情報共有
以下のような一般的、科学的、または産業的な材料分析を必要とする人々：
- 防衛/セキュリティ専門家
- 化学者
- 法医学アナリスト
- 受け入れ検査を行う作業者
- 研究および教育に従事している人々
ラマン分光法に関するよくある質問 (FAQ)：理論と使用方法
2022/09/19
記事
ラマン分光法は、分子の異なる振動モードに関連する光子の非弾性散乱に基づく非破壊的な分析技術です。1928年にC. V. ラマンによって発見されたこの方法は、単純な分子の構造を決定するためのシンプルでありながら効果的な手法で、現在も科学コミュニティの間で人気が高まっています。
分光計のレーザーがサンプルと相互作用することで、散乱された光のエネルギーがシフトし、ラマンスペクトルが得られます。このスペクトルは化学構造についての貴重な情報を提供します。この記事では、ラマン分光法に関する理論や実際の使用方法について、よくある質問をQ＆A形式で取り上げています。
以下の質問をクリックすると、該当する内容に直接アクセスできます：
1. ラマン分光法とは何ですか？
ラマン分光法は、サンプルがレーザーによって励起された際に観察される非弾性散乱光として現れる分子分光法の一種です。ほとんどの散乱は弾性的に発生しますが、約106分の1の散乱プロセスが分子との間で結合の伸縮や曲げ振動を介して相互作用し、その結果ラマン散乱光が発生します。これらの分子相互作用によってシフトされたラマン光子は、分子内の独自の結合に関連するスペクトルに変換され、分子の指紋として分析ツールとなります。この「指紋」は主に材料の識別に使用され、さらに定量化にも利用されるようになっています。
注記: 分子振動分光法は、分子間に結合を持つ2つ以上の原子のみを検出します。塩類、イオン、金属などには他の分析方法が必要です。
2. ラマンで測定できる物質にはどのようなものがありますか？
ラマン分光法は、十分な量と純度があり、もしくは単純な混合物中に存在するほとんどの材料を識別することができます。ラマンは、医薬品、食品やパーソナルケア製品の原材料、規制物質およびその前駆体や混ぜ物、テロ兵器、有毒および無毒の化学物質、溶剤、農薬（例：殺虫剤、除草剤）を含む、何千もの固体および液体物質を識別できます。
以下は一般的なガイドラインです：
- ほとんどの共有結合を持つ分子はラマン活性ですが、その信号の性質と強度は異なる場合があります。
- 一般的な医薬品有効成分（API）や賦形剤の80%は、ラマン分光法による原材料識別（RMID）に適していると推定されています。
- ラマン分光法は水溶液に理想的な技術であり、水の信号は溶質の信号に干渉しません。
- 一部の塩、イオン化合物、および金属はラマン分析には適していません。
- 蛍光はラマンにとって最大の課題の1つであり、ラマン散乱信号を圧倒することがあります。
ラマン測定時に蛍光はどのように結果に影響を与えますか？
蛍光は伝統的にラマン分光法の最大の制限となっています。蛍光は非常に効率的な発光プロセスであるため、ラマンスペクトルに圧倒的なバックグラウンドノイズを引き起こし、ラマンピークを隠してしまいます。植物繊維などの天然物質、強く着色された材料、蛍光性の汚染物質を含む物質は、ラマン分光法では結果が得られないことがあります。しかし、この制限は克服可能です。
一般的な解決策は、励起レーザーの波長を材料の吸収波長からずらすことです。通常、532、638、785 nmが使用されますが、蛍光効果を減らすための最も一般的な波長の選択は1064 nmです。
以下のアプリケーションノートでは、どの波長が最も適しているかはどうやって判断するか？について、解説しています。
アプリケーションノート：ラマンアプリケーションに最適なレーザー波長の選び方
メトローム ラマンは、独自の方法を採用したMIRA XTR DSという785 nmの携帯型ラマンシステムを提供しており、蛍光の影響を排除します。この独自のソリューションについて詳しくは、ホワイトペーパーをご覧ください。
3. ラマンスペクトルからどのような情報が得られますか？
ラマンスペクトルのピークは非常に狭いため、特異性と選択性が高くなります。そのため、非常に類似した材料を区別したり、混合物中のターゲット分析物を識別することができます。ラマン分光法は、分子の構造解明、特に結合性や飽和度の解析に優れています。ラマンスペクトルのユニークな指紋ピークは、異性体や、たった1つの官能基が異なる物質の識別にも使用できます。
ラマン分光法は、化学反応の進行、ポリモルフ間の結晶性の違い、材料にかかる応力によって生じる結合エネルギーの変化を観察するのに役立ちます。これらの研究についてさらに深く知りたい場合は、以下のアプリケーションノートをご覧ください。
アプリケーションノート： ポータブルラマン分光法を用いたポリモルフの研究とポリモルフ変化のモニタリング
ラマンスペクトルの強度はサンプル濃度に比例するため、定量分析にも使用できます。詳しくは、以下の無料アプリケーションノートをご覧ください。
4. ラマンスペクトルをどうやって読み取りますか？
ラマンスペクトルの範囲は0〜4000 cm⁻¹ に及ぶ可能性がありますが、多くのアプリケーションはより狭いスペクトル範囲で満たされます。指紋領域である400〜1800 cm⁻¹ は、主に原子の分子環境を明らかにします。この範囲は、未知物質の識別や材料の確認には十分であり、これらは分子構造の特定に依存しています（下記の画像を参照）。
指紋領域の外側では、単純な炭素鎖や水素結合は材料識別にほとんど寄与しません。しかし、高波数領域は、がん研究、歯科、バイオ燃料などの医療分野で活発に研究されています。また、鉱物の結晶構造、宝石学、有機金属化合物、半導体などのニッチな応用分野では、400 cm⁻¹ 以下の情報が必要とされています。
5. ラマン分光法を使用するメリットは何ですか？
Raman is a powerful analytical technique:
- 高い化学的特異性と選択性
- 最小限のサンプル前処理
- 消耗品コストがほとんどない
- 非破壊的な分析
- 高速 － データ取得から結果まで数秒
- シンプルなユーザーインターフェース = 使いやすさ
- 非接触、障壁を通過する分析
- サンプリングの柔軟性
- 柔軟な形状 － ベンチトップからハンドヘルドシステムまで
要約すると、ラマン分光法の魅力は、その広範な適用性にあります。技術者でない人でも非伝統的な環境で使用できる点が特徴です。ラマンは、分析化学の能力をラボから持ち出し、必要な場所で即座に材料の識別を提供します。受け入れ検査、食品生産施設、博物館、隠密研究所、プロセス分析、さらには国境での使用など、すべてのシナリオでラマンの強みが生かされています。
メトロームの「Real World Raman」シリーズは、非技術的な環境でのハンドヘルドラマンの利点を示しています。
6. ラマンは未知の物質の同定や材料の確認に使用できますが、違いは何ですか？
未知物質の識別は、未知の物質とライブラリスペクトルとの間のスペクトル類似性を測定する方法です。この識別方法は実装が簡単で迅速、かつ広範でカスタマイズ可能な化学ライブラリと共に使用するのに適しています。この技術の例として、交通検問で押収された少量の白い粉の現場検査が挙げられます。接触地点での違法性の迅速な証拠を提供し、当局に潜在的な危険を及ぼすことなく使用できます。詳細については、以下のホワイトペーパーをご参集ください。
ラマンの選択性により、既知の材料の検証にも優れた技術です。これは、食品、医薬品、ヘアケアおよびスキンケア製品、化粧品などの製造業者のために、原材料の一貫性、純度、品質を確認することができます。検証方法は、各サンプルスペクトルをモデルに投影することで微細なスペクトルの違いを検出します。サンプルスペクトルがモデルにどれだけ適合するかに基づいて、合格または不合格が決まります。ラマン分光法による検証については、以下のホワイトペーパーで詳しく解説しています。
ラボ、製造施設、犯罪現場、または国境での使用に対応します。
ポータブルおよびハンドヘルドシステムは、ユーザーと共に直接テスト場所に持ち運ぶことができます。
高純度物質の識別、検証、または区別が必要な場合、特に未知の白い粉や合成材料を扱う際に役立ちます。
ガイド付きおよび自動化されたワークフローにより、サンプリングは3〜4ステップの手順に簡素化され、手間をかけずに数秒で結果が得られます。
成分の一貫性を確認するため、物質が危険かどうかを判断するため、疑わしい物質の識別、または材料同定のために使用されます。
8.SERSとは何で、どのように役立ちますか？
表面強化ラマン散乱（SERS）は、微量の物質を検出するための専門的なラマン技術です。すべての材料がSERS活性を持つわけではありませんが、強くSERS活性を持つ材料は、ppm（mg/L）またはppb（µg/L）レベルで検出することができます。SERSはまた、混合物中の特定の成分の検出や、強く着色された染料や材料の識別にも使用できます。これは蛍光に影響されないためです。
SERSの最大の課題は、複雑なマトリックス、例えば水中、錠剤（規制された医薬品、市販薬、またはストリートで販売されるもの）、さまざまな食品などでターゲット化合物を検出することです。しかし、経験と調査によって、SERS分析の独自の特性を利用し、シンプルなサンプル前処理で効果を発揮できます。
SERSとラマンの違いについては、以前のブログ記事で詳しく解説しています。
まとめ
最終的に、ラマン分光法は材料の識別や検証に最適な技術であり、広範な設定で技術者と非技術者の両方に利用可能です。ラマンは容易に実装でき、サンプルを保持し、数千の材料を分析することができます。ラマンとその多くの利点についてさらに知りたい方は、他のブログ記事、アプリケーションノート、ホワイトペーパーをご覧ください。
メトロームは、すべての要求に適したさまざまなハンドヘルドおよびベンチトップラマン分光計を提供しています。or all requirements.
お役立ち情報
Monograph: Introduction to Raman spectroscopy
Raman spectroscopy product guide
2 / 4