分光法(スペクトロスコピー)とは:定義・原理・種類・応用(化学分析・測定法)

分光法の定義・原理・主要種類と化学分析や温度測定などの実用応用をわかりやすく解説。装置や測定手法、事例で実験・産業利用まで網羅。

著者: Leandro Alegsa

分光法とは、固体、液体、気体の中で放出反射、または照射された波の長さの関数としてのの研究である。化学物質を分析するためには、化学物質を加熱しなければならない。輝きのさまざまな波長は、他の化学物質とは細部が異なるカラースペクトルを作る。分光法では、異なる波長の明るさを分離して測定します。混合物の中の化学物質を特定したり、物の温度などを測定することができます。

分光法によって、科学者たちは、分子や、陽子、中性子、電子などのさらに小さな素粒子のような、顕微鏡で見ることができないほど小さなものを調査し、探求することができます。これらの光の波を測定し、分析するための特別な装置があります。

分光法の定義と目的

分光法は、物質が光(電磁波)をどのように吸収、放出、散乱、反射、または透過するかを波長(または周波数)の関数として調べる実験的手法の総称です。主な目的は次の通りです。

  • 物質の定性分析(どの元素・分子が含まれているか)
  • 定量分析(濃度や含有量の測定)
  • 構造解析(分子の結合様式や電子状態の同定)
  • 温度、速度、圧力、場(電場・磁場)などの物理量の間接測定

基本的な原理

分光法の基本は、光と物質の相互作用です。代表的な相互作用には以下があります。

  • 吸収:物質が特定の波長の光を吸収すると、吸収スペクトル中にディップ(吸収線)が現れる。ベール・ランバートの法則(Beer–Lambertの法則)は、吸光度が濃度と光路長に比例することを示し、定量分析の基礎となる。
  • 放出(発光):励起された原子・分子が光を放出し、発光スペクトルが観測される(蛍光、燐光、励起放出など)。
  • 散乱:入射光が方向を変える現象。特にラマン散乱は分子の振動情報を与える。
  • 反射・透過:固体表面や薄膜の反射率や透過率の波長依存性から物性が分かる。
  • ドップラー効果:移動する光源やガスの速度により波長がシフトし、天文学や流体計測に利用される。

主な分光法の種類

  • 紫外可視吸収分光(UV-Vis):有機化合物のπ→π*、n→π*遷移を調べ、濃度測定に頻用される。
  • 赤外吸収分光(IR):分子振動に起因する吸収を観測し、機能基(C=O、OH、NHなど)の同定に有効。
  • ラマン分光:非弾性散乱で分子振動情報を得る。水の影響が少なく、固体や液体の分析に強み。
  • 核磁気共鳴(NMR)分光:核スピンの共鳴周波数から分子の骨格や立体配置が分かる。構造解析の主要手段。
  • 電子スピン共鳴(ESR/EPR):不対電子をもつ試料の電子状態を調べる。
  • 原子吸光・原子発光分光(AAS/AES):金属元素の定量に広く使われる。
  • 蛍光分光:高感度な定量法で、生体試料や環境分析で用いられる。
  • 質量分析(MS):厳密には電磁放射の分光とは異なるが、質量電荷比に基づき化学種を同定するため、しばしば分光学的手法と組み合わせて用いられる。
  • X線分光(XPS, XRDなど):元素の化学状態や結晶構造解析に用いる。

装置の基本構成と性能指標

典型的な光学分光器は次の要素から成ります:

  • 光源(ランプ、レーザーなど)
  • 試料(セル、固体ホルダー、フローセルなど)
  • 分光素子(プリズム、回折格子、モノクロメーター)で波長分離
  • 検出器(フォトダイオード、CCD、PMTなど)
  • 信号処理・解析ソフトウェア

主な性能指標は、波長分解能、感度、検出限界、S/N(信号対雑音比)、測定速度、再現性などです。

化学分析・測定法への応用

分光法は化学分析で最も汎用される手段の一つです。具体例:

  • 定性分析:有機化合物の機能基同定(IR、NMR、ラマン)、元素組成の確認(AAS、XPS)
  • 定量分析:UV-Visや蛍光を用いて溶液中の濃度を測定(ベール・ランバート法に基づく)
  • 構造解析:NMRとMSを組み合わせて分子構造を決定
  • 反応モニタリング:反応過程で生じる吸収・発光変化を時間分解で追跡
  • 環境分析:水・大気中の汚染物質の検出(例えば硝酸塩、重金属の測定)
  • 医療診断:血液や組織中のバイオマーカー検出、蛍光プローブによる病変の可視化
  • 天文学・宇宙物理学:恒星や惑星大気の組成、速度(ドップラーシフト)を遠隔測定

利点と限界

  • 利点:非破壊的で迅速、高感度な手法が多く、固体・液体・気体いずれにも適用可能。定性・定量両方に対応。
  • 限界:混合物中の干渉、基線のゆらぎ、濃度範囲の制約、試料準備の必要性、特定の技術では水やラベルが邪魔になることがある。

実用上の注意点と対策

  • 分光器の波長校正や検出器の感度校正を定期的に行う。
  • 基線補正、空試料測定、ブランク測定で背景を取り除く。
  • 化学種間の吸収ピークが重なる場合は別の波長帯や別手法(例えばクロマトグラフィーとの連結)を用いる。
  • 低濃度物質は前処理(濃縮、抽出、誘導体化)や蛍光ラベリングで感度を上げる。

まとめ・展望

分光法は物質の「光に対する応答」を手がかりに、微小な構造や化学組成、物理量を非接触で明らかにする強力な手段です。近年はレーザー技術、高速検出器、計算解析(スペクトル分解、機械学習)の進展により、より高分解能・高感度・高速な測定が可能になってきています。研究・産業・医療・環境監視・天文学など多岐にわたる分野で、今後も重要性が増す技術です。

アルコールの炎とそのスペクトルZoom
アルコールの炎とそのスペクトル

メソッド

赤外分光法は、赤外の電磁スペクトルの光を測定するものである。赤外分光法のハイライトは、有機分子の官能基を特定するのに非常に有効なことだ。有機分子が赤外光を吸収すると、分子が振動する。その振動数は、個々の官能基に固有のものである。赤外スペクトルは、透過率(%)と波数(cm-1)の関係でグラフ化されます。

X線結晶学では、結晶性の分子の構造を見ることができる。各原子の電子雲がX線を回折させることで、原子の位置が明らかになる。この方法では、DNA、タンパク質、塩、金属など、さまざまな無機・有機分子を結晶化して利用することができます。分析に使用するサンプルは破壊されません。

紫外可視分光法は、可視光と紫外光を使って、液体中にどれだけの化学物質が含まれているかを調べるものです。UV-Visの仕組みは、溶液の色が基本となります。私たちが扱っている溶液の色は、その化学組成のために着色されています。つまり、溶液はいくつかの光の色を吸収し、他の色を反射し、その反射した光が溶液の色となります。UV-Vis分光法は、溶液のサンプルに光を通し、溶液に吸収される光の量を測定します。

核磁気共鳴は原子核を見ることができる。NMR装置は大きな磁場を発生させ、原子核を小さな棒磁石のようにします。原子核は、装置の磁場に合わせるか、逆らうかのどちらかです。次に原子核に電波を当て、αをβに変化させる。この変化の際にエネルギーが放出され、それが検出されます。データはコンピュータシステムによってグラフィカルに解釈される(強度と化学シフト(ppm)の関係)。NMRは、分析に使う試料を壊すことはありません。下の写真は、900MHzのNMRシステムです。

関連ページ

質問と回答

Q: 分光学とは何ですか。
A: 分光学とは、固体、液体、気体を通して放射、反射、または照射された波の長さの関数として光を研究することです。

Q: なぜ化学者は分光の際に化学物質を加熱するのですか?


A: 化学物質は加熱されるとそれぞれ異なる輝きを放ちます。分光学は化学物質の輝きを分析し、他とは異なる波長のカラースペクトルを決定します。

Q: 分光法はどのようにして異なる化学物質を区別するのですか?


A: 分光法は、化学物質の輝きの異なる波長を分離し、その明るさを測定します。

Q: 分光学では、化学物質の識別の他に何がわかりますか?


A: 分光法は、分析対象物の温度を測定することができます。

Q: 分光法の利点は何ですか?


A: 分子や素粒子など、顕微鏡で見るには小さすぎるものでも、分光学によって調査・研究することができます。

Q: 分光学で光波を測定・分析するには何が必要ですか?


A: 分光学で光波を測定・分析するためには、特別な装置が必要です。

Q:分光で調べられる素粒子の例を教えてください。
A:陽子、中性子、電子などの素粒子は分光で調べることができます。


百科事典を検索する
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3