ラマン分光法とは

ラマン分光法とは、ラマン散乱光を用いて物質の評価を行う分光法です。光を物質に照射すると、光が物質と相互作用することで入射光と異なる波長を持つラマン散乱光と呼ばれる光がでてきます(図1)。その波長差は、物質が持つ分子振動のエネルギー分に相当するため、分子構造の異なる物質間で、異なる波長を持ったラマン散乱光が得られます。それに加え、ラマン散乱光を用いて、応力、温度、電気特性、配向・結晶性などの様々な物性を調べることができます。 ピーク位置からは化学結合の情報、スペクトル全体の波形から、分子構造の情報や結晶構造の違いピーク半値幅からは、結晶性の違い、ピーク位置のシフトから、応力や歪みなど、様々な情報が得られます。 ラマン分光装置は、光源と分光器、検出器から構成されます。得られる信号は横軸を波長(波数)、縦軸を強度とするラマンスペクトルです。図2に示すラマンスペクトルはある波長域に各分子振動由来のピークを持っていることを示しています。ラマンスペクトルは、波長の逆数をとった波数 [cm⁻ ¹] という単位で表示するのが一般的で、励起波長からの波数シフト量で示されます。ピークの半値幅で結晶性、ピークシフト量で応力などの物性評価を行うことができます。

図1 ラマン散乱のイメージ
図1 ラマン散乱のイメージ
図2 (左)ラマンスペクトル(右)ラマンスペクトルの見方
図2 (左)ポリエチレンのラマンスペクトル(右)ラマンスペクトルの見方

ラマン散乱


光が物質に入射して分子と衝突するとその一部は散乱されます。 大部分は入射光と同じ波長のレイリー散乱と呼ばれるものですが、ごくわずかに波長の異なる光が含まれ、それをラマン散乱と言います。 ラマン散乱には分子のさまざまな情報が含まれています。 ラマン散乱は、入射光より波長が長いストークス散乱と入射光より波長が短いアンチストークス散乱に分けられます。一般的には強度の大きいストークス散乱を解析に用います。これらの散乱光を回折格子を用いて分光し、ラマンスペクトルを得ることができます。


励起レーザ波長とラマンシフトの関係


ラマンスペクトルとIRスペクトルは何れも横軸は波長の逆数である波数表示で示されますが、実際に測定している波長領域に特徴的な違いがあります。 図3にラマン分光・赤外分光の0~4000cm⁻¹のスペクトルについて、横軸を波長で表示した図を示します。 FTIRなどの赤外分光ではに2500~25000nm(2.5μm~25μm)の一定の赤外領域を測定しています。 これに対して、ラマン分光では目的に合わせて様々なレーザ波長が使われているため、これに対応して分光する波長領域は異なります。 514.5nmのアルゴンレーザで励起する場合は、ストークス散乱のスペクトルは514nm~648nmの範囲で観測されます。 一方、1064nmのYAGレーザで励起した場合は、1064nmより長い近赤外領域にスペクトルが展開します。 励起レーザー波長選択の目的としては、蛍光干渉の回避、共鳴ラマンによる高感度測定、試料への侵入長コントロールなどが挙げられます。

図3 励起レーザ波長とラマンシフトの関係
図3 励起レーザ波長とラマンシフトの関係

ラマンスペクトル

カーボンナノチューブや、グラフェンが強くラマン散乱光を出すのは、各分子構造の基礎である六員環構造の対称性が良く、かつラマン共鳴効果が得られるためです(図4)。 また、C=C結合やS-H結合なども対称性を持っているので、たんぱく質をはじめとした生体分子でもラマンスペクトルを取得することが可能です。

図4 (左)核酸、(右)[青]単層[赤]二層グラフェンのラマンスペクトル
図4 (左)核酸、(右)[青]単層[赤]二層グラフェンのラマンスペクトル

ラマン分光装置に求められる性能は、波数をどれくらい正確に調べることができるか(波数分解能)と、どの程度の感度でスペクトルを検出できるか(スペクトル感度)の2点です。 波数分解能は、分光器の持つ焦点距離の長さとグレーティングの刻線数(1ミリあたりに刻まれた線数)、スリット幅によって決まります。スペクトル感度は、試料からのラマン散乱光を集める対物レンズの開口数や検出器のショット雑音(光子の量子性ゆらぎ由来の雑音)、暗電流を含む熱雑音で決まります。


ラマンスペクトルから得られる情報


  1. ピーク位置 ⇒ 化学結合の情報
  2. スペクトル波形 ⇒ 分子構造の情報/結晶構造の違い
  3. 半値幅 ⇒ 結晶・非結晶性の違い
  4. ピークシフト ⇒ 応力、ひずみの情報

エタノールとメタノールのラマンスペクトル


ラマンスペクトルから得られる情報の一例として、構造が類似しているメタノールとエタノールのスペクトル比較を図5に示します。 上段の赤色のスペクトルがC₂H₅OHで構成されるエタノール、下段の青色のスペクトルがCH₃OHで構成されるメタノールです。 ラマンスペクトルは、横軸を励起波長からの波長シフト量(Raman shift(cm⁻¹)) 、縦軸は散乱光の強度で表されます。 化学結合ごとに特定のラマンシフトにピークが検出されるため、分子構造の推定が可能です。 エタノールとメタノールのペクトルを比較するとCC結合の有無などから区別することができます。 このように、分子構造の違いがピークのパターンとして現れるのがラマンスペクトルの特徴です。

図5  エタノールとメタノールのラマンスペクトル
図5 エタノールとメタノールのラマンスペクトル

KHD分散式

観察することができる分子は、対称性が高い部分的な構造をもつ分子です。これは、KHD ( Kramers-Heisenberg-Dirac )の分散式といわれる、ラマン散乱強度方程式内の変数を定義する方程式によって知ることができます。 下記に、KHD分散式より得られたラマン散乱テンソルを示します。

KHD分散式

ここで、gを始状態、e’を中間状態、vを終状態とし、ラマンの散乱過程に関わる状態を表しています。RρとRσはそれぞれρ方向に偏光した入射光により誘起される双極子モーメントとσ方向に偏光した散乱光子を放出する際に生じる双極子モーメントを表しています。方程式内の第一項の状態遷移は入射光子1個の消滅、第二項の状態遷移は散乱光子1個の生成を表しており、図6に示すように、入射光が試料に入りラマン散乱光が放出されるラマン散乱の過程を表します。 各項分母のhνe’, hνg, hνv, hνoはそれぞれ、中間状態エネルギー、基底状態のエネルギー、励起振動エネルギー、入射光のエネルギーに相当し、共鳴効果を議論する際に役立ちます。

図6 ラマン散乱過程のヤンブロンスキー図
図6 ラマン散乱過程のヤンブロンスキー図

KHD分散式を用いることで、対称性を持った化学構造を有する分子のラマン散乱光が得られることがわかります。各項の分子に相当する状態遷移の項は、分子に電場を加えることで生じる双極子モーメントの対称性と分子の対称性の積として扱うことができます。その積の値が全対称性を持つ時にのみラマンテンソルが有限値を持ちます。つまり、部分対称性を持つ分子のみから、ラマン散乱光が発生することになります。 図7に、水分子の分子構造を記しました。水分子は、回転対称、鏡映など対称操作により不変な構造であるので、部分対称性を持つことになります。ラマン散乱光は、ラマンテンソルの2乗と入射光の振動数の4乗に比例しているので、対称性と入射光の波長により強度が決まります(図8)。

図7 KHD分散式(Kramers-Heisenberg-Dirac formula)とラマン散乱強度
図7 KHD分散式(Kramers-Heisenberg-Dirac formula)とラマン散乱強度
図8 対称性の概念(例:水分子)
図8 対称性の概念(例:水分子)


生活のなかに「抗体」技術を活かす~ヒトの健康と安心のために~東京大学医科学研究所 津本研究室 長門石 曉特任准教授インタビュー記事へリンク
生活のなかに「抗体」技術を活かす~ヒトの健康と安心のために~
東京大学医科学研究所 津本研究室 長門石 曉特任准教授