分光分析装置とは
分光分析装置 (英: Spectrometer) とは、物質が発光する光、吸収する光の測定により、物質の組成や性質を調べることができる分析装置の総称です。
装置は主に光源、分光部、試料部、検出器などから構成されています。分光分析装置は、使用する光源の種類や装置の仕組みなどによって様々な種類のものがあります。
具体的には、紫外可視分光光度計 (UV-Vis) 、赤外分光光度計 (IR) 、誘導結合プラズマ発光分光分析装置 (ICP-AES)、原子吸光分析装置 (AAS) 、蛍光X線分析装置 (XRF) 、X線光電子分光分析装置 (XPS) などが挙げられます。各装置で分析できる内容は異なるため、目的に応じて使い分ける必要があります。
分光分析装置の使用用途
分光分析装置は、様々な分野で使用されています。以下に代表的な使用用途をいくつかご紹介します。これらは一部の例であり、分光分析装置は幅広い分野で活用されています。
1. 化学・生化学
合成した化学品の分子構造や、反応率、不純物含量の確認などの品質管理、タンパク質やDNAの構造解析、酵素反応の測定などが挙げられます。
2.環境科学
水質や大気中の汚染物質の検出、分析が挙げられます。
3.医療・薬学
薬物の質量測定や血液中の成分測定、病気の診断などが挙げられます。
4.食品工業
食品中の栄養成分や添加物の定量分析、品質管理、材料の組成解析、表面の物性測定、酸化反応の研究などが挙げられます。
分光分析装置の原理
分光分析装置は、基本的に試料に何らかの光を照射し、このとき試料に吸収、反射、もしくは試料から発光される光の分析により、試料中の物質の同定や定量を行う装置です。分析した結果は、スペクトルと呼ばれる波形図で出力されます。
このスペクトルデータの解析により、例えば、試料の定性分析や定量分析、分子構造の評価、材料特性の評価などを行うことが可能です。測定原理は装置毎に異なり、先述した6つの代表的な装置の測定原理を簡単に記述します。
1. 紫外可視分光光度計
紫外・可視領域波長までの光を試料に照射すると、市試料中に含まれる物質によって、光が吸収、反射されます。入射光の波長ごとに、吸収や透過する光の強度を測定して、試料中に含まれる成分の分子構造や、定量が可能です。
2. 赤外分光光度計
試料に赤外線を照射すると、試料は赤外線を吸収したり反射したりします。吸収、反射される赤外線は、試料中の化合物の種類や結合の状態によって異なります。分光器で赤外線を波長ごとに分け、検出器での光の強度測定により、試料中の化合物の種類や結合の状態がわかります。
3. 誘導結合プラズマ発光分光分析装置
物質を高温で燃やすことで発生する「プラズマ」と呼ばれる炎の中に試料を導入し、発光を観察して物質の成分を知ることができます。試料は、プラズマの中に入れられると、原子やイオンに分解されます。
この際に、プラズマ中の原子やイオンがエネルギーを吸収し、それを放出する際に光が発生します。この発光は、さまざまな波長の光で構成されており、その光の強さや波長の測定により試料中の成分を知ることができます。
4. 原子吸光分析装置
特殊な光源から出た光を試料に当てます。元素は元素固有の波長の光を吸収するため、吸収された光の強度の波長ごとの測定により、試料中の元素の量を知ることができます。
5. 蛍光X線分析装置
X線が試料に当たると、試料中の元素がエネルギーを吸収し、それを放出する際に蛍光X線が発生します。
この蛍光X線のエネルギーは、元素の種類によって異なるため、蛍光X線のエネルギーを測定して、どの元素が試料中に含まれているかを知ることができます。
6. X線光電子分光分析装置
固体表面に、X線を当てると原子や分子のイオン化が起こり、イオン化に伴って電子が放出されます。放出された電子は、元素やその化学的な状態によって異なるエネルギーを持っています。
装置内の検出器によって、放出された電子のエネルギーを測定し、それを元に試料中の元素の種類や状態を知ることができます。X線のエネルギーを変えながら測定を行うことで、さまざまな深さの試料表面を調べることが可能です。
分光分析装置の種類
分光分析装置は様々な種類があり、装置によって分析可能なことが異なります。ここでは、6つの代表的な装置の概要を簡単に記述します。
1. 紫外可視分光光度計 (UV-Vis)
紫外線や可視光線を光源として、物質が透過、吸収、反射した光を調べることができる装置です。試料中の成分の定性、定量分析を行うことができます。
2. 赤外分光光度計 (IR)
赤外線を光源として、物質が透過、反射した光を調べることができる装置です。試料中の成分の構造推定や定量を行うことができます。
3. 誘導結合プラズマ発光分光分析装置 (ICP-AES)
誘導結合プラズマ中に試料を導入し、その際に生じる発光現象を検出する装置です。感度が非常に高いので、微量元素の定性、定量分析を行うことができます。
4. 原子吸光分析装置 (AAS)
原子が固有の波長の光を吸収する現象を利用し、微量元素の定性、定量分析を行うことができる装置です。
5. 蛍光X線分析装置 (XRF)
X線を光源として、物質の元素分析を行うことができる装置です。各元素固有の蛍光X線を測定して、試料の定性分析、定量分析を行うことができます。
6. X線光電子分光分析装置 (XPS)
X線を光源として、固体表面を構成する原子や分子の情報を得ることができる装置です。
参考文献
https://www.ushio.co.jp/jp/technology/glossary/glossary_ha/spectrophotometric_analysis.html
https://www.xrite.co.jp/colorknowledge-blog/color-expert-blog/536-blog-20180619.html https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcrsj1959/29/2/29_2_149/_pdf
https://www.mst.or.jp/method/tabid/1222/Default.aspx
https://www.jstage.jst.go.jp/article/johokanri/10/4/10_172/_pdf https://www.ushio.co.jp/jp/technology/glossary/glossary_ha/spectrophotometric_analysis.html