ラマン分光法のガイド

試料によって光が散乱されると、次の 2 つの結果が考えられます。

(1) レイリー散乱としても知られる弾性散乱は、散乱光が最初に試料に当たった光と同じエネルギーを持つときに発生します。これは、弾性的に散乱された光が元の光線と同じ周波数、波長、色になることを意味します。

(2)非弾性散乱、またはラマン散乱は、散乱光が最初に試料に当たった光とは異なるエネルギーを持っている場合に発生します。これは、非弾性に散乱された光が元の光線とは異なる周波数、波長、色を持つことを意味します。

その名前が示すように、これはラマン分光法にその名前の由来となった散乱です。では、なぜこの種の散乱光が分光法にこれほど有用なのか、また、試料と相互作用した後に異なるエネルギーを持つ原因は何でしょうか?

その答えは、分子内の原子の絶え間ない動きに関係しており、原子の結合は、常に異なる方向に振動するバネのようなものと考えられます。これらの分子振動は、分子と結合の種類に固有の特定の周波数で発生します。このようなばねの一般的で簡単な例は、酸素分子 (O2) や窒素 (N2) です。それぞれの分子を、特定の強度、つまり特定の振動周波数をもつバネによって結合された2つの硬い球として想像してください。

通常、分子の振動周波数は、センチメートルの逆数[cm-1]の単位を持つ波数の観点から議論します。たとえば、大気中の酸素ガスは約1550cm-1で振動し、窒素ガスは2330cm-1で振動します。多くの化学結合を持つ大きな分子は、さまざまな周波数で発生する多くの異なる分子振動を持ちます。 

ここで、入射光が分子の振動と同じ周波数になるたびに、光は吸収され、振動がさらに「励起」され、その振幅が増幅されます。分子内の異なる結合は異なる周波数で振動するため、異なる分子は独自の周波数の光を吸収して振動を励起します。

では、これらの分子振動はラマン分光法や光の非弾性散乱とどのような関係があるのでしょうか?分子が光で照らされると、分子はその光の一部を吸収して分子振動を起こします。このとき、元の照射光の一部の光が分子に吸収されると、分子から散乱した光は異なる周波数と色で戻ってきます。この現象がラマン効果と呼ばれ、ラマン散乱の原理となります。

分子が照らされたときに吸収される光の周波数は、分子とその結合の種類に固有のものであるため、これらの光の周波数を検出することで、試料中にどの分子が存在するかを把握できます。

これがラマン分光法の目的です。

では、試料中の分子がどの周波数の光を吸収したかをどのように検出できるのでしょうか? それらの分子が光の一部を吸収すると、光の周波数が変化します(非弾性散乱)。したがって、ラマン効果を検出するには、元の光線とラマン散乱光の間の周波数シフトによって決定できます。この周波数シフトはラマンシフトと呼ばれます。  

測定に単色レーザーを使用すると、レーザーはすべて同じ波長と周波数の光を放射するため、元の光線(励起光)の周波数を簡単に決定できます。典型的な選択は、緑色レーザー(532 nm)です。簡単に説明すると、試料を緑色レーザーで照らすと、レーザー光の一部が試料に吸収されて分子振動が起こされ、ラマン散乱が発生します。次に、ラマン散乱光を検出器で収集し、その周波数を決定します。 これにより、ラマンシフトを決定するために必要なすべての情報が得られます。

ラマンシフトがわかると、その情報をプロットすることでラマンスペクトルを作成することができます。ラマンスペクトルの各ピークは、試料分子による吸収で変化した、光の周波数にそれぞれ対応しています。これらの周波数は分子とその結合の種類それぞれに固有であるため、ラマンスペクトルは「化学的指紋」として、多種多様な物質の識別と定量化を可能にします。   


たとえば、酸素は約 1550 cm^-1で振動し、窒素は 2330  cm^-1で振動することがわかっています。これらのガスを緑色レーザーで照らすと、酸素は約 1550 cm^-1に、窒素は約2330 cm^-1にそれぞれラマンシフトを示します。これは、どちらのガスも大気中では無色透明であるにもかかわらず、ラマン分光法がこれら 2 つの分子を簡単に区別できることを意味します。

もちろん、すべての試料が酸素や窒素ほど単純なわけではありません。多くの分子の構造は非常に複雑で、多くの異なる分子振動を持つ多くの化学結合で構成されています。したがって、ほとんどの分子のラマンスペクトルには多くのピークが含まれます。幸いなことに、多くの化合物のラマンスペクトルはすでに測定され、膨大なスペクトルライブラリとして集約されています。コンピューターソフトウェアは、測定値をこれらのスペクトルライブラリと比較することで、試料を識別することもできます。

ラマン分光法は、FT-IR分光法と同様に、産業界や研究室で幅広い物質の同定、定量化、特性評価に使用できます。さらに、ラマン分光法には、他の技術では達成できないいくつかのユニークな利点があります。 

ラマン分光測定の多くは、励起光に可視レーザー光を使用するため、可視光が通過できるあらゆる種類のパッケージを通じてラマンスペクトルを得ることができます。これは、ガラス瓶、ビニール袋、またはその他の透明な容器内の物質を、パッケージを開けずに分析できることを意味します。パッケージ内の試料を分析する機能は、たとえば、ボトルを開けて薬剤を汚染することなく薬剤をチェックできる製薬業界で非常に有用です。

可視レーザーは、ラマン分光法に特有のもう一つの利点も提供します。可視光の波長は非常に小さいため(参照：回折限界)、ナノ構造でもラマン分光法で調べることができます。このため、ラマンは極薄のポリマー膜や、DNAやタンパク質などの小さな生物学的構造の分析に役立ちます。

ラマン分光法は、試料前処理が不要あるいは最小限で済む非接触分析技術でもあるため、ほぼすべての試料において触れたり損傷したりすることなく分析が可能です。そのため、ラマンは、芸術作品や歴史的な遺物や文書を研究するための非常に貴重なツールでもあります。    

さらに、ラマン分光計は非常にシンプルな装置であるため、使い勝手のよいハンドヘルドラマン分光計も数多く市販されています。これは、ラマンを屋外や生産現場で迅速かつ簡単に使用できることを意味します。そのため、ハンドヘルドラマン分光計は、入荷管理や地質学や鉱物学において、現場で試料を迅速に識別するのに非常に役立ちます。

ラマン分光法は強力な技術ですが、いくつかの制限があります。最初の制限は、ラマン効果自体の強度の低さです。物質から散乱される光のほとんどはレイリー散乱であり、ラマン散乱が散乱光全体に占める割合は、0.0000001 % 程度です。つまり、ラマン分光法には、常に測定感度との戦いが課せられます。

これを回避する簡単な方法は、レーザーの強度を上げることですが、これには試料に損傷を与える可能性があるという欠点があります。表面増強ラマン分光法(SERS)など、ラマン分光法にはいくつかのバリエーションがあり、この制限に対処し、それを上回るように設計されています。   

ラマン分光法にとってのもう一つの大きな課題は蛍光です。蛍光は、物質が光を吸収し、その後エネルギーの低い光を放出するときに発生します。これは、分子振動の周波数に一致する光を吸収し、残りの光を散乱させるラマン効果とは異なります。蛍光によって吸収・放出される光は振動に対応していないため、ラマン分光法では役に立ちません。

しかし、ラマン分光計内部の検出器は、蛍光によって発せられる光とラマン散乱による光を区別することができません。これは、ラマン測定において試料が発する蛍光は、試料のラマンスペクトルに重畳して現れることを意味します。蛍光は、非常に強く幅広いピークとしてラマンスペクトルに干渉するため、ラマンピークの区別を困難にします。

蛍光を避ける手法として、レーザーの波長を変えることが有効で、異なる色の可視光レーザーを使用するだけで十分な場合があります。ただし、ラマン測定において蛍光を回避するための最良の解決策は、赤外線レーザー (例 1064  nm) を使用することです。赤外光励起によるラマン分析には、FT-ラマン分光計と呼ばれる特殊なタイプのラマン分光計が使用されます。

ラマン分光法の背後にある原理は、他の技術でも使用されています。ラマン分光法では可視光レーザーが最もよく使用されるため、ラマン分光計と従来の光学顕微鏡を組み合わせるのは非常に簡単です。これらのラマン顕微鏡を使用すると、顕微鏡で関心領域をターゲットにするだけで試料を分析できます。ラマン顕微鏡は、調査対象の試料のマップを提供する詳細な化学画像を作成することもできます。

赤外分光法は、分子振動を別の方法で分析する同様の化学分析技術です。この手法は一般に、ラマンでは効率的に分析できない物質の種類を特定して定量化するのに最適です。

ラマン分光法への道は、アドルフ・スメカルが光が非弾性に散乱できるという理論を提唱した1923年に始まります。5年後、インドの科学者 C.V.ラマンは、光がさまざまな液体をどのように伝わるかを研究し、スメカルが予測した非弾性散乱を観察することができました。この発見により、ラマンは1930年にノーベル賞を受賞しました。

1929 年、最初のラマンスペクトルは、高圧でさまざまなガスを研究していたフランコ・ラセッティによって 1929 年に収集されました。最初に広く使用されたラマン分光計は、その後すぐに 1930 年代初頭に物理学者ジョージ プラチェクによって作成され、科学者はさまざまな分子の分子振動を調査および記録できるようになりました。

これらの初期の開発にもかかわらず、ラマン効果は数十年間実験的にあまり使用されませんでした。これは、当時使用されていた励起光の光源が水銀ランプで、単色光線を生成するためにフィルター処理されたためです。これにより得られる励起光は非常に弱く、実験の実施に数時間、場合によっては数日かかりました。 

レーザーが発見された 1960 年代になってから、この問題は克服されました。レーザーは強力な単色光源を提供し、ラマン分光法が主流の技術になる道を切り開きました。

ラマン分光法とは何ですか?

ラマン分光法は、光と物質の化学結合との相互作用に基づいています。これにより、化学構造、多型、結晶化度、分子動力学に関する詳細な情報が得られます。

ラマン分光法によってどのような情報が提供されますか?

ラマンスペクトルは、分子や材料を明確に識別する化学指紋のようなものです。また、人間の指紋と同じように、参照ライブラリと比較して、資料を非常に迅速に識別したり、他の資料と区別したりできます。このようなラマンスペクトルライブラリには、多くの場合、試料のスペクトルを比較して分析物を決定する数百のスペクトルが含まれています。

試料の次の分析情報を提供します。

• 化学組成と性質
• 結晶化度と多型
• 汚染と欠陥
• 熱的および機械的曝露

試料要件はありますか?

ラマンは、普遍的なサンプリング技術であるため、無機材料と有機材料の両方に有用です。ただし、これはかなり弱いラマン効果に基づいているため、他の分光効果や特定の材料特性が重大な干渉をする可能性があります。

試料が蛍光を発する場合、高品位なラマンスペクトルを得るのは困難です。ただし、近赤外 (NIR) レーザーと FT-ラマン分光法への切り替えは実行可能な解決策です。もう一つのより重大な問題は、炭素充填ポリマーなどの強く吸収される(例えば、黒色の)試料です。

ラマンスペクトルを取得するのに必要な時間は?

ラマン測定に必要な時間は、必要なスペクトル品質、試料特性、そしてもちろん使用するラマン分光計など、いくつかの要因によって異なります。通常、高品質のラマンスペクトルは数秒で取得できます。

ラマン分光法の用途は何ですか?

ラマン分光法は、あらゆる分野において、非破壊の顕微化学分析とイメージングが利用可能で、定性的および定量的な分析の質問に対する回答を提供します。

一般に、ラマンは使いやすく、試料の化学組成と構造を特徴付けるための重要な情報を迅速に提供します。基本的に、試料が固体、液体、気体のいずれであるかはほとんど関係ありません。

ラマン分光法の応用例をいくつか紹介します。

• 薬
• 地質学と鉱物学
• 半導体
• 材料研究
• ライフサイエンス