Loading article…
応用分光法とは、さまざまな分光法を応用して、さまざまな元素や化合物を検出・同定し、法医学、医学、石油産業、大気化学、薬理学などの分野における問題を解決することである。
分析によく用いられる分光法はフーリエ変換赤外分光法（FTIR）であり、化学結合は特徴的な赤外吸収周波数または波長によって検出される[ 1 ]。これらの吸収特性により、赤外分析装置は地球科学、環境科学、大気科学において非常に貴重なツールとなっている。例えば、大気ガスのモニタリングは、二酸化炭素、メタン、一酸化炭素、酸素、一酸化窒素を区別できる市販のガス分析装置の開発によって容易になった[ 2 ]。分析できるサンプルは、溶液（KBr）、粉末、フィルムの3種類である[ 3 ]。固体フィルムは、最も簡単で直接的なサンプルタイプの1つである[ 3 ]。
ラマン分光法は、より専門的な用途での利用が拡大しています。ラマン分光法は、無機化合物、鉱物、合成および天然顔料、炭水化物などの分析対象物を定量的に識別するために使用できるもう1つの技術です[ 4 ]。ラマン分光法がIR分光法よりも優れている点の1つは、水がラマンで強く吸収しないため、水性サンプルの分析が容易になることです[ 5 ]。
また、赤外線顕微鏡法などの派生的な方法もあり、光学顕微鏡で非常に小さな領域を分析することができます[ 6 ]。
紫外可視分光法（UV-vis）は、分析対象物が電磁スペクトルの紫外領域または可視領域で強い光吸収を示す場合に使用されます。このような分析対象物は発色団として知られており、芳香族基、共役結合系、カルボニル基などが含まれます[ 7 ]。UV-vis サンプルは通常液体または溶液であり、これらのサンプルはキュベットと呼ばれるサンプルセルに入れられます[ 8 ] 。UV-vis 分光法は、分析対象物のモル吸光係数を決定したり、サンプルの濃度を決定したりできる特性評価および定量アプリケーションで使用されます[ 9 ]。
核磁気共鳴分光法は、特定の環境下で水素原子（プロトンNMR）[ 10 ]や炭素（炭素13 NMR）[ 11 ]などの他の原子を検出することにより、化合物を同定するために使用できます。2次元NMRは、1次元NMRでは得られない追加情報を得るためにも広く使用されています[ 12 ]。一般的な2次元NMR実験には、COSY、NOESY、TOCSY、HSQCなどがあります。NMRは、溶液中の分析対象物の相対濃度を定量的に決定したり、分析対象物の純度を決定したりするためにも使用できます[ 10 ] 。NMRサンプルはNMRチューブで調製され、溶液は重水素化ロック溶媒で作られます。このような溶媒には、-DMSO、CDClそしてDO [ 13 ]。NMRサンプルを準備する際、実験の種類はサンプルの準備と実験パラメータの設定において重要な要素です。NMRサンプルは、NMRはNMRは感度が低いNMR [ 11 ]。
法医学分析において重要な元素分析法の一つに、環境走査型電子顕微鏡（ESEM）で実施されるエネルギー分散型X線分光法（EDX）がある[ 14 ]。この方法は、電子ビームとの相互作用の結果として試料から後方散乱されたX線を分析するものである[ 15 ] 。さらに、自動EDXは、鉱物の識別や組織マッピングのための様々な自動鉱物学技術にも使用されている。
多くの分光分析法では、試料は通常溶液中に存在する必要があるため、特定の試料の分析において問題が生じる可能性がある。法医学的検査においては、検査対象物から固体試料を採取する必要があるため、これは問題となり得る。
核磁気共鳴分光法（NMR）は、医療および製薬業界で多くの用途があります。磁気共鳴画像法（MRI）はNMRの主要な応用例であり、MRIは医療専門家が患者の健康上の問題を調査および診断するために広く利用されているツールです[ 16 ]。製薬業界では、製品の純度の特定と評価は、医薬品の発見、製造、および流通において重要なタスクです[ 17 ]。NMRと電子常磁性共鳴分光法（EPR）は、低分子医薬品、複雑な生物製剤、細胞および遺伝子治療などの医薬品の発見、開発、および製造を改善するために製薬業界で広く役立っています[ 18 ]。
分光法には、定量的および定性的な分析に使用できる多くのツールがあります。特定の技術を選択するかどうかは、実験の種類と分析対象のサンプルによって異なります。FT-IRは、抽出、乾燥、含浸、染色、ブレンドなどのポリマー加工の研究に使用されており、たとえば、超臨界二酸化炭素をPVME、PS、PEG / PVP、PEO / PMMA、PETとともに使用するなど、さまざまな条件下で使用されています[ 19 ]。
UV-Visは、対象となるポリマーの特定の特性を決定するのにも役立ちます。たとえば、UV-Vis分光法は、 ATRPによって合成された、発色団（例えばフルオレン[ 20 ]）が結合したポリマーの数平均分子量Mnを決定するためのGPCの代替方法として使用できます。Mnは、発色団標識ポリマー[ 20 ]の吸光度測定とBeer-Lambertの法則の式を使用して決定されます。
ここで、Aは吸光度、εはモル吸光係数、cは試料の濃度、lは試料の光路長である。[ 21 ]
UV-VisとBeer-Lamberの法則の式は、 RAFTで使用される連鎖移動剤を定量し、目的のポリマーのM nを決定するためにも使用できます[ 22 ]。これは、連鎖移動剤がUV-vis領域で吸収する場合です。
赤外線分光法を用いることで、紫外線による劣化や酸化など、多くのポリマー劣化メカニズムを追跡することが可能であり、その他にも様々な故障モードが観察できる。
多くのポリマーは、鎖構造の脆弱な箇所で紫外線による攻撃を受けます。そのため、ポリプロピレンは酸化防止剤を添加しないと日光でひどくひび割れます。攻撃のポイントは、繰り返し単位ごとに存在する第三級炭素原子で、酸化が起こり、最終的に鎖が切断されます。ポリエチレンも紫外線による劣化を受けやすく、特に低密度ポリエチレンなどの分岐ポリマーはそうです。分岐点は第三級炭素原子であるため、ポリマーの劣化はそこから始まり、鎖の切断と脆化を引き起こします。左の例では、鋳造薄膜からIR分光法によってカルボニル基が容易に検出されました。この製品は使用中にひび割れた道路コーンで、同様のコーンの多くが紫外線防止剤が使用されていなかったために破損しました。
ポリマーは、特に成形加工中に遭遇する高温下では、大気中の酸素による攻撃を受けやすい。押出成形や射出成形などの多くの加工方法では、溶融したポリマーを金型に注入するが、溶融に必要な高温により、予防措置を講じなければ酸化が生じる可能性がある。例えば、前腕松葉杖が突然折れ、その結果として転倒した使用者が重傷を負った[ 24 ]。松葉杖は、装置のアルミニウムチューブ内のポリプロピレン製インサートで折れており、材料のIR分光分析により、おそらく成形不良の結果として酸化していることが示された。
ポリオレフィンのスペクトルにおいてカルボニル基が強い吸収を示すため、酸化は通常比較的容易に検出できます。ポリプロピレンのスペクトルは比較的単純で、カルボニル基の位置にピークはほとんどありません（ポリエチレンと同様）。酸化は第三級炭素原子から始まる傾向があります。これは、この位置のフリーラジカルがより安定しており、より長く存在し、酸素による攻撃を受けやすいためです。カルボニル基はさらに酸化されて鎖が切断され、分子量が低下して材料が弱くなり、影響を受けた領域に亀裂が生じ始めます。
二重結合とオゾンの間で起こる反応は、ガス分子の1つが二重結合と反応するときにオゾン分解として知られています[ 25 ]。
即座にオゾニドが生成され、それが急速に分解して二重結合が切断されます。これは、ポリマーが攻撃される際の鎖切断の重要なステップです。ポリマーの強度は、鎖の分子量または重合度に依存します。鎖の長さが長いほど、機械的強度（引張強度など）が大きくなります。鎖が切断されると、分子量が急速に低下し、強度がほとんどなくなる時点に達し、亀裂が形成されます。新たに露出した亀裂表面でさらに攻撃が行われ、亀裂は着実に成長し、一周して製品が分離または破損します。シールまたはチューブの場合[ 26 ]、デバイスの壁に穴が開いたときに破損が発生します。
生成されるカルボニル末端基は通常アルデヒドまたはケトンであり、これらはさらに酸化されてカルボン酸になる。その結果、亀裂表面には高濃度の元素状酸素が存在し、これはESEMのEDXを用いて検出できる。例えば、半導体製造工場におけるダイヤフラムシールのオゾンによる亀裂の調査中に、2つのEDXスペクトルが得られた。亀裂表面のEDXスペクトルは、一定の硫黄ピークと比較して高酸素ピークを示している。一方、影響を受けていないエラストマー表面のEDXスペクトルは、硫黄ピークと比較して比較的低酸素ピークを示している。
