この記事で分かること
- FT-IRとは：干渉計で得た光の波形をフーリエ変換という数学的手法で解析し、高速・高感度で物質の赤外吸収スペクトルを測定する分析法です。
- フーリエ変換で波長ごとの波を分けられる理由：複雑な干渉波を、それを構成する様々な周波数（波長）を持つ単純な正弦波の重ね合わせとして数学的に分解し、各波長の強度を算出できるためです。
FT-IR
機器分析とは、化学反応を用いる古典的な化学分析に対し、物質が持つ物理的・化学的性質を精密な機器で測定し、その物質の成分や構造を分析する方法の総称です。
高感度で迅速な分析が可能であり、微量な成分や複雑な混合物も精度高く分析できるため、現代の科学技術分野で広く利用されています。
今回はFT-IRに関する記事を書きました。
分光分析とは何か
分光分析は、光と物質の相互作用を測定する手法です。紫外可視分光光度法で濃度、赤外分光法で構造、原子吸光分析法で金属元素の定量、蛍光X線分析法で元素組成、核磁気共鳴分光法で分子構造の解析など、使用する光の種類や原理によって多岐にわたります。
FT-IRとは何か
FT-UR（フーリエ変換型赤外分光法）は、従来の赤外分光法を改良し、高速かつ高感度・高分解能で物質の赤外線吸収スペクトルを測定する分析手法です。
FT-IRの原理と特徴
FT-IRの最大の特徴は、光を分光するための干渉計とフーリエ変換という数学的処理を用いる点にあります。
1. 干渉計（マイケルソン干渉計）
- FT-IR装置の核となるのは干渉計です。光源からの赤外光をビームスプリッターで2つに分け、一方は固定鏡へ、もう一方は移動鏡へ送ります。
- この2つの光が反射して戻り、再び合流する際、移動鏡の動きによって光路差が生じ、光が強め合ったり打ち消し合ったりする干渉が起こります。
- 試料を透過または反射した後の光の強さを検出器で測定すると、干渉波（インターフェログラム）という、時間（または移動鏡の位置）に対する光の強さの変化を示す波形が得られます。
2. フーリエ変換
- この干渉波（時間領域のデータ）には、すべての波長の光の情報が重ね合わされています。
- この複雑な干渉波にフーリエ変換という数学的な計算を適用することで、各波長（波数）ごとの光の強度に分離され、最終的な赤外線吸収スペクトル（周波数領域のデータ）が得られます。
FT-IRのメリット
FT-IRが広く普及しているのは、従来の分散型赤外分光法に比べて以下のような優れたメリットがあるためです。
- 高感度（スループットの利点）
- スリット（光量を制限する部品）を使わないため、検出器に多くの光エネルギーが到達し、S/N比（信号とノイズの比）が高くなります。
- 高速測定（マルチプレックスの利点）
- すべての波長（波数）の光を同時に測定できるため、測定時間が非常に短く、数秒でスペクトルが得られます。
- 高分解能
- 移動鏡の移動距離を長くすることで、高い波数分解能（隣接した波数を分離する能力）が得られます。
- 高精度
- 移動鏡の正確な位置決めのために、波長が非常に正確なヘリウムネオン（He-Ne）レーザーを基準光として利用するため、波数の精度が非常に高いです。
主な用途
FT-IRは、その迅速性と汎用性から、プラスチック、ゴム、油脂、塗料などの有機化合物の分子構造の同定（定性分析）や品質管理、異物分析など、幅広い分野で最も一般的に使用されています。
FT-IR（フーリエ変換型赤外分光法）は、干渉計で得た光の波形をフーリエ変換という数学的手法で解析し、高速・高感度で物質の赤外吸収スペクトルを測定する分析法です。
フーリエ変換で波長ごとに分けられる理由は
フーリエ変換によって複雑な波（インターフェログラム）を波長（または周波数、波数）ごとに分けることができるのは、すべての複雑な波は、異なる周波数と振幅を持つ単純な正弦波の重ね合わせとして表現できるという数学的な原理に基づいているからです。これは、フーリエの定理として知られています。
1. フーリエの定理：波の分解
- 基本原理: どんなに複雑で非周期的な波形であっても、適切なフーリエ変換という数学的操作を行うことで、それを構成する個々の純粋なサイン波（正弦波）やコサイン波の成分に分解することができます。
- 分光分析への適用: FT-IRにおいては、検出器で得られる時間とともに変動する干渉波（インターフェログラム）を、フーリエ変換を使って時間領域から周波数領域（波数領域）へと変換します。
- 干渉波: すべての波長（波数）の赤外光の情報が混ぜ合わされた、複雑な「重ね合わせの波」です。
- フーリエ変換の実行: この重ね合わせの波に対し、数学的に「どの周波数のサイン波が、どれだけの強さ（振幅）で含まれているか」を計算します。
- スペクトルの生成: 結果として、元の赤外光に含まれていた波長（波数）ごとの強度を示すグラフ、すなわち赤外スペクトルが得られます。
2. FT-IRにおける干渉波と波長の関係
FT-IRでは、マイケルソン干渉計によって、赤外光の波長（λ）と移動鏡の移動距離（x）によって干渉波が生成されます。
- 単色光の場合: もし光源が単一の波長（λ）の光であれば、移動鏡を動かすと、光路差がλの整数倍になるたびに強め合い、非常に単純で周期的な干渉波（サイン波）が得られます。この周期が、その光の波長に対応します。
- 複合光の場合: 実際のFT-IRでは、光源からの赤外光は非常に多くの異なる波長成分を含んでいます。その結果、検出器で得られる干渉波は、これらのすべての波長に対応するサイン波が重ね合わされた非常に複雑な波形になります。
フーリエ変換は、この複雑な重ね合わせの波から、それぞれの周期（すなわち、それぞれの波長）の成分がどれだけ貢献しているかを正確に「逆算」して分離する役割を果たしているのです。
フーリエ変換は、複雑な干渉波を、それを構成する様々な周波数（波長）を持つ単純な正弦波の重ね合わせとして数学的に分解し、各波長の強度を算出できるためです（フーリエの定理）。
プラスチックのFTIRで分析するとどんな情報が得られるのか
FT-IR（フーリエ変換型赤外分光法）でプラスチックを分析すると、分子構造や組成に関する非常に多くの情報が、迅速かつ非破壊的に得られます。
得られる主要な情報
プラスチックのFT-IRスペクトルから主に以下の情報を特定できます。
1. 物質の種類（定性分析）
- 高分子の同定: ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリスチレン（PS）などの主成分である樹脂の種類を特定できます。
- プラスチックはそれぞれ固有の分子構造（官能基の組み合わせ）を持つため、スペクトルを既知のライブラリ（標準スペクトル集）と照合することで、そのプラスチックが何かを高い精度で同定できます。
2. 含まれる官能基の情報
- 構造単位の特定: プラスチックを構成する分子内の官能基（原子団）を特定できます。
- 例: C-H結合（アルカン）、C=O結合（カルボニル基）、C≡N結合（ニトリル基）など、プラスチックの種類ごとに特徴的なピーク（特性吸収帯）を確認できます。
3. 劣化や変質の度合い
- 劣化状態の把握: 熱や紫外線などによる劣化で、プラスチックの分子構造に変化が生じると、スペクトルに新たなピークが現れたり、既存のピークが変化したりします。
- 例えば、紫外線劣化により、PPやPEなどのスペクトルに水酸基（-OH）やカルボニル基（>C=O）のピークが出現することで、どの程度劣化が進行したかを推定できます。
4. 添加剤や異物の情報
- 副成分の同定: 樹脂に添加されている添加剤（安定剤、着色剤、可塑剤など）や、製品に混入した異物の材質を特定できます。
- FT-IRは非常に微小な異物（マイクロプラスチックなど）の分析にも適しており、その種類や発生源の推定に役立ちます。
プラスチックのFT-IR分析では、主成分である樹脂の特定（例：PE、PET）、官能基による分子構造の確認、および劣化による変質度合いや添加剤・異物の有無がわかります。
ゴムをFTIRで分析するとどんな情報が得られるのか
ゴムをFT-IR（フーリエ変換型赤外分光法）で分析することで、プラスチック分析と同様に、分子構造や組成に関する重要な情報が得られます。
得られる主要な情報
ゴムのFT-IRスペクトルから、主に以下の情報を特定できます。
1. ゴムの種類（定性分析）
- ベースポリマーの同定: 天然ゴム（NR）、合成ゴム（スチレンブタジエンゴム 、ニトリルゴム 、エチレンプロピレンゴム 、フッ素ゴムなど）といった、ゴムの主成分である高分子の種類を特定できます。
- それぞれのゴムが持つ特性吸収帯（例：NBR特有のニトリル基 （C≡Nピーク）を標準スペクトルと比較することで、製品の素材を迅速に同定できます。
2. 配合剤や添加剤の情報
- 充填剤（フィラー）の特定: ゴムの強度や特性を向上させるために加えられる充填剤（例：カーボンブラック、シリカ、クレーなど）の有無や種類に関する情報が得られます。
- カーボンブラック自体は赤外光をほとんど吸収しないため直接的なピークは得られませんが、シリカなどの無機充填剤は強い無機吸収ピーク（Si-O結合など）を示し、容易に検出できます。
- 加硫剤、可塑剤、劣化防止剤など、その他の有機系添加剤のピークも検出・特定できる場合があります。
3. 加硫状態と架橋構造
- 硫黄架橋の確認: ゴムの弾性を生み出す加硫（架橋）の前後で、スペクトルに変化が見られることがあります。加硫に関わる特定の官能基の変化や、添加された加硫剤（硫黄など）の残存状況から、加硫の状態を間接的に評価できる場合があります。
- ただし、C-S結合やS-S結合自体の吸収は弱く、他のピークに埋もれやすいため、詳細な架橋構造の決定には他の分析手法が併用されることが多いです。
4. 劣化や変質の度合い
- 経年劣化の検出: 熱、酸素、オゾン、光などによる劣化によって、ゴム分子内に新たな官能基が生成されます。
- 例えば、ゴムの表面が酸化されるとカルボニル基（>C=O）のピーク（約1700 cm-1）付近）が出現し、このピークの強度から酸化劣化の進行度を評価できます。
ゴムのFT-IR分析では、主成分（天然/合成ゴム）の特定、充填剤（シリカなど）や添加剤の検出、および酸化による劣化の進行度など、組成と構造変化に関する情報が得られます。
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