【アプリケーションノート】VERTEX FM 広域をカバーする最新の光学系を用いた赤外スペクトル測定

Bruker Optics Application Note VERTEX FM 広域をカバーする最新の光学系を用いた 赤外スペクトル測定 はじめに よび検出器をベースとし、光学部品を交換することなく一 赤外分光法は、測定に用いる赤外線の波数範囲により、 回の測定で近赤外域の一部から中赤外／遠赤外にわたる 近赤外分光法、（中）赤外分光法、遠赤外分光法の三つに 広域スペクトルの取得を可能にする、VERTEX 70シリー 大別できます。近赤外分光法は、多変量解析手法との併 ズ FT-IRの新たなオプションです。ここではとくに、“ 中 用による定性・定量分析をベースとした品質管理やプロセ ～遠 ”広域赤外スペクトルの測定事例を交え、VERTEX ス管理に用いられています。中赤外領域におけるスペクト FMの特長と測定の実際を紹介します。 ルは、物質を構成する分子の官能基に関する豊富な情報 を与えることから、未知物質の同定や構造解析に広く用い 超広帯域ビームスプリッタ／超広帯域検出器 られています。また遠赤外領域には、とくに固体試料の場 VERTEX FMに用いられるビームスプリッタおよび検出 合、分子団どうしの相互作用に基づく分子間振動や結晶 器について、従来品との比較を図 1に示します。FT-IR分光 の格子振動に起因する吸収が現れることから、高次構造 計に用いられるビームスプリッタの波数帯域は、基板の材質 や結晶構造の解析に有用です。それぞれのスペクトル領域 とコーティング *の仕様によって決まります。たとえば中赤外 がもつ特長を活かすことで、分析対象物に対する理解をさ 用 FT-IR分光計では、臭化カリウム（KBr）基板にゲルマニ らに深めることが可能となります。 ウム（Ge）を蒸着したビームスプリッタが用いられ、一般に 一方、フーリエ変換型赤外分光計（FT-IR）で得られる は 8000～ 350cm-1程度の波数帯域を有します。これに対し スペクトルの波数範囲は、装置を構成する光源やビームス て、VERTEX FM用に新たに開発された超広帯域ビームス プリッタ、検出器などの光学部品の組み合わせによって決 プリッタ（部品番号：T240/3）は、6000～ 10cm-1というこ まるため、着目する波数範囲に応じてこれらを交換しなけ れまでにない広い帯域をカバーする特性をもち、近赤外の ればならない場合があります。こうした問題に対して、最 一部から遠赤外／テラヘルツ域にわたる広域のスペクトル測 新のリサーチグレード FT-IRには、主要な光学部品を自 定を可能にします。一方、検出器としては、一般的な FT-IR 動的に切り替える機構を持つ製品もあります。たとえばブ 分光計と同様にTGS（硫酸トリグリシン）検出器 **が搭載 ルカー・オプティクスのVERTEX 80vでは、光源、ビー されます。TGS検出器は、熱型検出素子である焦電素子の ムスプリッタ、検出器について、それぞれ最大 4種類を同 ひとつで、素子自体の感度には波数依存性はほとんどなく、 時に装備し、ソフトウェア制御により部品を切り替えなが 検出器としての分光感度は、潮解性をもつ TGSを大気中 ら紫外・可視域から遠赤外域にわたる広域の連続スペクト の水分から保護する目的で装着される窓材の透過特性に依 ルを全自動で測定することが可能となっています。しかし 存します。一般的な窓材としては、中赤外用TGSではKBr ながらこうした機能を使おうとした場合、システム全体とし （～ 350cm-1）やヨウ化セシウム（CsI: ～ 130cm-1）が、また ては自ずと高価なものになってしまい、必ずしも汎用性の 遠赤外用 TGSにはポリエチレン（PE: ～ 20cm-1）が用いら 高い装置とは言えず、広域をカバーするビームスプリッタ れます。VERTEX FMの超広帯域 TGS検出器（部品番号： や検出器などの光学部品の開発が古くから求められていま D201/BD）では、最新の光学材を採用することで、12000 した。 ～ 20cm-1という赤外領域のほぼ全域をカバーしつつ、従来 ここで紹介するVERTEX FMは、ブルカー・オプティ の中赤外用TGSや遠赤外用TGSと同等の分光感度特性を クスがもつ光学設計技術による最新のビームスプリッタお 維持しています。また従来のKBrや CsI窓材と異なり、潮

図 1.  VERTEX FM に用いられるビームスプリッタおよび検出器と従来品との比較 解性を持たないため、ハンドリングも容易となっています。 が不要となるため、部品交換に要する時間が不要となるこ とはもちろん、とくにパージ型 FT-IR分光計VERTEX 70 * ビームスプリッタには非コートのものもあり、この場合は基板の においては、パージのための待ち時間を短縮できるため、 もつ光学特性で分光帯域が決まります。 飛躍的な分析効率の向上が期待できます。またブルカー・ **実際の検出素子としては、TGSを重水素化し、さらに L-アラニ オプティクスの特長的な製品のひとつである真空型システ ンをドープしたDLaTGSを用いています。 ムVERTEX 70vとの組み合わせにおいては、大気中の水 蒸気や炭酸ガスによる妨害吸収を一切気にすることなく短 実測定例 時間で広域スペクトルの取得が可能となります。 中赤外から遠赤外にわたる広域スペクトルの測定におい VERTEX FMを装備したVERTEX 70vによる、シン ては、サンプリング手法の選択が重要となります。たとえ グルビームスペクトルならびに 100%ラインスペクトルを図 ば透過法では多くの場合、適当な希釈材を用いる必要が 2に示します。ここでは光源として VERTEX 70vに標準 ありますが、中赤外域と遠赤外域では使用できる希釈材 搭載のセラミック光源を用いていますが、このデータは、 が異なるため、測定波数域ごとに試料調製の方法を変え 光源、ビームスプリッタ、検出器等の光学部品を交換する なければなりません。しかしながら幸いなことに、既に一 ことなく、6000～ 50cm-1というこれまでにない広域のス 般的なサンプリング手法となっているダイヤモンド製内部 ペクトル測定が可能であることを示しています。測定波数 反射エレメント（IRE）を備えるATRを用いることで、希 域の切り替えのために必要とされていた光学部品の交換 釈等の前処理を行うことなく簡単に中遠広域赤外スペク トルの測定が可能となります。ダイヤモンドは可視域から 15cm-1程度の遠赤外・テラヘルツ域までほぼ透明である ため広域測定には最適な IREであり、さらには化学的に も物理的にも安定であることから操作性にも優れます。ま た ATR法の特徴的な性質として知られる光のもぐり込み 深さの波数依存性に従い、測定における試料の実効的な 厚みは遠赤外領域においてより大きな値を取ります。これ により、中赤外域と比較して相対的に S/Nが低下しがち な遠赤外領域においても、安定したデータを得ることが可 能となり、この点もダイヤモンドATRを用いるメリットと いえます。 ダイヤモンド製 IREを装着した一回反射水平型 ATR 図 2.  VERTEX FM を装備したVERTEX 70v による、シング　 “Platinum-ATR” とVERTEX FM機能を用いて測定した、 　 ルビームスペクトルならびに100%ラインスペクトル 炭酸カルシウム粉末の中遠広域赤外スペクトルを図 3に

図 3.  VERTEX FM ならびにPlatinum ATR(IRE:ダイヤモンド) 　　を装備したVERTEX 70v による、炭酸カルシウム粉末の中遠 　　 広域吸収スペクトル(波数分解:4㎝-1、積算時間：約50秒) 示します。中赤外域の 1400cm-1近傍には、炭酸塩に特 徴的なバンドが観測されているのと同時に、遠赤外域に は炭酸カルシウムの結晶構造を示す複数のバンドを確認 することができます。炭酸カルシウムには三方晶、斜方晶 ならびに六方晶系の結晶多形が存在し、それぞれカルサ イト、アラゴナイト、バテライトとして知られますが、図 2 に示すスペクトルの遠赤外領域では、284cm-1、219cm-1 および 90cm-1に比較的シャープなバンドが現れており、 このことから測定に用いた炭酸カルシウムは三方晶構造を もつカルサイトであると判別できます。1, 2) まとめ ブルカー・オプティクスのVERTEX FMを用いることで、 豊富な官能基情報を与える中赤外スペクトルに加えて、物 質の高次構造や結晶性を反映する遠赤外スペクトルを同 時に測定することが可能となります。さらなる機能性の向 上が求められる最先端の材料開発の現場や、物性と分子 構造に関する基礎研究における活用が期待されます。 参考文献 1. E. E. Angino: Amer. Mineral., 52, pp.137-147 (1967). 2. P. Bawuah, M. Z. Kiss, P. Silfsten, C. Tag, P. A. C. 　Gane, and K. Peiponen: Opt. Rev., Vol.21, No.3, 　pp.373-377 (2014). ブルカー・オプティクス株式会社 本社：〒104-0033 東京都中央区新川 1-4-1 住友不動産六甲ビル Phone：03-3523-6870 Fax: 03-3523-6871 大阪営業所：〒532-0004 大阪市淀川区西宮原 1-8-29 テラサキ第2ビル Phone：06-6394-8118 Fax: 06-6394-9003 www.bruker.jp marketing@bruker-optics.jp Application.Note.AN-JP.9