ラマン分光法の光学系の仕組み
ラマン分光計の仕組み
ラマン分光法は、単色光（通常、単色レーザー）から始まります。単色光は、試料に照射され、散乱されます。散乱光のほとんどはレイリー散乱によるもので、元の単色光と同じ波長を持ち、残りの極一部がラマン散乱となります。ここで、化学分析に有用なのはラマン散乱光のみですので、すべての散乱光は光学フィルターに送られ、レイリー散乱光が除去されます。光学フィルターを透過したラマン散乱光は、分光計の次のステージへと送られます。
照射された単色光が試料とどのように相互作用したかを調べるためには、ラマン散乱光にどのような光が含まれるかを測定する必要があります。このために、回折格子が使用されます。様々な波長を含む光が回折格子に当たると、光は波長ごとに分離されます。つまり、光のもつ波長によって、伝播する方向がわずかに異なります。これは、光が回折格子から伝播する際の角度が光の波長と直接関係しているためです。
回折格子によって伝播された光は、CCD検出器に送られます。回折格子によって分離された光は、波長ごとにわずかに異なる角度で進むため、CCD検出器上の異なる受光素子に到達します。CCD検出器は、その情報を一種の「写真」として捉え、最終的にラマンスペクトルを構築するために用いられます。
ラマン測定系の最適化
残念ながら、あらゆる試料を効率的に分析できる万能のラマン分光装置というものは存在しません。試料や用途に合わせてレーザーや回折格子を選択したり、検出器の種類を決めるのが一般的です。試料はそれぞれ異なり、実験ごとに探究する課題も異なるため、これらのコンポーネントを調整することで、毎回高品質なスペクトルを得ることができます。
レーザー
ラマン分光法で最も一般的に使用されるレーザーは532 nmの緑色レーザーです。これらのレーザーは低コストで優れた感度を提供します。レーザーの波長が短いほど、感度は高くなります。したがって、非常に高い感度が求められる実験では、より高価な488 nmの青色レーザーを使用する必要があります。
しかし、レーザーを選択する際に考慮すべき要素は感度だけではありません。波長の短いレーザーは試料の蛍光を発する可能性が高く、ラマンスペクトルに干渉します。そのため、532 nmレーザーを使用した際に試料が蛍光を発する場合は、785 nmの赤外レーザーの方が適していることが多いです。785 nmレーザーはほとんどの試料で蛍光を発しないため、感度は多少犠牲になりますが、多くの実験において非常に汎用性の高いレーザーです。
しかし、波長の長いレーザーは熱を多く発生させ、試料にダメージを与える可能性があります。これはレーザー出力を下げることで軽減できますが、残念ながらラマン分光感度はさらに低下してしまいます。そのため、633 nmレーザーは一部の実験では良い選択肢となります。波長は蛍光を避けるのに十分な長さでありながら、785 nmレーザーよりも短いため、試料への熱負荷はそれほど大きくありません。
ラマンレーザーの比較要素
| 488 nm | 532 nm | 633 nm | 785 nm | |
| 感度 | ✔ | ✔ | ✘ | ✘ |
| コスト | ✘ | ✔ | ✔ | ✔ |
| 蛍光 | ✘ | ✘ | ✔ | ✔✔ |
| 熱 | ✔✔ | ✔✔ | ✔ | ✘ |
回折格子
ラマン分光計内部の回折格子は、ラマン散乱光の異なる波長をCCD検出器に到達する前に空間的に分散させます。光の広がり具合は、回折格子の線数を変えることで調整できます。線密度の高い回折格子、つまり格子1mmあたりの線数が多い回折格子は、光の広がりを大きくします。
検出器全体における光の広がり方を制御することは、ラマンスペクトルのさまざまな部分を調べるのに非常に有効です。ラマンスペクトルの全範囲（3500～100 cm-1）を調べるには、幅広い波長範囲を調べる必要があります。そのため、線密度の低い回折格子が必要になります。線密度の低い回折格子は光の広がりを小さくし、より広い範囲の光が検出器に到達できるようにするためです。
スペクトルの詳細を調べるには、線密度の高い回折格子が必要であり、これにより光の広がりが大きくなります。つまり、検出器に到達する光は全体的に少なくなりますが、スペクトルの特定の部分をより詳細に、例えばより高いスペクトル分解能で調べることができます。
ラマン実験のためにレーザーを変更する場合、回折格子も交換する必要がある可能性が高いです。試料のラマンシフトは常に同じですが、レーザーの波長は検出器に到達するラマン散乱光の波長に影響を与えます。
より短い波長のレーザーを使用すると、ラマン散乱光は互いに近い波長の光になります。つまり、波長の短いレーザーでは、検出器全体に光を広げるために、より高い線密度の回折格子が必要になります。波長の長いレーザーでは、より広い範囲に散乱光が生じるため、より低い線密度の回折格子を使用する必要があります。
回折格子の交換頻度を考慮すると、回折格子は非常に繊細であり、溶剤や指紋の油に触れると簡単に損傷する可能性があることに留意する必要があります。幸いなことに、最新のラマン分光計はターレット上に複数の回折格子を搭載しているため、回折格子を自動的に交換できます。
また、ラマン分光計は、回折格子を交換した後は必ず校正する必要があることにも留意してください。これは、回折格子ターレットが常に同じ位置に回転するとは限らないため、回折格子から出射された光が検出器のわずかに異なる部分に届く可能性があるためです。これを考慮して分光計を校正するには、ピーク値が既知の基準試料を測定します。基準試料としては、ネオンランプ、アルゴンランプ、水銀ランプなどが一般的です。
まとめ
ラマン分光測定の最適化は、しばしばバランスを取る作業です。レーザーの種類によって長所と短所が異なります。スペクトルの分解能を高める回折格子や分光計のその他のコンポーネントを選択すると、通常は感度が低下します。しかし、実験を設定する際にこれらの要素をすべて考慮することで、幅広い試料に対して高品質のスペクトルを得ることができます。
