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O546

IR測定法(ATR法)

赤外分光分析(IR)は、有機物の代表的な分析法のひとつとして、古くから広く用いられており、サンプルの状態や目的に応じて、様々な測定法があります。今回は、代表的な測定法のひとつである全反射測定法(Attenuated Total Reflection、ATR法)について紹介します。

ATR法の原理

図1:ATR法の模式図

図1:ATR法の模式図

クリスタルと試料を接触させた後、クリスタル内部を透過させた赤外光を、試料との界面にて全反射させます。この全反射の際に、試料側へわずかに赤外光が潜り込むため、全反射光を検出することで、試料表面(深さ数µm程度)のFT−IRスペクトルを取得することが出来ます(図1)。

ATR法の特徴(1):潜り込み深さ

ATR法において、試料への赤外光の潜り込みの深さは、入射角、試料とクリスタルの屈折率、波長に依存します(式1)。参考として、式1より算出した潜り込み深さのグラフを図2に示します。このように低波数側の潜り込みが深いため、ATR法によるFT−IRスペクトルは、透過法によるFT−IRスペクトルと比較し、低波数側の吸収が強く現れます(図3)。なお、試料が柔らかい場合には、クリスタルを押し当てた際に、測定表面が薄く押し広げられ、想定以上の深さまで、赤外光が潜り込むことがあります。

図2:ATR法の模式図   式1
dp:潜り込み深さ
λ:波長
θ:入射角
n1:クリスタルの屈折率
n2:試料の屈折率
図2:ATR法における潜り込み深さ  
図3:ポリスチレンのFT−IRスペクトル(ATR法、透過法)

図3:ポリスチレンのFT−IRスペクトル(ATR法、透過法)

ATR法の特徴(2):クリスタルの特徴

ATR法においては、波数によって潜り込み深さが異なりますが(上述)、クリスタルの種類(屈折率の違い)によっても潜り込み深さが異なります(図2、図4)。また、それ以外にもクリスタルによって、様々な特徴があります。表1に、代表的なクリスタルとして、ゲルマニウムとダイヤモンドの特徴を示します。目的や試料状態と、これらの特徴を照らし合わせ、実際に使用するクリスタルや測定法を選定します。

図4:ポリスチレンのFT−IRスペクトル(ATR法)

図4:ポリスチレンのFT−IRスペクトル(ATR法)

表1:クリスタルの特徴
  ゲルマニウム ダイヤモンド
クリスタルの屈折率 4.0 2.4
ATRが可能な試料屈折率上限
(入射角:30°/45°)
2.0/2.8 1.2/1.7
材質の強さ
  • 比較的弱い
  • ・酸やアルカリにより腐食
  • ・硬い試料により損傷
強い
スペクトル ・比較的透過法のスペクトルに近い
  • ・測定領域に吸収あり
    (1700〜2700cm-1*1
  • ・ゲルマニウムと比較し、
    スペクトルが歪みやすい*1
潜り込み深さ ゲルマニウム < ダイヤモンド
(上述のATR法の特徴(1)を参照)
測定可能な波数領域 1回反射法 600〜4000cm-1 *2 400〜4000cm-1 *2
顕微法 700〜4000cm-1 *2
イメージング法 900〜4000cm-1 *2
  • *1 図5を参照
  • *2 装置の仕様により異なりますが、通常4000cm-1まで(中赤外領域)を測定
図5:タイヤのFT−IRスペクトル(ATR法)

図5:タイヤのFT−IRスペクトル(ATR法)

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