赤外・ラマン分光法

赤外・ラマン分光法は、分子振動をプローブとして官能基を同定し、化学構造を特徴づける手法です。

Definition

赤外・ラマン分光法は、それぞれ赤外吸収と非弾性光散乱を通じて測定される結合振動のエネルギーから分子を特徴づける振動分光法です。

Scope

このトピックでは、相補的な2つの振動分光法、すなわち赤外吸収（今日では減衰全反射などのサンプリングモードを用いるフーリエ変換装置が主流）とラマン散乱について扱います。赤外活性またはラマン活性な振動を決定する選択則、干渉計と検出器の技術、そして定性的な同定や、ますます定量分析に用いられる振動フィンガープリントの利用について論じます。

Core questions

• どの分子振動が赤外活性で、どの分子振動がラマン活性であり、その理由は何か？
• フーリエ変換赤外分光法は、どのようにして速度と感度の利点を達成しているのか？
• フィンガープリント領域は、化合物の同定と区別にどのように使用されるのか？
• 赤外分光法とラマン分光法は、いつ冗長ではなく相補的となるのか？

Key theories

振動選択則

振動は、分子の双極子モーメントが変化する場合にのみ赤外線を吸収し、分極率が変化する場合にのみラマン散乱を引き起こします。この相補性により、赤外では弱い対称振動がラマンでは強いことが多く、その逆もまた然りです。

ラマン散乱

分子によって散乱される光のごく一部は、振動量子量だけエネルギーがシフトし、励起波長とは独立して振動モードを特定するストークス線とアンチストークス線を生成します。

Mechanisms

赤外分光法では、広帯域の放射が試料を透過または反射し、双極子モーメントを変調する振動がその特性周波数で吸収されます。フーリエ変換装置は、干渉計を介してすべての周波数を同時に符号化し、数学的にスペクトルを復元します。ラマン分光法では、単色レーザーが試料を照射し、わずかな非弾性散乱成分が分散・検出され、その周波数シフトが同じ振動モードを報告します。

Clinical relevance

振動分光法は、材料やポリマーの同定、医薬品原料の検証や多形スクリーニング、法医学的な微量分析、プロセスモニタリングに広く使用されており、ほとんどまたは全く試料調製を必要としない点で評価されています。

History

赤外吸収は20世紀初頭から分析的に使用され、1960年代以降は計算速度の向上と多重化の利点によりフーリエ変換装置が主流となりました。ラマン効果は1928年にC. V. RamanとK. S. Krishnanによって報告され、その後レーザー光源の登場によりラマン散乱は実用的な分析ツールとなりました。

Key figures

• C. V. Raman
• K. S. Krishnan
• Peter Fellgett

Seminal works

• raman1928
• skoog2017
• harris2020

Frequently asked questions

赤外分光法とラマン分光法が相補的であるとされるのはなぜですか？

これらは異なる選択則に従います。赤外分光法は双極子モーメントを変化させる振動を検出し、ラマン分光法は分極率を変化させる振動を検出するため、一方の手法で弱い振動が他方の手法では強いことが多く、両者を合わせることでより完全な振動情報が得られます。

フーリエ変換赤外分光法が分散型装置に比べて優れている点は何ですか？

干渉計は、一度にすべての周波数を測定し、一つずつスキャンするのではなく、より速いデータ取得、高いスループット、そして優れた信号対雑音比をもたらします。これが多重化の利点とスループットの利点です。