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◆FTIRの基礎(1) 赤外分光法の原理

赤外光と紫外可視光の吸収

図1 赤外光と紫外・可視光の吸収の違い

赤外光の特徴とIRスペクトル

図2 赤外光の特徴とIRスペクトル

▼赤外分光法の原理
赤外分光法は、物質に赤外光を照射し、透過または反射した光を測定することで、試料の構造解析や定量を行う分析手法です。
紫外可視分光光度計の基礎(1) 光の性質」で、 紫外・可視光は、物質の電子遷移に基づいて吸収されることを学びました。 一方赤外光は、電子遷移よりもエネルギーの小さい、分子の振動や回転運動に基づき吸収されます。 赤外光(2.5~25μm)は、紫外・可視光(0.2~0.78μm)よりもエネルギーが小さく、電子遷移には足りず、分子振動のエネルギーに当るためです。
分子の振動や回転の状態を変化させるのに必要なエネルギー(赤外光の波長)は、物質の化学構造によって異なります。 従って、物質に吸収された赤外光を測定すれば、化学構造や状態に関する情報を得ることができます。
赤外分光光度計には、分散型とフーリエ変換型(FTIR)があり、横軸に波数(または波長)、縦軸に透過率(または吸光度)をプロットしたグラフを出力します。
このグラフを赤外吸収スペクトル(IRスペクトル)といいます。 IRスペクトルは、物質固有のパターンを示すことから、構造解析や定性分析に有効です。 縦軸の吸光度は物質の濃度や厚みに比例するため、ピークの高さや面積から定量分析を行うことも可能です。

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赤外光の特徴とIRスペクトル

図3 二酸化炭素(上)と水(下)の振動

▼分子の振動と赤外光の吸収
分子を構成する原子間では、結合部分が伸縮します。 伸縮振動のエネルギーは赤外光のエネルギー付近にあり、赤外光を吸収して振動します。 ただし、赤外光を吸収できる振動には「双極子モーメントの変化を伴うもの」という制限があります。 2つの振動が互いに打ち消しあうものは、赤外吸収をしないということです。
直線状分子のCO2の場合、対称伸縮振動は双極子モーメントが変化しないため赤外光を吸収しませんが、逆対称伸縮振動は双極子モーメントが変化する為、赤外光を吸収します。 また、直線分子の中でも2原子分子のO2やN2の場合は、逆対称伸縮振動ができず、赤外光を吸収しません。 CO2が温室効果ガスとして働くのは、CO2が赤外光を吸収する振動を持ち、大気が暖められるためです。
また、非直線状分子のH2Oの場合、対称伸縮振動、非対象伸縮振動どちらもモーメントが変化する為、赤外光を吸収します。 対称伸縮振動は3652cm-1、非対象伸縮振動は3756cm-1です。
以上は、赤外吸収の一例です。非対称伸縮振動に加え、変角振動や回転運動においても、双極子モーメントの変化を伴う場合に赤外吸収を観測することができます。

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▼赤外分光法の特徴
赤外分光法では、‐OHや‐COOHといった官能基のピークはほぼ一定の波数域(特性吸収帯)に検出されます。このピークを解析することで、化合物の部分的な構造を推定することが可能です。
また、得られるIRスペクトルは物質に固有な情報です。 近年では、予めデータベースに記録された標準試料のスペクトルと、測定したスペクトルを照合することにより未知試料を同定します。 特に、IRスペクトルは数十万という数のデータが存在するため、未知試料分析に非常に有効です。 有機物質を中心に多くのデータが蓄積されており、薬学、農学、生物学、ガス分析、鑑識など広い分野で活躍しています。

赤外分光法の概略

図4 赤外分光法による構造解析による試料の同定


>>進歩が分かる! (2)FTIRの原理

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FTIRの基礎(1) 赤外分光法の原理