赤外分光法の基礎

従来の赤外分光法とFT-IRの違い

赤外分光法は、1900年代初頭にさかのぼる化学分析技術です。その後、従来の赤外分光法は、1970年代に開発されたフーリエ変換型赤外分光法（FT-IR）に取って代わられました。では、従来の赤外分光法とFT-IRの違いは何でしょうか？

従来技法：分散型赤外分光法

従来の赤外分光法は、赤外光を回折格子に当てることで光を波長別に分離していました。広帯域の光源を回折格子に当てると、波長の異なる光が少しずつ異なる方向に進みながら回折格子を反射していきます。

これは、回折格子から出た光の角度が、光の波長と直接関係しているためです。この手法は、まず光を分離し、異なる波長を空間的に分散させることから、分散型赤外分光法と呼ばれます。

波長ごとに分離された赤外光は、スリットを通過して単一波長の赤外光に減光されます。得られた単色の赤外光ビームを試料に照射することで、特定の波長の吸光度が検出されます。

その後、回折格子の角度を変えて別の波長を分離し、その波長の吸光度を測定します。これを繰り返し、すべての波長の赤外光の吸光度を確認します。このようにして得られたデータをプロットすることで、赤外スペクトルを取得することができます。

フーリエ変換型赤外分光法（FT-IR）

FT-IRは、赤外分光法に革命を起こし、より簡単に測定が行えるようになりました。分散型赤外分光法では、赤外光の波長を1つ1つ確認する必要があるため、非常に時間がかかります。一方、FT-IRは、すべての波長の光を一度に高速で測定することができ、プロセスを大幅にスピードアップさせることができます。FT-IRでは、干渉計と呼ばれる技術を使って、波動と波動の相互作用を利用し、試料から情報を得ることができます。

（赤外）光の相互作用

赤外光は、他の電磁波と同様に、山や谷を持つ波で伝わります。この山と谷が空間的にどの位置にあるかを波の位相と呼びます。2つの波の位相が異なる場合があり、これを位相差と呼びます。

2つの波の位相差は、干渉と呼ばれる2つの波の相互作用の仕方を決定します。相互作用する2つの波の山と谷が一致する場合、波は同位相であると言われ、その結果生じる干渉は建設的干渉と呼ばれます。

一方、波のピークと他方の波の谷が一致する場合、波は位相がずれているため、代わりに相殺的干渉が生じます。完全な同位相ではなく位相が少しずれている波も、2つの波の位相差に依存して相互作用します。波の具体的な干渉の仕方を干渉パターンと呼びます。

FT-IR 分光計の内部

FT-IRは、主にマイケルソン型干渉計などの干渉計を用いて、赤外光を干渉させます。干渉計の内部では、赤外光がビームスプリッターで2つに分割され、2枚のミラーに導かれます。それそれの赤外光はミラーで反射され、再び合流し、再結合します。

2つの光束が鏡までの往復で同じ距離であれば、光束が再結合するときに位相が揃い、建設的干渉が生じます。しかし、マイケルソン干渉計の鏡の1枚（移動鏡）は移動可能であるため、ビームスプリッターから移動鏡までの距離を変化させることで、再結合する際に波の位相差が生じます。

光は再結合した後、試料に照射され、検出器に到達します。このとき、移動鏡を移動させて赤外光の位相差を変化させると、赤外光が再結合する際に異なる干渉パターンが得られます。それぞれの干渉パターンによって、再結合した赤外光には異なる波長の赤外光が存在することになります。移動鏡を素早く移動させることで、すべての波長の赤外光の吸光度を素早く検出することができます。

すべてのデータを収集した後、プロットしインターフェログラムを得ることができます。インターフェログラムは、試料がどのように赤外光を吸収しているかを示すものですが、分散型赤外分光法で得られる赤外スペクトルとは大きく異なります。赤外スペクトルは、試料が各周波数の赤外光をどれだけ強く吸収しているかを示すものですが、インターフェログラムは、試料が赤外光をどれだけ強く吸収しているかを、干渉計内の移動鏡の位置の関数として示します。つまり、FT-IRの測定データを処理して、比較可能な赤外スペクトルを作成する必要があります。基本的には、干渉計の情報から各波長の赤外光の吸収を抽出する必要があります。

データからスペクトルを生成：フーリエ変換

幸いなことに、フーリエ変換（FT）と呼ばれる数学的な関数があり、コンピュータを使ってすぐに実行することができます。フーリエ変換は、周波数の異なる波が干渉した結果のデータを取り出し、元の波の周波数を抽出するものです。

例えば、周波数が5cm^-1と3cm^-1の2つの波が干渉した場合、干渉模様は非常に複雑になり、どの周波数の光が元々存在していたのかを判断することが難しくなります。これをフーリエ変換すると、3cm^-1と5cm^-1の2つの波の周波数を示す信号が得られます。

FT-IR測定では、試料と相互作用した後に検出器に到達した多くの異なる周波数の赤外光に関する情報がインターフェログラムに含まれています。このインターフェログラムをフーリエ変換することで、試料が吸収した赤外光の周波数を抽出することができます。その結果、シングルビームスペクトルが得られます。

その後、もう1つの追加ステップが実行されます。これは、試料を透過した赤外光が、二酸化炭素や水蒸気などの環境中の化合物と相互作用し、それらの化合物に吸収された赤外光がスペクトルに現れることがあるためです。これを避けるために、試料が存在しない状態で吸収された赤外光を測定して、参照用のインターフェログラムを取得します。そして、この参照用インターフェログラムをフーリエ変換して、参照用シングルビームスペクトルを作成します。最後に、試料のシングルビームスペクトルを参照用のシングルビームスペクトルで除算し、IRスペクトルを取得することができます。