ラマン散乱

ラマン散乱は一般にラマン効果と呼ばれます。これは、散乱エネルギーの形で現れる振動運動に関する分子の分極率の変化を伴う2光子事象です。 

レーザー（単一周波数）からの光がサンプルに接触すると、分子の電子雲の分極が変化し、分子は一時的により高い仮想エネルギー状態になります。この仮想状態の寿命は短く、再放出されるエネルギーは散乱光として放出されます。

散乱光には次のようなものがあります。

• 弾性（レイリー散乱）: 放出されるエネルギーの周波数は入射光と同じになります。
• 非弾性（ラマン散乱）: 放出されるエネルギーの周波数は入射光よりも高く、または低くなります。

量子力学で説明されているように、ラマン散乱プロセスは、光子が分子と相互作用するときであり、分子はより高いエネルギーの仮想状態に進む可能性があります。このより高いエネルギー状態から、いくつかの異なる結果が生じる可能性があります。そのような結果の 1 つは、分子が最初の状態とは異なる振動エネルギー レベルに緩和し、異なるエネルギーの光子を生成することです。入射光子のエネルギーと散乱光子のエネルギーの差は、ラマン シフトと呼ばれます。

散乱光子のエネルギーの変化が入射光子より小さい場合、その散乱はストークス散乱と呼ばれます。一部の分子は振動励起状態で始まり、より高いエネルギーの仮想状態に進むと、最初の励起状態よりも低い最終エネルギー状態に緩和する場合があります。この散乱は反ストークスと呼ばれます。

アプリケーションに応じて、さまざまなラマン散乱法を選択できます。それぞれの方法には、他の方法と比べて特定の長所と短所があります。さらに、これらのラマン散乱法のすべてを1つのラマン分光計で実行できるわけではありません。これらの散乱法には、比較的シンプルな機器構成で手頃な価格のものから、非常に複雑で高価な機器まで、さまざまな特殊な設定が必要です。ただし、リアルタイムでin situの反応を理解し、プロセスを最適化するには、以下のラマン散乱法のいずれかが唯一の手段となる場合があります。

• 誘導ラマン散乱（SRS）
• 表面増強ラマン散乱（SERS）
• コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）

ほとんどの光子は、分子と相互作用するときに弾性的に散乱します。ごく一部（光子の約1000万分の1）は、入射光子とは異なる周波数で非弾性的に散乱し、通常は入射光子よりも低い周波数になります。弾性散乱光子はレイリー散乱と呼ばれ、分析値はありません。非弾性散乱光子はラマン散乱と呼ばれます。

C.V. Raman氏は、非弾性的に散乱する光子のエネルギーが、光を散乱する物質の「指紋」として機能することを示しました。その結果、ラマン分光法は、事実上あらゆる物質を識別するために、化学研究室やプロセスで一般的に使用されるようになりました。

この図のエネルギー準位図はラマン散乱を示しています。初期状態は通常、基底振動準位状態（v0）と最終状態（v1）です。ラマン散乱では、分子をラマン散乱させるために次の2つのステップが必要です。

1. 分子を仮想エネルギー状態に励起する光子エネルギー
2. 上昇した基底状態（v1など）への分子の緩和（ラマン散乱）  

弾性散乱とも呼ばれるレイリー散乱は、図1に示すように励起周波数が散乱光と等しい場合に発生します（E1=E2）。レイリー散乱では、分子の化学組成に関する情報は得られません。

非弾性散乱とも呼ばれるストークス散乱は、分子の振動エネルギーに図の右側に示すような正味の変化がある場合に発生します（E1>E2）。レイリー散乱とは対照的に、ストークス散乱は分子の化学組成に関する情報を提供します。

結晶多形: 多形は、分子が複数の結晶状態で存在できる場合に発生します。多くの結晶性物質は、特定の熱力学的条件下でそれらの結晶格子エネルギーを最小化するために、さまざまな多形を形成できます。化学的性質が同じままでありながら、物理的特性（溶解度、融解、核形成と成長キネティクス、バイオアベイラビリティ、形態論、分離特性）が多形間で異なる場合があります。ラマン分光法は、晶析プロセスを最適化しながら、形状の違いを記録したり、形状を測定したりするのに最適です。

重合: ラマン分光法は、分子骨格、特に炭素二重/三重結合から（IRよりも）強い信号を提供する傾向があります。このため、ラマンはポリマーの同定や重合反応のモニタリングに適しています。押出化学、重合中の微細構造分析、ポリエチレン密度（LDPE/HDPE）の計算は、ラマン分光法が使用される実用的なアプリケーションのほんの一部です。

化学合成: in situラマン分光法は、赤外分光測定の感度がそれほど高くない化学合成の主要な反応変数（シリコン、チオール、ジスルフィドなど）をモニタリングするのに役立つ技術です。開始、終点、反応速度、過渡的中間体、機構情報などの主要な反応変数は、安全で堅牢なプロセス開発メソッドを確保するために把握し、完全に特性評価する必要がある重要な側面です。

ラマン分光法は分子分光法の一種で、IR分光法とよく比較されます。これは、どちらも振動遷移から分子の構造と特性に関する情報が得られるためです。ラマン分光法とは対照的に、IR分光法は、入射光の周波数が分子の特定の振動モードの振動周波数と等しい場合に発生する吸収技術であり、光子の吸収（散乱しない）を可能にします。これは、分子の双極子モーメントに関する単一光子事象です。

IRとラマンの両方について、これらの分子固有の遷移をスペクトルとしてプロットすると、調査対象の化合物に固有のパターンまたは指紋が得られます。非対称分子を調べる場合、分子の対称性により、ラマンスペクトルに見られる振動がIRスペクトルに見られない（または弱い）ことや、その逆のことがあります。この挙動は、これらのタイプの相互作用を管理する選択規則にまとめられています。これらの技術によって得られる類似の、しかし独自の分子情報に基づいて、ラマンとIRは補完的な技術であると考えられています。

レーザーは、いくつかの基本的な部分を備えた最新のラマン分光計でラマン散乱を発生させる励起源として機能します。光ファイバーケーブルは、サンプルからのレーザーエネルギーの送受信に使用されます。ノッチフィルタまたはエッジフィルタを使用してレイリー散乱とアンチストークス散乱をカットします。残りのストークス散乱光は、通常ホログラフィック格子の分散エレメントに伝わります。光はCCD検出器で捕捉され、ラマンスペクトルが得られます。ラマン散乱では弱い信号が生じるため、ラマン分光計には光学的に完全に適合する高品質のコンポーネントを使用することが最も重要です。

ラマン分光法の成功の理由は次のとおりです。

• 非常にコンパクトで安定したダイオードレーザーの使用による励起

• 迷光の少ない小型化された分光計

• レーザー波長からラマン散乱光を選択して分離する（レイリー散乱）効率的で高精度の光学フィルターの設計と製造の進歩

• 微弱なラマン散乱信号を検出して処理する高性能CCDアレイ

これらの機能は、分析ラボやプロセス開発ラボでラマンが広く受け入れられるようになった機器に活用されています。

ラマン分光計をラボ用自動リアクターと組み合わせることで、晶析や結晶多形の調査に独自の自動化されたワークステーションを提供し、貴重な時間とリソースを節約できます。システム間でデータを共有することで、重要な事象（試薬添加、温度変化、多形転移の開始、転移の終了など）の包括的な概要とレポートを1回の実験で得ることができます。

データ収集から分析まで、ReactRaman™とiC Raman™を組み合わせることにより、すべてのラボで組成分析を行うことができます。自動パラメータ選択により正確なデータ収集が可能になり、研究者は自信を持って結果を得ることができます。すべてのユーザーのすべてのプロセスを初回からいつでも適切に実行できます。

コンパクトなパフォーマンス
優れた安定性と測定感度を備えたクラス最高の性能を、積み重ね可能なコンパクトなパッケージに収めました。バッチまたはフロー向けにラボのどこにでも導入できます。堅牢な1つのコネクタが一貫した安全性を提供し、心配のない測定を保証します。

情報に富んだ実験
業界標準のiCソフトウェアを反応分析に使用すると、データの取得と分析をすばやく簡単に行うことができます。iCソフトウェアは直交データをシームレスに統合してプロセス変数をリンクさせ、プロセスの包括的な理解を促進します。

専門知識の共有
世界中で設置された何千ものPAT装置、40年にわたる経験がReactRaman 802Lに組み込まれています。当社のグローバルエキスパートサポートチームは、必要に応じて対面またはオンラインでのトレーニングやアプリケーション開発を通して、ユーザーの成功を確保することに全力を尽くしています。