赤外・ラマン基礎力アップ講座

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赤外・ラマン基礎力アップ講座

サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社 モレキュラー営業部 アプリケーショングループ

赤外分光装置

一般分析用

FT-IR

リサーチグレード

FT-IR

ポータブル

FT-IR

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赤外光と分子の振動

分子は玉（原子）とバネ（結合）で模式的に表すことができ、 それらは複雑に振動している。 分子は、玉の重さとバネの強さから それぞれ決まった振動数で振動をしている。（固有振動数）

分子振動 固有振動数

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分子分光で利用する光（電磁波）

波長 （Micrometer） 核遷移 電子遷移 分子振動 核磁気共鳴 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 回転 10 10 10 10 10 10 10 10 109 107 10 105 3 10 101 -1 10 10-3 -5 波数 (Wavenumber) X線 紫外 可視近赤外 中赤外 遠赤外 マイクロ波 超短波 赤外領域 ラジオ波 分子振動は赤外光の波数と同期する

光と分子振動

光は同じ振動数の分子と共鳴しエネルギーを失う。 分子振動スペクトルにより分子の振動数が分かる。 hν 吸 収 分子振動 30 THz 100％ 0％ cm-1 吸 収 分子振動 スペクトル 光検出器 分子振動 より遅い 振動数の光 分子振動 より速い 振動数の光 分子振動 と同じ 振動数の光 60THz 30THz 10THz 1000

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多原子分子の振動と赤外スペクトル

酢酸エチルのモデル CH₃C（=O）OC₂H₅ Ethyl acetate 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Absorbance 1000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1) 2980 C-H 伸縮振動 1743 C=O 伸縮振 動 1460_C-H 変角振動 酢酸エチルの赤外スペクトル

スペクトルパターンから、官能基の定性や化学構造

の推定ができる。

ピーク位置

_→

特性基

複数の吸収帯

_→

部分構造

スペクトル

_→

化合物

赤外スペクトルから分かることは

?

9

赤外スペクトルから分かることは

?

定性

定量

未知物質

既知物質

識別、推定

濃度

?

10% Sodium Benzoate in H2O

5% Sodium Benzoate in H2O 2.5% Sodium Benzoate in H2O

0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 Ab s or ba n ce 1340 1360 1380 1400 1420 1440 Wavenumbers (cm-1) フィルム 1 2 3 4 5 6 Ab s o rb a n c e POLYSTYRENE #1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ab s or b an ce 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)

吸光度スペクトル

のピーク強度や面積から、

成分の濃度

を求める。

→

多成分同時定量

吸光度スペクトルによる定量分析の例

検量線 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 Actual (%) C a lc ulat e d ( % ) 吸光度 (Abs) 1100 1300 1500 1700 1900 波数(cm-1₎ 2.5% 5% 10% （例）水溶液中の 安息香酸ナトリウム ポリマー中の添加剤 → 数%オーダー 溶液中の微量成分 → 0.1%オーダー 気体 → ppm~ppb オーダー（ガスセル の長さに依存） 検量線法 PLS, PCR etc.

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測定手法

透過法

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透過法（固体）

赤外光を試料に照射し、透過光を検出するもっとも基本的な測定方法。試料が フィルム状の場合、そのまま測定できる。粉体ではメノウ乳鉢でKBrと混合、粉砕 後、錠剤を成型し、測定を行う。バルク状であればヤスリやカッター等で細かく削 り出し、錠剤を作る。 物質の吸光係数にもよるが、スペクトルが飽和しないように、 試料の厚みは約20 μm以下にする必要がある

試料

検出器

赤外光源

KBｒ錠剤成型器 ヌジョール 液体セル(透過) ： シリコーンオイル 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Abso rbance 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) スペクトルは、縦軸が一定以上に大きくなると飽和し、スペクトルが変形するので注意が必要。 液体セルやフィルム試料など試料の厚さが均一な場合は、吸光度で縦軸が1.5以下に調整する。 厚さが不均一な試料、顕微鏡の分析の場合などは、吸光度で縦軸が 1.0 以下になるよう、試料の厚 みや濃度を調整する。

透過法 試料の厚さ スペクトルの飽和

飽和している領域 シリコンオイルを 液体セル（透過）で分析 組立て式液体セル 試料の厚さが均一な場合の飽和の目安 不均一な場合

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反射法

非破壊分析

反射法

• 試料表面の反射光を検出する方法。 • 分析される厚みは試料の透過率の影響を 受ける。 • 反射スペクトルは、K-K変換（Kramers-Kronig Transform)により、吸収スペクトルを シミュレートできる。 30度反射アクセサリ

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反射測定

• 反射測定では、試料により2種類の成分が検出される。 • 反射スペクトルは K-K変換によって変換が可能。 反射成分検出 透過成分 吸収成分検出 反射成分 ポリスチレンフィルム 透過 0.0 0.5 Abs ポリスチレンフィルム 正反射 1.0 1.2 1.4 Abs ポリスチレンフィルム 正反射 K-K変換 0.05 0.10 0.15 0.20 Abs 500 1000 1500 2000 Wavenumbers (cm-1)

ATR法（一回反射ATR）

現在もっとも利用されている分析法

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ATRの特徴

透過 反射 拡散 反射 ATR RAS 粉末 ◎ × ◎ ○ × 塊状(硬) △ △ △ ○ × 塊状(柔) ○ × △ ◎ × フィルム ◎ △ × ◎ × 繊維 ○ × △ ○ × 液体 ○ △ △ ◎ △ 水溶液 △ × × ○ × 金属上膜 × ○ △ ○ ◎ 有機物上膜 △ × △ ○ △ 表面層 △ △ ○ ◎ △ 黒物 △ △ ○ ○ × ◎ 最適、○ 適している、△ 測定可能、× 不適 試料の形状と測定手法の対象 FT-IRには様々な分析手法があるが、ATR法は、 試料の形状によらず分析が可能であることや、熟 練者でなくても 良好なスペクトルを安定して得られ ることから、現在もっとも利用率の高い分析手法と なっている。 一回反射アクセサリ各種

ATRアクセサリ

d_p 赤外光

ATR結晶

試料

しみ込み深さ n₁ n₂ θ ・ 高屈折率のクリスタルに、試料表面を接触 ・ クリスタルから「エバネッセント波」という極微量の赤外光がしみ出す ・ 試料表面、わずかな厚みの部分の測定が可能

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ATRの分析深さ

クリスタル 屈折 率 入射 角 波 数 （cm-1) 主なアクセサリ 4000 3000 2000 1600 1300 1000 650 400 ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ ZnSe 2.4

45 0.50 0.67 1.00 1.25 1.54 2.01 3.34 5.01 _{DuraSamplIR, GoldenGate}Orbit, iTR

60 0.28 0.37 0.55 0.69 0.85 1.11 1.84 2.77 Si 3.4 30 _{0.50 0.66 0.99 1.24 1.53 1.99 3.32 4.97} スライド式ATR(顕微) 45 0.21 0.28 0.42 0.53 0.65 0.85 1.41 2.12 Orbit, iTR 60 _{0.16 0.21 0.31 0.39 0.48 0.63 1.05 1.57} Ge 4.0 27 0.39 0.52 0.78 0.97 1.20 1.55 2.39 － Tip-ATR(顕微) 30 _{0.30 0.40 0.60 0.75 0.93 1.20 1.85} － スライド式ATR(顕微),Seagull (*1)

45 0.17 0.22 0.33 0.41 0.51 0.66 1.02 － _OMNISamplerOrbit, iTR, 60 _{0.13 0.17 0.25 0.32 0.39 0.51 0.78 －} Seagull (*1) 65 0.12 0.16 0.24 0.30 0.37 0.48 0.74 － GATR 試料の屈折率 （n1）= 1.5、(*1) 角度可変型 2 1 2 2 1 sin ( / ) 1 n 2 _{n n} dp        ATRのしみ込み深さの求め方 dp = しみ込み深さn1= クリスタルの屈折率 n₂= 試料の屈折率 λ = 赤外線の波長 深さの単位μm 液体セル(透過) ： シリコーンオイル 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Abso rbance 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) スペクトルは、縦軸が一定以上に大きくなると飽和し、スペクトルが変形するので注意が必要。 液体セルやフィルム試料など試料の厚さが均一な場合は、吸光度で縦軸が1.5以下に調整する。 厚さが不均一な試料、顕微鏡の分析の場合などは、吸光度で縦軸が 1.0 以下になるよう、試料の厚 みや濃度を調整する。

透過法 試料の厚さ スペクトルの飽和

飽和している領域 シリコンオイルを 液体セル（透過）で分析 組立て式液体セル 試料の厚さが均一な場合の飽和の目安 不均一な場合

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ATRの分析深さ ATRと透過の比較

ATRのスペクトルは、すべてのピークが正しく現れ ているが、液体セルのスペクトルは、ATRほど試料 を薄くすることができないので一部のピークが飽和 してしまっている。 ATR ダイヤモンド クリスタル ： シリコーンオイル 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Abs 液体セル(透過) ： シリコーンオイル 1 2 3 4 5 6 Abs 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1) 液体セル（透過）分析 試料厚さ ：25 μm ATR分析 （ダイヤモンド） 潜り込み深さ：0.5～5.0 μm ATR ダイヤモンド クリスタル ： シリコーンオイル 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 Abs 液体セル(透過) ： シリコーンオイル 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 Abs 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1) * * * * * * * 液体セルは、試料の厚さを調整することで、 微弱なピークを拡大して観測することができる。 シリコンオイルの分析例 ベースライン付近を拡大

一回反射

ATRによる分析

繊維がクリスタルに密着する様子 クリスタル 繊維片

Durascope Diamond ATR

繊維状異物は単繊維で分析

Absorbance

ナイロン6/6 単繊維 （衣服など）

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一回反射

ATRによる微小物の分析

PET 2000um PET 100um Abs PET 50um PET 30um 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.002 0.004 0.006 0.008 0.001 0.002 0.003 -0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) 一回反射ATRは、微小物の分析に 対しても有効な方法である。 図は、PET樹脂を粉砕し、それぞ れの大きさの試料をハイブリッドク リスタルのiTRダイヤモンドATRで 分析した結果である。50 μm以下と なると肉眼で見ることも難しいが、 スペクトルのピーク比は乱れるもの の、難なく分析できている。 分解能 ：4cm-1 積算回数 ：32回 検出器 ：DTGS

ラマン分光法の基礎

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ラマン分光法

- 「ラマン散乱」の発見

光散乱に関する研究とラマン効果の発見より 1930年 にアジアで最初にノーベル物理学賞を受賞 日光を光源とした水の光 散乱を調べていたところ、 入射光とは異なる波長の 散乱光が存在することを 発見。 有機液体とその気体すべ てに同じ現象が起こってい ることを確認。 その後、水銀灯を光源とし たベンゼンの散乱光スペ クトルを測定。 化学同人 「ラマン分光学入門」 より引用 チャンドラセカール・ラマン

ラマン分光で利用する光

波長 （Micrometer） 核遷移 電子遷移 分子振動 核磁気共鳴 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 回転 10 10 10 10 10 10 10 10 109 107 10 105 3 10 101 -1 10 10-3 -5 波数 (Wavenumber) X線 紫外 可視近赤外 中赤外 遠赤外 マイクロ波 超短波 ラジオ波

レーザー（単波長）を使って分析する

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ラマン分光法－赤外との違い

赤外光

赤外

ラマン

光の吸収を観察 散乱光を観察 レイリー散乱

レーザー

υ

₀ υ₀+υ υ₀-υ

υ

₀ ラマン散乱 ラマン散乱

ラマン分光法の原理

レイリー散乱

200 400 600 800 1000 1200 1400 -400 -200 0 200 400 Raman Shift (cm-1)

レーザー

υ

₀ υ₀+υ υ₀-υ

振動数

= υ

υ

₀ アンチ ストークス （あまり使われない） ストークス レイリー散乱(光学フィルターでカットされる) ラマン散乱 ラマン散乱 注 ： ラマン散乱光は非常に弱い。 レイリー散乱に比べて、1000万分の1程度

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横軸の単位は、赤外と同じ「波数」

単位換算 _波数(cm-1) ＝10000÷波長(μm) 波長(μm) ＝10000÷波数(cm-1₎ 波長

波数(

cm

-1

_)＝

_1/

_λ

Wavelength

赤外分光では波数の絶対値を用いるが、ラマンは波数の

相対値（ラマンシフト）

で表わす。

ラマンシフト

(cm-1₎

＝

│

（散乱光の

波数

） ー （レーザーの

波数

）

│

 ラマンシフトは、通常ストークス光のみ観測。  「ストークス光の波数＜レーザー波数」で、レーザー波数を原点(0)と するとラマンシフトは負の値をとるが、測定上、正の値での表記が通 例となっている。

赤外分光法（FT-IR）との違い

振動に伴い分極率が変化 ⇒ラマンに強い

C=C、C≡C、S-S

などに強い

電子雲の形 が変わる 振動に伴い双極子モーメントを誘起 ⇒赤外に強い

O-H、N-H、C=O

などに強い

電子が偏る

赤外分光法

ラマン分光法

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ラマンスペクトルと赤外スペクトルの比較

539 697 756 1028 1452 1493 1601 2849 2924 3026 3060 3082 ポリスチレン 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Abs 621 797 1002 1032 1182 1450 1583 1602 2904 3053 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Raman Int 1000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1) C-H伸縮 CC伸縮 CH2 対称伸縮 CH2 逆対称伸縮 CH2 はさみ 1置換ベンゼン 骨格振動 環の 面外変角 C-H伸縮 CC伸縮 IRに特徴的 ラマンに特徴的 二本に分かれる CH 面外変角 ラマンに特徴的 CH2 はさみ

赤外

ラマン

ラマンスペクトルから分かることは？

定性

未知物質

既知物質

識別、推定

?

定量

濃度

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ラマンスペクトルから分かることは？

強度（ Raman Int. ） ラマンシフト （cm-1_）

強度

＝（散乱係数）x（レーザー強度）x（分析エリア）x（濃度）

濃度、

配向状態

結晶状態

分子結合状態 （官能基）

ラマン分光装置

分散型ラマン

主に可視レーザー

FT（フーリエ変換）型ラマン

_{主に近赤外レーザー}

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顕微ラマン分光装置の光学系

レーザー フィルター グレーティング 励起レーザー 切り替えて使用 サンプル CCD検出器 フィルター グレーティング 選択 455 nm 532 nm 633 nm 785 nm アパーチャ

装置の略図

FT型ラマンの光学系

検出器 励起レーザ 固定鏡 x 0 -x ﾋﾞｰﾑｽﾌﾟﾘｯﾀ ﾚｰｻﾞﾀﾞｲｵｰﾄﾞ He-Ne レーザ 移動鏡 サンプル フィルタ Ramanアクセサリとして枠の中はFT-IRと共用可能 1064 nm FTラマンの光学系模式図 ①励起レーザーをサンプルに照射→ ②発光する散乱光のうち、レイリー散乱をフィルターでカットしラマン散乱のみ通 過 → ③干渉計で変調しインターフェログラムとして放出 → ④ InGaASなどの近赤外用検出器で検出 → ⑤インター フェログラムをフーリエ変換しスペクトルとする

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ラマン分光法の長所、短所

 顕微鏡による微小試料の測定が容易、高い空間分解能  ガラスや透明プラスチック中の試料の測定が可能 （レーザー焦点位置のみのスペクトルを測定）  コンフォーカル機能により、非破壊で深さ方向分析  有機化合物以外に、無機化合物やカーボンの測定に強い  レーザー照射により蛍光発光する物質の分析が困難  レーザーによる加熱で試料がダメージを受ける場合がある  FT-IRと比較してスペクトルデータベースが少ない（約2万件） 長所 短所