赤外分光(FT-IR)
赤外分光(FT-IR)は、分子の振動・回転に起因する赤外領域の光吸収をフーリエ変換で解析し、化学構造情報を得る分析法である。干渉計で取得したインターフェログラムを高速フーリエ変換してスペクトルを得るため、従来の分散型に比べて高い感度と速度、波数精度を実現する。固体・液体・気体に適用でき、ポリマー、医薬、半導体、表面処理、異物解析など製造現場から研究開発まで広く用いられる。
測定原理と波数
分子は化学結合の伸縮・変角などの固有振動をもち、そのエネルギー準位差に対応する赤外光を吸収する。波長よりも取り扱いが容易な波数(cm^-1)が横軸に用いられ、一般に4000〜400 cm^-1が中赤外域として測定対象である。1500〜500 cm^-1は「指紋領域」と呼ばれ、官能基だけでは識別しにくい物質同定に有用である。
フーリエ変換と利得
FT-IRはミケルソン干渉計で得たインターフェログラムをFFTでスペクトル化する。多重利得(Fellgett)により同時測定でS/Nが向上し、スループット利得(Jacquinot)により大口径光学系で光量を確保できる。さらにレーザー参照によるConnes利得で波数精度が高い。
装置構成
典型的装置は、光源(Globar)、干渉計(移動鏡・固定鏡、ビームスプリッタ：KBr、CaF2など)、サンプル部、検出器(DTGSまたはMCT)から成る。参照レーザー(He-Ne)が鏡移動の干渉縞を基準化し、波数軸の正確さを保証する。パージによりH2OやCO2吸収の影響を低減する。
測定法の種類
対象や形態に応じて透過、反射、拡散反射、ATRなどを選択する。薄膜・気体は透過、粗面固体や粉体は拡散反射(DRIFT)、表面評価や液体はATRが有利である。
透過法
薄片、KBr錠剤、液体セル(例えばCaF2窓)を通す。吸収が強すぎるとベースラインが飽和するため、厚みと濃度を適正化する。
ATR(全反射減衰)
高屈折率プリズム(ダイヤモンド、ZnSe、Ge)に試料を密着し、エバネッセント波の浸透深さ(数µm程度)でスペクトルを得る。研磨不要で表面分析に適し、ATR補正を適用することで透過相当の形状へ換算可能である。
拡散反射/鏡面反射
粉体や粗面はDRIFT、金属鏡面やコーティングは鏡面反射を用いる。反射法では電気光学的効果によりバンド形状が変わることがあり、解釈に注意を要する。
スペクトルの読み方
吸収ピークの位置(波数)は官能基、強度は濃度、形状は相互作用や結晶性を反映する。例えばC=O伸縮は1700±50 cm^-1付近、O-Hは広帯域の3200〜3600 cm^-1、C-Hは2800〜3000 cm^-1に現れる。指紋領域の微細構造は物質同定に決定的である。
定量・定性の基礎
ビール-ランベルトの法則により、ピーク面積(または高さ)と濃度が比例する範囲で定量が可能である。定性では参照スペクトルとの相関検索が有効で、官能基領域と指紋領域を総合して判断する。
測定条件とパラメータ
- 分解能：2〜4 cm^-1が汎用、微細分離には1 cm^-1以下を用いる。
- スキャン回数：積算でS/N向上。時間とS/Nのバランスをとる。
- アポダイゼーション：サイドローブ抑制と分解能のトレードオフを調整する。
- ゼロフィリング：補間により波数刻みを細かくし、ピーク読取りを滑らかにする。
- バックグラウンド：装置・環境の吸収を差し引く基準測定であり、都度更新が望ましい。
試料前処理と注意
固体粉末は乳鉢で微粉化し均一化する。KBr錠剤は水分吸着を避けるため乾燥が重要である。ATRでは接触圧を一定にし、再現性を確保する。水やCO2の吸収帯が重なる場合はパージまたは数値補正を用いる。
典型的な応用
- ポリマー同定：添加剤、酸化劣化、架橋度の評価。
- 表面・薄膜：コーティング厚み推定、官能基導入の確認。
- 異物解析：製造ラインで混入した有機物やゴム片の識別。
- 気体分析：ガスセルで微量成分を検知。
- 医薬・食品：原料受入検査、規格同等性の確認。
校正・規格と品質管理
波数校正にはポリスチレン標準片が広く用いられる。定量では標準試料による検量線、日常点検ではS/N、ベースライン直線性、波数精度の確認が推奨される。手順や用語はJISやISOの関連規格群で整備されており、文書化と記録管理を徹底することが品質確保に資する。
ラマン分光との比較
赤外は極性変化に敏感で、水の強吸収に注意が必要である。一方ラマンは分極率変化に敏感で水の影響が小さい。蛍光の有無、試料形態、表面/バルク感度を考慮して使い分けると効率的である。
製造現場での実務ポイント
- 受入・出荷検査では参照ライブラリと同一条件で測定し、相関係数の閾値を運用する。
- ライン異常時はバックグラウンド再取得、パージ確認、光学系の汚れ点検を優先する。
- 装置間差はATR結晶や分解能差で生じるため、標準化されたSOPを策定する。
- 関連する基礎知識は材料力学や加工要素にも波及し、例えば締結部品の選定ではねじやボルトの材質・表面状態評価にFT-IRが補助的に有効となる。