揮発性成分をGCに入れる4つの方法の選び方 ― 試料量を増やしても感度が上がらない理由

静的ヘッドスペースで感度が足りない。よくある場面です。そして最初に試されるのが「バイアルに入れる試料を増やす」——これは、効くときと、まったく効かないときがあります。

理由は支配式にあります。ドイツ研究振興協会（DFG）MAK 委員会の分析法文書が、その条件を明示しています。

As the sum of K and β decreases, the concentration of the analyte in the gas phase increases as does the sensitivity of the procedure. An increase in sample volume can contribute to an altered phase ratio β and, in turn, to an increase in sensitivity; in any case, this effect only comes to bear when K is much smaller than β. （K と β の和が小さくなるほど気相中の分析種濃度は上がり、感度も上がる。試料量を増やせば相比 β が変わって感度向上につながりうるが、この効果は K が β よりずっと小さいときにしか効かない。） — MAK Commission, MAK Collect. Occup. Health Saf. 2025

エタノールやグリコール類のように水によく溶ける成分は K が大きいので、バイアルの充填量をいじっても分母はほとんど変わりません。つまり、試料量を増やして効くかどうかは、測る前に K と β を比べれば分かる。

そして K が大きい成分に対して静的ヘッドスペースが苦しいなら、逃げ道は原理的に3方向しかありません。

1. 濃縮を足す（HS-SPME・ITEX・SPDE・SBSE）── 気相からもう一段、収着相へ集める
2. 平衡を捨てる（パージ&トラップ）── 平衡の一部を取るのをやめ、ほぼ全部を移す
3. 気体を直接捕まえる（熱脱着）── そもそも液体試料を経由しない

この記事は、この4系統を支配式・吸着剤の物性・検量線の作り方という3つの軸で並べ、どこで何を犠牲にするのかを数値で示します。

この記事の読み方：1〜4節が静的ヘッドスペースの理論で、ここが全体の土台です。5〜7節が「濃縮を足す」と「平衡を捨てる」、8〜10節が熱脱着と吸着剤の選択、11節が検量線、12節が目的別の選択です。医薬品の残留溶媒という具体的な公定法は残留溶媒分析の実務、GC 本体（カラム・注入法・検出器）の選定はGC徹底解説で扱っています。本記事はその手前の「何をGCに入れるか」に絞った深掘りです。

1. 4つの技術は「何をGCに入れるか」で分かれる

GC に入れられるのは気体だけです。液体や固体の試料から揮発性成分をどう気体にして運ぶか——そこで技術が分かれます。

系統	何をするか	平衡か	代表技術
静的ヘッドスペース	密閉バイアルを加熱し、平衡に達した気相を一定量抜く	平衡	HS-GC
静的HS＋濃縮	気相からさらに収着相へ集めてから熱脱着	平衡（二段）	HS-SPME、ITEX、SPDE、SBSE
動的ヘッドスペース	不活性ガスを通し続けて分析種をほぼ全部追い出す	非平衡	パージ&トラップ
熱脱着	気体試料を吸着剤管に通して捕集し、加熱して放出	非平衡（捕集）	TD-GC

静的ヘッドスペースの強みは、マトリックスを装置に持ち込まないことです。MAK 文書はこう書いています。

In contrast to the injection of liquid sample extracts, headspace analysis involves a relatively low transfer of matrix components into the chromatographic system and the detector. In principle, the reduced background noise thereby achieved enables low quantitation limits… Furthermore, the contamination of the gas-chromatographic system with matrix components is lower, meaning that the service life before cleaning or maintenance is increased.

液体抽出物を直接注入する方式に比べて、バックグラウンドが低く、装置も汚れにくい。溶媒も使わない。この3点が、静的ヘッドスペースが古典的でありながら現役である理由です。

2. 静的ヘッドスペースの支配式 ― K と β

密閉バイアルの中で、揮発性成分は液相と気相に分配され、やがて平衡に達します。平衡後の液相濃度と気相濃度の比が分配係数 K です。

MAK 文書の記述をそのまま引きます。

the concentration of volatile substances in the headspace of a headspace-vial can be calculated with the formula … whereby c_g is the concentration of the volatile analyte in the gas phase and c_0 is the original concentration of the analyte in the sample. The partition coefficient K denotes the equilibrium distribution of the analyte between liquid sample phase and gas phase, and the phase ratio β denotes the volume ratio of gas phase to liquid sample phase.

つまり、

c_g = c_0 / (K + β)

• K（分配係数）＝ 平衡後の液相濃度 ÷ 気相濃度。物質固有の値で、水に溶けやすいほど大きい
• β（相比）＝ 気相の体積 ÷ 液相の体積。こちらは実験者が決められる

感度を上げるには K + β を小さくする。それだけです。そして K は物質が決め、β は自分が決める。

K が小さい成分（水に溶けにくい、揮発しやすい）は、そもそも気相へよく出るので静的ヘッドスペースに向きます。MAK 文書は「低い分配係数は、水相（生体マトリックス）に対して気相の分析種濃度が高いことを意味し、その分析種がヘッドスペース分析による定量にかなり適していることを示す」と述べています。

逆にK が大きい成分——高沸点で極性が高い溶媒——は、加熱しても気相へ十分に出てきません。日本薬局方が残留溶媒の標準法から N,N-ジメチルアセトアミド、2-エトキシエタノール、エチレングリコール、ホルムアミド、2-メトキシエタノール、N-メチルピロリドン、スルホランの7溶媒を外し、「その他のバリデートされた方法で測定する必要がある」としているのは、まさにこの K の問題です（残留溶媒分析の実務）。

3. 試料量を増やしても効かないことがある

冒頭に引いた一文が、この節の全部です。

An increase in sample volume can contribute to an altered phase ratio β and, in turn, to an increase in sensitivity; in any case, this effect only comes to bear when K is much smaller than β.

式で見ると当然です。c_g = c_0/(K + β) の分母は K と β の和なので——

• K ≪ β のとき：分母はほぼ β。β を半分にすれば気相濃度はほぼ 2 倍になる。試料量を増やす価値がある
• K ≫ β のとき：分母はほぼ K。β をどういじっても分母はほとんど変わらない。試料量を増やしても無駄

10 mL バイアルに 1 mL 入れれば β = 9、5 mL 入れれば β = 1 です。K が 0.1 の成分（ヘキサンのような非極性溶媒）なら、この変更で気相濃度は大きく変わります。しかし K が 1000 を超える成分では、β が 9 だろうと 1 だろうと分母は 1000 のままです。

「感度が足りないから試料を増やす」という反射は、K を見てから使う。これが静的ヘッドスペースの最初の分岐です。

4. K を動かす3つの手 ― そして、それぞれの上限

β が効かないなら K を動かすしかありません。手は3つあります。

①温度を上げる

The partition coefficient K becomes generally smaller with increasing temperatures（thereby corresponding with an increasing concentration in the headspace）, whereby this effect is even larger the better the analyte dissolves in the aqueous medium.

温度を上げると K は下がる。しかもその効き目は、水によく溶ける成分ほど大きい。つまり 3 節で「β が効かない」と判定された成分こそ、温度が最も効く成分です。理屈が噛み合っています。

ただし上限があります。MAK 文書は生体試料の恒温化条件を「血液で 40 ℃、血漿・尿で 60〜80 ℃、いずれも少なくとも 30 分」としたうえで、血液の上限の理由を明示しています。

For blood samples, however, the thermostatisation temperature has an upper limit in practice, as coagulation sets in at temperatures above 40 °C, making it difficult to reach equilibrium and leading to a higher partition coefficient.

40 ℃ を超えると血液は凝固し始め、平衡に達しにくくなって K がむしろ上がる。マトリックスが温度の上限を決めています。

②塩析する（salting out）

The salting-out reduces the solubility of the analyte in the aqueous phase, thereby increasing the analyte concentration in the headspace. Ammonium chloride, ammonium sulfate, sodium chloride, sodium sulfate, and potassium carbonate are most commonly used for this purpose.

塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、塩化ナトリウム、硫酸ナトリウム、炭酸カリウム。極性 VOC の水への溶解度を下げて K を小さくします。水に溶けやすい成分ほど効くという点で、温度と同じ方向です。

③pH を調整する

酸・塩基性の分析種なら、分子形に寄せれば水への溶解度が下がって K が小さくなります。

なお MAK 文書は、これらの操作すべてに共通する注意も添えています。「あらゆる操作工程と薬品の添加は、分析種の損失や試料汚染につながりうる」。塩を足すこと自体が汚染源になりえます。

5. 逃げ道①濃縮を足す ― SPME・ITEX・SPDE

K を動かしても足りないなら、気相からもう一段集める。静的ヘッドスペースの気相を直接注入するかわりに、収着剤や低温トラップで濃縮してから GC へ送ります。

Instead of direct injection from the headspace, many static headspace methods use an adsorbent or a cryogenic trap to enrich the analytes from the gas phase prior to transfer into the gas chromatograph. In headspace solid-phase microextraction (HS-SPME), the adsorbent is inserted directly into the sample vial.

代表格が HS-SPME で、ほかに SBSE（撹拌子収着抽出）、SDME（単一液滴マイクロ抽出） があります。MAK 文書は「そのなかで HS-SPME が最も広く使われている」としています。

原理としては、系全体で2つ目の平衡（気相 ↔ 収着相）が成立します。両方の平衡の分配係数を狙って操作できるので、静的ヘッドスペース単独よりも感度を大きく上げられる、というのが理屈です。

ITEX ― SPME の弱点を突いた設計

ITEX（in-tube extraction）は、ヘッドスペース用シリンジの針の上部に吸着材（通常 Tenax TA）を仕込み、気相を何度も能動的に吸引して通す方式です。MAK 文書は SPME に対する優位点を具体的に挙げています。

The main advantages of the ITEX technique, compared with SPME, are its considerably higher adsorption capacity, increased mechanical stability, and faster analyte enrichment by active drawing of the gas phase… Furthermore, the ITEX syringe exhibits a longer lifetime and can be used for up to 1000 extractions… A particular advantage over both the SPME and the SPDE technique is the versatility of the ITEX technique: the trap contains packed sorbent material, which can be selected from a larger number of materials.

• 吸着容量が大きい
• 機械的に丈夫
• 能動的に吸引するので濃縮が速い
• 最大 1000 回の抽出に使える（SPME は約 100 回、次節）
• 充填吸着材なので材料の選択肢が広い
• トラップヒーターで、GC 注入口温度とは独立に脱着温度を設定できる

濃縮量を左右するのは吸着剤の選択とストローク数（抽出サイクル数）です。SPME と同様、針を冷却すれば濃縮は改善します。

6. SPME の実像 ― 収着相 0.6 µL という制約

HS-SPME は使いやすく、溶媒を使わず、装置も安価です。しかし制約もはっきりしています。MAK 文書の記述は率直です。

The main drawbacks of the SPME technique include the mechanical sensitivity of the fibres as well as the limited choice of stationary phases. Moreover, the limited enrichment capacity due to the comparatively small volume of the sorption phase as well as the fibres' relatively short lifetimes are disadvantageous.

そして、その「小さい容積」が具体的に書かれています。

While conventional SPME fibres have a sorption phase volume of only about 0.6 μl, SPME fibres with larger surfaces provide up to 15 μl of volume available for enrichment. At the same time, certain design alterations（stainless-steel cores for extraction phases, sharpened front end for improved septum piercing）have contributed to the increased mechanical stability of the extraction unit.

従来型ファイバーの収着相はわずか 0.6 µL。表面積を大きくした新型では最大 15 µL——約 25 倍です。同時に、ステンレス芯とシャープな先端で機械的強度も上げている。これが市販の「SPME Arrow」型の設計思想です。

大きくすれば必ず桁で効くのか

ここは慎重に読む必要があります。同じ試料・同じ誘導体化で従来型 SPME と SPME Arrow を比べた査読論文（Dugheri ら, Molecules 2023、ホルムアルデヒドを PFBHA でオンサンプル誘導体化）の結果は次のとおりです。

項目	従来型 SPME	SPME Arrow
サンプリング回数	6 サイクル	3 サイクル
LOD–LOQ	11–36 ng/L	8–26 ng/L
精度	5.7–10.2%	4.8–9.6%
真度	97.4%	96.3%

検出限界の改善は約 1.4 倍にとどまり、収着相容積の比（約 25 倍）とはまったく違います。代わりに効いたのはサイクル数が半分で済んだことで、これはスループットの改善です。

収着相を大きくしても、平衡に達するまでの時間や、気相から収着相への移動速度、脱着後のピーク幅など別の要因が効いてきます。「相容積が 25 倍だから感度も桁で上がる」とは限らない。導入検討では、自分の分析種でどちらの利得（感度か、時間か）を取りに行くのかを決めておく必要があります。

そのほかの実務的な数値

• 典型的な SPME ファイバーは約 100 回の分析に使える
• 必要な抽出時間は、試料中の分析種濃度に依存しない
• 撹拌・振とうで平衡到達を早められる
• ファイバーを冷却すると濃縮が改善する

そして定量上の重要な注意があります。

Since sorption is a competitive and matrix-dependent process, the use of internal standards（ISTDs）may be necessary for quantitative measurements by headspace-SPME… Even with the use of isotope-labelled ISTDs, however, non-linear calibration curves may result.

収着は競合的でマトリックス依存の過程なので、共存成分が多いと分析種が収着相の席を奪われます。そして同位体標識内標準を使っても検量線が非線形になることがある。SPME を定量に使うなら、直線性は必ず自分の系で確かめる必要があります。

7. 逃げ道②平衡を捨てる ― パージ&トラップ

静的ヘッドスペースは「平衡に達した気相の一部」を取ります。パージ&トラップ（P&T）は、そもそも平衡に達させません。

In contrast to static headspace methods, no equilibrium is reached here since the stream of gas continuously purges analytes from the aqueous sample. The volatile analytes are nearly completely transferred into the gas phase… By the continuous extraction of the volatile analytes from the matrix, this technique enables considerably lower detection limits compared to static headspace analysis.

不活性ガスを試料に通し続け、分析種をほぼ全部気相へ追い出して、低温トラップまたは吸着トラップに集める。静的ヘッドスペースが「K と β で決まる一部」しか取れないのに対し、P&T は総量を狙う。だから検出限界が大きく下がります。

代償も明確です。MAK 文書が挙げるのは次の4点です。

1. 水の持ち込み。 ガスが水中を泡立って通るので、出てくるガス流に水が混じり、後段の分析を妨害する。乾燥工程で部分的にしか解決しない
2. 経路が長い。 分析種が注入口まで長い距離を移動するので、汚染・冷たい面での吸着や凝縮・ピーク広がりのリスクが上がる
3. 発泡。 不活性ガスで泡立つため、生体試料、特に血液には部分的にしか使えない
4. 時間がかかる

3 番目への対処として、ガスを試料の中ではなく表面に沿って流す方式があります。濃縮率は下がりますが、水蒸気の少ない抽出物が得られます。「効率」と「水」を交換しているわけです。

8. 逃げ道③気体を直接捕まえる ― 熱脱着

液体試料を経由せず、気体そのものを吸着剤管に通して捕集し、加熱して放出するのが熱脱着（TD）です。作業環境測定、室内空気、環境大気、材料からの放散試験が主な舞台になります。

この分野には整備された公定法があり、米国 EPA の Compendium Method TO-17（Determination of Volatile Organic Compounds in Ambient Air Using Active Sampling Onto Sorbent Tubes）が代表格です。以下の数値と定義はすべて TO-17 の条文から引いています。

安全サンプリング量（SSV）という概念

吸着剤管には「これ以上通すと分析種が抜けてしまう」量があります。TO-17 はこれを次のように定義しています。

Safe Sampling Volume (SSV) — usually calculated by halving the retention volume（indirect method）or taking two-thirds of the breakthrough volume（direct method）, although these two approaches do not necessarily give identical results. The latter definition is used in this document.

• 保持容量（RV） ＝ 分析種の蒸気プラグを吸着剤管から押し出すのに必要なキャリアガス量
• 破過容量 ＝ 分析種が管を抜け始める量
• SSV ＝ 保持容量の 1/2（間接法）または破過容量の 2/3（直接法）。TO-17 は後者を採用

同じ「SSV」でも定義が 2 つあり、両者は必ずしも一致しないと条文自身が断っています。他所の文献の SSV を引くときは、どちらの定義かを確認する必要があります。

9. 吸着剤は「強さ」で選ぶ ― 表面積という物差し

TO-17 は吸着剤の「強さ」を比表面積で階層化しています。

As a general rule, sorbents are described as "weak" if their surface area is less than 50 m²/g（includes Tenax, Carbopack/trap C, and Anasorb GCB2）, "medium strength" if the surface area is in the range 100–500 m²/g（includes Carbopack/trap B, Anasorb GCB1 and all the Porapaks and Chromosorbs）and "strong" if the surface area is around 1000 m²/g（includes Spherocarb, Carbosieve S-III, Carboxen 1000, and Anasorb CMS series）.

強い吸着剤ほど SSV が大きい＝より揮発性の高い成分を捕まえられる。しかし強すぎると脱着できなくなるので、目的成分の揮発性に合わせて選びます。TO-17 の吸着剤選択表（Table 1）から主要なものを引きます。

吸着剤	揮発性範囲	最高温度	比表面積	主な対象
Carbotrap C / Carbopack C / Anasorb GCB2	n-C8〜n-C20	>400 ℃	12 m²/g	アルキルベンゼン、脂肪族
Tenax TA	bp 100〜400 ℃、n-C7〜n-C26	350 ℃	35 m²/g	ベンゼン以外の芳香族、bp>100 ℃ の無極性成分
Tenax GR	bp 100〜450 ℃、n-C7〜n-C30	350 ℃	35 m²/g	気相 PAH・PCB
Carbotrap / Carbopack B / Anasorb GCB1	(n-C4) n-C5〜n-C14	>400 ℃	100 m²/g	ケトン・アルコール・アルデヒド（bp>75 ℃）ほか広範な VOC
Chromosorb 102	bp 50〜200 ℃	250 ℃	350 m²/g	塩化メチレンより揮発性の低い含酸素化合物・ハロホルム
Chromosorb 106	bp 50〜200 ℃	250 ℃	750 m²/g	炭化水素、揮発性の含酸素化合物
Porapak Q	bp 50〜200 ℃、n-C5〜n-C12	250 ℃	550 m²/g	含酸素化合物を含む広範な VOC
Porapak N	bp 50〜150 ℃、n-C5〜n-C8	180 ℃	300 m²/g	揮発性ニトリル（アクリロニトリル等）、ピリジン、エタノール
Spherocarb	−30〜150 ℃、C3〜n-C8	>400 ℃	1,200 m²/g	塩化ビニル、酸化エチレン。メタノール・エタノール・アセトンにも
Carbosieve S-III / Carboxen 1000 / Anasorb CMS	−60〜80 ℃	400 ℃	800 m²/g	C2〜C3 炭化水素、揮発性ハロホルム、フロン
Zeolite Molecular Sieve 13X	−60〜80 ℃	350 ℃	—	1,3-ブタジエンと亜酸化窒素専用

Tenax TA が定番なのは、比表面積 35 m²/g という「弱さ」ゆえです。弱いから脱着が容易で、疎水性で、bp 100〜400 ℃ という実用上いちばん広い帯域をカバーする。逆に塩化ビニルや酸化エチレンのような超揮発性成分を Tenax で捕まえようとしても抜けます。そこは Spherocarb や Carboxen の領域です。

対象の揮発性が広い場合は多層管（multi-bed tube）を使い、弱い吸着剤から強い吸着剤の順に並べます。TO-17 の表は各吸着剤に「推奨されるフォーカシングトラップ充填剤」も併記しています（Tenax TA なら Tenax、Carboxen 系なら二層 CB＋CMS トラップ、など）。

条件も表に明記されています。たとえば Tenax TA はコンディショニング 330 ℃・100 mL/min、脱着 300 ℃・最小 30 mL/min。Porapak N は最高 180 ℃ と低く、ここを超えると吸着剤が壊れます。

10. 水が熱脱着の成否を決める

TO-17 の吸着剤表には、脚注に決定的な一文があります。

* These sorbents exhibit some water retention. Safe sampling volumes should be reduced by a factor of 10 if sampling a high (>90%) relative humidity. ** Significantly hydrophilic. Do not use in high humidity atmospheres unless silicone membrane caps can be fitted for diffusive monitoring purposes.

相対湿度 90% を超える環境で採取するなら、安全サンプリング量を 10 分の 1 にする。注記が付くのは Spherocarb、Carbosieve S-III、Carboxen 1000、Anasorb CMS、活性炭——つまり強い吸着剤です。分子ふるい 13X に至っては「高湿度では使うな」。

強さと親水性が連動しているのは偶然ではありません。TO-17 の Table 2 は各吸着剤について疎水性かどうかを列挙していますが、弱〜中程度の吸着剤（Carbopack C、Tenax TA/GR、Carbopack B、Chromosorb 102/106、Porapak Q/N）はすべて「疎水性 Yes」、強い吸着剤（Spherocarb、CMS 系、分子ふるい 13X）はすべて「No」です。

「強い吸着剤を選べば揮発性成分を逃さない」は正しいが、そのぶん水も掴む。そして水は GC でも MS でも邪魔になります。屋外や高湿度の作業環境で採取するなら、この一行が実際の採取時間を決めます。

11. 検量線が最大の難所 ― マトリックスマッチと MHE

ここまでの4系統に共通する、最も難しい部分です。

なぜ検量が難しいのか

MAK 文書の説明が的確です。

Compared to the simple injection of liquid extracts or gas volumes, calibration in a state of phase equilibrium places certain challenges on the stability of the analytical system used as well as on the calibration standards and their preparation… In general, the calibration material is prepared using the respective biological matrix which corresponds with the sample material and which therefore also accounts for any effects from storage, workup, as well as for the distribution equilibrium between sample matrix and headspace.

平衡状態で検量するということは、検量用標準も実試料と同じ平衡を経なければならないということです。だから検量用試料は実試料と同じマトリックスで作る。

しかしそれでも足りない場面があります。同文書は全血の例を挙げています。

aside from the process of reaching equilibrium between the aqueous biological matrix and the gas phase, distribution processes also take place between the cellular components of the sample（e.g. lipid membranes）, free macromolecules, and agglomerates（e.g. proteins, lipoproteins）and the plasma. For this reason, it is important to consider that the equilibrium concentrations between the matrix components of samples collected in vivo differ from those of a calibration sample freshly prepared in the same matrix.

生体内で分配平衡に達した試料と、同じマトリックスに後から添加して作った検量試料は、平衡濃度が違う。さらに凍結保存すると赤血球が溶血してマトリックスの組成と物性が変わります。動物血を代用するなら、種差（ヘマトクリット、血漿タンパク、脂質）を個別に検証する必要があります。

希釈で逃げる手もありますが、これも万能ではありません。同文書が引く実測では、全血中 12 種の VOC を SPME-HS-GC-MS で測ったとき、水で 1:5 希釈すればほとんどの分析種で定量的な抽出が可能になった一方、沸点 180.5 ℃ の 1,2-ジクロロベンゼンは 1:5 希釈では補正しきれず回収率 25% でした。血中エタノールの測定で 1:10 希釈が推奨されているのも同じ発想です。希釈で救えるかどうかは沸点で決まる。

固体試料では MHE しか手がない

液体なら、まだマトリックスマッチ検量線が作れます。固体・不均一試料では、それも作れません。分配係数がマトリックスごとに変わってしまうからです。

traditional HS-GC analysis cannot be used to determine the water content in solid samples because the vapor–solid partitioning (K) of water varies with different sample matrices, which introduces errors in the method calibration.

ここで使うのが MHE（多次ヘッドスペース抽出、multiple headspace extraction）です。同じバイアルから繰り返しヘッドスペースを抜き、ピーク面積の減衰から全量を外挿します。

抽出回数 n に対して、ピーク面積 A_n の対数は直線的に減少します。

log(A_n) = log(A_0) − b·n

これは等比級数なので、無限回抽出したときの総和 A_t が閉じた形で書けます。

A_t = A_1 / (1 − 10^(−b))

A_1 は 1 回目の抽出のピーク面積、b は上の直線の傾き。つまり数回の抽出で傾きを求めれば、分析種の総量が計算できる。分配係数が分からなくても構いません。

If the analyte in the matrices is almost completely vaporized in the vial, the total amount of analyte can be calculated by integrating the contents during the MHE. Consequently, the sample–matrix effect can be eliminated.

マトリックス効果を、検量ではなく数学で消す。これが MHE の存在理由です。フレーバーマイクロカプセルの水分定量にこの手法を適用した報告では、RSD < 3.11% で、高温で揮発性成分が失われる乾燥減量法よりも正確だったとされています。

固体試料、不均一な試料、そして「マトリックスマッチ標準が作れない」試料に当たったら、MHE が使えるかを最初に検討する——これが実務上の判断です。

12. 目的別の選択と、導入前に確認すること

状況	第一選択	理由（該当節）
K が小さい（非極性・揮発性）成分の定量	静的ヘッドスペース	最も単純・堅牢。マトリックスを装置に入れない（1・2節）
K が大きいが、感度は足りている	静的HS＋温度と塩析	温度も塩析も、水に溶けやすい成分ほど効く（4節）
感度が足りず、試料量を増やしても変わらない	濃縮を足す（SPME / ITEX）	K ≫ β なら β をいじっても無駄。二段目の平衡で稼ぐ（3・5節）
SPME を使うが、容量・寿命・材料の自由度が要る	ITEX	吸着容量が大きく、最大 1000 回、充填吸着材を選べる（5節）
水系試料で桁違いの感度が要る	パージ&トラップ	平衡を捨ててほぼ全量を移す。ただし水と発泡と時間（7節）
血液など発泡・凝固するマトリックス	静的HS または HS-SPME	P&T は発泡のため部分的にしか使えない（7節）
気体そのもの（作業環境・室内空気・放散試験）	熱脱着	TO-17 等の公定法が整備されている（8〜10節）
高湿度環境での採取	弱〜中程度の疎水性吸着剤	強い吸着剤は水も掴む。>90% RH なら SSV を 1/10（10節）
固体・不均一試料の定量	MHE	マトリックスごとに K が変わり、標準が作れない（11節）

導入前に確認すべきこと

1. K と β を比べたか。 試料量を増やす前に。K ≫ β なら効きません（3節）。
2. 温度の上限は何が決めているか。 マトリックス側の制約（血液なら 40 ℃ の凝固）を先に確認します（4節）。
3. SPME を定量に使うなら直線性を自分で確かめたか。 収着は競合的で、同位体標識内標準でも非線形になりえます（6節）。
4. 「相容積が◯倍」を感度の倍率と読み替えていないか。 実測では収着相 25 倍に対し LOD の改善は約 1.4 倍、代わりにサイクル数が半分になった例があります（6節）。
5. 吸着剤の最高温度を超えていないか。 Porapak N は 180 ℃、Chromosorb 類は 250 ℃ が上限です（9節）。
6. 採取時の相対湿度を記録しているか。 >90% なら SSV を 1/10 にする必要があります（10節）。
7. 検量用標準は実試料と同じ平衡を経ているか。 生体内で平衡に達した試料と、後から添加した標準は違います（11節）。
8. 固体試料なら MHE を検討したか。 マトリックスマッチが作れないなら、それが唯一の道かもしれません（11節）。

まとめ

• c_g = c_0/(K + β) が静的ヘッドスペースの支配式。K は物質が決め、β は自分が決める。
• 試料量を増やして効くのは K ≪ β のときだけ。 水によく溶ける成分では何も変わらない。これが最初の分岐。
• 温度と塩析は、水に溶けやすい成分ほど効く。 ただし血液は 40 ℃ を超えると凝固して逆効果になる。マトリックスが上限を決める。
• 逃げ道は3方向。 濃縮を足す（SPME・ITEX）、平衡を捨てる（P&T）、気体を直接捕まえる（TD）。それぞれ別の代償を払う。
• SPME の収着相は約 0.6 µL。 大型化した設計では最大 15 µL（約 25 倍）。ただし実測では LOD の改善が約 1.4 倍にとどまり、代わりにサイクル数が半分になった例がある。相容積の比は感度の比ではない。
• SPME の収着は競合的でマトリックス依存。 同位体標識内標準を使っても検量線が非線形になることがある。ファイバー寿命は約 100 回、ITEX は最大 1000 回。
• P&T は平衡に達させないのでほぼ全量を移せるが、水を持ち込み、発泡し、時間がかかる。 血液には部分的にしか使えない。
• 吸着剤は比表面積で選ぶ。 弱い <50、中程度 100〜500、強い 約 1000 m²/g。Tenax TA が定番なのは 35 m²/g という「弱さ」ゆえ。
• 強い吸着剤は水も掴む。 TO-17 は相対湿度 >90% で安全サンプリング量を 1/10 にせよと明記し、分子ふるい 13X は高湿度で使うなとしている。
• SSV には定義が2つある（保持容量の 1/2、破過容量の 2/3）。TO-17 は後者。一致するとは限らない。
• 固体試料の定量は MHE。 log(A_n) = log(A_0) − b·n の傾きから A_t = A_1/(1 − 10^(−b)) で全量を外挿し、マトリックス効果を検量ではなく数学で消す。

用語集

• 分配係数 K：平衡に達したときの、液相中の分析種濃度と気相中の濃度の比。物質固有で、水に溶けやすいほど大きい。温度が上がると小さくなる。
• 相比 β：バイアル内の気相体積と液相体積の比。試料の充填量で実験者が決められる。
• 静的ヘッドスペース：密閉バイアルを加熱し、気液平衡に達した気相を一定量抜いて GC に入れる方式。
• 動的ヘッドスペース／パージ&トラップ：不活性ガスを試料に通し続けて分析種をほぼ全量気相へ移し、トラップで捕集する方式。平衡には達しない。
• HS-SPME：ヘッドスペースに収着相を差し込み、気相からさらに濃縮してから熱脱着する方式。
• ITEX（in-tube extraction）：ヘッドスペース用シリンジの針に吸着材を仕込み、気相を能動的に吸引して濃縮する方式。
• SBSE（撹拌子収着抽出）：収着相を被覆した撹拌子で抽出する方式。SPME より収着相の容積が大きい。
• 熱脱着（TD）：気体を吸着剤管に通して捕集し、加熱して放出させて GC に導入する方式。
• 安全サンプリング量（SSV）：吸着剤管に安全に通せる試料気体の量。TO-17 では破過容量の 2/3 と定義。
• 破過容量：分析種が吸着剤管を抜け始める試料気体量。
• 多層管（multi-bed tube）：揮発性の異なる成分を一度に捕まえるため、弱い吸着剤から強い吸着剤の順に充填した管。
• MHE（多次ヘッドスペース抽出）：同じバイアルから繰り返しヘッドスペースを抜き、ピーク面積の対数減衰から全量を外挿する定量法。固体・不均一試料に使う。
• 塩析（salting out）：塩を加えて分析種の水への溶解度を下げ、K を小さくして気相濃度を上げる操作。

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出典

1. M. Bader, B. Roßbach, T. Göen, E. Eckert, A. Schäferhenrich, S. Nübler, W. Gries, G. Leng, J. Van Pul, W. Will, A. Hartwig, MAK Commission「Gas-chromatographic headspace analysis in human biomonitoring (headspace-gas chromatography): Biomonitoring Methods」The MAK Collection for Occupational Health and Safety 2025;10(3):Doc057. doi:10.34865/bihsgcegt10_3or（PMC12820732、オープンアクセス）
2. U.S. Environmental Protection Agency「Compendium Method TO-17: Determination of Volatile Organic Compounds in Ambient Air Using Active Sampling Onto Sorbent Tubes」Compendium of Methods for Toxic Organic Air Pollutants, Second Edition, EPA/625/R-96/010b（January 1999） — https://www.epa.gov/sites/default/files/2019-11/documents/to-17r.pdf
3. S. Dugheri, G. Cappelli, N. Fanfani, J. Ceccarelli, G. Marrubini, D. Squillaci, V. Traversini, R. Gori, N. Mucci, G. Arcangeli「A New Perspective on SPME and SPME Arrow: Formaldehyde Determination by On-Sample Derivatization Coupled with Multiple and Cooling-Assisted Extractions」Molecules 2023;28(14):5441. doi:10.3390/molecules28145441（PMC10383053、オープンアクセス）
4. X. Liu, C. Zhu, K. Yu, W. Li, Y. Luo, Y. Dai, H. Wang「Accurate Determination of Moisture Content in Flavor Microcapsules Using Headspace Gas Chromatography」Polymers 2022;14(15):3002. doi:10.3390/polym14153002（PMC9331827、オープンアクセス）
5. H. Kolb, L.S. Ettre「Static Headspace-Gas Chromatography: Theory and Practice」2nd ed., Wiley（2006）— 温度と K の関係、塩析に用いる塩、血中エタノールの希釈条件について、出典1経由で参照
6. F. Kremser, M.A. Jochmann, T.C. Schmidt ほか — 静的・動的ヘッドスペース法の系統的比較および収着相容積について、出典1経由で参照（2016）
7. 第十九改正日本薬局方 一般試験法〈2.46〉残留溶媒（ヘッドスペース法で分析困難な7溶媒の規定）

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制作メモ：本記事は、当初 NotebookLM のディープリサーチで材料を集める予定でしたが、同日中に既に3本の調査を実行しており日次クォータの上限に達したため（rate limited）、編集側が自分で一次資料を取得して執筆しました。

そのぶん、出典は規制文書と査読済みオープンアクセス文献に限定しています。中核となったのは、ドイツ研究振興協会（DFG）MAK 委員会の分析法文書（2025、オープンアクセス）と、米国 EPA の Compendium Method TO-17（1999）です。前者からは分配係数と相比の支配式、温度・塩析による K の操作、SPME と ITEX の比較、パージ&トラップの制約、検量線の難所を、後者からは吸着剤の強度分類・選択表・安全サンプリング量の定義・湿度補正を、いずれも条文から直接引用しました。

メーカーの技術資料は今回ほとんど使えていません。Agilent・Waters・Restek・Sigma-Aldrich の該当ページはいずれも 403 またはタイムアウトで取得できませんでした（curl・WebFetch とも）。そのため、SPME の収着相容積（従来型 約 0.6 µL、大型化したもので最大 15 µL）といった数値も、メーカーのカタログではなく MAK 文書に引用された形で確認しています。カタログ由来の「感度◯倍」という主張は、裏が取れなかったため本文に載せていません。代わりに、同一条件で従来型 SPME と SPME Arrow を比較した査読論文の実測値（LOD 11–36 ng/L 対 8–26 ng/L、サイクル数 6 対 3）を採りました。