ガスの選択
| 雰囲気 | 典型的な用途 |
|---|---|
| 窒素（N₂） | 熱分解（酸化を除いた純粋な分解）、標準的な安定性評価 |
| 空気・酸素 | 酸化安定性、燃焼挙動、カーボン残渣の定量（N₂→空気切替で燃焼ステップを分離） |
| アルゴン（Ar） | 高精度の不活性雰囲気が必要な場合 |
| 水素・CO₂ | 還元挙動・触媒の表面反応評価 |
実用的なテクニックとして、雰囲気を途中で切り替える方法があります。まずN₂で加熱して有機成分の熱分解を確認し、次に空気に切り替えてカーボンを燃焼させ、最後に残った灰分を無機フィラーとして定量する——という手順でポリマー複合材の組成を1回の実験で求められます。
試料量と粒径
- 試料量は少量（5〜15 mg）が原則。多すぎると熱が試料全体に均一に伝わらず、分解温度が見かけ上ずれる。
- 粒径はそろえて細かく。熱平衡と発生ガスの拡散を速め、真値に近いデータが得られる（ACS Omega, 2025）。
- 粉末は緩く詰める。固く詰めるとガスの抜け道が塞がれ、分解温度が上昇する。
パン（容器）の選択
| パン材質 | 用途 |
|---|---|
| アルミナ（Al₂O₃） | 最も汎用。室温〜1100°Cまで不活性。触媒反応しない |
| 白金（Pt） | 高温域や化学的に腐食性の試料に。ただし一部触媒作用に注意 |
| 石英（SiO₂） | 特定の中温域向け |
| Smart Seal Pan（TA Instruments） | 大気感受性試料専用。グローブボックス内で密閉→装置内で55°Cに達すると自動開封。装置全体をグローブボックスに入れずに済む。電池材料の測定に有効（TA Instruments） |
最新機器——主要5メーカーの現行ライン
| メーカー | 主力機種 | 温度域 | 天秤感度 | 特徴 |
|---|---|---|---|---|
| TA Instruments | Discovery TGA 55 | RT〜1000°C | 60 ng | Tru-Mass™ 天秤、EGA 接続対応 |
| TA Instruments | Discovery TGA 550 | RT〜1000°C | 8 ng | デュアルレンジ Tru-Mass、最高感度 |
| METTLER TOLEDO | TGA/DSC 3+ | RT〜1600°C | 0.1 μg | 同時 TGA+DSC、位置独立型天秤、自動内部較正 |
| NETZSCH | TG 209 F1 Libra | RT〜1100°C | 0.1 μg | PERSEUS 型で TGA-FTIR 一体化が可能 |
| PerkinElmer | TGA 8000 | 20〜1200°C | 0.1 μg | 容量1300 mg、昇温速度0.1〜500°C/min |
| Shimadzu | DTG-60 / DTG-60H | RT〜1100/1500°C | — | 同時 TGA+DTA、オートサンプラー24試料対応（DTG-60A） |
スペックは各社公式資料の公表値。構成・改訂で変わります。
TA Instruments TGA 55 のベースラインドリフトは室温〜1000°C で <25 μg と公表されており、微量揮発分の評価でも信頼性が高い。NETZSCH の PERSEUS TG 209 F1 Libra は FTIR を炉に直結した一体型で、別途 FTIR を接続するシステムより転送ラインが短く、ガスの凝縮損失を抑えられる。
発生ガス分析（EGA）——TGAに「目」をつける
TGA は「いつ・どれだけ重さが減ったか」はわかりますが、「何が抜けたか」は単体ではわかりません。EGA（Evolved Gas Analysis） は TGA と分析機器を連結し、発生したガスをリアルタイムで同定する手法群の総称です。
連結の仕組み
TGA 炉内（約1 bar）と質量分析計（MS）側（約10⁻⁷ mbar）の圧力差を利用し、発生ガスを移送ラインを通じて引き込みます。転送ラインは凝縮を防ぐために加熱（通常150〜300°C）します。
3つの連結手法
| 手法 | 原理 | 強み | 弱み |
|---|---|---|---|
| TGA-FTIR | IRスペクトルで官能基を同定 | ポリマー分解ガス（HCl, CO₂, H₂O など）の同定が得意。スペクトルライブラリと照合 | 不活性ガス・二原子ガス（O₂・N₂・H₂）は検出不可 |
| TGA-MS | m/z でイオン断片を検出 | 高感度。微量不純物・医薬品・金属化合物まで広く対応 | 複雑な混合ガスの分離が難しい場合がある |
| TGA-GC/MS | GCで分離後にMSで同定 | 複雑な有機マトリクスの揮発・半揮発成分を高分解能で同定 | 連続モニタリングが難しく、特定温度での採取が基本 |
使い分けの目安： - ポリマーの分解生成物を官能基レベルで知りたい → TGA-FTIR - 医薬品の残留溶媒・金属不純物・電池の発生ガス（HF, CO₂, O₂）など幅広い同定 → TGA-MS - 複雑な食品・環境試料の揮発有機化合物の詳細同定 → TGA-GC/MS
主要応用領域
ポリマー——分解挙動・組成・安定性
TGA はポリマー分析の主力手法です：
- 分解温度と熱安定性：ポリマーが何°Cから分解を始めるか（オンセット）と、分解速度が最大になる DTG ピーク温度を材料の耐熱指標として使う。
- フィラー・添加剤の定量：N₂ → 空気切替で有機成分を燃焼させ、残った灰分（TiO₂・ガラス繊維など）を定量。例えばガラス繊維強化プラスチック（GFRP）の繊維含率を直接算出できる。
- 多段分解の解析：DTG 曲線で各成分の分解ステップを分離。ANN（人工ニューラルネットワーク）を用いたバイオマス熱分解の速度論モデルへの応用も報告されている（ACS Omega, 2025）。
医薬品——水分・溶媒和物・安定性
- 水分・揮発性溶媒の定量：ICH ガイドラインに基づく残留溶媒の評価。100〜120°C 付近の質量減少から吸着水（表面水）と結晶水（結晶格子内）を区別できる。
- 溶媒和物の同定：抗ウイルス薬モルヌピラビル（molnupiravir）の解析では、エタノール・イソプロパノール・イソブタノール・THF の4種の溶媒和物が TGA と X 線構造解析の組み合わせで同定されている（Crystal Growth & Design, 2024）。溶媒分子が結晶チャネルを通じて脱離する様子が TGA 曲線に現れる。
- 加速安定性試験のサポート：原薬・製剤の熱安定性を ISO/ICH 条件で評価し、保管・輸送条件の根拠データとする。
電池材料——熱安全性評価
電池材料の熱分析は安全設計の根幹です：
- 正極材（NMC など）の分解：100% 充電状態（SOC）の NMC 正極材は酸素を放出しながら分解し、大量の熱を発生させる。この酸素が電解液の燃焼を加速し、熱暴走（thermal runaway）を引き起こす主要因となる。TGA-MS で酸素の放出温度を特定することは電池設計の安全基準策定に直結する（TA Instruments）。
- SEI（固体電解質界面）層の解析：グラファイト負極の表面に形成された SEI 層は比較的低温（〜80°C 付近）から分解を始め、熱暴走の引き金（イニシエーター）となる。TGA で分解温度を把握し、電解液添加剤の最適化に役立てる（TA Instruments）。
- 電池材料専用の Smart Seal Pan（TA Instruments）：大気に触れると変質する電池材料を、グローブボックス内で密閉封止した状態のまま測定できる。
触媒——コーク評価と再生プロセス
触媒上に堆積するコーク（炭素質堆積物）は触媒失活の主因です。DTG ピーク温度からコークの性質を区別できます：
- ソフトコーク（DTG ピーク 180〜330°C）：比較的低温で燃焼する軽質な堆積物。
- ハードコーク（DTG ピーク 330〜700°C）：難燃性の重質堆積物。グラファイト状に近い。
ピーク温度・面積から再生条件（温度・酸素分圧・保持時間）を最適化できます（ACS Omega, 2025）。
温度較正——キュリー点法
TGA の温度較正には独自の方法があります。キュリー点較正（Curie point calibration）は、炉の外側に磁石を置いた状態で強磁性標準物質を加熱する方法です。強磁性体が Curie 温度（磁気転移点）を超えると常磁性に転移し、磁石への吸引力が消えます。このとき天秤上で「見かけ上の急激な質量変化」が S 字曲線として現れ、この転移温度を温度目盛の基準点とします。一般的な融解法では測定できない高温域の較正に有効です（TA Instruments TN-24）。
TGAの限界——DSC・STAとの組み合わせ
TGA には大きな制約があります：質量変化を伴わない現象が見えないことです。融解・ガラス転移・結晶化・多形転移はいずれも質量変化を伴わないため、TGA だけでは識別できません。
| 知りたいこと | TGA 単体 | DSCとの組み合わせ | STA（同時） |
|---|---|---|---|
| 分解温度・揮発量 | ○ | — | ○ |
| 融解・Tg・結晶化 | × | ○ | ○（DSC/DTA センサー付き） |
| 「分解か融解か」の判別 | × | 各自測定で比較 | ○（同一試料で同時取得） |
| 発生ガスの同定 | × → EGA で補完 | × | × → EGA で補完 |
STA（同時熱分析）は TGA と DSC/DTA を同一試料・同一条件で同時測定するため、「吸熱を伴う質量減少（＝分解）」と「吸熱だが質量変化なし（＝融解）」を一発で切り分けられます。METTLER TOLEDO TGA/DSC 3+、Shimadzu DTG-60 シリーズ、NETZSCH STA 449 などが対応します。
分析者の視点——どこから始めるか
| 目的 | 推奨アプローチ |
|---|---|
| 熱安定性の簡易確認 | TGA 単体（N₂、10 K/min、汎用アルミナパン） |
| 多成分ポリマーの組成定量 | N₂→空気雰囲気切替 + DTG で成分分離 |
| 分解ガスの同定 | TGA-FTIR（官能基）または TGA-MS（幅広く） |
| 融解か分解かの判別 | STA（TGA+DSC 同時）またはDSCと組み合わせ |
| 電池材料（大気感受性） | Smart Seal Pan + TGA-MS（発生ガスとセット） |
| 医薬品の残留溶媒・水分 | TGA 単体（低温領域を精密に）→ TGA-MS で溶媒同定 |
まとめ
TGA を使いこなす鍵は、(1) DTG 曲線を必ず確認し、重なった分解ステップを分離すること、(2) 昇温速度・雰囲気ガス・試料量・パンの4因子を目的に応じて設計すること、(3) 「何が抜けたか」を知りたいときはEGA（TGA-FTIR／TGA-MS）を組み合わせること、(4) 質量変化を伴わない現象はDSC・STA で補完すること——の4点に集約されます。「重さを量るだけの装置」を「材料の熱的素性を診る道具」へ引き上げるのは、測定設計と読みの力です。
用語集
- TGA（熱重量測定）：温度制御下で試料の質量変化を連続測定する手法。
- DTG曲線：TGA曲線の一次微分。質量変化速度をプロットし、各分解ステップのピークを分離する。
- 温度オンセット：TGA曲線が変化を始める温度。熱安定性の定量的指標。
- 残渣（残存質量）：加熱終了後に残った不揮発性成分（灰分・フィラーなど）の量。
- EGA（発生ガス分析）：TGAに分析機器（MS・FTIR・GC/MS）を接続し、発生ガスをリアルタイムで同定する手法群。
- TGA-FTIR：EGA の一手法。FTIR で官能基を同定。IR 不活性ガスは検出不可。
- TGA-MS：EGA の一手法。質量分析で m/z から成分を同定。高感度・幅広い対応。
- STA（同時熱分析）：TGA と DSC/DTA を同一試料で同時測定。融解と分解を一発で切り分けられる。
- キュリー点較正：強磁性体の磁気転移を利用した TGA 独自の温度較正法。
- Smart Seal Pan：TA Instruments の大気感受性試料用密閉パン。グローブボックス内で封止し、炉内で自動開封。
- 熱暴走（thermal runaway）：電池内部で発熱が連鎖的に加速する危険な現象。正極材の酸素放出が燃料となる。
出典
- TA Instruments「Discovery TGA 55 — Specifications」 https://www.tainstruments.com/tga-55/
- TA Instruments「Discovery TGA 550 — Specifications」 https://www.tainstruments.com/tga-550/
- TA Instruments「EGA Hyphenation（TGA-MS / TGA-FTIR）」 https://www.tainstruments.com/hyphenation/
- TA Instruments「How to Enhance Battery Safety by Evaluating Materials' Thermal Stability（Smart Seal Pan・NMC・SEI）」
- TA Instruments「TGA Temperature Calibration Using Curie Temperature Standards（TN-24）」
- METTLER TOLEDO「TGA/DSC 3+ — Product Page」 https://www.mt.com/us/en/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/TA_Family_Browse/ta-instruments/thermal-analysis-system-TGA-DSC-3-plus.html
- NETZSCH「TG 209 F1 Libra（PERSEUS）」 https://analyzing-testing.netzsch.com/en/products/thermogravimetric-analysis-tga-thermogravimetry-tg/tg-209-f1-libra
- PerkinElmer「TGA 8000 Specification Sheet」 https://sim-gmbh.de/images/PDF_Dokumente_neu/07112018/TGA_8000_Specification_Sheet_012248_01_SPC.pdf
- Shimadzu「DTG-60 Series（同時 TGA/DTA）」 https://www.shimadzu.com/an/products/thermal-analysis/simultaneous-thermal-analysis/dtg-60-series/index.html
- EAG Laboratories「TG/EGA: Thermogravimetry/Evolved Gas Analysis」 https://www.eag.com/techniques/phys-chem/tga-ega/
- ACS Omega（2025）「Thermogravimetric Analysis Integrated with Mathematical Methods and Artificial Neural Networks for Optimal Kinetic Modeling of Biomass Pyrolysis: A Review」 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.5c02250
- Crystal Growth & Design（2024）「Polymorphs and Solvates of Molnupiravir: Crystal Structures and Solid Forms Transformation Analysis」
制作メモ：NotebookLM のディープリサーチ（62ソース取り込み）で一次情報候補を収集し、編集側で各社公式ページ・論文書誌にあたって型番・温度域・数値・EGA手法を検証のうえ執筆した。Shimadzu の型番（「TGA-60 Plus」はDSC-60 Plusと混同の誤り、正しくは DTG-60 シリーズ）を公式資料で訂正している。
