赤外分光法と近赤外分光法の違い

1. 扱う波長とその特性

光には波長域ごとに名前をつけられています。
私たちの目に見える光の範囲は可視光と呼ばれており、可視光域よりも長い波長の光が「赤外線」です。

赤外線は、可視光に比べて「波長の長い光」です。
赤外線は英語で「infrared」と言いますが、これは赤外線が「可視光域の赤い光」の外側にあるため、ラテン語で赤を越えるという意味を持つ「infra-red」と名前がつけられます。
（参考：尾崎幸洋 2015『近赤外分光法』（講談社））

赤外線は波長によって、

• 近赤外線
• 中赤外線
• 遠赤外線

の3つに分類されます。
近赤外分光法は「近赤外線」を、赤外分光法では「中赤外線」の波長の光を扱います。

このように、近赤外分光法と、赤外分光法では、それぞれ扱う波長が異なっています。

• 近赤外分光法：測定対象に「近赤外線」を照射、近赤外スペクトルデータを獲得
• 赤外分光法：測定対象に「中赤外線」を照射、赤外スペクトルデータを獲得

極めて単純化すると、近赤外分光法と赤外分光法はこのように表現できます。
そして、それぞれが扱う光──「近赤外線」と「中赤外線」には、特性があります。

2. 測定できる情報

測定方法に大きな違いはない

赤外分光法と近赤外分光法は、ともに吸収分光法を基本としています。
双方「測定対象に赤外線を照射し、対象が吸収した光のスペクトルを分析する」という分析方法です。

赤外分光法や近赤外分光法は、あくまで「分析の手法」ですので、実際にスペクトル分析を行う際は「分光器」を用います。例えば、赤外スペクトルを分析する際は、赤外分光法を用いた光学機器としての「赤外分光器」を使います。
「赤外分光器」と「近赤外分光器」を用いた測定方法を簡略化すると、次のようになります。

1. 測定対象に、光を当てる。
2. すると対象は、光を吸収、反射、発光、拡散反射する。
3. 反射光や透過光を測定することで、対象に吸収された「吸収光」を割り出す。

つまり、

分光器が照射した光 − 反射光・透過光 = 対象に吸収された光

ですので「反射光・透過光」を測定することで「吸収光」を割り出すことができます。

こうした手順によって「どの波長の光がどのぐらい吸収されたか」という「吸収スペクトル」データを見ることができます。

こちらが、大まかな測定の手順ですが、双方、データの測定方法に大きな違いはありません。

違いは「取り扱うエネルギー準位の遷移」

赤外分光法も近赤外分光法もスペクトルデータ（測定対象に関する分光データ）を見ています。
これによって、食品の分析やオイルの分析などを行います。
何故、分光データを見ることで、そういった分析が可能になるのかというと、それは分子の特性と関係しています。

分子には、次のような性質があります。

• 分子は振動しているが、その振動は分子ごとに異なっている。
• 分子は赤外線を吸収するが、吸収する赤外線は分子の振動によって決まる。

例えば、H₂O（水）とCO₂（二酸化炭素）では、分子は異なる振動をしています。
分子の振動が違う＝吸収される赤外線の波長が違うため、分子に吸収された赤外線の情報を見ることで、分子を特定できるのです。

分子の振動の分光情報（物質の振動スペクトル）は、分子ごとに異なっているため「物質の指紋」と表現されます。
「分子が吸収する波長が分子ごとに異なっている」ため、分光データをみることで、分子を特定することができるのです。

「分子と波長の特性を利用する」という点は赤外分光法と近赤外分光法とも同じですが、観測される分子振動が違っています。

赤外分光法では、基本音（fundamental tone）、倍音（overtone）、結合音（combination tone）を観測します。
対して、近赤外分光法では、基本音は観測せず、倍音、結合音のみが観測されます。

基本音、倍音、結合音は「振動エネルギー準位の遷移」を指します。
「振動エネルギー準位の遷移」は分子の振動によって生じます。

分子の振動によってエネルギーが生じる

先ほど「分子の振動」と記しましたが、深掘りすると「電子と原子核の運動」を指します。

分子を構成する原子の「電子と原子核の運動」には

• 並進
• 回転
• 振動

の3つがあります。

日本分光学会 編,赤外・ラマン分光法（分光入門シリーズ）, 講談社（2009）を参考に作成

このうち、赤外分光法、近赤外分光法と密接に関わっているのが「振動エネルギー」です。（※回転エネルギーも関わりがありますが、今回は振動エネルギーを中心にお話しします。）
では、振動エネルギーとはどういったものなのかというと、これは「吸収される光は、分子の振動によって決まる」という内容と関わってきます。

分子の振動エネルギー準位が上昇するとは

上述の通り、赤外線は電磁波の一種です。そのため「周波数」を持ちます。
振動する分子も光と同じく、特定の周波数を持っています。つまり、光の周波数と、分子の持つ周波数が一致すると、その光は吸収されます。

1. 分子に光（赤外線）が吸収される。
2. 分子の持つエネルギーが高くなる。

（※このエネルギーは振動エネルギーに限りません。）

この「分子の持つエネルギーが高くなる」というのは「分子が基底状態から励起状態に遷移する」ということです。

• 基底状態：原子が持つ最低エネルギーの状態
• 励起状態：基底状態よりも高いエネルギーを持つ状態
• 遷移：高いエネルギーの状態に移り変わるという意味（今回の場合）

このようなグラフで表現されます。
結合間隔は分子における「原子核と原子核の距離」を示します。分子が振動すると「結合間隔」が変わり、エネルギー準位が変わります。

そして基本音、倍音、結合音は「分子の振動エネルギー準位の遷移」を指しています。

基本音、倍音、結合音は「基底状態からどのように遷移するか」を基準に区別されます。

赤外分光法、近赤外分光法ではそれぞれの扱うエネルギー準位の遷移が異なります。

• 赤外分光法：基本音、倍音、結合音
• 近赤外分光法：倍音、結合音

近赤外分光法では「基本音」を扱いません。
これが二つの大きな違いになります。

近赤外分光法の特色として、よく知られているのが

• 倍音、結合音という禁制遷移を中心に取り扱う

ということ。禁制遷移というのは、起こる確率が低い遷移です。
赤外分光法でも、倍音、結合音は扱いますが、やはり禁制遷移を中心としているのは、近赤外分光法です。
起こる確率が低い遷移（＝禁制遷移）に対し、発生する可能性が高い遷移を「許容遷移」といいます。

取り扱う遷移の違いが、それぞれの「分析対象の違い」と関わってきます。

3. 分析対象

赤外分光法の場合

分子の振動から、分子の状態や、環境に関する情報を得られます。
そのため、赤外スペクトルを割り出すことで、分子構造や分子の状態を判断する情報を獲得できます。

赤外分光法は、物質の同定に強みを持っており、さらに「気体、液体、固体」など状態が異なると同じ物質でも違う赤外スペクトルが測定されます。
また、定量分析ができるという強みから、ガスや液体などの測定で活用されています。

　　　　

赤外分光法を用いたアプリケーションは幅広いため、今回は一例として「バイオディーゼル燃料の分析」をご紹介いたします。

こちらは、バイオディーゼル燃料のFAME量を分析した際に得られたスペクトルグラフです。

このように、対象の吸収度を測ることで、燃料中の成分分析が可能になります。

赤外分光法アプリケーション詳細へのリンク

近赤外分光法の場合

近赤外分光法には「倍音、結合音という禁制遷移を中心に取り扱う」という特色があります。
禁制遷移は非常に弱い＝透過性に優れているという「波長の特性」と繋がります。

特に近赤外領域の中でも透過性が高い波長域と言われているのが、可視光域に最も近い「800〜1200nm」です。
この波長域は「生体の窓」とも言われているそうです。

近赤外線は「透過性が高い」という性質から、人体の分析に活用されています。
また、近赤外分光法は、元々、穀物の水素結合の研究において、近赤外分光法の有効性が示されたところから発展してきました。
そのため現代でも食品・農作物の分析や水分測定には強みがあります。

近赤外分光法アプリケーション詳細へのリンク