ラマン分光を用いた化学分析

ラマン分光法は、光の散乱を利用して、調査対象の材料に固有の分子情報を収集します。

光が分子に当たると、ほとんどのエネルギーは吸収されず、入射光と同じエネルギーで散乱します。ただし、散乱放射線のごく一部が、入射放射線とは異なるエネルギーで現れます。

これらのエネルギーのシフトは分子の振動状態に対応しており、分析対象のサンプルの分子組成を同定、定量化、および調査するために使用できます。

このビデオでは、この手法の背後にある理論を紹介し、実験室で同じことを実行する手順を示し、この方法が今日の業界で適用されている方法のいくつかを紹介します。

放射線とサンプルとの相互作用は、光子と分子の間の衝突と考えることができます。

入射する光子は、分子を短寿命の仮想励起状態に励起し、そこからすぐに崩壊して基底状態に戻り、散乱光子を放出します。エネルギーの交換が起こっていない場合、散乱光子は入射光子と同じ波長を持ち、これは弾性レイリー散乱と呼ばれます。

ラマン散乱は、光子との非弾性相互作用の結果として振動(励起または緩和)を受けている分子を表します。分子が基底状態から仮想励起状態に上昇し、より高いエネルギーの振動状態に戻ると、光子からエネルギーを得たことになります。これはストークス散乱とも呼ばれます。

より高い振動エネルギーの分子がエネルギーを得て、より低い基底状態に戻ると、分子は光子に対してエネルギーを失い、反ストークス散乱を引き起こします。室温では、基底状態の分子の数は高エネルギー状態の分子数よりも多く、ストークス散乱は反ストークス散乱よりも激しく、より一般的に調べられます。

これらの入射光子との相互作用から生じる分子の振動と回転には、対称および非対称の伸張、はさみ、揺れ、揺れ、ねじれが含まれます。

これらの分子振動は、ラマン分光法だけでなく、赤外分光法などの他の技術と一緒に使用されます。振動は「ラマン活性」、つまりラマン分光法で検出可能であり、電子雲の偏光率または歪み量に変化を引き起こします。振動は、ダイポールモーメントの変化を誘発すると赤外線アクティブになります。

たとえば、二酸化炭素の膨張のような対称的な伸びは、電子を原子核から遠ざけて分極しやすくしますが、双極子モーメントは変化しません。一方、非対称ストレッチでは、双極子モーメントは変化しますが、偏光率は変更されません。これらの理由から、ラマン分光法と赤外分光法は化学分析の補完的な方法として扱われています。

ラマン分光法は、サンプルに強力な単色レーザーを照射することによって行われます。サンプルから放出された放射線が収集され、レーザー波長がフィルタリングされます。散乱光はモノクロメーターを介してCCD検出器に送られます。ラマン顕微分光法では、レーザーはサンプルに到達する前に顕微鏡を通過するため、ミクロンレベルでの空間分解能が可能になります。

サンプルのラマンスペクトルは、散乱放射線の強度を、入射放射線からの波数シフトの関数としてプロットしたものです。ピークの形状と強度は、分子構造、対称性、結晶品質、および材料の濃度を示すことができます。

この方法の背後にある理論を理解したところで、サンプルに対してラマン顕微分光法を実行するためのプロトコルを探ってみましょう。

手順を開始するには、必要なレーザーをオンにし、使用する波長に適した光学系を選択します。実験を開始する前に、レーザーをウォームアップするために15分間待ちます。その間に、コンピューターの電源を入れ、機器ソフトウェアをロードします。

使用するレーザーの正しい波長を選択してください。ラマン分光器の必要なキャリブレーションを実行します。これは、顕微鏡ステージ上に配置されたシリコンウェーハを使用して行うことができますが、ここでは内部シリコン参照サンプルを使用します。ラマンスペクトルは、適切な曝露エネルギーと時間を使用して取得されます。シリコンは、約520波数で強いピークを与えるはずです。

キャリブレーションが完了したら、サンプルを顕微鏡の下に置き、目的の層に焦点を合わせます。暗いエンクロージャーは、迷光を除去するために使用されます。クリーンなスペクトルを得るために、レーザーの経路が光吸収層またはラマン活性層によって遮られていないことを確認してください。

モノクロメーターでスキャンする波数の範囲を選択します。十分な信号を生成するが、調査中の材料に損傷を与えないレーザー強度を選択します。これは、同じ場所を2回撮像することで確認できます。スペクトラムが変化すると、損傷が発生している可能性があります。

サンプルが完全に暗いエンクロージャー内にある場合、バックグラウンドスキャンは必要ありません。サンプルのスペクトルを取得します。

適切なソフトウェアを使用し、利用可能な文献と比較することにより、データを調査します。宇宙線は鋭く強いピークとして現れ、それを取り除かなければなりません。特定の基板や汚染物質とのレーザー干渉は、ベースラインを引き起こす可能性がありますが、サンプルに由来するラマンピークが含まれていると予想されないスペクトルの領域に適切な曲線を適合させることで、ベースラインが除去されます。材料によっては、異なるラマンピークが重なり合い、ピークのデコンボリューションが必要になることがあります。

これらのステップを競った後、結果として得られるスペクトルは、サンプルに存在する種に関する定性的および定量的データを表します。

ここでは、グラフェンシートの非常に小さく中空の単層または多層ロールであるカーボンナノチューブのラマンスペクトルを調べます。ここでは、514 nmレーザーを使用して多層カーボンナノチューブから取得したラマンスペクトルを示しています。

カーボンナノチューブは結晶格子で表されるため、その振動は集団振動「モード」で表されます?.?1,582波数でのGモードピークは、任意のグラファイト材料に見られるsp2混成炭素-炭素結合に関連しています。また、1,350の波数が結晶格子の乱れによって引き起こされる散乱を表す顕著なDピークもあります。GモードとDモードの強度比は、ナノチューブの構造品質を定量化します。

レーザーとコンピューター技術の発展により、かつては退屈だったラマン分光法は、化学分析に最も広く使用されている手法の1つになりました。

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、今後数十年で低排出エネルギーの主要な供給源となる可能性を秘めています。これらのセルは、燃料と酸化剤(この場合は固体酸化物)のエネルギーを電気化学的に変換することによって機能します。燃料電池材料の電気化学的メカニズムをその場で評価することにはまだいくつかの困難があります。しかし、ラマン分光法は現在、アノードでの複雑な化学反応メカニズムをマッピングするためにますます使用されています。

美術品は、その年代、組成を明らかにし、保存のための条件を最適化するために、分光学的に調査されます。ラマン顕微分光法の非破壊的な性質は、この目的に非常に適しています。アートサンプルにレーザーを合わせ、非弾性散乱光の強度をプロットすることで、アーティストの顔料、結合媒体、またはワニスのスペクトルを取得できます。ラマン分光法は、芸術作品の偽造を特定するためにも使用されます。

JoVEの化学分析のためのラマン分光法の紹介をご覧になりました。これで、ラマン効果の背後にある原理と、それがラマン分光法にどのように適用されるか、ラボで独自のラマン分析を実行する方法、および今日の業界でラマン効果が適用されているエキサイティングな方法のいくつかを理解する必要があります。

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