ラマン散乱
ラマン散乱は、分子や固体などの物質にレーザー光などの単色光を照射した際、照射光よりもわずかに異なる周波数（エネルギー）の光が散乱される現象である。インドの物理学者C.V.ラマンによって1928年に発見され、彼はその功績により1930年にノーベル物理学賞を受賞した。散乱光の周波数変化（ストークス線やアンチストークス線）を精密に測定することで、物質内部の振動・回転状態のエネルギー準位がわかり、分子構造や結晶格子振動（フォノン）などを非破壊・非接触で解析する手法として広く用いられている。
原理と基礎
ラマン散乱は、入射光の一部が物質中の振動や回転と相互作用する際、光子のエネルギーがその振動・回転のモードエネルギーだけ変化して散乱される現象である。具体的には、分子や結晶の振動であるフォノンや回転準位が量子化されており、光子との相互作用によって、エネルギーの交換が起こる。この結果、散乱光は入射光よりも高い（アンチストークス）あるいは低い（ストークス）エネルギーを持つことになる。実際のスペクトル解析では、大半の散乱はエネルギーが変化しないレイリー散乱であるが、強度のごく一部にエネルギーシフトが確認でき、それがラマン散乱として観測される。
ラマンスペクトルの特徴
- 固有の振動指紋: 各分子や結晶の振動モードは特定のエネルギー（周波数シフト）を持つため、「化学指紋」として成分同定や構造解析に活用される。
- 非破壊測定: 試料を溶解や前処理する必要がほとんどなく、レーザー光を当てるだけで測定可能。
- 広い材料適用性: 無機物、有機物、半導体、金属酸化物、炭素材料（グラフェン、カーボンナノチューブなど）、さらには生体試料にも応用される。
実験装置と測定法
ラマン散乱の実験では、一般的にレーザー光源を用いて試料に光を照射し、試料からの散乱光を分光器（分光器とCCDなどの検出器）で解析する。レーザー波長は可視域や近赤外域が多用され、試料特性や蛍光バックグラウンドの影響を考慮して選択される。共焦点ラマン顕微鏡を使えば、空間分解能を高めたマッピング測定が可能であり、微小領域の化学組成や結晶品質を二次元・三次元的に可視化できる。さらに、表面増強ラマン散乱（SERS）やチップ増強ラマン散乱（TERS）などの技術を組み合わせることで、超高感度・ナノ領域測定を実現する方法も開発されている。
主な応用例
- 材料科学: 半導体材料（Si、III-V族化合物など）の結晶品質評価、炭素系材料（グラフェン、カーボンナノチューブ）の欠陥解析や構造評価。
- 化学・バイオ: 薬物やタンパク質などの分子認識、細胞・組織の無染色観察、溶液中の分子間相互作用のモニタリング。
- 産業プロセス: 薬品・食品の品質管理、プロセスモニタリング、薄膜工程や溶液のその場分析。
ラマン散乱の強度と課題
ラマン散乱の弱点は、散乱強度が非常に弱い点にある。入射光に対してラマン散乱光はわずか10-6～10-8程度とされ、通常の測定では感度の高い分光器やCCDを用いてロングタイム積算観測が求められる。また、一部の試料では蛍光が強く発生してラマンスペクトルが埋もれてしまう場合もあり、レーザー波長の選択や蛍光消光技術を駆使する必要がある。近年は、プラズモン共鳴を利用して散乱強度を大幅に増幅させる表面増強ラマン散乱（SERS）や、顕微鏡プローブを用いてナノスケールの局所分光を実現するチップ増強ラマン散乱（TERS）が注目を集め、感度向上や高分解能化が進んでいる。
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