フーリエ変換赤外分光法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy: FT-IR)

分子構造の分析法

執筆:長谷川健(京都大学)

フーリエ変換赤外分光器(FT-IR)は、分子集合系での“分子配列構造”を、分子コンフォメーション、分子配向、結晶多形などの構造パラメータを通じて結晶化度の程度によらず明らかにすることができ、単分子膜を測定できるほどの高い感度を持つ
フーリエ変換赤外分光器(FT-IR)は、高分子の高次構造や分子集合系の分子配列構造を、結晶化度の程度によらず、分子コンフォメーション、分子配向、などの構造パラメータを通じて定量的に議論可能な吸光分光法です。分子間距離にも極めて敏感で、結晶多形の識別や定量にも適用することができます。また、高い測定感度を持っているため、自己組織化膜やスピンコート膜などの超薄膜の解析に利用できます。さらに、透過法、反射吸収法、ATR法、外部反射法、MAIRS法など豊富な測定モードにより解析の範囲を広げることもできます。

 

測定できること

分子コンフォメーション / 分子配向 / 分子パッキング / タンパク質高次構造 / 結晶多形 / 薄膜構造解析 / 表面モルフォロジー / 官能基判別



 

原理

フーリエ変換赤外分光器(FT-IR)は、分子の固有振動(いわゆる“基準振動”)ごとに吸収ピークをもつスペクトルを与える吸収分光法です。吸収スペクトルは、試料とバックグラウンドの2つのシングルビーム測定を必要とします。FT-IRはシングルビーム型(光路が一つ)の分光器であるため、試料とバックグラウンドの測定を2回に分けて行う必要があります。記録したシングルビームスペクトルを、それぞれISおよびIBGとして表すと、吸光度スペクトルA
 
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として得られます。IRスペクトルは、いまだに透過率スペクトルで表示する、古い習慣が根強く残っています。しかし、透過率表示は試料の濃度によってスペクトルの形(ピークの相対強度)が変わってしまうため、可視スペクトルと同様に吸光度表示にすべきです。とくに、量的な議論をする場合には吸光度表示が絶対に必要で、透過率表示を用いることは好ましくありません。


 

フーリエ変換分光

シングルビーム測定を、波動(時間ドメイン)の関数I(t)として記録できたとします。このとき、次式のフーリエ変換を計算することで、回折格子などの分光素子を使わずに、周波数ドメインのスペクトルが得られます(は角周波数)。これがフーリエ変換分光の基礎的な概念です。
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分光素子による光の分散と狭いスリットの両方の効果で暗くなった分散型測定とは違い、フーリエ変換型では明るい光が検出器に届き、信号雑音(SN)比の向上が期待できます。しかし実際には、赤外線の時間ドメインの測定は、フェムト秒領域の時間分解を必要とし、装置が大掛かりで高価になりすぎ、I(t)の直接測定を利用する方法は現実的ではありません。

この問題は、マイケルソン干渉計(図1)を用いると解決することができます。この干渉計は、ビームスプリッター(半透鏡)、固定鏡、一定速度で動く移動鏡からなっています。平行光にした赤外線を入力すると、ビームスプリッターで2方向に分かれた光が固定鏡と移動鏡に向かい、それぞれの反射光がビームスプリッターで重ね合わさって出力されます。
 
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図1 マイケルソン干渉計の概念図

 
この出力光は、移動鏡の位置によって強度が大きく周期的に変化し、その周波数は移動鏡の掃引速度に依存します。この周波数(~kHz)は、赤外線の周波数(~10 THz)に比べて桁違いに低く“変調周波数”といいます。すなわち、干渉計に入った赤外線は、非常に低い変調周波数の波動に変調されて出力され、これが試料に向かいます。

FT-IRでは、試料室を通った変調赤外光を、移動鏡の位置xの関数I(x)として記録します。これは、欲しいI(t)の代わりとなるもので、このI(x)を“干渉図形”といいます。すなわち、FT-IRはマイケルソン干渉計により、超高速測定をうまく回避します。その結果、生データである干渉図形をフーリエ変換したものが、求めるシングルビームスペクトルとなります。

FT-IRには、赤外光源とは別にHe-Neレーザーが同梱されており、同じ干渉計に入力します。このレーザー光の干渉計出力は、干渉図形の横軸を高い精度で維持するのに使われます。このおかげでFT-IRは環境温度などの影響を無視でき、非常に高い横軸精度を保つことができます。これにより、積算測定によるSN比の改善が理論通りに実現でき、微量試料や薄膜の測定に絶大な威力を発揮します。


 

検出器

FT-IRで用いられる検出器は“焦電型”と“半導体型”の2種類が代表的です。焦電型はTGS型がもっとも有名で、その感度が変調周波数に依存します。焦電型は、室温がノイズ源にならないため、室温でそのまま使えて便利です。また、400 ~ 7000cm-1と測定範囲が広く、近赤外領域まで測れるのも利点です。

一方、半導体型ではMCT型がもっとも有名です。これは、室温がノイズ源となるため、液体窒素で冷却して用います。測定範囲は650 ~ 4000cm-1と、やや狭くなります。しかし、焦電型に比べて圧倒的に高感度で、外部反射法のような暗い光学系での測定に絶大な威力を発揮します。また、SN比も高く、薄膜測定のような微小な吸光度を扱う測定には必須の検出器です。


 

スペクトルの特徴

IRスペクトルの横軸と縦軸は、大まかにつぎのような情報を与えます1)-3)

横軸(波数:単位はcm-1,左に行くほど大きな値を示します):
  1. ピーク位置は、分子の振動数に比例します。すなわち、連成振動子としてみた時の分子の換算質量の増大により低波数シフトします。たとえば、軽水素を重水素に同位体置換すれば低波数シフトします。
    振動数に影響を与えるもう一つの要因は化学結合のバネ定数です。典型的な例は、水素結合に見られます。水素結合のアクセプター側の非共有電子対からドナー側の反結合性軌道に電子が流れることでC–HやN–Hの結合次数が低下してバネ定数が低下し、低波数シフトします。実際、アミド基間の水素結合により、アミドI(C=Oの伸縮振動)やN–H伸縮振動バンドは、いずれも低波数シフトします。また、αヘリックスやβシートに代表される高次構造は、水素結合の連鎖構造によってシフトの程度も決まり、高次構造解析の強力なツールとなります。なお、変角振動のように、シフトの方向が逆になるケースもあります。
  2. アルキル基のコンフォメーションも、波数位置に顕著に影響します。アルキル鎖はポリエチレン鎖として理解でき、全トランス構造なら点群D2hの対称性をもちます。一方、全トランス構造が失われると、各メチレン基がC2vの対称性に変わり、見かけの換算質量が低下して高波数シフトします。すなわち、結晶状態では全トランス構造でCH2伸縮振動バンドの波数は低く、波数からコンフォメーションが断定できます。C4程度以上のアルキル鎖長では、オリゴマーでもポリマーでもCH2対称伸縮振動は鎖長によらず2850 cm-1に現れ、全トランス構造のよいマーカーとして使えます。
  3. 全トランス構造でのCH2の縦揺れ振動は、位相の異なるすべての連成振動が活性となり、バンドプログレッションと呼ばれる多数のピークが現れます。このため、上の2.とあわせて全トランス構造の見極めができます。ただし、ポリマーの場合は多数のピークの数が狭い波数範囲でひしめき合い、結果としてバンドプログレッションは見えません。
  4. チオフェン環やベンゼン環など、共役二重結合をもつ環状官能基は、CH面外変角振動バンド(700 ~ 900cm-1付近)が有用です。このバンドは吸収強度が大きく高感度で、また環に垂直な遷移モーメントを持つため薄膜の分子配向解析にうってつけです。また、分子間距離にも敏感なため、結晶多形の識別にも利用できます。
  5. 分子に含まれる官能基が大きな永久双極子モーメントを持つとき、分子間の双極子-双極子相互作用により振動が伝播し、一分子での基準振動とは異なる位置に吸収ピークが現れます。また、薄膜の場合は、本来不活性な光学縦モードがスペクトルを支配するほど強く表れます(Berreman効果)

縦軸(吸光度:単位は無名数):
  1. 吸光度に端的に影響するのは、分子密度または濃度です。これは、Lambert-Beer則で表されます。このLambert-Beer則は重ね合わせの原理に従い、複数の化学種の混合物を扱う場合は、各吸光度スペクトルの和になります。これは、ケモメトリックスによる定量分析の基礎を与えます。なお、Lambert-Beer則は光学界面を無視できる、いわゆる“バルク試料”についてのみ成り立ちます。
  2. “薄膜試料”を測定すると、光学界面が重要な役割を果たします。同じ化合物からなる薄膜でも、分子配向によってスペクトルの相対バンド強度は大きく異なります(Lambert-Beer則の破綻)。これは、表面選択律として知られ、遷移モーメントと電場の内積が吸光度を支配するという、Fermiの黄金律が現れたものです。表面選択律は、透過法、反射吸収法、ATR法、外部反射法、MAIRS法などの測定法にそれぞれ存在し、定量的に議論できます。とくにMAIRS法を利用すると、各官能基の配向角が定量的に決定されます。
 
 

各種測定法1) 2)

バルク測定法:
  1. KBr錠剤法
    粉末試料の測定法で、IRデータベースのもととなるもっとも基礎的な測定法です。KBr粉末と試料をよく混ぜてすりつぶし、得られた微粉末をプレスしてできた錠剤を、透過法で測定します。試料が完全無配向になるため、化合物が本来示すIR吸収スペクトルの形を得ることができます。配向試料を議論するときも、基礎となるスペクトルです。
 

界面を利用した測定法:
  1. 透過法
    薄膜試料の代表的な測定法。基板には赤外線を吸収しない板(Ge, Si, CaF2など)を用います。バックグラウンド測定には、薄膜のない基板のみを用います。 膜面に垂直に赤外線を入射して測定すると、各遷移モーメントのうち膜面に平行な成分のみがスペクトルに現れます。これを“透過法の表面選択律”といい、分子配向が議論できます。RA法との組み合わせ測定が有名です(図2)。基板の屈折率によって、得られる吸光度が影響されることに注意が必要です1,2)
     
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    図2 ステアリン酸カドミウム7層Langmuir-Blodgett膜の赤外透過(下)およびRA(上)スペクトル
     
  2. 反射吸収(RA)法
    薄膜試料の代表的な測定法。基板には金属表面を用います。縦軸は反射吸光度ですが、吸光度と同じものと近似的に考えてよいです。
    p偏光赤外線1) 2)を大きな入射角で入射して測定すると、各遷移モーメントのうち膜面に垂直な成分のみがスペクトルに現れます。これをRA法の表面選択律といいます。表面選択律が透過法と相補的なので、透過法との組み合わせ測定による分子配向解析が有名です(図2)。なお、透過法に比べて1桁程度感度が高いメリットと、それにより透過法と強度が直接比較できなくなるデメリットがあります。
  3. ATR法
    吸収が強すぎて透過法では測れない、ゴム板のような試料のIRスペクトルを測るのに便利な測定法です。試料の前処理がほとんどいらず、そのまま装置のATRプリズム表面に押し付ければスペクトルが得られます。KBr錠剤法と違い、KBr粉末と混ぜることによるイオン反応を心配する必要もありません。一見、KBr錠剤法と似た形のスペクトルが得られるますが、ピーク位置や相対強度がKBr錠剤スペクトルとは異なることがあり、ATRスペクトルをそのままライブラリーサーチにかけるとヒット率が下がります。すなわち、ATR法はKBr法の代替にはならないと理解すべきです1) 2)
    他の測定法との正しい組み合わせ利用の方法を理解して、定量的に使いこなせると、より強力な解析ツールになります。なお、ピークの吸光度が、試料のATRプリズムへの押付け圧力に依存する点がATR法の難しい点で、その意味で液体試料はATR測定に向いています。ただし、溶液測定では溶質がATRプリズム表面に吸着し、溶液内部を測っていることにならなくなる場合があるので注意してください。
  4. 外部反射法
    薄膜試料の重要な測定法。基板には“非金属”表面を用いる点がRA法と異なります。反射率の低い非金属面を利用するため、検出器はMCT型を必要とします。縦軸は正しくは反射吸光度ですが、吸光度と表示してもよいです。
    RAと異なり、sおよびp偏光測定が両方とも可能で、入射角も自由に設定できます。s偏光測定の場合、入射角は小さいほうがよいです。一方、p偏光測定の場合は、Brewster角から10度程度離すのが適切です。
    s偏光スペクトルは、ピークがすべて負の吸光度を示す点に大きな特徴がありますが、スペクトルの形は、透過法で得られるものと同じ(負に反転させただけ)です1) 2)
    一方、p偏光スペクトルは、透過スペクトルとRAスペクトルが符号を逆転させて重なったものです1) 2)。また、その符号はBrewster角前後で逆転します。本質的に、透過とRA測定を同時に行っているようなものなので、分子配向の議論が定性的には容易です。
    なお、配向角が50度付近の場合、正と負のバンドが重なって打ち消してしまい、バンドが行方不明になってしまう点が、この方法の難点です。しかし、プラスチック表面のコーティング層などを構造解析するうえで、きわめて強力な測定方法です。
  5. MAIRS(メアーズ)法
    多角入射分解分光法の略称で、薄膜試料の定量的分子配向の解析を可能にする測定法です。この方法だけ、一回の測定で二つのスペクトルが得られます(図3)。これは透過およびRAスペクトルに相当し、それぞれ面内(in-plane; IP)および面外(out-of-plane; OP)スペクトルという。MAIRS法の大きな特徴は、IPとOPスペクトルが同じ縦軸スケールで現れる点で、類似の測定手法は他にはありません。測定の仕方にはp偏光を用いて入射角を変化させるpMAIRS法と、入射角を固定して直線偏光の偏光角を変化させるMAIRS2という2つの方法があります。詳細は文献に譲ります3)。  
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    図3 Si基板上のペンタセン蒸着膜のpMAIRSスペクトル3)
     
     
    MAIRSスペクトルは、表面粗さに強い唯一の薄膜測定法で、スピンコート膜やキャスト膜でも再現性の良い分子配向解析ができます。また、表面選択律を消して化学種の定量分析ができ、膜中での反応解析ができる点も唯一無二の特徴です3)
  6. 正反射法
    固体表面のIRスペクトルを測る方法。10度程度の小さな入射角で測定し、バックグラウンドには金属板を用います。縦軸には反射率を用います。屈折率の実部がスペクトルに現れるため、Kramers-Kronig解析2)により、通常の吸光度スペクトルに似た形に変換する必要があります。
 
参考文献
1) 長谷川健,尾崎幸洋,赤外・ラマン分光分析(共立出版, 2020).
2) T. Hasegawa, Quantitative Infrared Spectroscopy for Understanding of a Condensed Matter, Springer, Tokyo, 2017.
3) T. Hasegawa, N. Shioya, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2020, 93, 1127.
 

 

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