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ヘッドスペースサンプリングは、ガスクロマトグラフィー（GC）およびガスクロマトグラフィー質量分析（GC/MS）のサンプル導入技術の一種です。ヘッドスペース法では、サンプル層内からある容量のサンプルを取り出すのではなく、ガス層、またはバイアル内のサンプルの上のヘッドスペースを分析します（図 1）。ヘッドスペース分析では、目的の化合物の揮発性が高く、サンプルの残りの部分は揮発性がはるかに低いか、または不揮発性である必要があります。この手法は例えば、サンプルの種類が固体または粘性のある液体・血液・医薬品である場合、労力のかかる抽出の代替法としてうまく機能します。
ヘッドスペースバイアルは通常、多くの液体注入システムで使用される 2 mL バイアルよりも大きな容量のものを使用します。一般的な製品は、10 mL、20 mL、および 22 mL の容量です。より大きなバイアルは、より大きなサンプル容量またはそのサンプルの上のより大きなヘッドスペースに対応します。ヘッドスペースは揮発性化合物に最適であるため、高品質のバイアルとキャップを使用して密閉状態を形成することが分析を成功させるために重要です。
図 1: バイアル内のサンプル層とヘッドスペース層
GC ヘッドスペースの特長
ヘッドスペースサンプリングは、GC 分析にいくつかの特長をもたらします。
ヘッドスペースサンプラの主要部品
Agilent 7697A モデルや 8697 モデルなどのバルブ/ループのヘッドスペースサンプリングシステムでは、次の部品が使用されています。
ヘッドスペースサンプリングプロセス
サンプルはヘッドスペース分析に適したバイアルに移され、すぐにふたをして揮発性成分の損失を最小限に抑えます。ヘッドスペースバイアルにふたをすると、バイアル内の低沸点化合物がサンプルとヘッドスペース層の間を移動し始め、最終的に平衡に達します（図 2）。平衡に達する時間はサンプルに依存し、実験的に決定されます。この時間は、バイアルをオーブンまたはその他の温度制御環境で保温することによって最適化されます。
図 2: サンプル層から移動し、サンプルとヘッドスペース間の平衡を達成する揮発性成分の様子
平衡が達成されると、サンプリングプロセスを開始できます。バルブとループの操作（図 3）は、3 つの基本的なステップで構成されます。
最新のヘッドスペース機器は、サンプリングプロセスが完全に自動化され、多くの場合、特定のサンプルタイプに最適な時間と圧力を実験的に決定するのに役立つツールが用意されています。
図 3: バルブとループのヘッドスペースサンプラが機能する仕組みを示す 3 ステップ図
ヘッドスペース分析を成功させるための重要な要素
ヘッドスペース濃度を GC 検出器の応答に関連付ける数式は次のとおりです：
この式は、検出器によって検出された面積（A）が、バイアルの気相中の分析成分濃度に比例することを示しています。その濃度（CG）は、追加されたサンプルの濃度（C0）を 2 つのサンプル固有の項の合計で割ることによって定義されます：分配係数（K）と相比（β）。検出器の応答を最大化するには、K と β の条件をその合計を最小化するように選択する必要があります。これにより、サンプルの気相中の揮発性ターゲットの比例量が大きくなります。これは、サンプルの量と分析成分の溶解度を最適化することによって実現できます。
サンプルの量相比（β）は、バイアル内の気相と液相の相対体積として定義されます（図 4）。相比は、バイアルのサイズとサンプルの量の影響を受けます。相比を最適化する際のベストプラクティスは、バイアル内にヘッドスペースを少なくとも 50% 残すことです。したがって、10 mL バイアルの代わりに 20 mL バイアルを使用すると、より多くのサンプルを入れることが可能になります（図 5）。同様に、同じサイズのバイアル内でサンプル量を増やすと β も減少します（図 6）。
図 4: 相比は、バイアル内のサンプルとヘッドスペースの体積を比較したものです。
図 5: 10 mL と 20 mL の両方のバイアルで調製した同じ 4 mL サンプルのクロマトグラフの重ね表示：相比が結果に与える影響
図 6: 10 mL バイアル内のさまざまなサンプル量の影響を示すクロマトグラフの重ね表示
サンプルの溶解度。ヘッドスペースの結果は、分析対象成分が化学的にサンプルから離脱し、ヘッドスペースに移動できれば最適です。この尺度は分配係数（K）と呼ばれ、サンプル濃度（CS）と気相濃度（CG）の温度依存性を表します。この比較を図 7 に示します。液体サンプルでは、K に影響を与える目的で溶媒の調整または不揮発性塩の追加が不可欠な場合があります。固体サンプルでは、分析でより好ましい K 値とするのに少量の溶媒が有効な場合があります。
図 7: 分配係数は、サンプル内の特定の化合物の濃度をヘッドスペース内の同じ分析成分の濃度と比較することによって定義されます。
K に対する温度の影響を示すために、図 8 は、さまざまな温度で 20 分間平衡化したサンプルのクロマトグラムを示しています。より高い温度で分析すると検出器の応答が高くなります。これは気相中の分析成分が多くなることに対応します。例として、40 ℃における水中のエタノールの K 値は～ 1350 です。80 ℃では、K 値は～ 330 に減少します。ある温度設定値では、温度が上昇しても検出器の応答はそれ以上増加しません。これは、K が最小となることを示しています。オーブンの最大温度は、溶媒の沸点より 20 ℃程度低く保つ必要があることに注意してください。
図 8: 異なる温度で 20 分間平衡化したサンプルレプリケートのクロマトグラフィー重ね表示
その他のヘッドスペースパラメータが、検出器の応答に影響を与える可能性があります。平衡化時間、バイアルの振とう、サンプルループ容量、サンプルループ圧力などの設定により、分析の一貫性と再現性を向上させることができます。ヘッドスペース分析に影響を与える可能性のあるこれらの要因について、より詳しくはこのウェビナーをご覧ください。
複数のヘッドスペース抽出を使用した精度の向上
上記のヘッドスペースサンプリングプロセスは、バイアルあたり 1 回の抽出です。しかし、干渉マトリックスがヘッドスペースに存在する場合、または同じマトリックス組成でキャリブレーション標準を作成できない場合、定量が不正確になるおそれがあります。マルチヘッドスペース抽出（MHE）では、同じバイアルを使用した一連のサイクルでサンプリングを行います。サンプルを加圧してヘッドスペースからアリコートを採取し、GC に注入します。これを複数回繰り返し、最終的な結果を得ます。マルチヘッドスペース抽出濃縮（MHC）は MHE と同じですが、すべてのヘッドスペースアリコートを採取した後に GC に注入する代わりに、低温トラップを使用して GC の注入口でサンプルを濃縮します。
図 9: 複数のヘッドスペース抽出
GC ヘッドスペースの一般的なアプリケーション
残留溶媒
米国薬局方（USP）メソッド 467 は、一般的なヘッドスペースアプリケーションです。市販薬や処方薬に含まれる可能性のある医薬品製造プロセスからの溶媒を検出・測定し、規制ガイドラインを満たし消費者にとって安全であることを確認します。
多く米国の州や海外での医療用マリファナの合法化に伴い、大麻製品でも残留溶媒分析が使用されています。
血中アルコール分析
ヘッドスペースガスクロマトグラフィーの広く使用されているもう 1 つのアプリケーションは、血液中のエタノール含有量の測定です。これらのケースはしばしば裁判にかけられるため、正確で正当性を持つデータが重要になります。
環境サンプル中の揮発性物質
人間や動物に健康上のリスクをもたらす可能性のある揮発性化合物の存在について、ヘッドスペース GC は、土壌や水のサンプルを分析するために環境ラボで使用されています。
食品および飲料中の香気成分
化学者は、ヘッドスペースサンプリングとガスクロマトグラフィーを使用して、食品や飲料中の揮発性化合物を測定します。それらの特性解析と定量化は、製品の品質と一貫性を確保するために重要です。
溶媒やポリマー中の残留モノマー、トランスオイルガスアナライザ、洗浄剤、化粧品、パーソナルケア製品の汚染物質、医療機器の滅菌副生成物など、ヘッドスペース分析には他にも多くの用途があります。
追加情報
7697A ヘッドスペースサンプラメソッド開発ウィザード（英語）
書籍： Kolb, B.; Ettre, L. Static headspace-gas chromatography theory and practice, 2nd ed.; John Wiley and Sons, Incorporated, 2006.
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