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]この方法は比較的安価で簡単に実行できるため、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。測定波長の他に、関心のあるパラメーターは、吸光度（A）または透過率（%T）または反射率（%R）と、それらの時間による変化です。^{[4] [5]}

UV -Vis分光光度計は、サンプルに吸収される紫外線（UV）と可視光の量を測定する分析機器です。これは、さまざまなサンプル中の化合物を識別および定量化するために、化学、生化学、その他の分野で広く使用されている技術です。^[6]

UV-Vis 分光光度計は、サンプルに光線を通し、各波長で吸収される光の量を測定することで機能します。吸収される光の量は、サンプル内の吸収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や可視光線の範囲でエネルギーを吸収します。つまり、それらは発色団です。吸収された光子は発色団内の電子をより高エネルギーの分子軌道に励起し、励起状態を引き起こします。^[7]有機発色団の場合、π–π*、n–π*、σ–σ*、n–σ*の4種類の遷移が考えられます。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、多くの場合、色が付いています（つまり、可視光を吸収します）。^[5]

UV-VisはDNAの構造変化をモニターするために使用できます。^[8]

UV-Vis 分光法は、分析化学において、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またはサンプルの定量分析に日常的に使用されています。分光分析は一般に溶液中で行われますが、固体や気体も研究対象となります。

• 有機化合物、特に共役度の高い化合物は、電磁スペクトルの UV 領域または可視領域の光も吸収します。これらの測定に用いられる溶媒は、水溶性化合物の場合は水、有機可溶性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 UV を著しく吸収する場合があります。すべての溶媒が UV 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及ぼす可能性があります。たとえば、チロシンは、pH が 6 から 13 に増加するか、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生じますが、その色は強すぎるため定量的な測定には使用できません。

ランベルト・ビールの法則によれば、溶液の吸光度は溶液中の吸収種の濃度と光路長に正比例します。^[9]したがって、光路長が固定されている場合、UV-Vis分光法を使用して溶液中の吸収剤の濃度を決定できます。吸光度が濃度とともにどのくらい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）から得ることができますが、より正確には、較正曲線から決定できます。

UV-Vis 分光光度計は、HPLCの検出器として使用できます。分析対象物が存在すると、濃度に比例すると考えられる応答が得られます。正確な結果を得るには、未知の分析対象物に対する機器の応答を標準に対する応答と比較する必要があります。これは、較正曲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 (ピークの高さなど) は、応答係数と呼ばれます。

吸収ピークの波長は、特定の分子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際に役立ちます。たとえば、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 吸収の波長であるλ _{max を}予測するために使用される一連の経験的観察です。ただし、スペクトルだけでは、特定のサンプルに固有のテストにはなりません。溶媒の性質、溶液の pH、温度、高電解質濃度、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) などの実験的変動もスペクトルを変更します。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、ビール・ランバート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（正式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）、は与えられた波長における入射光の強度、は透過光強度、Lはサンプルを通る経路長、cは吸収種の濃度である。それぞれの種と波長について、εはモル吸光係数または吸光係数として知られる定数である。この定数は、特定の温度と圧力における特定の溶媒中の基本的な分子特性であり、単位はである。 ${\displaystyle I_{0}}$${\displaystyle I}$${\displaystyle 1/M*cm}$

吸光度と吸光度ε は、10 を底とする対数ではなく 自然対数で定義されることもあります。

ランバート・ビールの法則は多くの化合物を特徴付けるのに役立ちますが、すべての物質の濃度と吸収に対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2次多項式関係が見られることは、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に時々見られます^[13]。^{[14] [15]}

UV-Vis分光法は半導体産業でもウェーハ上の薄膜の厚さや光学特性を測定するために使用されています。UV-Vis分光計は光の反射率を測定するために使用され、測定されたスペクトル範囲全体にわたる特定の膜の屈折率（）と消衰係数（ ）を決定するためにForouhi-Bloomer分散方程式を介して分析することができます。^[16]${\displaystyle n}$${\displaystyle k}$

ランバート・ビールの法則には、実験的に満たさなければならない暗黙の仮定があり、そうでない場合は法則から逸脱する可能性があります。^[14]たとえば、サンプルの化学組成と物理的環境によって、吸光係数が変わることがあります。したがって、結論が有効であるためには、試験サンプルの化学的および物理的条件が基準測定値と一致している必要があります。世界中で、米国薬局方（USP）や欧州薬局方（Ph. Eur.）などの薬局方は、分光光度計が迷光^[17]や波長精度などの要素を含む厳格な規制要件に従って動作することを要求しています。^[18]

分光光度計のスペクトル帯域幅とは、機器が特定の時間にサンプルを透過する波長の範囲です。^[19]これは、光源、モノクロメータ、その物理的なスリット幅と光学分散、および分光光度計の検出器によって決まります。スペクトル帯域幅は、測定の解像度と精度に影響します。スペクトル帯域幅が狭いほど、解像度と精度が高くなりますが、スペクトル全体をスキャンするのに必要な時間とエネルギーも長くなります。スペクトル帯域幅が広いほど、スキャンが速く簡単になりますが、特に吸収ピークが重なり合うサンプルの場合は、解像度と精度が低下する可能性があります。したがって、適切なスペクトル帯域幅を選択することは、信頼性が高く正確な結果を得るために重要です。

応答の直線性を高めるには、サンプルセルに入射する光の放射源を単色にすることが重要です。^[14]帯域幅が単色（波長の透過単位）に近づくほど、応答はより直線的になります。スペクトル帯域幅は、モノクロメータから放出される光の最大強度の半分で透過される波長の数として測定されます。

達成可能な最良のスペクトル帯域幅は、UV 分光光度計の仕様であり、入射光がどの程度単色化できるかを示します。この帯域幅がサンプル成分の吸収ピークの幅と同等 (またはそれ以上)の場合、測定された吸光係数は正確ではありません。基準測定では、機器の帯域幅 (入射光の帯域幅) はスペクトル ピークの幅より低く保たれます。試験材料を測定する場合、入射光の帯域幅も十分に狭くする必要があります。スペクトル帯域幅を狭めると、検出器に渡されるエネルギーが減り、同じ信号対雑音比を達成するのに長い測定時間が必要になります。

溶液中の分析物の吸光係数は、波長とともに徐々に変化します。波長に対する吸光度曲線、すなわちUV-VISスペクトルのピーク（吸光度が最大になる波長）は、波長による吸光度の変化率が最も低い場所です。^[14]そのため、溶質の定量測定は通常、吸光度のピーク付近の波長を使用して行われ、波長による吸光係数の変化に起因する波長の誤差によって生じる不正確さを最小限に抑えます。

紫外線分光光度計における迷光^[20]とは、モノクロメータによって選択された波長以外の波長の光が検出器に到達することである。これは、例えば、装置内での光の散乱や光学表面からの反射によって発生する。

迷光は、実際に選択された波長の一部ではないにもかかわらず、検出器によって検出された信号に追加されるため、特に吸光度が高い場合に、吸光度測定で重大な誤差を引き起こす可能性があります。その結果、測定され報告された吸光度は、サンプルの実際の吸光度よりも低くなります。

迷光は分析に使用される光の純度を決定する重要な要素です。迷光に影響を及ぼす最も重要な要素はモノクロメータの迷光レベルです。^[14]

通常、UV-VIS 分光光度計で使用される検出器は広帯域で、到達するすべての光に反応します。サンプルを通過する光のかなりの量に、公称値よりもはるかに低い吸光係数を持つ波長が含まれている場合、機器は誤って低い吸光度を報告します。どの機器でも、サンプル濃度の増加が報告される吸光度の増加につながらない点に到達します。これは、検出器が迷光に反応しているだけだからです。実際には、サンプルの濃度または光路長を調整して、未知の吸光度を機器に有効な範囲内に収める必要があります。場合によっては、サンプルの既知の濃度を使用して、機器が非線形になる領域での測定を可能にするために、経験的な較正関数が開発されます。

大まかな目安として、モノクロメータが 1 つ付いた機器では、迷光レベルが通常約 3 吸光度単位 (AU) に相当するため、約 2 AU を超える測定は困難になります。モノクロメータが 2 つ付いたより複雑な機器では、迷光レベルが約 6 AU に相当するため、より広い吸光度範囲を測定できます。

十分に高い濃度では、吸収帯は飽和し、吸収平坦化を示します。吸収ピークが平坦化しているように見えるのは、光のほぼ 100% がすでに吸収されているためです。これが発生する濃度は、測定する特定の化合物によって異なります。この効果をテストするために使用できる 1 つのテストは、測定のパス長を変更することです。ランベルト・ビールの法則では、濃度とパス長を変更すると同等の効果があります。つまり、溶液を 10 倍に希釈することは、パス長を 10 倍に短くすることと同じ効果があります。パス長の異なるセルが利用できる場合、この関係が成り立つかどうかをテストすることは、吸収平坦化が発生しているかどうかを判断する 1 つの方法です。

均質でない溶液は、吸収平坦化現象により、ランベルト・ビールの法則から逸脱することがあります。これは、例えば、吸収物質が懸濁粒子内に存在する場合に起こります。^{[21] [22]}この逸脱は、低濃度で高吸光度の条件下で最も顕著になります。最後の参考文献では、この逸脱を補正する方法が説明されています。

水中の塩化銅(II)のような溶液は、特定の濃度で色のついたイオン（二価銅イオン）の周囲の状態が変化するため、視覚的に変化します。塩化銅(II)の場合、それは青から緑への変化を意味し、^[23]単色測定ではランベルト・ビールの法則から外れることを意味します。

上記の要因は、 UV-Vis分光光度計で得られる結果の測定不確実性に寄与します。UV-Vis分光光度計を定量化学分析に使用する場合、測定される化合物や溶液の性質から生じる不確実性要因によって結果がさらに影響を受けます。これには、吸収帯の重なりによって引き起こされるスペクトル干渉、吸収種の色の退色（分解または反応による）、サンプルと校正溶液間の組成の不一致の可能性などがあります。^[24]

紫外可視分光法で使用される機器は、UV-Vis 分光光度計と呼ばれます。サンプルを通過した後の光の強度 ( ) を測定し、サンプルを通過する前の光の強度 ( ) と比較します。この比率は透過率と呼ばれ、通常はパーセント (%T) で表されます。吸光度、は透過率に基づいています。 ${\displaystyle I}$${\displaystyle I_{o}}$${\displaystyle I/I_{o}}$${\displaystyle A}$

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

UV-可視分光光度計は、反射率を測定するように設定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、それを基準材料 ( ) (白いタイルなど)から反射された光の強度と比較します。この比率は反射率と呼ばれ、通常はパーセンテージ (%R) で表されます。 ${\displaystyle I}$${\displaystyle I_{o}}$${\displaystyle I/I_{o}}$

分光光度計の基本的な部品は、光源、サンプルホルダー、異なる波長の光を分離するモノクロメータとしての回折格子またはプリズム、および検出器です。放射源には、多くの場合、タングステンフィラメント（300～2500 nm）、紫外線領域（190～400 nm）にわたって連続する重水素アークランプ、160～2,000 nmで連続するキセノンアークランプ、または最近では可視波長用の発光ダイオード（LED）^[4]が使用されます。検出器は通常、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、光をフィルタリングして一度に単一波長の光だけが検出器に到達する走査型モノクロメータで使用されます。走査モノクロメータは回折格子を動かして各波長を「ステップスルー」し、その強度を波長の関数として測定します。固定モノクロメータは CCD およびフォトダイオード アレイで使用されます。これらのデバイスは両方とも 1 次元または 2 次元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、異なるピクセルまたはピクセル グループで同時に異なる波長の光を集めることができます。

分光光度計は、シングルビームまたはダブルビームのいずれかになります。シングルビーム機器 ( Spectronic 20など) では、すべての光がサンプルセルを通過します。サンプルを取り出して測定する必要があります。これは最も初期の設計であり、教育研究室と産業研究室の両方で現在でも一般的に使用されています。 ${\displaystyle I_{o}}$

ダブルビーム装置では、光はサンプルに到達する前に 2 つのビームに分割されます。 1 つのビームは参照として使用され、もう 1 つのビームはサンプルを通過します。参照ビームの強度は 100% 透過率 (または 0 吸光度) として取得され、表示される測定値は 2 つのビーム強度の比率です。 一部のダブルビーム装置には 2 つの検出器 (フォトダイオード) があり、サンプルと参照ビームが同時に測定されます。 他の装置では、2 つのビームがビーム チョッパーを通過し、一度に 1 つのビームがブロックされます。 検出器は、チョッパーと同期してサンプル ビームと参照ビームを交互に測定します。 チョッパー サイクルには、1 つ以上のダーク インターバルがある場合もあります。 この場合、比率を取得する前に、ダーク インターバルで測定された強度を減算することにより、測定されたビーム強度を補正できます。

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、190 ～ 1100 nm のスペクトル範囲をカバーする紫外線 (UV) および可視 (VIS) および近赤外線波長領域用のキセノンフラッシュランプで構成されています。ランプのフラッシュはガラスファイバーに焦点を合わせ、サンプル溶液を含むキュベットに光線を照射します。光線はサンプルを通過し、特定の波長がサンプル成分に吸収されます。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、分光器に照射されます。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。したがって、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分光光度計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、内部の幅は一般的に1 cmです。（この幅は、ランベルト・ビールの法則における光路長 になります。）一部の機器では、試験管をキュベットとして使用することもできます。使用するサンプル容器の種類は、対象のスペクトル領域に放射線が通過できるように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できています。これは、これらのガラスがUV、可視、近赤外領域全体で透明であるためです。ガラスやプラスチック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UV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]${\displaystyle L}$

特殊な機器も作られています。これには、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機器が含まれます。UV-可視マイクロ分光光度計は、UV-可視顕微鏡とUV-可視分光光度計を統合したものです。

より高度な分光光度計を使用すると、対象となるすべての波長における吸収の完全なスペクトルを直接生成できる場合がよくあります。より単純な機器では、吸収は一度に 1 つの波長で測定され、その後、オペレーターによってスペクトルにまとめられます。濃度依存性を排除することで、吸光係数 (ε) を波長の関数として決定できます。

顕微鏡サンプルの紫外可視分光法は、光学顕微鏡、紫外可視光学系、白色光源、モノクロメータ、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、これらは単一ビーム機器です。 最新の機器は、ミクロン規模のサンプル領域の反射率と透過率の両方で紫外可視スペクトルを測定できます。 このような機器を使用する利点は、顕微鏡サンプルを測定できるだけでなく、高い空間分解能でより大きなサンプルのスペクトルも測定できることです。 そのため、法医学研究所では、個々の繊維に含まれる染料や顔料、^[26]微細な塗料片^{[27]やガラス片の色を分析するために使用されています。 また、材料科学や生物学研究、および}ビトリナイト反射率の測定による石炭や石油の根源岩のエネルギー含有量の決定にも使用されています。顕微分光光度計は、半導体およびマイクロ光学産業において、堆積後の薄膜の厚さを監視するために使用されています。半導体産業では、回路の重要な寸法が微小であるため、顕微分光光度計が使用されています。半導体ウェーハの典型的なテストでは、パターン付きまたはパターンなしのウェーハ上の多くのポイントからスペクトルを取得します。堆積した膜の厚さは、スペクトルの干渉パターンから計算できます。さらに、紫外可視分光光度計を使用して、薄膜の厚さ、屈折率、消衰係数を測定できます。^[16]その後、ウェーハ全体の膜厚のマップを作成し、品質管理に使用できます。^[28]

UV-Visは化学反応の速度を特徴付けるために適用できる。例としては、水銀ジチゾネートの黄橙色および青色異性体の変換が挙げられる。この分析方法は、濃度が濃度に比例するという事実に依存している。同じアプローチで、発色団間の平衡を決定することもできる。^{[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、空燃比を決定することができます。^[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– 最初のUV-Vis計測器
• フーリエ変換分光法
• 赤外線分光法とラマン分光法は、他の一般的な分光技術であり、通常は化合物の構造に関する情報を取得したり、化合物を識別したりするために使用されます。どちらも振動分光法の一種です。
• 等吸収点- 反応が進行しても吸収が変化しない波長。制御として速度論測定で重要です。
• 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