ヘッドスペース法対応ガスクロマトグラフの特徴と仕組み

ヘッドスペース（HS）法は、密閉容器に入れた液体・固体試料を一定温度で保ち、試料上部の気相をガスクロマトグラフ（GC）へ導入する方法です。試料そのものではなく揮発した成分を採取するため、水、塩、糖、樹脂などの不揮発成分がGCへ入るのを抑えられます。
再現性の高い分析には、温度、平衡化時間、気液比、撹拌、密栓性を標準試料と実試料でそろえることが重要です。

ガスクロマトグラフにおけるヘッドスペース（HS）法とは

バイアル上部の気相をGCへ導入する試料導入法

試料を専用バイアルへ入れてセプタム付きキャップで密栓し、恒温槽で加熱・撹拌します。揮発性成分が試料相と気相の間で分配され、設定した時間の後に気相の一部を採取してGCへ送ります。分離後はFID、ECD、TCD、MSなど、対象成分に合う検出器で測定します。

液体試料をシリンジで直接注入する方法と比べ、不揮発成分による注入口・カラムの汚れを抑えやすい一方、気相へ移りにくい成分には感度が不足することがあります。ヘッドスペース法は、GC本体ではなく前処理・試料導入の方法です。

静的ヘッドスペース法と動的ヘッドスペース法を区別する

一般的なヘッドスペースサンプラは、密閉バイアル内を平衡化して気相の一定量を導入する静的ヘッドスペース法に用います。構成が比較的シンプルで、自動化しやすく、残留溶媒や香気成分などのルーチン分析に適しています。

動的ヘッドスペース法では、不活性ガスで揮発性成分を追い出し、吸着剤へ捕集してからGCへ導入します。パージ・トラップ法もこの考え方に含まれ、低濃度成分を濃縮できます。ただし、水分管理、捕集剤、脱着条件の検討が増えます。

濃縮が必要な水中VOCでは、パージ・トラップ法の捕集・水分管理を確認し、静的ヘッドスペースと比較します。

比較項目	静的ヘッドスペース	動的ヘッドスペース／パージ・トラップ
採取方法	平衡後の気相を一定量採取	ガスで追い出した成分を捕集・脱着
濃縮	原則として行わない	捕集管で濃縮する
向く用途	残留溶媒、香気、比較的濃度のあるVOC	水・大気中の低濃度VOC
主な注意点	平衡条件、気液比、密栓性	破過、水分、脱着効率、キャリーオーバー

Sylphのような小型・ポータブル型GCは、現場での即時分析や設置場所を選ばない柔軟性など、従来のラボ設置型GCにはないメリットを多く備えています。一方で導入にあたっては、重量やサイズ、バッテリー駆動の可否など、現場環境に合わせて確認しておきたいポイントも少なくありません。

こうした導入前に押さえておきたい観点を整理しているので、ぜひ参考にしてください。

ヘッドスペース法の原理と適している測定対象の成分

分配係数と気相・液相の体積比が応答を左右する

密閉バイアル内では、成分が試料相と気相へ分配されます。気相へ移りやすい成分ほどヘッドスペース中の濃度が高くなります。応答は、成分の蒸気圧だけでなく、試料マトリックス、温度、pH、塩濃度、気相と試料相の体積比にも左右されます。

温度を上げると気相濃度が高くなることがありますが、試料の分解、反応、バイアル内圧の上昇も考慮が必要です。塩析やpH調整を用いる場合は、目的成分の回収率と再現性を実試料で確認します。

揮発性成分と不揮発性マトリックスの組み合わせに向く

ヘッドスペース法は、水中VOC、医薬品・原薬中の残留溶媒、食品・飲料の香気や異臭、樹脂・包装材から発生する揮発成分などに利用されます。水、塩、糖、タンパク質、ポリマーなどを含む試料から、揮発性成分を選択的にGCへ導入したい場合に有効です。

難揮発性成分や熱に弱い成分、試料相へ強く保持されて気相濃度が低い成分には向かない場合があります。必要感度が得られなければ、SPME、パージ・トラップ、熱脱着、溶媒抽出などと比較します。

定量ではマトリックス差を管理する

標準液と実試料で塩分、pH、固形分、溶媒組成が異なると、同じ含有量でも気相濃度が変わることがあります。マトリックス添加標準、標準添加法、内部標準法などを検討し、添加回収試験で妥当性を確認します。

定量の基本は検量線と校正確認で解説しています。ヘッドスペースでは、気液分配を含めて標準試料と実試料の条件を合わせます。

バイアル、キャップ、セプタムの材質と締め付けも重要です。揮発損失や外気混入を防ぐため、試料調製後は速やかに密栓し、分析までの保管温度と時間を統一します。

ヘッドスペース法を用いたガスクロマトグラフの活用事例

医薬品・化学品の残留溶媒

原薬、製剤、化学材料に残る有機溶媒の定量では、試料を溶解または分散させてヘッドスペースGCへ導入します。試料マトリックスをGCへ直接入れにくい場合でも、溶媒成分を気相から測定できます。規格試験では、対象成分、溶解液、操作条件、システム適合性を該当する試験法に合わせます。

対象溶媒の選択性と装置構成はアルコール・残留溶媒のGC分析を参照してください。

食品・飲料の香気、異臭、包装材由来成分

飲料、油脂、調味料、乳製品などの香気プロファイルや異臭原因の確認に使われます。包装材、容器、樹脂ペレットから放散する揮発成分の評価にも利用できます。官能評価と分析値は同じ意味ではないため、原因候補の絞り込みやロット比較など、分析目的を定めて運用します。

食品の検査全体との関係は食品の香気・異臭・品質管理におけるGCの用途で整理しています。

水・土壌中のVOC

環境試料中の揮発性有機化合物では、ヘッドスペースGC-MSが選択肢になります。採取時の空隙、移し替え、保存温度で成分が失われるおそれがあるため、採取から測定までの操作を公定法に合わせます。より低濃度を測る場合は、濃縮を行うパージ・トラップ法も比較します。

ヘッドスペースサンプラを提供する主要メーカー

メーカー公式HPで2026年9月4日時点に現行製品として確認できるヘッドスペースサンプラのうち、GC・GC-MSと組み合わせる自動装置を調査しました。その中から、測定モード、検体処理数、接続するGCとの統合という観点で3製品を選定しています。

島津製作所「HS-20 NXシリーズ」

HS-20 NXシリーズは、揮発性成分分析向けのヘッドスペースサンプラです。研究から品質管理まで、GC・GC-MSと組み合わせた自動測定を検討する場合の候補になります。

装置区分	ヘッドスペースサンプラ
主な用途	液体・固体試料中の揮発性成分
シリーズ構成	ループ方式とトラップ方式を用途に応じて選択
確認項目	測定モード、バイアル数、接続機種、分析法移管

アジレント・テクノロジー「8697 ヘッドスペースサンプラ」

8697は、バルブ・ループ方式のヘッドスペースサンプラです。標準構成で48本、XLトレイで120本のバイアルを搭載でき、対応するAgilent GCと統合して状態確認やリークチェックを行えます。

サンプリング	EPCによるバルブ・ループ方式
搭載数	48本、120本（XLトレイ）
対応バイアル	10mL、20mL、22mL
主な測定モード	1回抽出、MHE、MHC

Thermo Fisher Scientific「TriPlus 500 GC Headspace Autosampler」

TriPlus 500は、Thermo ScientificのGC・GC-MSと組み合わせるヘッドスペースオートサンプラです。同社システムで試料導入からデータ取得までを統合したいラボで候補になります。

装置区分	GC用ヘッドスペースオートサンプラ
試料	密閉バイアル内の液体・固体試料
主な役割	バイアル温調、気相採取、GCへの自動導入
確認項目	トレイ容量、接続機種、流路材質、ソフトウェア

【フローチャート】
おすすめのガスクロマトグラフ
メーカーと製品を紹介

主要メーカーの製品を幅広く比較調査したうえで、選定基準を診断チャートに落とし込みました。いくつかの質問に答えるだけで、自社に合った製品にたどり着けます。
※2025年4月6日時点、Googleで「ガスクロマトグラフ メーカー」検索し公式HPが確認できた18社を対象に、各社最大2製品（複数製品の掲載がない場合は1製品）を調査。

目的に合わせた試料導入装置（サンプリング機器）の選び方

必要感度と試料マトリックスから方式を決める

比較的濃度のある揮発性成分を多数の試料で繰り返し測るなら、静的ヘッドスペースが起点になります。低濃度VOCを濃縮したい場合はパージ・トラップや熱脱着、溶媒を使わず香気成分を濃縮したい場合はHS-SPMEも候補です。

香気をファイバーへ捕集する場合はSPME-GCの抽出条件とファイバー選定も参照してください。

目的	候補となる導入法	主な確認点
残留溶媒のルーチン定量	静的ヘッドスペース	温調、撹拌、バイアル数、再現性
水中の低濃度VOC	パージ・トラップ	濃縮、水分除去、捕集管、キャリーオーバー
香気・異臭成分の濃縮	HS-SPME	ファイバー選択、平衡、競合吸着
大気・材料放散成分	熱脱着	吸着剤、捕集量、脱着温度、破過

処理数と分析サイクルを確認する

搭載できるバイアル数だけでなく、一度に温調できる本数、平衡化とGC分析のオーバーラップ、途中追加、夜間運転、冷却保管の要否を確認します。高処理数でもGC分析時間が長ければ、サンプラの搭載数だけでは処理能力を判断できません。

実試料で感度・再現性・キャリーオーバーを比較する

導入前のデモでは、標準液だけでなく実試料と高濃度試料を用意します。定量下限、添加回収、繰り返し再現性に加え、高濃度試料の直後にブランクを測り、流路への残留を確認します。既存法を移管する場合は、バイアル、加熱条件、加圧・採取方式の違いも評価します。

ヘッドスペースサンプラは、GC本体と独立して選べるとは限りません。接続できる機種、制御ソフト、据付スペース、ガス・電源、保守窓口まで含めて一つのシステムとして比較しましょう。

ガスクロマトグラフは、使用シーンによって適した機器が大きく異なります。
使用する環境が違えば必要な検出器・設置条件・運用方法も変わるため、自社に合った製品を選ぶには「どこで・何を測定したいか」を起点に検討することが大切です。

当メディアは「現場での連続計測」「ラボでの成分特定」「製造ラインへの組み込み」の3つの使用シーン別におすすめメーカー・製品をまとめています。