紫外可視分光法

紫外可視分光法（UV-VisまたはUV-VIS）^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}は、電磁スペクトルの紫外領域の一部と隣接する可視領域全体における吸収分光法または反射分光法を指します。^{[ 2 ]}比較的安価で簡単に実装できるため、この方法はさまざまな応用および基礎アプリケーションで広く使用されています。唯一の要件は、サンプルが UV-Vis 領域で吸収すること、つまり発色団であることです。吸収分光法は蛍光分光法を補完します。測定波長に加えて、関心のあるパラメータは、吸光度（A）または透過率（%T）または反射率（%R）、およびそれらの時間変化です。^{[ 4 ] [ 5 ]}

UV -Vis分光光度計は、試料が吸収する紫外線（UV）と可視光の量を測定する分析装置です。化学、生化学、その他の分野で、さまざまな試料中の化合物を同定および定量するために広く使用されている技術です。^{[ 6 ]}

UV-Vis分光光度計は、試料に光線を照射し、各波長で吸収される光量を測定することで機能します。吸収される光量は、試料中の吸収性化合物の濃度に比例します。

ほとんどの分子やイオンは紫外線または可視光領域のエネルギーを吸収する、つまり発色団である。吸収された光子は発色団内の電子をより高いエネルギーの分子軌道に励起し、励起状態を生じさせる。^{[ 7 ]}有機発色団の場合、π–π*、n–π*、σ–σ*、n–σ*の4種類の遷移が想定される。遷移金属錯体は、不完全に満たされたd軌道に関連する複数の電子状態の存在により、しばしば着色する（つまり可視光を吸収する）。^{[ 5 ]}

UV-VisはDNAの構造変化をモニタリングするために使用できる。^{[ 8 ]}

UV-Vis分光法は、遷移金属イオン、高度に共役した有機化合物、生体高分子など、さまざまな分析対象物や試料の定量分析に分析化学で日常的に用いられています。分光分析は一般的に溶液中で行われますが、固体や気体も対象とすることができます。

• 有機化合物、特に共役度の高いものは、電磁スペクトルの紫外線領域または可視光領域の光を吸収します。これらの測定に使用される溶媒は、水溶性化合物の場合は水、有機溶媒に溶解する化合物の場合はエタノールであることが多いです。（有機溶媒は紫外線を強く吸収する場合があります。すべての溶媒が紫外線分光法に適しているわけではありません。エタノールはほとんどの波長で非常に弱い吸収を示します。）溶媒の極性とpHは、有機化合物の吸収スペクトルに影響を与える可能性があります。たとえば、チロシンは、pHが6から13に上昇するか、溶媒の極性が低下すると、吸収極大とモル吸光係数が増加します。
• 電荷移動錯体も色を呈するが、その色はしばしば強烈すぎて定量的な測定には適さない。

ベール・ランバートの法則によれば、溶液の吸光度は、溶液中の吸光物質の濃度と光路長に正比例します。^{[ 9 ]}したがって、一定の光路長であれば、UV-Vis分光法を用いて溶液中の吸光物質の濃度を決定できます。濃度によって吸光度がどれだけ速く変化するかを知る必要があります。これは、参考文献（モル吸光係数の表）から取得するか、より正確には、検量線から決定することができます。

UV-Vis分光光度計はHPLCの検出器として使用できます。分析対象物の存在は、濃度に比例すると考えられる応答を示します。正確な結果を得るには、未知試料中の分析対象物に対する装置の応答を標準試料に対する応答と比較する必要があります。これは検量線の使用と非常によく似ています。特定の濃度に対する応答（例えば、ピーク高さ）は応答係数として知られています。

吸収ピークの波長は、特定の分子内の結合の種類と相関関係があり、分子内の官能基を決定する上で有用です。例えば、ウッドワード・フィーザー則は、ジエンやケトンなどの共役有機化合物の最も強いUV-Vis吸収の波長_λmaxを予測するために使用される一連の経験的観察です。しかし、スペクトルだけでは、特定のサンプルに対する具体的な検査にはなりません。溶媒の性質、溶液のpH、温度、高濃度の電解質、および妨害物質の存在は、吸収スペクトルに影響を与える可能性があります。分光光度計のスリット幅（有効帯域幅）などの実験的な変動もスペクトルを変化させます。UV-Vis分光法を分析に適用するには、存在する物質を特定するために、これらの変数を制御または考慮する必要があります。^{[ 10 ]}

この方法は、 Beer–Lambertの法則を用いて溶液中の吸収種の濃度を定量的に決定するために最もよく使用されます。^{[ 11 ]}

${\displaystyle A=\log _{10}(I_{0}/I)=\varepsilon cL}$、

ここで、Aは測定された吸光度（形式的には無次元であるが、一般的には吸光度単位（AU）^{[ 12 ]}で報告される）である。${\displaystyle I_{0}}$は、特定の波長における入射光の強度です。${\displaystyle I}$は透過強度、Lは試料を通過する光路長、cは吸収種の濃度です。各吸収種と波長について、εはモル吸光係数または消光係数として知られる定数です。この定数は、特定の溶媒、特定の温度と圧力における基本的な分子特性であり、単位は です。${\displaystyle 1/M*cm}$。

吸光度と消光係数εは、常用対数ではなく自然対数で定義される場合もある。

ビール・ランバートの法則は多くの化合物の特性評価に役立ちますが、すべての物質の濃度と吸収に関する普遍的な関係として成り立つわけではありません。吸収と濃度の間には、有機染料（キシレノールオレンジやニュートラルレッドなど）のような非常に大きく複雑な分子の場合、 2次多項式の関係が見られることがあります^{[ 13 ]}。^{[ 14 ] [ 15 ]}

UV-Vis分光法は、半導体産業において、ウェーハ上の薄膜の厚さや光学特性を測定するためにも使用されます。UV-Vis分光計は光の反射率を測定するために使用され、Forouhi-Bloomer分散方程式を介して分析することで屈折率（${\displaystyle n}$）および消衰係数（${\displaystyle k}$）測定されたスペクトル範囲全体にわたる特定のフィルムの。^{[ 16 ]}

紫外可視分光法で使用される装置は、UV-Vis分光光度計と呼ばれます。これは、サンプル（${\displaystyle I}$）、そしてそれを試料を通過する前の光の強度と比較します（${\displaystyle I_{o}}$)比率${\displaystyle I/I_{o}}$は透過率と呼ばれ、通常はパーセント（%T）で表されます。吸光度、${\displaystyle A}$は透過率に基づいています。

${\displaystyle A=-\log(\%T/100\%)}$

UV-可視分光光度計は、反射率を測定するように構成することもできます。この場合、分光光度計はサンプルから反射された光の強度を測定します（${\displaystyle I}$）、それを基準物質から反射された光の強度と比較します（${\displaystyle I_{o}}$（例えば白いタイル）。比率${\displaystyle I/I_{o}}$これは反射率と呼ばれ、通常はパーセント（%R）で表されます。

分光光度計の基本構成要素は、光源、試料ホルダー、異なる波長の光を分離するための分光器としての回折格子またはプリズム、および検出器です。放射光源としては、タングステンフィラメント（300～2500 nm）、紫外線領域（190～400 nm）で連続発光する重水素アークランプ、 160～2,000 nmで連続発光するキセノンアークランプ、あるいは近年では可視波長用の発光ダイオード（LED）^{[ 4 ]}がよく用いられます。検出器は、一般的に光電子増倍管、フォトダイオード、フォトダイオードアレイ、または電荷結合素子（CCD）です。単一のフォトダイオード検出器と光電子増倍管は、走査型分光器と組み合わせて使用​​され、単一波長の光のみが一度に検出器に到達するように光をフィルタリングします。走査型モノクロメーターは、回折格子を各波長ごとに移動させることで、波長に対する光の強度を測定できるようにします。固定型モノクロメーターは、CCDやフォトダイオードアレイで使用されます。これらのデバイスはどちらも、1次元または2次元のアレイにグループ化された多数の検出器で構成されているため、異なる波長の光を同時に異なるピクセルまたはピクセル群で収集することができます。   

分光光度計には、シングルビーム式とダブルビーム式がある。シングルビーム式の装置（ Spectronic 20など）では、すべての光が試料セルを通過する。${\displaystyle I_{o}}$試料を取り出してから測定する必要がある。これは最も初期の設計であり、現在でも教育機関や産業研究所で広く用いられている。

二光束式測定器では、光は試料に到達する前に2つのビームに分割されます。一方のビームは参照光として使用され、もう一方のビームは試料を通過します。参照光の強度は透過率100%（または吸光度0）とみなされ、表示される測定値は2つのビーム強度の比です。二光束式測定器の中には、2つの検出器（フォトダイオード）を備え、試料光と参照光を同時に測定するものもあります。他の測定器では、2つのビームはビームチョッパーを通過し、チョッパーは一度に1つのビームを遮断します。検出器は、チョッパーと同期して試料光と参照光の測定を交互に行います。チョッパーのサイクルには、1つ以上の暗期間が含まれる場合もあります。この場合、測定されたビーム強度は、比を求める前に暗期間に測定された強度を差し引くことで補正されます。

シングルビーム装置では、溶媒のみを含むキュベットを最初に測定する必要があります。メトラー・トレドは、UV-Vis 範囲で高速かつ正確な測定を可能にするシングルビームアレイ分光光度計を開発しました。光源は、紫外線 (UV) および可視光 (VIS) と近赤外波長領域用のキセノンフラッシュランプで構成され、190～1100  nm のスペクトル範囲をカバーします。ランプのフラッシュは、サンプル溶液を含むキュベットに光ビームを照射するガラスファイバーに集光されます。ビームはサンプルを通過し、特定の波長がサンプル成分によって吸収されます。残りの光は、キュベットの後でガラスファイバーによって収集され、分光器に送られます。分光器は、光を異なる波長に分離する回折格子と、データを記録する CCD センサーで構成されています。このようにしてスペクトル全体が同時に測定され、高速記録が可能になります。^{[ 25 ]}

UV-Vis分光光度法のサンプルはほとんどの場合液体ですが、気体や固体の吸光度も測定できます。サンプルは通常、キュベットと呼ばれる透明なセルに入れられます。キュベットは通常長方形で、一般的に内幅は1cmです。（この幅が光路長になります。 ${\displaystyle L}$（Beer–Lambertの法則において。）試験管は、一部の機器ではキュベットとしても使用できます。使用するサンプル容器の種類は、放射線が対象となるスペクトル領域を通過することを許容する必要があります。最も広く使用されているキュベットは、高品質の溶融シリカまたは石英ガラスで作られています。これらは、紫外線、可視光、近赤外線領域全体で透明であるためです。ガラスおよびプラスチック製のキュベットも一般的ですが、ガラスとほとんどのプラスチックは紫外線を吸収するため、その有用性は可視波長に限定されます。^{[ 4 ]}

特殊な観測機器も開発されている。例えば、望遠鏡に分光光度計を取り付けて天体のスペクトルを測定する装置などがある。紫外線・可視光マイクロ分光光度計は、紫外線・可視光顕微鏡と紫外線・可視光分光光度計を一体化したものである。

より高度な分光光度計を用いれば、目的とする全波長における吸収スペクトルを直接取得できる場合が多い。より簡素な装置では、吸収は波長ごとに測定され、オペレーターによってスペクトルとしてまとめられる。濃度依存性を除去することで、波長の関数として消光係数（ε）を求めることができる。

微小試料の紫外可視分光法は、光学顕微鏡に紫外可視光学系、白色光源、分光器、および電荷結合素子（CCD）や光電子増倍管（PMT）などの高感度検出器を統合することによって行われます。利用できる光路は1つだけなので、これらはシングルビーム装置です。最新の装置は、ミクロンサイズのサンプリング領域の反射と透過の両方で紫外可視スペクトルを測定できます。このような装置を使用する利点は、微小試料を測定できるだけでなく、より大きな試料のスペクトルを高空間分解能で測定できることです。そのため、法医学研究所では、個々の繊維の染料や顔料^{[ 26 ]} 、微細な塗料片^{[ 27 ]} 、ガラス片の色を分析するために使用されています。また、材料科学や生物学の研究、およびビトリナイト反射率を測定することによって石炭や石油の根源岩のエネルギー含有量を決定するためにも使用されています。マイクロ分光光度計は、半導体およびマイクロ光学産業において、薄膜の成膜後の厚さをモニタリングするために使用されます。半導体産業では、回路の重要な寸法が微細であるため、マイクロ分光光度計が使用されます。半導体ウェーハの典型的なテストでは、パターン化されたウェーハまたはパターン化されていないウェーハ上の多くの点からスペクトルを取得します。成膜された膜の厚さは、スペクトルの干渉パターンから計算できます。さらに、紫外可視分光光度法を使用して、薄膜の厚さ、屈折率、および消衰係数を決定できます。^{[ 16 ]}その後、ウェーハ全体にわたる膜厚マップを作成し、品質管理目的で使用できます。^{[ 28 ]}

UV-Vis は化学反応の速度を特徴づけるために使用できます。例として、ジチゾン酸水銀の黄橙色と青色の異性体の変換が挙げられます。この分析方法は、濃度が濃度に線形的に比例するという事実に基づいています。同じアプローチにより、発色団間の平衡を決定できます。^{[ 29 ] [ 30 ]}

燃焼ガスのスペクトルから、燃料の化学組成、ガスの温度、空気燃料比を決定することが可能です。^{[ 31 ]}

• 応用分光法
• ベネシ・ヒルデブランド法
• 色–人間の目による可視分光法 
• 電荷変調分光法
• DU分光光度計– 初のUV-Vis分光計
• フーリエ変換分光法
• 赤外分光法とラマン分光法は、化合物の構造に関する情報を得たり、化合物を同定したりするために用いられる、その他の一般的な分光法である。どちらも振動分光法の一種である。
• 等吸収点― 反応の進行に伴って吸光度が変化しない波長。反応速度測定における対照として重要。
• 近赤外分光法
• 回転分光法
• 傾斜分光法
• 立体異性体の紫外可視分光法
• 振動分光法