【ラマン分光】続・これで解決！基本からノウハウ …...2500 2000 1500 1000 500...

新技術説明会

株式会社堀場製作所

【ラマン分光】

続・これで解決！基本からノウハウまで、

顕微ラマンの疑問にお答えします。

1

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ラマン分光続。これで解決！基本からノウハウまで、

顕微ラマンの疑問にお答えします。

株式会社堀場製作所

アプリケーション開発センター

沼田朋子


講演内容

ラマン分光法と顕微ラマン分光装置

スペクトル測定のポイント

各アプリケーションに応じたアクセサリ紹介

まとめ


876.0

1264.1

1641.5

1461.6

1439.5

1415.4

1294.2

1168.3

1369.4

1128.3

1062.5

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0800 1000 1200 1400 1600

ラマン散乱

Ｅ＝ hν

Ｅ：エネルギーh：プランク定数

ν：振動数

入射光 hν0

分子振動

エネルギー hνi

ν0 ＋νiラマン散乱（アンチストークス散乱）

ν0

レーリー散乱

ν0 －νiラマン散乱

（ストークス散乱）

ラマンスペクトル


ピーク位置ピーク位置

シフト

ピー

ク強

度

ラマンシフト（cm-1）

ピーク半値幅

ピーク位置• 分子振動のエネルギー• スペクトルから化合物の特定

ピーク強度• 濃度 (% レベル)• 分子配向性 (偏光性)

ピーク半値幅• 結晶性

ピークシフト• 応力や歪み測定

Ramanスペクトルから得られる情報


分子構造に敏感

同じ化学式であっても分子構造に差異があると、異なるスペクトルが観測される。

分子特有のスペクトルパターン

o-キシレン

m-キシレン

p-キシレン


結晶構造の違いとスペクトル変化の例

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

200 400 600 800

TiO2

Rutile型

Anatase型

2


Si断面応力測定

-4 000

-3 000

-2 000

-1 000

0

1 000

2 000

3 000

4 000

Inte

nsity

(cn

t/sec

)

516 518 520 522 524 526Raman Shift (cm-1)

_108_109_110_111_112_113_114_115_116_117_118_120_121_122

Si基板断面

中央で応力ゼロ

引っ張り圧縮

試料模式図

4点曲げサンプルホルダ写真

引っ張り、圧縮の応力に応じてピーク位置がシフトする。

シフト量から測定位置の応力値を算出できる。


顕微ラマン分光装置の特長

空間分解能約0.5μm（532nmレーザ使用時）

非破壊非接触

共焦点機構により試料内部の測定が可能

電動XYZステージとの組み合わせによるケミカルイメージング

ラマン分光法を光学顕微鏡と組み合わせる事で微小領域の測定を行うことが可能になる。

LabRAM HR EvolutionXploRA


レイリー光カットフィルタ

共焦点ホールグレーティング

観察カメラ CCD

バンドパスフィルタ分光器スリット

対物レンズ

試料ステージ

PC

レーザ

共焦点顕微ラマン分光装置の構成

LabRAM HR Evolution


400 1000800600200λ/ nm

244 266

325 355

457473488

514532

633 638660

785 830 1064

励起レーザ選択の必要性

レーザの波長（nm）

励起レーザ選択のメリット

蛍光の影響の低減

共鳴ラマンによる高感度測定

試料への潜り込み深さのコントロール

励起レーザのラインナップ

405442


蛍光低減の例

2 000

2 500

3 000

3 500

4 000

4 500

5 000

5 500

Inte

nsit

y (c

nt)

800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000Raman Shift (cm -1 )

36 000

37 000

38 000

39 000

40 000

41 000

42 000

43 000

Inte

nsit

y (c

nt)

800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000Raman Shift (cm -1 )

633nm励起

1064nm励起

Raman shift / cm-1

Raman shift / cm-1 試料：ポリイミド

励起レーザを変えると蛍光の影響を低減できる。


励起レーザ波長とラマンシフトの関係

波長（nm）

0 4000ラマンシフト（cm-1）

488nm励起

785nm励起

400 500 600 700 800 900 1000

-4000

0 4000-4000ラマンシフト（cm-1）

ストークス散乱アンチストークス散乱

3




観察カメラ CCD


対物レンズ

試料ステージ

PC

レーザ


LabRAM HR Evolution


ポイント・マッピング

グレーティング

試料

ＣＣＤ検出器

スペクトルイメージ


マッピングデータの表示方法

ピーク強度分布

ピーク強度比

ピーク位置

半値幅

ピーク面積

多変量解析による成分分布

カーソルでピークを指定するだけで指定のパラメータでイメージが書けます。


多変量解析機能


隕石のマッピング

Description:

Macro map across a sectioned meteorite.

System: XploRALaser: 532 nmGrating: 1800 gr/mmObjective: x10Acq. Time: 0.5 s x 2Step X: 25 µmStep Y: 25 μmNo. pixels: 51,000 (300X x 170Y)

Forsterite 1 Forsterite 2 EnstatiteWhitlockite Anorthite Rhodonite Silicon Carbide




観察カメラ CCD


対物レンズ

試料ステージ

PC

レーザ


LabRAM HR Evolution

4


共焦点光学系

共焦点ピンホール

レンズ

対物レンズ

共焦点光学系を用いて深さ方向分析が可能

共焦点ピンホールは空間フィルターとして働く。サイズ可変のピンホールの径を精密にコントロールすることで分析されるポイントの空間的広がりをコントロールできる。


5000

4000

3000

2000

1000

0

1000 1200 1400 1600

Wavenumber (cm-1)

3000

2500

2000

1500

1000

500

0

1000 1200 1400 1600

Wavenumber (cm-1)

ポリエチレン

ポリエチレン

ナイロン

X = 40 m

ＸＺマッピング

多層フィルムの深さ方向分析

共焦点光学系により、断面出しすることなく深さ方向分析ができる。

ポリエチレンナイロン

Raman shift ( cm-1) Raman shift ( cm-1)

Z = 75 m

対物レンズ


ポリマー中BaSO4 ビーズの3Dマッピング

Description:

BaSO4 beads in HDPE matrix.

System: LabRAM HR EvolutionLaser: 532 nm

Grating: 300 gr/mmObjective: x100

Acq. Time: 0.05 s x 1Step X: 0.2 µmStep Y: 0.2 µmStep Z: 0.2 µmNo. pixels: 13,320

(21X x 21Y x 30Z)

BaSO4

HDPE


講演内容




まとめ


1. サンプリング

2. 対物レンズの選択

3. 観察と測定位置決め

4. レーザの選択

5. グレーティングの選択

6. 露光時間・積算回数の決定

7. 測定の範囲（スペクトルの横軸）の決定

8. データ保存

スペクトル測定の手順


① バルク

大きいものはステージにのる大きさにカットする。

② 粉末

スライドガラス上に少量分取する。この時、試料内でのばらつきが少ないと考えられるものであれば、

スパチュラ半分程度を目安とする。

サンプリング後、凹凸が少なくなるように平らにする。（無理に潰さない）

③ フィルム

カットしてスライドガラスなどに貼り付ける。大きいとレーザの熱により試料が動く可能性があるため。

また、両面テープで固定する時は、粘着材などの影響を避けるために

測定したい位置の下には、テープが無いようにする。

1. サンプリング（1/2）

5


④ 液体

スライドガラスか金属板に1滴とる。量が少ない、粘度が高い、色が付いている場合

蒸発しやすい試料の場合は、カバーガラスで蓋をする。レーザ

凹面鏡

セル

マルチパスセル写真

マルチパスセル（液体測定用ユニット）を使う。

サンプル管に入った試料をそのまま測定する場合は、容器をステージ上に置いて、90度曲げミラー付きレンズユニットを使用する。

⑤ 気体

容器に封入する。

1. サンプリング（2/2）


通常の顕微測定時

高NA（開口数）高倍率のレンズを使う– 微弱なラマン光を効率よく集めるため

– 高い空間分解能（共焦点光学系）を生かす

測定対象、測定波長に合わせて

長作動レンズを使う

波長に合わせてレンズの材質を変える

マクロレンズを使う

θn

Ｎ.A. a = n sin θ

2. 対物レンズの選択


講演内容




まとめ


アプリケーション例

二次電池・・・構造解析、成分分布、in-situ分析

ディスプレイ関連材料・・・異物検査、均一性

半導体材料・・・応力、結晶性、異物検査

生体材料・・・構造解析、成分分布

カーボン材料・・・結晶性、結晶構造

医薬品・・・結晶多形、成分分布

高分子・・・配向性、結晶性、多層構造、成分分布

ラマン分光法は、幅広い分野で活躍している。

b.

アプリケーション掲載Website（英文）http://www.horiba.com/scientific/products/raman-spectroscopy/applications/application-notes-articles/

ラマン分光の応用範囲


多様なアプリケーションに対応するアクセサリ類マッピング用アクセサリ

レーザスキャン機構・・・DuoScan 高速マッピング機能・・・SWIFT

検出器高感度CCD・・・EMCCD 近赤外用検出器・・・IGA・ExIGA

顕微鏡周辺アクセサリ LIB用In-situセル温調ステージ透過Raman測定ユニット観察オプション（透過照明・微分観察・偏光観察・暗視野観察）

光学フィルタ偏光測定超低波数測定ユニット・・・ULF

他分析装置とのコンバイン例レーザー顕微鏡 AFM


Liイオン電池 In situ 分析用セル

電極、電解液、ｾﾊﾟﾚｰﾀなどをセル内に入れて電池を組み、充放電をしながら電極材料が変化する様子を観察できます。

LabRAM HR800に設置した様子

電解液

負極

正極セパレーター

対物レンズ

In situ 分析用セル

6


負極材料の充電に伴うスペクトル変化

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unts

/s)

200 300 400

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unts

/s)

1 400 1 500 1 600 1 700

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

110～410cm-1 1400～1700cm-1

放電

充電

リチウムイオン電池の負極表面を、In-situ分析用セルを用いて密閉状態で充電しながら分析しました。

充電により、Liイオンが負極材であるカーボンへ入り、カーボンの結晶状態を変化させます。充電状態

に応じたカーボンの変化をラマンスペクトルから観察する事が出来ます。


レーザ顕微鏡との複合機

顕微ラマン分光装置（LabRAM HR-800）とレーザ顕微鏡（加熱測定用紫外

レーザ）

ラマン分光装置とレーザ顕微鏡で同一視野が測定できます。

より高分解能名観察画像や表面粗さなどの情報を得る事ができます。

ECCS B310

レーザー顕微鏡（※）とファイバーラマンのコンバイン例

※レーザーテック社製 ECCS B310

ラマン用ファイバープローブ


レーザー顕微鏡との複合機によるLIBの測定


3.616V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.648V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.648V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.678V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.708V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.726V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.76V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.78V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.811V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.861V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.897V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.932V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

3.968V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

4.01V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

4.052V

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

1 500

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unt

s/s)

500

4.114V

レーザー顕微鏡とラマン複合機によるLIBのin-situ測定

LIBの放電時の負極の測定を行いました。

コンフォーカル顕微鏡像により詳細な電極の色変化を観察しながら、各充電状態のラマンスペクトルを測定することができます。


グラフェンE2g1ピークの測定

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unts

/s)

500 1 000 1 500 2 000 2 500

50

100

150

200

250

300 Graphene_on Si_2_point1Graphene_on Si_2_point2

強度比分布2D/GRaman shift (cm-¹)

Inte

nsity

(co

unts

/s)

25 30 35 40 45 50 55 60

15

20

25

30

35

40

45

Graphene_on Si_2_point1_2Graphene_on Si_2_point2_2

42cm-1

36cm-1

graphene/SiO2/Si sub


MoS2の層数測定

Raman shift（cm-1）

Raman shift（cm-1）

顕微鏡観察像

マッピングイメージ指紋領域

低波数領域

7


超低波数測定ユニット：ULF

Raman shift (cm-¹)

Inte

nsi

ty (

coun

ts)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

0

200

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

1 800

2 000

2 200

2 400

2 600

2 800

3 000

cystine 633nm best spectrum-corr

-15

-9

9

15

- 9 cm-19 cm-1

- 8 cm-1 3 cm-1

= 11cm-1

約5cm-1～のラマンスペクトルが測定可能

L-Cystine

633nm

対応波長

•488nm

•514nm

•532nm

•633nm

•785nm

•1064nm

Ultra Low Frequency module : ULF


分光器へ

Laser

透過ラマン測定ユニット

Laser

サンプル

透過ラマンユニット模式図

レーザ照射径4～7mmφ


透過ラマンの医薬品錠剤への応用

2層より構成された錠剤のラマンスペクトル比較

（1層目：propranolol 2層目：mannitol）

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Ram an shif t (cm -1)

Arb

itrar

y sc

ale

backscatter

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Ram an shift (cm -1)

Arb

itrar

y sc

ale

transm ission

顕微ラマンによる各表層から測定したラマンスペクトル

透過型ラマンにより測定

顕微ラマンは高空間分解能のため、表面近傍のスペクトルが得られるが、透過ラマンでは、錠剤全体を反映したスペクトルを測定することができる。

顕微透過


AFMとの複合機

LabRAM HR800とAFMの複合機

（反射）XploRA（倒立顕微鏡）とAFMの複合機

（透過）

XploRAとAFMの

複合機（反射）


RamanとAFMによる同一エリアのイメージング

Raman:Amorphous carbon

Capacitance

Raman:Mono-layer

Raman:Bi-layer

Raman:Tri-layer

Raman:Substrate

Contact Potential Difference

FrictionOptical PhaseTopography

Raman:Defects

XploRAと SmartSPM (AIST-NT)の複合機を用いて

グラフェンのイメージングを行いました。


チップ増強ラマン散乱

強いラマン散乱光

SERSナノスケール観察

AFM

金属ナノ粒子

表面増強ラマン散乱励起光

チップ増強ラマン分光(Tip Enhanced Raman Scattering ：TERS)

高感度化・高空間分解能化

8


ＴＥＲＳナノイメージングの世界

10nm

TERSナノスケール

ケミカルイメージング

試料：酸化グラフェンとカーボンナノチューブ


まとめ

ラマン分光は、その情報量の多さから様々な種類のアプリケーションに対応している。

試料毎に最適なパラメータを設定することで、スペクトルの品質は向上する。

各アプリケーション毎、測定目的毎に最適なアクセサリを選択すると、目的にかなった測定が可能になる。


ラマン分光関連参考図書●教科書

1. 濱口宏夫，平川暁子編：ラマン分光法（日本分光学会測定法シリーズ17）,学会出版センター(1988).

2. 尾崎幸洋編：ラマン分光法,アイピーシー出版部 (1998).3. 古川行夫、高橋正夫、長谷川健編：赤外・ラマン分光法(分光測定入門シリーズ)

,日本分光学会/講談社サイエンティフィック(2009).4. 田中誠之, 寺前紀夫：赤外分光法と分子振動

(機器分析シリーズ、赤外分光法、日本分析学会編), 共立出版 (1993).5. 北川禎三, Anthony T. Tu,ラマン分光学入門 (1988).6. P. R. Carey, 伊藤紘一,尾崎幸洋訳, ラマン分光学－基礎と生化学への応用－,

共立出版(1984).7. 水島三一郎, 島内武彦, 赤外線吸収とラマン効果 (共立全書 129) (1958).8. 実験化学講座６分光Ⅰ Ｐ３１７, 坪井正道, 田隅三生, 濱口宏夫, 林秀則,

西村善文,原田一誠、竹内英夫他、丸善, (1991).9. 田中誠之,赤外・ラマン分析,基礎分析化学講座,日本分析化学会編集,共立出版（1965）

10. E. Smith and G. Dent, Modern Raman Spectroscopy, John Wiley & sons (2005).11. Handbook of Raman Spectroscopy, ed. L. R. Lewis, H. G. M. Edwards (Marcel Dekker, Inc., New

York, 2001), Chap. 2, Evolution and Revolution of Raman Instrumentation.●スペクトル帰属1. D. Lin-Vien, N. B. Colthup, W. G. Fateley and J. G. Grasselli, The Handbook of Infrared and Raman

Characteristic Frequencies of Organic Molecules, Academic Press, Inc.(1991).2. George Socrates, Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies Table and Charts, John

Wiley & Sons Ltd., （2001）.3. E. Smith and G. Dent, Modern Raman Spectroscopy, John Wiley & Sons (2005).


参考帰属表（1/3）





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