分子の振動を一網打尽に観測できる光学技術を開発――赤外吸収スペクトルとラマン散乱スペクトルを同時計測 東大

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東京大学は2019年9月27日、1つのレーザーを用いて赤外吸収スペクトルとラマン散乱スペクトルを同時に計測できる分光法「相補振動分光法(Complementary vibrational spectroscopy)」の開発に成功したと発表した。相補振動分光法は、フーリエ変換分光法と呼ばれる分光手法に、超短パルスレーザーによる複数の非線形光学現象を導入する工夫により実現した。

赤外分光法とラマン分光法は、分子の振動分光スペクトルを利用して、分子の種類や状態を計測する化学分析法だ。赤外吸収とラマン散乱から得られる分子振動の情報は互いに相補的であるため、分子の振動情報を十分に取得するには、赤外吸収スペクトルとラマン散乱スペクトルの両方を計測する必要がある。

しかし、赤外分光とラマン分光は計測に用いる光の波長領域が大きく異なるため、これまでは個別の計測システムを用いて、各々独立して計測するという手間があり、試料の同じ箇所を同時に計測することが困難であったという。

今回開発した相補振動分光法では、超短パルスレーザーを単一の光源装置として用い、フーリエ変換分光法と非線形光学効果を組み合わせた。

先行研究では超短パルスレーザーを用いたフーリエ変換分光法によりラマン分光を実現できることが知られていたが、同研究では新たに非線形光学結晶を用いて赤外光を発生させる工夫を施し、赤外分光も可能にした。これにより、1つのレーザー光源による同時計測システムを開発した。

測定の検証では、液体トルエンを試料として用い、その赤外吸収スペクトルとラマン散乱スペクトルを同時に取得。取得した赤外吸収スペクトルとラマン散乱スペクトルは、従来の赤外分光計およびラマン分光計で個別に計測したスペクトルと同じ形状であったことから、相補振動分光法を用いた測定の成功を確認した。

今回の実験では、従来型のマイケルソン干渉計を用いたフーリエ変換分光法を用いて相補振動分光を検証したが、デュアルコム分光法や位相制御フーリエ変換分光法などを組み合わせれば、10kHz以上の高いスペクトル取得レートで測定できる。

同研究は、赤外吸収とラマン散乱のそれぞれが敏感に応答する分子の官能基と骨格構造のように、両方の分子振動の変化を同時に追跡することが有意義な場面で極めて有用だと考えられる。また、赤外吸収とラマン散乱スペクトルが互いに相補的な関係にあることを利用した分子の対称性と非対称性に関する基礎研究にも貢献するという。さらには、生体分子の相補的な振動情報を活用し、顕微鏡技術と組み合わせて生体分子を特異的に可視化する技術への適用も期待されるとしている。

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