分光計とは何ですか？ UV、VIS、IR分光計の説明
1.分光計とは何ですか？
分光計とは、物理的特性のスペクトル成分を分離・測定する装置を総称する用語である。分光計は、スペクトル成分を元の混合物から分離し、連続変数を測定する装置である。
分光計にはいくつかのバリエーションがあり、最も一般的なもののいくつかは、核磁気共鳴 (NMR) 分光計、質量分析計、光学分光計です。
1.1NMR分光計
NMR スペクトロメータは、サンプルが強力な一定の磁場に置かれたときの核スピンの相互作用を観察および測定します。 NMR信号は、核の周波数と共鳴する周波数で核が磁場と相互作用するときに生成されます。
分子内の原子を取り巻く分子内磁場は、共鳴周波数によって変化するため、サンプルの分子構造が明らかになります。
1.2質量分析計
質量分析計は、イオンの質量対電荷比を測定し、サンプルに存在する元素の組成を特定します。 これは、サンプルをイオン化することで機能し、分子の一部が帯電し、質量電荷比に従って分離します。
これらのイオンは、荷電粒子を検出できるデバイスによって検出されます。
1.3光学分光計
光学分光計は、通常は電磁スペクトルの光学領域近く、つまり紫外光、可視光、赤外光の光の特性を測定します。
波長による光強度の吸収と放出の変化により、材料を特定することができます。
この記事では、光学分光計に焦点を当てます。
2.分光計の動作原理
分光計は、入口スリット、回折格子、検出器の XNUMX つの主要コンポーネントで構成されています。
2.1エントランススリット
光源からの光が入口スリットに入り、スリットのサイズによって、機器が測定できる光の量が決まります。 スリットサイズは分光計の光学分解能にも影響し、スリットサイズが小さいほど分解能が高くなります。
スリットを通過した後、ビームは発散し、コリメートミラーで発散ビームを反射することにより、ビームはコリメートされます。 次に、コリメートされた光線は回折格子に向けられます。 回折格子は分散要素として機能し、光をその構成波長に分割します。
2.2グレーティング
モノクロメータは、プリズム内の光分散または回折格子からの回折の現象を使用して、特定の波長の光を選択します。 従来の分光計では、プリズムを使用して光を分散させていました。
しかし、回折格子の発明により、プリズムよりも多くの利点があるため、最新の分光計で最も使用されるモノクロメーターになりました。
どちらのデバイスも光を複数の色に分割できますが、回折格子を作成すると、プリズムよりも大きな角度に色を広げることができます。 また、プリズムは UV 領域でのみ高い分散を持ちますが、回折格子は UV、VIS、および IR スペクトル全体にわたって高く一定の分散を持ちます。
光が回折格子に当たると、各波長は異なる角度で反射されます。 異なるサイズの回折格子も、異なる波長範囲を決定するために使用されます。
ビームはグレーティングで反射された後、再び発散するため、XNUMX番目のミラーに当たって焦点を合わせ、検出器に向けます。
2.3検出器
検出器は光スペクトルを捕捉し、光の強度を波長の関数として測定します。 これらのデータはデジタル化され、グラフとしてソフトウェアにプロットされます。
3.分光計の部品
上記のセクションでは、分光計の仕組みについて説明しました。 このセクションでは、分光計のコンポーネントと各コンポーネントの多様性について説明します。
3.1光源
分光計で一般的に見られる光源は、タングステン ハロゲン、重水素、キセノン アーク、LED、水銀アルゴン、亜鉛、またはレーザーでできています。
3.2エントランススリット
スリットのサイズは5μm～800μm、高さ1mm～2mmと各種取り揃えております。 スリットのサイズは用途によって異なり、最も一般的に使用されるスリットの幅は 10、25、50、100、および 200 μm です。
3.3つのミラー
周りの最も一般的なタイプのミラーは、通常、平面ミラーと球面ミラーです。 球面鏡は、凹面鏡と凸面鏡のXNUMX種類に分類できます。 ただし、分光計では、通常、球面鏡が使用されます。
3.4回折格子
市場で入手可能な回折格子には、ルールドグレーティングとホログラフィックグレーティングのXNUMX種類があります。
ルーリンググレーティングは、ルーリングマシンのダイヤモンドフォームツールを使用して反射面に溝を物理的にエッチングすることによって生成され、ホログラフィックグレーティングは、XNUMXつのUVビームを使用して干渉パターンを構築する干渉リソグラフィーと呼ばれるプロセスによって生成されます。
ルールドグレーティングは特定の波長でブレーズすることができ、通常はホログラフィックグレーティングよりも効率が高くなります。
ホログラフィック グレーティングは、光学的に生成されるため、より均一な溝の形状と間隔を持つ傾向があり、迷光の発生が少なくなります。
3.5ホルダー
サンプルは通常液体ですが、気体や固体もテストできます。 サンプルは通常、キュベットと呼ばれる透明なセル内に配置されます。 一部の機器では、キュベットの代わりに試験管を使用することもできます。
キュベットの製造に使用される材料は、分光計がカバーするスペクトル範囲によって異なります。 溶融シリカまたは石英ガラスは、UVからIR領域まで透明であるため、一般的に使用されます。
3.6検出器
さまざまな分光計ではさまざまな検出器が使用されており、一般的に使用される検出器には、光電子増倍管 (PMT)、フォトダイオード、フォトダイオード アレイ、電荷結合素子 (CCD)、ボロメータ、およびマルチチャネル アナライザ (MCA) などがあります。
3.7インターフェース
ほとんどの分光計システムは、USB、RS-232、またはイーサネット経由でコンピューターとインターフェースします。 技術の進歩により、新しいシステムは Wi-Fi と Bluetooth を使用してワイヤレスでデータを転送できるようになりました。
3.8ソフトウェア
データ取得のために分光計で使用できるソフトウェアは数多く存在する。分光計を製造するほとんどの企業は、自社製品と互換性のあるソフトウェアも提供している。例えば、StellarNet社の分光計には、SpectraWizというソフトウェアが付属している。
このような既製のソフトウェアに加えて、LabVIEW、Visual C、C#、VB、MS Excel および MATLAB 用の VBA など、プログラムをコーディングして作成し、ニーズに応じてカスタマイズできるソフトウェアもあります。
4.分光計の使用
分光計にはいくつかの用途があります。
一例として、幅200μmの入射スリット、溝サイズ400g/mmのホログラフィックグレーティング、200ピクセルのCCD検出器を搭載した2400～2000nmのスペクトル範囲を利用するUV分光計が検出可能です。ベンゼンなどの有機分子中の不純物は、シクロヘキサンに見られる一般的な不純物であり、その存在は、スペクトルの 255 nm にピークを持つ吸収によって簡単に検出できます。
5.光学分光計の種類
光学分光計はXNUMXつの方法で分類できます。 最初の方法はそれらの波長によるものであり、XNUMX番目の方法はそれらの光相互作用特性によるものです。
5.1 波長
5.1.1 紫外線 (UV)
UV分光法は、波長200～400nmのUV領域の光を用いて、試料がどれだけの光を吸収または反射するかを測定し、試料中の元素の濃度を決定する。
サンプル内の電子は、分子が UV 光によって放出されたエネルギーを吸収するにつれて、基底状態からより高いエネルギー状態に励起されます。 電子が持つエネルギーの量は、吸収できる波長の長さに比例します。
サンプルの識別は、サンプルが紫外光を吸収したときに生成されるスペクトルを、既知の化合物のスペクトルと比較することによって行われます。
UV 分光計は通常、重水素アーク、キセノン アーク、またはタングステン ハロゲン ランプを使用します。 使用されるグレーティングのタイプは通常、ホログラフィック グレーティングであり、使用される検出器は通常、PMT、フォトダイオード、フォトダイオード アレイ、または CCD です。 通常、検出器のピクセル サイズは 14 μm x 200 μm です。
UV 分光計は、材料科学、品質管理、石油化学、食品と農業、ライフ サイエンス、光学部品などの業界で一般的に使用されています。
また、不純物の検出、化合物中の官能基の有無、化合物の同定、有機化合物の構造解明などの用途にも通常使用されます。
5.1.2 可視 (VIS)
可視光分光計は、紫外線分光計と同様の原理で動作しますが、紫外線と反応しない化合物を識別するために、電磁スペクトルの可視光領域、すなわち波長400nmから700nmの光を利用する点が異なります。
この機器は、サンプルの透過率または吸光度を測定することにより、サンプル中の物質の濃度を測定することもできます。
VIS分光計の光源には、通常、タングステンハロゲン、キセノンランプ、LEDが使用されます。
これは、UV分光計と同じタイプの回折格子と検出器を利用しています。 VIS分光計は、主にUV分光計と同じ業界やアプリケーションでも使用されています。
5.1.3 赤外線 (IR)
赤外線分光計は、有機分子の赤外線による振動遷移を利用して、赤外線スペクトル中の物質を同定する。
IR光は、700nmから1mmのXNUMXつの部分に分割できます。これは、可視スペクトルに関連する近赤外線、中赤外線、遠赤外線です。
中赤外線以降の光子は、共有結合した原子に振動励起を誘発することしかできず、エネルギーが十分に大きくないため、電子を励起することはできません。
サンプルは IR 放射を吸収し、エネルギーがこれらの振動に対応します。 これにより、化合物の吸収スペクトルを記録することができ、スペクトルは各化合物に固有のものとなります。
広範囲のデータを収集するフーリエ変換IR（FTIR）分光計は、フーリエ変換を利用して生データをスペクトルに変換します。
近赤外、中赤外、遠赤外では、それぞれタングステンハロゲンランプ、グローバー、水銀ランプを使用します。 設置されるグレーチングの種類は、通常罫線グレーチングです。 NIR分光計は通常、ピクセルサイズが25μm×500μmのInGaAsフォトダイオードを使用し、MIR分光計はピクセルサイズが48.5μm×48.5μmの焦電検出器を使用し、FIR分光計はピクセルサイズが75μm×75μmのa-SiまたはVOxボロメーターを使用します。
これは通常、製薬、環境安全、食品、材料などの業界で見られます。 赤外線分光計を利用するアプリケーションには、タンパク質の特性評価、宇宙探査、化合物の同定、ナノスケールの半導体分析などが含まれます。
5.2相互作用
5.2.1吸収
その名前が示すように、吸収分光法は、波長または周波数の関数として、線源を備えたサンプルの放射線の吸収を測定します。
サンプルはソースからエネルギーを吸収し、吸収の強さは周波数によって変化します。この変化により、吸収スペクトルが生成されます。 この分光法は、電磁スペクトル全体で行われます。
吸収分光法は、サンプル中に存在する化合物を決定し、その濃度を測定するために使用されます。 上記のUV、VIS、およびIR分光法は、吸収分光法の例です。
吸収分光法で使用される最も一般的な光源はホローカソードランプであり、PMTが検出器として使用されます。 これは、リモートセンシング、天文学、原子および分子物理学でよく使用されます。
5.2.2 反射率
反射分光法は、サンプルから反射または散乱された光の量を測定します。
サンプルから反射された、またはサンプルを通して屈折された光源からの光子は、散乱されていると言われます。
次に、これらの散乱光子が検出され、記録されます。 これにより、反射率と波長のプロットが得られます。
反射率分光システムは通常、光源としてレーザー、スーパールミネセンス ダイオード、LED、またはハロゲン ランプを使用し、検出器として CCD、フォトダイオード、または MCA を使用します。
反射分光計は、医療業界で組織濃度に関する情報を提供するために使用され、環境科学や地質学などの業界でも使用できます。
5.2.3 透過率
透過分光法とは、サンプルをそのまま通過する光の量を測定することです。
それは吸収分光法と非常に相互に関連しているので、それらは同様の設定を共有しています。
透過スペクトルは、より多くの光がサンプルを通過するにつれて吸収が最も弱くなる波長で最も高いピークを持ちます。
スペクトル範囲に応じて、異なる光源が使用されます。 LED、タングステンハロゲン、または重水素ランプが頻繁に使用されます。 選択される典型的な検出器は、フォトダイオードと CCD です。 これは、医薬品分析でよく使用されます。
5.2.4 蛍光
紫外分光法で述べたように、サンプルが光を吸収して基底状態からさまざまな振動状態からなる高次電子状態に移動すると、サンプル内の電子が励起されます。
励起された電子は、光子を放出することによって基底状態に遷移することができ、このプロセスは蛍光として知られています。
電子は基底状態のさまざまな振動レベルのいずれかに落ちる可能性があるため、放出される光子にはさまざまな量のエネルギーが含まれるため、さまざまな強度と波長が含まれます。
したがって、蛍光分光法は、サンプルからの蛍光量の測定として定義されます。 通常、電子の励起には UV または VIS 範囲の光を使用します。
蛍光は蛍光分光計で測定され、発光の強度や波長分布など、蛍光のさまざまな特性を測定します。 次に、発光スペクトルは、サンプルがどの波長を発光するかを明らかにします。
蛍光を測定する機器は、蛍光光度計として知られています。 蛍光光度計は通常、光源としてレーザー、LED、キセノン アーク、または水銀ランプを使用します。 フォトダイオードまたは PMT は、通常、蛍光分光法の検出器として選択されます。
この分光法は、医療、生化学、環境モニタリング業界でよく使用されています。用途としては、人体組織の癌診断、不純物の検出、物質の識別と濃度測定、感染を引き起こすさまざまな細菌、ウイルス、寄生虫の検出などがあります。
5.2.5 散乱
光が物質を通過するとき、そのほとんどは元の方向に進みますが、一部は他の方向に散乱されます。
この手法は、ラマン散乱の理論に基づいています。 散乱効果は、物質による光子の非弾性散乱です。つまり、光の方向が変化し、サンプルと相互作用した後に光子によってエネルギーが失われます。
通常、分子は入射光子から振動エネルギーを獲得します。
散乱される光のほとんどはエネルギーが変化せず、これがレイリー散乱です。 ラマン散乱は、散乱光子のごくわずかな部分（約1万分の10）で構成されています。
サンプルの振動変化を分析することにより、化学組成、結晶化度、分子相互作用などの特性を決定できます。 前述のように、ラマン散乱は非常に弱いため、光を調べるには高感度の分光計が必要です。
この機器は、化学、物理学、製薬、芸術、医療などの業界で一般的に使用されています。 分子の識別と化学結合の調査、材料の構造の特徴付けと研究、パッケージ内の偽造薬の発見、バイオミネラルの研究などに役立ちます。
6.ラマン分光計
ラマン分光法は、光（通常はレーザー）と材料の化学結合との相互作用に基づいています。
光はサンプルから直接散乱され、フィルターを通過してレイリー散乱から粒子を除去します。
次に、ラマン散乱からの残りの光は、検出器に向かう前に回折格子に向けられます。
最終的には、各ピークと強度がサンプルに関する情報を提供できるラマンスペクトルを生成します。
ラマン分光計は、光源として連続波レーザーのみを使用します。
通常、赤からNIRまでのスペクトル範囲のレーザーが使用されますが、近年、青と緑の可視レーザーの使用が増加しています。
また、モノクロメータとしてホログラフィック回折格子を採用し、検出器としてCCDを採用しています。
7.分光計対。 分光光度計
分光計と分光光度計を混同する人が多い。分光光度計とは、物質の波長に応じて光の透過率と吸収率を測定する装置である。
通常、近紫外線から可視光線、近赤外線までの範囲の光を扱います。 分光光度計自体には、分光計と、サンプルをよりよく照らすための光源が含まれています。
動作原理は分光計に似ており、モノクロメータを使用してサンプルに到達する光の波長を選択します。 サンプルの不透明度に応じて、光は反射または透過されます。 次に、検出器は反射光または透過光の強度を記録します。
これは、検出器が光強度の変化を測定するために、さまざまな波長のモノクロメータで繰り返されます。 最終的な出力は、波長の関数としての吸収スペクトルになります。
8.信頼性の高い分光計はどこで購入できますか？
分光計とその用途がわかったので、信頼できる分光計をどこで購入するかを知っておく必要があります。 あなたはから信頼できる分光計を購入することができます Wavelength Opto-Electronic.
当社は、波長 190 ～ 2300 nm の UV、VIS、および NIR での測定用の光学分光計を提供する、StellarNet 分光計の販売代理店です。 StellarNet 分光計は、可動部品のないコンパクトな携帯用に設計されています。
