光を被測定物に当て、その透過光もしくは反射光のスペクトルを測定する手法を分光法と呼ぶ。測定原理が簡便でありながらも、スペクトル上には被測定物に含まれる分子の構造や種類が反映されるため、広く用いられている化学的分析手法の1つである。透過光や反射光のスペクトルを測定する装置を分光光度計と呼ぶ。ここでは、分光測定の原理と分光光度計の仕組みについて紹介する。はじめに、分光法の原理として、「光のエネルギーと吸収波長の関係」「吸光光度法」「蛍光光度法」「吸光度」について説明する。次に分光光度計の構成を紹介する。分光光度計では、分散素子として用いられる回折格子の扱いが鍵となる。回折格子の原理を説明するとともに、「リトロー型」「ツェルニ・ターナ型」「凹面回折格子型」と呼ばれる回折格子の配置方法を紹介する。最後に、「シングルモノクロメータ方式」と「ダブルモノクロメータ方式」の分光光度計について紹介する。

1. 分光測定の原理

1.1. 光エネルギーの吸収

物質に光を照射すると、その物質を構成する分子構造にもとづいて特定の波長の光が吸収される。このとき光の波長λとエネルギーE(λ)には以下の関係がある。
eq1
ここで、hcはそれぞれプランク定数と光速である。図1に示すように、物質を構成する分子によって固有のエネルギーレベルが存在する。光のエネルギーが分子固有のエネルギーレベルよりも大きいと、光のエネルギーが吸収され電子が励起状態に遷移する。式(1)に示したように、エネルギーの大きさは波長によって決まるため、吸収スペクトルを測定することで、物質中に存在する分子を知ることができる。

図1

図1 光のエネルギーと波長の関係

1.2. 吸光光度法と蛍光光度法

単色光を試料に照射し、その吸収の強さを測定したものが吸収スペクトルである。そのスペクトル形状は物質固有であり、構成分子の測定や物質の識別が可能となる。この原理に基づいて物質を分析することを吸光光度法といい、特性吸収による同定、吸収量による定量測定、電子状態の解析などに用いられる。試料に吸収された光エネルギーは、熱や他の分子との衝突によって失われるほか、再び光として放射される場合がある。この放射光は、放射過程によって蛍光や燐光と呼ばれ、この現象を利用する分析は蛍光光度法と呼ばれる。

1.3. 透過率と吸光度

ある物質に強度I0の光が入射し、強度Iの光が透過した場合、以下の関係式が成り立つ。
eq2
ここで、kclはそれぞれ比例定数、試料濃度、試料の光路長を表す。このとき、試料の透過率Tおよび吸光度は以下の式で与えられる。
eq3
吸光度は濃度や光路長に比例した値が得られる。また、光路長が1 cmでかつ目的成分濃度が1 mol/lのときの比例定数をモル吸光係数ϵと呼ぶ。この関係は定量分析の基本原理であり、Lambert-Beerの法則もしくはBouguer-Beerの法則と呼ばれる。

1.4. 分光反射率

光を透過しないような試料では、試料表面からの反射光のスペクトルを測定する。試料の表面状態に応じて、①鏡面反射率測定、②拡散反射率測定を使い分ける。

2. 分光光度計の構成

分光光度計の構成は大きく分けて、光源、分光器、検出器、表示装置からなる(図2)。まず、光源の光を分光器に導入し、単色光を取り出す。取り出した光で試料を照射し、その透過光もしくは反射光を検出する。検出器によって光の強度は電気信号に置き換えられ、表示装置によって測定結果が表示される。

図2

図2 分光光度計の概略図

2.1. 光源

分光光度計の光源には以下のものが用いられる。

  • タングステンランプ
  • ハロゲンランプ
  • 重水素放電管
  • キセノンランプ
  • 水銀放電管

中でも可視・近赤外用(320 ~ 3500 nm)にハロゲンランプ、紫外用(160 ~ 360 nm)用に重水素放電管がよく用いられる。ハロゲンランプはタングステンランプより寿命が長いという特徴を持つ。キセノンランプは紫外から可視にわたる連続的な広いスペクトルを有するが、光強度のゆらぎが重水素放電管に比べて2 ~ 10倍大きく、長時間使用すると発光位置が変化するといった欠点から通常の測定ではあまり用いられない。

2.2. 分光器

分光器は光を波長ごとに空間上に分散させる装置である。単色光を取り出すために用いられる。分散素子としてプリズムや回折格子があるが、最近では回折格子が主に用いられている。

2.2.1. 回折格子

回折格子は板状の光学素子に、周期的に溝が彫ってあるものである。図3に示すような溝の断面が鋸歯状のものがよく利用される。格子の周期間隔dの回折格子において、入射角θiと回折角θdの関係は以下のようになる。
eq4
mは回折次数を表す係数である。分光器に回折格子を用いる場合は、高次の回折光の影響に気をつける必要がある。式(4)より、波長λの1次の回折光には、波長λ/mm次の回折光が重なることがわかる。このため、特定波長のみを取り出すためには不要な波長を光フィルターなどを用いて取り除く必要がある。

図3

図3 反射型回折格子

2.2.2. 回折格子の取り付け方法

分光器への入射光の角度によって取り出される光の波長が変わることから、精度の良い測定には光学系の収差の影響を考える必要がある。この収差を軽減するため、分光器への回折格子の取り付け方にいくつかの工夫がなされている。代表的なものを図4に示す。リトロー型では、回折格子手前のミラーに軸外し放物面鏡を用いることで収差を軽減できる。ツェルニ・ターナ型では、2枚の球面鏡を対称に設置することで収差を打ち消す構成をとる。凹面回折格子型は、曲率をつけた回折格子に分光と結像の機能を合わせてもたせることで、光学系を簡略化している。

図4

図4 回折格子の取り付け構成 (a)リトロー型 (b)ツェルニ・ターナ型 (c)凹面回折格子型

2.3. 検出器

試料からの透過・反射光は光検出器に導かれ、光から電気信号に変換される。紫外・可視域では,光電管や光電子増倍管(PMT)が使われる。可視・近赤外域ではSiのフォトダイオード、近赤外域ではInGaAsフォトダイオードやPbSセルが使用される。

2.4. 表示装置

検出された信号は信号処理をされ、モニタなどの表示装置上に透過率や吸光度として表示される。

3. 分光光度計の性能指標

分光光度計の性能指標は以下のような項目があり、測定目的に応じた装置の選定をする。

  • 波長正確さ
  • 波長設定繰り返し精度
  • 分解能
  • 迷光レベル
  • 測光正確さ
  • 測光繰り返し精度
  • ベースライン安定度
  • ベースライン平坦度
  • ノイズレベル
  • 波長範囲
  • 波長送り速度

使用している分光光度計の波長正確さを確認する方法として、物質特有の吸収スペクトルを測定する方法と、光源の輝線スペクトルを測定する方法がある。前者では、紫外から可視域にわたって吸収帯を持つホルミウムフィルターなどが利用される。吸収波長値を校正したものが公的検査機関(JQAやNISTなど)から公開されているので、比較することで正確さを判断することができる。後者では、重水素放電管や低電圧水銀放電管の輝線スペクトルがよく知られており、これらのスペクトルを測定するとよい。測光正確さを確認するには、モル吸収係数が正確にわかっている物質もしくは校正値付きの物質の吸光度測定により行える。

4. 分光光度計の種類

4.1. シングルビーム方式とダブルビーム方式

分光光度計は,測定光学系の様式で区別すると、シングルビーム方式とダブルビーム方式に分けられる。どちらの様式でも、基準試料の分光スペクトルSrefと測定試料の分光スペクトルSsamの測定を行い、SSsam-Srefから純粋な試料の分光測定を行うが、その測定光学系が異なる。前者では同一の光学系を用いて、試料を取り替えて2度の分光計測を行うのに対し、後者では、ビームを2光束に分けて、基準試料と測定試料のそれぞれの分光計測を同時に行う。このため、ダブルビーム方式では一度の測定で測定試料の透過率や吸光度を求めることができる。一方、シングルビーム方式では簡易な光学系で測定が可能となる。

図5

図5 ダブルビーム方式の測定光学系

4.2. シングルモノクロメータとダブルモノクロメータ

1台の分光光度計に、1つの分光器が搭載されているものをシングルモノクロメータといい、2つの分光器が搭載されているものをダブルモノクロメータという。ダブルモノクロメータでは、1つ目の分光器で取り出された光を、もう一度異なる分光器に導入する。こうすることで、1つ目の分光器から発する迷光成分を効果的に取り除くことができ、信号対雑音比の向上に有効である。一方で、光量の減少は避けられないため、一概にどちらがよいとは言えない。

図6

図6 ダブルモノクロメータ型分光光度計の概略図

5. 固体試料の分光特性測定

5.1. 透過率測定

ガラス板やレンズなどの厚みをもった固体試料の、空気に対する透過率を測定する場合、試料の有無によって検出器に入射する光束の形状が変化し、測定誤差が生じる場合がある。これを避けるため、内面を白色拡散反射面にした積分球が用いられる。積分球では拡散による光量の低下が見られるため、S/N比の良い測定を行うには、十分に強い光源を用いる。

5.2. 鏡面反射測定

固体表面の鏡面反射測定には、相対反射率測定と絶対反射率測定がある。前者では、基準試料の反射率と測定試料の反射率の相対値を測定する。簡便な測定が可能であるが、基準試料の劣化などに気をつける必要がある。反射率の絶対値を測定したい場合には、基準試料を用いないで測定を行う必要がある。この方法では、測定光学系の光学系は組み替えず、光路のみを切り替えることで、100%の光を透過した場合と測定試料の表面に照射した場合との差から反射率を求める。

参考文献

松本弘一 編「光測定器ガイド 全面改訂版」オプトロニクス社(2004)

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