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著者：Ng Ci Xuan ? R&Dインターン
編集者：Bryan Ng ? マーケティングマネージャー
編集者：Preethi ? テクニカルサポートエンジニア
公開日：2020年4月29日
最終編集日：2024年6月21日
分光計は、物理的特性のスペクトル成分を分離して測定する機器を表す包括的な用語です。分光計は、スペクトル成分を元の混合物から分離して連続変数を測定する装置です。 分光計にはさまざまな種類があり、最も一般的なものには、核磁気共鳴 (NMR) 分光計、質量分析計、光学分光計などがあります。
NMR 分光計は、サンプルを強力で一定の磁場内に置いたときに、核スピンの相互作用を観察および測定します。核が磁場と相互作用するとき、核の周波数と共鳴する周波数で NMR 信号が生成されます。 分子内の原子を取り囲む分子内磁場は共鳴周波数によって変化するため、サンプルの分子構造が明らかになります。
質量分析計はイオンの質量電荷比を測定し、サンプルに含まれる元素の組成を特定します。これはサンプルをイオン化することで機能し、一部の分子が電荷を帯び、質量電荷比に応じて分離します。
これらのイオンは、荷電粒子を検出できるデバイスによって検出されます。
光学分光計は、通常、電磁スペクトルの光学領域付近、つまり紫外線、可視光線、赤外線の光の特性を測定します。
波長による光強度の吸収と放出の変化により、物質を識別できます。
この記事では、光学分光計に焦点を当てます。
図 1: 分光計の動作原理
分光計は、入口スリット、格子、検出器という 3 つの主要コンポーネントで構成されています。
光源からの光は入口スリットに入り、スリットのサイズによって計測器で測定できる光の量が決まります。スリットのサイズは分光計の光学解像度にも影響し、スリットのサイズが小さいほど解像度は高くなります。
スリットを通過後、ビームは発散し、発散ビームをコリメートミラーで反射することで、ビームはコリメートされます。コリメートされた光線は、次に回折格子に向けられます。格子は分散要素として機能し、光を構成波長に分割します。
図 2: 分光計の回折格子
モノクロメータは、プリズム内の光分散現象または回折格子からの回折を利用して、特定の波長の光を選択します。従来の分光計では、プリズムを使用して光を分散していました。
しかし、回折格子の発明により、プリズムよりも多くの利点があるため、現代の分光計で最もよく使用されるモノクロメータになりました。
どちらのデバイスも光を複数の色に分割できますが、回折格子はプリズムよりも大きな角度で色を拡散するように作成できます。また、プリズムは UV 領域でのみ分散が大きく、回折格子は UV、VIS、および IR スペクトル全体で高く一定の分散があります。
光が回折格子に当たると、各波長は異なる角度で反射されます。さまざまなサイズの回折格子は、さまざまな波長範囲を決定するためにも使用されます。
ビームは格子から反射された後、再び発散し、2 番目のミラーに当たって焦点を合わせ、検出器の方に向けられます。
検出器は光スペクトルを捕捉し、波長の関数として光の強度を測定します。これらのデータはデジタル化され、ソフトウェア上にグラフとしてプロットされます。
上記のセクションでは、分光計の仕組みについて説明しました。このセクションでは、分光計のコンポーネントと各コンポーネントの種類について説明します。
分光計によく見られる光源は、タングステンハロゲン、重水素、キセノンアーク、LED、水銀アルゴン、亜鉛、レーザです。
スリットには、5μm から 800μm まで、高さ 1mm から 2mm まで、さまざまなサイズがあります。スリットのサイズは用途によって異なり、最も一般的に使用されるスリットの幅は 10、25、50、100、200μm です。
最も一般的なタイプのミラーは、通常、平面ミラーと球面ミラーです。球面ミラーは、凹面球面ミラーと凸面球面ミラーの 2 種類に分類できます。ただし、分光計では、通常、凹面球面ミラーが使用されます。
市場には、ルールド格子とホログラフィック格子の 2 種類の回折格子があります。 ルールド格子は、ルーリング マシンのダイヤモンド形状ツールを使用して反射面に物理的に溝をエッチングして作成されますが、ホログラフィック格子は、2 つの UV ビームを使用して干渉パターンを構築する干渉リソグラフィーと呼ばれるプロセスによって作成されます。 ルールド格子は特定の波長に対してブレーズ加工することができ、通常はホログラフィック格子よりも効率が高くなります。 ホログラフィック格子は、光学的に作成されるため、溝の形状と間隔がより均一で、迷光が少なくなる傾向があります。
サンプルは通常液体ですが、気体や固体もテストできます。サンプルは通常、キュベットと呼ばれる透明なセル内に配置されます。一部の機器では、キュベットの代わりに試験管を使用することもできます。 キュベットの製造に使用される材料は、分光計がカバーするスペクトル範囲によって異なります。溶融シリカまたは石英ガラスは、UV から IR 領域まで透明であるため、一般的に使用されます。
さまざまな分光計でさまざまな検出器が使用されていますが、一般的に使用される検出器には、光電子増倍管 (PMT)、フォトダイオード、フォトダイオード アレイ、電荷結合素子 (CCD)、ボロメータ、マルチチャンネル アナライザー (MCA) などがあります。
ほとんどの分光計システムは、USB、RS-232、またはイーサネットを介してコンピューターとインターフェイスします。技術の進歩により、新しいシステムでは Wi-Fi や Bluetooth を使用してワイヤレスでデータを転送できます。
データ取得用の分光計で使用するために、多くのソフトウェアを実装できます。機器を製造するほとんどの企業は、製造する分光計と互換性のあるソフトウェアも提供しています。たとえば、StellarNet の分光計には SpectraWiz というソフトウェアが付属しています。
このような既製のソフトウェアに加えて、LabVIEW、Visual C、C#、VB、MS Excel および MATLAB 用の VBA など、プログラムをコーディングして作成し、必要に応じてカスタマイズできるソフトウェアもあります。
分光計にはいくつかの用途があります。
一例として、200〜400nmのスペクトル範囲を利用し、幅200μmの入口スリット、溝サイズ2400g/mmのホログラフィック格子、2000ピクセルのCCD検出器を備えたUV分光計があり、シクロヘキサンによく見られる不純物であるベンゼンなどの有機分子内の不純物を検出できます。ベンゼンの存在は、スペクトルの255nmにピークがある吸収によって簡単に検出できます。
光学分光計は 2 つの方法で分類できます。1 つ目は波長による分類で、2 つ目は光相互作用特性による分類です。
UV 分光法では、200 〜 400nm の波長の UV 範囲の光を使用して、サンプルが吸収または反射する光の量を測定し、サンプル内の元素の濃度を決定します。
サンプル内の電子は、分子が UV 光によって放出されるエネルギーを吸収すると、基底状態からより高いエネルギー状態に励起されます。電子が持つエネルギーの量は、電子が吸収できる波長の長さに比例します。
サンプルの識別は、サンプルが UV 光を吸収したときに生成されるスペクトルを既知の化合物のスペクトルと比較することによって行われます。
UV 分光計では通常、重水素アーク、キセノンアーク、またはタングステンハロゲンランプが使用されます。使用される格子の種類は通常ホログラフィック格子で、使用される検出器は通常 PMT、フォトダイオード、フォトダイオードアレイ、または CCD です。検出器のピクセルサイズは通常 14μm x 200μm です。
UV 分光計は、材料科学、品質管理、石油化学、食品・農業、生命科学、光学部品などの業界で一般的に使用されています。
また、不純物の検出、化合物内の官能基の有無、化合物の識別、有機化合物の構造解明などの用途にも通常使用されます。
StellarNet VIS 分光計
VIS 分光計は UV 分光計と同じように機能しますが、電磁スペクトルの可視領域 (波長 400nm 〜 700nm) の光を使用して、UV 光と相互作用しない化合物を識別します。
この機器は、サンプルの透過率または吸光強度を測定することで、サンプル内の物質の濃度を決定することもできます。
VIS 分光計の光源としては通常、タングステン ハロゲン、キセノン ランプ、LED が使用されます。
VIS 分光計は、UV 分光計と同じタイプの回折格子と検出器を使用します。VIS 分光計も、主に UV 分光計と同じ業界およびアプリケーションで使用されます。
StellarNet IR 分光計
IR 分光計は、IR 光による有機分子の振動遷移を利用して、IR スペクトル内の物質を識別します。
IR 光は、可視スペクトルに関連して、700nm から 1mm の間で近赤外線、中赤外線、遠赤外線の 3 つの部分に分けられます。
中赤外線以降の光子は、共有結合した原子でのみ振動励起を誘発することができ、エネルギーが十分に大きくないため、電子を励起することはできません。
サンプルは IR 放射を吸収し、エネルギーがこれらの振動に対応します。これにより、化合物の吸収スペクトルを記録でき、スペクトルは各化合物に固有です。
広範囲のデータを収集するフーリエ変換 IR (FTIR) 分光計は、フーリエ変換を利用して生データをスペクトルに変換します。
近赤外線、中赤外線、遠赤外線では、それぞれタングステンハロゲンランプ、グローバーランプ、水銀ランプを使用します。設置される格子の種類は通常、ルールド格子です。NIR 分光計では通常、ピクセル サイズが 25μm x 500μm の InGaAs フォトダイオードが使用されますが、MIR 分光計ではピクセル サイズが 48.5μm x 48.5μm の焦電検出器が使用され、FIR 分光計ではピクセル サイズが 75μm x 75μm の a-Si または VOx ボロメータが使用されます。
これは通常、医薬品、環境安全、食品、材料などの業界で見られます。IR 分光計を利用するアプリケーションには、タンパク質の特性評価、宇宙探査、化合物の識別、ナノスケールの半導体分析などがあります。
図 3: 分光計の吸収
その名前が示すように、吸収分光法は、サンプルと光源の波長または周波数の関数として、放射の吸収を測定します。 サンプルは光源からエネルギーを吸収し、吸収の強度は周波数によって変化します。この変化によって吸収スペクトルが生成されます。この分光法は、電磁スペクトル全体で行われます。 吸収分光法は、サンプル内に存在する化合物を特定し、その濃度を測定するために使用されます。上記の UV、VIS、IR 分光法は、吸収分光法の例です。 吸収分光法で使用される最も一般的な光源は中空陰極ランプで、検出器として PMT が使用されます。これは、リモート センシング、天文学、原子および分子物理学でよく使用されます。
図 4: 分光計の反射率
反射分光法は、サンプルから反射または散乱された光の量を測定します。
サンプルから反射された、またはサンプルを通して屈折された光源からの光子は、散乱されたとみなされます。
これらの散乱光子は、その後検出され、記録されます。これにより、反射率と波長の関係を示すグラフが作成されます。
反射分光法システムでは通常、レーザ、スーパールミネッセント ダイオード、LED、またはハロゲン ランプが光源として使用され、CCD、フォトダイオード、または MCA が検出器として使用されます。
反射分光計は、医療業界で組織濃度に関する情報を提供するために使用され、環境科学や地質学などの業界でも使用できます。
図 5: 分光計の透過率
透過分光法とは、サンプルをそのまま通過する光の量を測定することです。
これは吸収分光法と非常に密接に関連しているため、同様の設定を共有しています。
透過スペクトルは、サンプルを通過する光が増えるにつれて吸収が最も弱くなる波長で最高ピークを持ちます。
スペクトル範囲に応じて、さまざまな光源が使用されます。LED、タングステンハロゲン、または重水素ランプがよく使用されます。選択される典型的な検出器は、フォトダイオードと CCD です。これは、医薬品分析でよく使用されます。
StellarNet 分光蛍光計
UV 分光法で述べたように、サンプル内の電子は光を吸収して基底状態からさまざまな振動状態からなるより高い電子状態に移行すると励起されます。
励起された電子は光子を放出することで基底状態に移行することができ、このプロセスは蛍光と呼ばれます。
電子は基底状態のさまざまな振動レベルのいずれかに落ちる可能性があるため、放出された光子にはさまざまな量のエネルギーが含まれ、したがって強度と波長が異なります。
したがって、蛍光分光法はサンプルからの蛍光の量を測定することと定義されます。通常、電子の励起には UV または VIS 範囲の光を使用します。
蛍光は蛍光分光計によって測定され、発光の強度や波長分布など、蛍光のさまざまな特性を測定します。発光スペクトルから、サンプルがどの波長を放出するかがわかります。
蛍光を測定する機器は蛍光計と呼ばれます。蛍光計は、通常、レーザ、LED、キセノンアーク、または水銀灯を光源として使用します。蛍光分光法では、通常、フォトダイオードまたは PMT が検出器として選択されます。
この分光法は、医療、生化学、環境モニタリング業界でよく見られます。用途には、人体組織の癌診断、不純物の検出、物質の識別と濃度の測定、感染を引き起こすさまざまな細菌、ウイルス、寄生虫の検出などがあります。
図 6: 分光計による散乱
光が物質を通過すると、そのほとんどは元の方向に進みますが、一部は他の方向に散乱します。
この技術は、ラマン散乱の理論に基づいています。散乱効果は、物質による光子の非弾性散乱であり、光の方向が変化し、サンプルと相互作用した後、光子によってエネルギーが失われることを意味します。
通常、分子は入射光子から振動エネルギーを獲得します。
散乱される光のほとんどはエネルギーが変化しません。これがレイリー散乱です。ラマン散乱は、散乱された光子の非常に小さな部分 (約 1000 万分の 1) で構成されています。
サンプルの振動変化を分析することで、化学組成、結晶性、分子相互作用などの特性を判断できます。前述のように、ラマン散乱は非常に弱いため、光を調べるには高感度の分光計が必要です。
この機器は、化学、物理学、製薬、芸術、医療などの業界で広く使用されています。分子の識別や化学結合の調査、材料の構造の特性評価と研究、パッケージ内の偽造薬の発見、バイオミネラルの研究などに役立ちます。
StellarNet ラマン分光計
ラマン分光法は、光 (通常はレーザ) と物質の化学結合との相互作用に基づいています。
光はサンプルから直接散乱し、フィルターを通過してレイリー散乱による粒子を除去します。
ラマン散乱からの残りの光は、検出器に向かう前に回折格子に向けられます。
最終的にラマン スペクトルが生成され、各ピークと強度からサンプルに関する情報が得られます。
ラマン分光計は、光源として連続波レーザのみを使用します。
通常は赤から NIR までのスペクトル範囲のレーザが使用されますが、近年は青と緑の可視レーザの使用が増えています。
また、モノクロメーターとしてホログラフィック格子、検出器として CCD を使用します。
分光計と分光光度計を混同する人はよくいます。分光光度計は、物質の波長の関数として光の透過特性と吸収特性を測定する機器です。
通常、近紫外線から可視光、近赤外線までの範囲の光を扱います。分光光度計自体には、サンプルをよりよく照らすための光源だけでなく分光計も含まれています。
動作原理は分光計に似ており、モノクロメータを使用してサンプルに到達する光の波長を選択します。サンプルの不透明度に応じて、光は反射または透過されます。次に、検出器が反射または透過した光の強度を記録します。
これは、モノクロメータを使用してさまざまな波長で繰り返され、検出器が光強度の変化を測定します。最終的な出力は、波長の関数としての吸収スペクトルになります。
分光計とその用途がわかったところで、信頼できる分光計をどこで購入すればよいかを知る必要があります。信頼できる分光計は Wavelength Opto-Electronic から購入できます。
当社は StellarNet 分光計の販売代理店であり、190 〜 2300nm の波長の UV、VIS、NIR の測定用の光学分光計を提供しています。StellarNet 分光計は、可動部品がなく、持ち運びやすくコンパクトに設計されています。
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