講義資料2 薬品分析学教室 講義

赤外吸収スペクトル

機器分析学

赤外光領域の分光法・物理的背景

ラジオ波 マイクロ

波

赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

核スピンの 反転 分子の

回転運動 分子振動

電子遷移 電子による

Ｘ線の弾性散乱 物理現象

分光法

測定法 Ｘ線結晶構造_解析

紫外可視

分光法 赤外分光法 分光法回転 _NMR

分光法

回折法

ESR

分光法 蛍光

分光法

CD, ORD

旋光度

赤外光領域の分光法・物理的背景

ラジオ波 マイクロ

波

赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

核スピンの 反転 分子の

回転運動 分子振動

電子遷移 電子による

Ｘ線の弾性散乱 物理現象

分光法

測定法 Ｘ線結晶構造_解析

紫外可視

分光法 赤外分光法

ラマン 分光法

回転

分光法 _NMR

分光法

回折法

ESR

分光法 蛍光

分光法

CD, ORD

旋光度

ラマン分光（ラマン散乱）

弾性散乱

ν

ν

ν

ν’

( レイリー散乱 )

赤外領域の波数

ラマン散乱

可視光領域の波数 可視光領域の波数

ポ

テ

ン

シ

ャ

ル

エ

ネ

ル

ギ

ー

ν

ν’

₌

Δν

ν

ν’

Δν

ラマン分光（ラマンスペクトル）

弾性散乱

ν

ν

ν

ν’

( レイリー散乱 )

ν

ν’

=

Δν

赤外領域の波数

ラマン散乱

可視光領域の波数 可視光領域の波数

Δν

ラマンスペクトル

ラマン分光（ラマン散乱）

弾性散乱

ν

ν

ν

ν’

( レイリー散乱 )

ラマン散乱

可視光領域の波数 可視光領域の波数

ポ

テ

ン

シ

ャ

ル

エ

ネ

ル

ギ

ー

ν

ν’

₌

Δν

ν

ν’

分子振動 への

エネルギー 供与

Δν

6

ν

ν’

分子振動 からの エネルギー

受取

Δν

赤外光領域の分光法・物理的背景

ラジオ波 マイクロ

波

赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

核スピンの 反転 分子の

回転運動 分子振動

電子遷移 電子による

Ｘ線の弾性散乱 物理現象

分光法

測定法 Ｘ線結晶構造_解析

紫外可視

分光法 赤外分光法

ラマン 分光法

回転

分光法 _NMR

分光法

回折法

ESR

分光法 蛍光

分光法

CD, ORD

旋光度

赤外分光（測定）

サンプル容器 （セル）の窓材

測定法

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

赤外光領域の分光法・

物理的背景

分子

A-B

A

B

A

B

結合が 伸縮する

m

m

原子は重り、共有結合はバネ

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

赤外光領域の分光法・

物理的背景

分子

A-B

A

B

A

B

結合が 伸縮する

m

m

原子は重り、共有結合はバネ

単振動

単振動：バネの動き

出典： http://www.mars.dti.ne.jp/~stamio

t / s

m

m

原子は重り、共有結合はバネ

物理学 A ( 高校物理 )

単振動：バネの動き

出典： http://www.mars.dti.ne.jp/~stamio

t / s

m

m

固定された

単振動：バネの動き

出典： http://www.mars.dti.ne.jp/~stamio

t / s 0

x / m

t / s r

−r

x = −r•cos(ωt)

振幅 : r

周期 : T (s)

振動数 f(s-1) = 1/T(s)

ω: 単振動と周期が同じ回転運動の角速度

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

赤外分光法の

物理

m

バネの伸縮運動 単振動

物理学 A ( 高校物理 )

バネの端が固定された単振動 天井

単振動

k: バネ定数

振動数

ν

√

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

分子

A-B

m

m

分子振動

どこも固定されていない単振動

振動数

ν

√

波数

ν

ν

√

= + =_m

1

1

m1₂ m₁•m₂ m₁+ m₂ μ

1

換算質量 : μ μ = m1+ m2

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

分子

A-B

A

B

A

B

結合が 伸縮する

m

m

原子は重り、共有結合はバネ

バネの伸縮運動 単振動

物理学 A ( 高校物理 )

バネの端が固定された単振動

分子振動

どこも固定されていない単振動

赤外光と赤外分光法

10-5 ₁₀-4 10-3 (m)

10-6

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

17

2.5×10-6 _2.5×10-5

4000 2500 2000 1500 400

波数 (cm-1₎

( 単結合 ) C−C ( 二重結合 )

C=C ( 三重結合 )

C≡C

波数

ν

√

m

m

m

m

m

m

結合のバネ定数 k_C≡C k_C=C k_C−C

ν

ν

ν

赤外光と赤外分光法

10-5 ₁₀-4 10-3 (m)

10-6

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

18

2.5×10-6 _2.5×10-5

4000 2500 2000 1500 400

波数 (cm-1₎

( 単結合 ) C−C ( 二重結合 )

C=C ( 三重結合 )

C≡C

波数

ν

√

m

m

m

m

m

m

結合のバネ定数 k_C≡C ＞ k_C=C ＞ k_C−C

ν

ν

ν

赤外光と赤外分光法

10-5 ₁₀-4 10-3 (m)

10-6

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

19

2.5×10-6 _2.5×10-5

4000 2500 2000 1500 400

波数 (cm-1₎

波数

ν

√

m

m

m

m

m

m

( 単結合 ) C−C C−N ( 二重結合 )

C=C ( 三重結合 )

C≡C

C−O C=N

C≡N

赤外光と赤外分光法

2.5×10-5 (m) 2.5×10-6

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

20

5×10-6

4000 2500 2000 1500 400

波数 (cm-1)

( 単結合 ) C−C

波数

ν

√

m

m

結合のバネ定数 μ_C−H μ_C−C

ν

ν

波数 (cm-1)

( 単結合 ) C−H

m

m

μ_C−H = =_m =

1+ m2

m₁•m₂

12+1 12×1

13 12

μ_C−C = = _m = = 6

1+ m1

m₁•m₁

12+12 12×12

赤外光と赤外分光法

2.5×10-5 (m) 2.5×10-6

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

21

5×10-6

4000 2500 2000 1500 400

波数 (cm-1)

( 単結合 ) C−C

波数

ν

√

m

m

換算質量 μ_C−H ＜ μ_C−C

ν

ν

波数 (cm-1) ＞

( 単結合 ) C−H

m

m

μ_C−H = =_m =

1+ m2

m₁•m₂

12+1 12×1

13 12

μ_C−C = = _m = = 6

1+ m1

m₁•m₁

12+12 12×12

赤外光と赤外分光法

2.5×10-5 (m) 2.5×10-6

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

22

5×10-6

4000 2500 2000 1500 400

波数 (cm-1)

( 単結合 ) C−C ( 単結合 )

C−H

C−N ( 二重結合 )

C=C ( 三重結合 )

C≡C C−O C=N C≡N C=O

m

m

m

m

m

m

m

m

N−H

O−H

連絡事項

講義日変更について

変更前

11

_月

16

_日

2 限目 機器分析学 ( 田中

)

11

_月

17

_日

2 限目 微生物学総論 ( 永浜先生

)

変更後

11

月

16

日

2

限目 微生物学総論

(

永浜先生

)

11

月

17

日

2

限目 機器分析学

(

田中

)

上記の通り変更となります。ご注意ください。

ラマン分光（ラマンスペクトル）

弾性散乱

ν

ν

ν

ν’

( レイリー散乱 )

ν

ν’

=

Δν

赤外領域の波数

ラマン散乱

可視光領域の波数 可視光領域の波数

Δν

ラマンスペクトル

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

分子

A-B

m

m

分子振動

どこも固定されていない単振動

振動数

ν

√

波数

ν

ν

√

= + =_m

1

1

m1₂ m₁•m₂ m₁+ m₂ μ

1

換算質量 : μ μ = m1+ m2

演習

26

1. C-C 単結合の伸縮運動に伴う吸収の波数は、 C=C 二重結合の伸

縮運動に伴う吸収の波数の何倍になるか概算値を求めなさい。

ただし、 C=C 二重結合の σ 結合と π 結合の強さが共に C-C 単結合 の σ 結合の強さと等しいものと近似する。

C=C 二重結合の σ 結合と π 結合の強さが共に、 C-C 単結合の σ 結

合の強さと等しいので、 C=C 二重結合の結合の強さは C-C 単結合の

２倍になる。

即ち、バネ定数が２倍 : k_C=C = 2k_C-C

波数

ν

√

√

赤外分光（構造解析編）

1000 2000

3000 _{波数／ cm}-1

100

50

3300 cm-1 付近の幅広くて強い吸収

1000 2000

3000 _{波数／ cm}-1

100

50

0

1700 cm-1 付近の

強い吸収

赤外分光（構造解析編）

1000 2000

3000 _{波数／ cm}-1

100

50

3300 cm-1 付近の幅広くて強い吸収

1000 2000

3000 _{波数／ cm}-1

100

50

C=O 伸縮振動

0

1700 cm-1 付近の

強い吸収

28

赤外分光（構造解析編）

1000 2000

3000 _{波数／ cm}-1

100

50

C=O 伸縮振動

0

1700 cm-1 付近の

強い吸収

C=O 伸縮振動の波数

R N

O

R H R R

O

約 1720 cm-1

R O O

R

約 1745 cm-1 約 1645 cm-1

演習

30

1. C-C 単結合の伸縮運動に伴う吸収の波数は、 C=C 二重結合の伸

縮運動に伴う吸収の波数の何倍になるか概算値を求めなさい。

ただし、 C=C 二重結合の σ 結合と π 結合の強さが共に C-C 単結合 の σ 結合の強さと等しいものと近似する。

2. C-H 伸縮運動の波数は、 C-D 伸縮運動に伴う吸収の波数の何倍

演習

31

1. C-C 単結合の伸縮運動に伴う吸収の波数は、 C=C 二重結合の伸

縮運動に伴う吸収の波数の何倍になるか概算値を求めなさい。

ただし、 C=C 二重結合の σ 結合と π 結合の強さが共に C-C 単結合 の σ 結合の強さと等しいものと近似する。

C=C 二重結合の σ 結合と π 結合の強さが共に、 C-C 単結合の σ 結

合の強さと等しいので、 C=C 二重結合の結合の強さは C-C 単結合の

２倍になる。

即ち、バネ定数が２倍 : k_C=C = 2k_C-C

波数

ν

√

√

演習

32

2. C-H 伸縮運動の波数は、 C-D 伸縮運動に伴う吸収の波数の何倍

になるか概算値を求めなさい。 D は 2H （質量数 2 の水素原子）。

C-H 結合の換算質量 μ_C-H は

これより、 C-D 伸縮運動の波数は C-H 伸縮振動の √ 7*13/12*12 倍

μ_C−H = =_m = 1+m2

m₁•m₂

12+1 12×1

13 12

C-D 結合の換算質量 μ_C-D はμ_C−D = =_m = 1+ m2

m₁•m₂

12+2 12×2

7 12

波数

ν

√

√

√

√

宿題

33 ( 予習 ) 蛍光分光法の励起スペクトルとは何か、説明しなさい。 解らない場合は、 21 ページの D スペクトルを要約しなさい。

1. C-C 伸縮振動より C=C 伸縮振動のほうが高波数側に吸収がある

ことを下記の言葉を使って説明しなさい。

宿題

34

1. C-C 伸縮振動より C=C 伸縮振動のほうが高波数側に吸収がある

ことを下記の言葉を使って説明しなさい。

バネ定数、共有結合

共有結合はバネのような働きをする。 C=C 二重結合では共有結合

が２つあり、 C-C 単結合のバネ２個分に近い力で結合している。

従って、バネ定数 k が大きくなることに相当する。波数は k の平方根

に比例するので、 C=C 伸縮振動のほうが C-C 伸縮振動より高波数

宿題

コメ

ント

35

問題の意味を誤解された方が多数。

C-C 単結合の波数と C=C 二重結合の波数の比率は波数の理

論式から求めてください。実験値から求めるのではありませ

ん。

「再提出」のスタンプが押された方は、上記の方針にした がって解答の訂正をして再提出をお願いします。

「未提出」の方も宿題提出して下さい。出席の一つとして数

蛍光

機器分析学

紫外可視領域の分光法・物理的背景

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

核スピンの 反転 分子の

回転運動 分子振動

電子遷移 電子による

Ｘ線の弾性散乱 物理現象

分光法

測定法 Ｘ線結晶構造_解析

紫外可視

分光法 赤外分光法

ラマン 分光法

回転

分光法 _NMR

分光法

回折法

ESR

分光法

CD, ORD

旋光度

紫外可視領域の分光法・物理的背景

ラジオ波 マイクロ

波 赤外線

紫 外 線

10-10 ₁₀-9 ₁₀-8 ₁₀-7 ₁₀-6 ₁₀-5 ₁₀-4 ₁₀-3 ₁₀-2 ₁₀-1 ₁₀0 (m)

10-11

10-12

Ｘ線

γ 線

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

長 短

可 視 光 線

核スピンの 反転 分子の

回転運動 分子振動

電子遷移 電子による

Ｘ線の弾性散乱 物理現象

分光法

測定法 Ｘ線結晶構造_解析

紫外可視

分光法 赤外分光法

ラマン 分光法

回転

分光法 _NMR

分光法

回折法

ESR

分光法

蛍光 分光法

CD, ORD

旋光度

蛍光とリン光の化学的背景

39

G

最低振動準位

基底状態

蛍光

とリン光の化学的背景

40

G

最低振動準位

基底状態

蛍光

とリン光の化学的背景

励起

41

G

最低振動準位

ΔE₁ = h

ν

基底状態

最低振動準位

衝突や運動

蛍光

とリン光の化学的背景

励起

42

G

ΔE₂ = h

ν

励起 一重項

最低振動準位

ΔE₁ = h

ν

基底状態

最低振動準位

衝突や運動

(一重項 )

蛍光とリン光の化学的背景

振動遷移 回転遷移

励起

43

G

S

ΔE₂ = h

ν

励起一重項

最低振動準位

ΔE₁ = h

ν

基底状態

最低振動準位

衝突や運動

衝突や運動

励起 三重項

最低振動準位

(禁制遷移 )

電子スピン 反転

蛍光と

リン光

の化学的背景

振動遷移 回転遷移

励起

44

G

S

ΔE₂ = h

ν

励起一重項

最低振動準位

ΔE₁ = h

ν

基底状態

最低振動準位

衝突や運動

衝突や運動

励起 三重項

最低振動準位

(禁制遷移 )

電子スピン 反転

蛍光と

リン光

の化学的背景

振動遷移 回転遷移

励起

45

G

S

ΔE₂ = h

ν

励起一重項

最低振動準位

ΔE₁ = h

ν

基底状態

最低振動準位

衝突や運動

衝突や運動

励起 三重項

最低振動準位

T

電子スピン 反転

蛍光と

リン光

の化学的背景

振動遷移 回転遷移

励起

46

G

S

ΔE₂ = h

ν

励起一重項

最低振動準位

ΔE₁ = h

ν

基底状態

最低振動準位

衝突や運動

衝突や運動

ΔE₂ = h

ν

リン光 _{励起 三重項}

最低振動準位

T

電子スピン 反転

リン光を出す

過程が遅い (禁制遷移 )

長く光る

(一重項 )

蛍光とリン光の化学的背景

47

ν

ν

ν

ν

1.0×10-6 (m) 1.0×10-8

波長

E ( 光子のエネルギー ; 単位 : J) 低

高

1.0×10-7

3×1016 3×1015 3×1014

振動数 (Hz)

λ

λ

λ

λ = c/ν

ν

ν

ν

蛍光・リン光は入射光より

長波長

入射光 蛍光 リン光 _{入射光 蛍光 リン光}

蛍光スペクトル：

装置

48

励起光 (入射光 ):

λ

蛍光 or リン光

蛍光は 90° 横から検出

透過光の混入を避けるため

蛍光 or リン光

λ

透過光 :

λ

励起光の残り

色々な波長で

発光

蛍光スペクトル測定

49

励起光 (入射光 ):

λ

蛍光 or リン光

蛍光 or リン光

λ

透過光 :

λ

励起光の残り

色々な波長で

発光

励起光 :

λ

光源から特定波長 (λ₁)の取出し

蛍光の波長掃引

励起スペクトル測定

50 励起光 (入射光 ):

λ

蛍光 or リン光

蛍光 or リン光

λ

透過光 :

λ

励起光の残り

色々な波長で

発光

蛍光 :

λ

励起光の波長掃引

単一波長 (λ₂)の蛍光の取出し

励起スペクトル

λ

λ₁ を波長掃引した時の、

λ₂ の蛍光強度変化

ほぼ左右対称

蛍光スペクトル

と励起スペクトル

51

励起スペクトル ( 吸収スペクトル )

蛍光スペクトル

励起スペクトルと蛍光スペクトルの

蛍光スペクトル

と励起スペクトル

52

励起スペクトル ( 吸収スペクトル )

蛍光スペクトル

励起スペクトルと蛍光スペクトルの 鏡像関係

蛍光スペクトルによる分析

53

定量性良し

吸光度 (A=εcl) > 0.05

の時

吸光度 (A=εcl) < 0.05

の時

セルの場所によって蛍光が

セルの場所による蛍光 定量性悪し

蛍光スペクトルによる分析

54

定量性良し

吸光度 (A=εcl) > 0.05

の時

吸光度 (A=εcl) < 0.05

の時

セルの場所によって蛍光が 変化

セルの場所による蛍光 変化無し 定量性悪し

蛍光スペクトル：

応用

55

1) 蛍光標識：タンパク質や核酸に蛍光プローブを結合させる

2) 細胞内物質のイメージング：蛍光標識タンパク質を用いて、タ ンパク質の細胞内局在等を調べる。

3) 蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) ：分子を二種類の蛍光プロー

蛍光スペクトル：

応用

56

1) 蛍光標識：タンパク質や核酸に蛍光プローブを結合させる

2) 細胞内物質のイメージング：蛍光標識タンパク質を用いて、タ ンパク質の細胞内局在等を調べる。

蛍光スペクトル：

応用

57

3) 蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) ：分子を二種類の蛍光プロー

ブで標識し、蛍光のエネルギー移動効率から蛍光プローブ間 距離を見積もることが出来る手法

A

D

A

D

h

ν

h

ν

h

ν

蛍光スペクトル：

応用

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3) 蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) ：分子を二種類の蛍光プロー

ブで標識し、蛍光のエネルギー移動効率から蛍光プローブ間 距離を見積もることが出来る手法

A

D

h

ν

h

ν

励起スペクトル 蛍光スペクトル

蛍光プローブ１

蛍光プローブ２

励起スペクトル 蛍光スペクトル

ν

ν

波長 (

λ

)

/

(

ν

蛍光プローブ１の蛍光スペクト

ルと蛍光プローブ２の励起スペ

クトルの波長に重なりがある時

に起こる

A

D

蛍光プローブ１蛍光プローブ２ h

ν

演習

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1. 励起光と蛍光ではいずれの波長が長いか。理由も応えなさい。

宿題

( 予習 ) 旋光性を示す化合物の特徴を説明しなさい。