ラマン (Raman) 分光法と共焦点マッピングをわかりやすく解説

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ラマン分光法 (Raman Spectroscopy) についてくわしく解説します。

【目次】
　１．ラマン分光法とは
　２．ラマン分光法の原理
　３．ラマン分光法からわかること
　４．共焦点ラマン分光法
　５．ラマン分光法の強みと留意点
　６．各領域の分析事例

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１．ラマン分光法とは

ラマン分光法 (Raman Spectroscopy) は、試料にレーザー光を照射し、散乱する光 (ラマン散乱光) の波長変化 (ラマンシフト) を分析する手法で、分子構造や結晶構造、化学組成などを非接触で分析することが可能です。

ラマン分光法では、液体･固体･気体問わず、微量な試料や容器越しの分析が可能で、樹脂材料や電池材料、化粧品･食品など幅広い範囲の試料に対応することが可能です。

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２．ラマン分光法の原理

電磁波である光は周期的な電場を形成します。原子に光を当てるとマイナスに帯電した電子雲はプラスの電場へ、プラスを帯びた原子核は重いため僅かですがマイナス側に引き寄せられます。このとき生じる分極の度合いを双極子とよび、その振動により散乱光が放出されます。

光の照射により発生する散乱光は、照射した光と波長が同一のレイリー散乱光と分子との相互作用により波長が変化したストークス散乱光、アンチストークス散乱光の３つの成分からなります。一般的なラマン分光法ではこれらのうち、ストークス散乱光を観測します。

ラマン分光法は、試料とのエネルギーのやり取りの結果生じる波長の変化 (シフト) を観察することで分子の情報を得ます。このシフト量を横軸にし、縦軸にその強度をプロットしたものがラマンスペクトルです。このスペクトルを解析することで分子内部の情報を得ることができます。

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３．ラマン分光法からわかること

ラマンスペクトルから試料に含まれる成分を知ることができますが、それ以外にも多くの情報を得ることができます。

ラマンスペクトルのそれぞれのピークからは対応する成分の濃度、結晶性、作用している応力やひずみに関する情報を得ることが可能です。

また、ピーク間の相対強度を比較することで、構造変化に関する情報を得ることも可能です。

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４．共焦点ラマン分光法

共焦点ラマン分光法は、ラマン分光法の原理をもちいて試料内部を非破壊･非接触で三次元測定ができる手法です。対物レンズと検出器側のレンズの焦点を共役配置にすることで、～400nmの空間分解能で試料の状態や分布を観測可能です。

高感度なCCDカメラをもちいることで、高速で三次元の可視化が可能です。つまり、真空状態を必要としないことから、ゲル状や液状の試料も観察することができます。

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５．ラマン分光法の強みと留意点

強み

　　・非破壊･高分解能：透明〜半透明材料内部を3Dで観察可能。
　　・炭素材料に高感度：グラファイト、CB、DLC、ダイヤモンドなどを識別。
　　・容器越し測定：水中異物や液体をそのまま分析可能。専用セルで電池の観測も可能。

主な適用例


・透明フィルム内部の添加剤分散状態（可視化）
白色半透明PEフィルム中の酸化チタン粒子の3Dマッピング。粒子のサイズ･分散状態を一目で把握できる。
・炭素材料の判別
グラファイト、木炭、カーボンブラック、DLC、ダイヤモンドなどの判別。結晶性、欠陥、構造の違いをスペクトルから解析可能。
・水や液体中の異物分析（容器越し）
ガラス瓶内部の水中異物を、取り出さずに定性。差分析により容器内部、水中の異物を特定。
・蛍光が強い材料の分析
励起波長切り替えにより、蛍光妨害を軽減。特にエラストマー等で有効。