ラマン分光法とFTIR分光法（フーリエ変換中赤外分光）によって、化学サンプルと生体サンプルの構造と組成に関する分子情報を得ることができます。それぞれの技術を統合し、包括的に解析することで、補完的な情報をもたらします。ただしアプリケーションの性質に応じて、いずれかの技術がより適する場合がよくあります。
a. ラマン分光法は、分子内と分子間の振動に関する情報をもたらします。前者は、分子内における原子の固有振動のスペクトル特性に関する情報をもたらし、物質、形態、分子骨格の構成を特定するために有用です。後者は、低周波数モードに関する情報を提供し、結晶格子構造と多形の形状が反映されます。
b. 赤外分光測定の最大の特徴は、分子内振動が明瞭で、原子の結合に非常に特徴的なスペクトルの「指紋領域」を調査することに優れている点です。
これらの2つの技術の違いを示す実例として、ラマンで固体結晶形を分析し、IRで過飽和などの溶液相特性を同時に測定する、晶析プロセスの調査が挙げられます。
ラマン分光法: ラマン効果は弱く（ラマン散乱は1,000万分の1の確率と言われています）、単色光の光子（レーザー）が分子と相互作用して非弾性光子を放出するエネルギー事象から生じます。
光子が分子と相互作用すると、電子はより高いエネルギー準位に励起されますが（仮想励起状態）、完全な電子遷移は起こりません。さらに電子は、入射エネルギーとは異なる振動エネルギー準位まで緩和します。入射光子のエネルギーと散乱光子のエネルギーとの差をラマンシフトと呼びます。分子と光との相互作用により、分子の電子雲がシフトし分極率の変化が生じます。分子には、分子間結合に関連した特定のエネルギー遷移があり、それにより分極率の変化が生じます。そのような変化はラマン活性モードを引き起こします。ラマンシフトの周波数は励起される結合の種類に関連し、このラマンピークの強度はそれらの結合の数に比例します。
IR分光法: 赤外（IR）分光測定は汎用性が高く、分子の基本振動に対応する周波数で光の吸収を分析しています。強い双極子を持つ官能基ではIRは強いピークを示しますが、弱い双極子を持ち分極性の変化も起こりやすい官能基はラマンで強いピークを示します。
分子内の原子の運動には、原子の結合強度に関連した固有の振動周波数があります。結合の振動の周波数が、赤外線の周波数と等しい場合、結合は放射を吸収します。分子の結合によって吸収される特定のIR周波数により、分子のIRスペクトルが生じます。
以下に、各技術の長所と制約、それぞれに適した反応について概説します。さらに、計装機器類が主なアプリケーション分野にどのような価値をもたらすかについて検討し、詳しい資料として最新のジャーナル記事をご紹介します。
長所: 通常、ラマン分光機器は可視/近赤外領域のレーザーを使用するので、柔軟性のあるシリカ光ファイバーケーブルを使用してエネルギーを伝達し、分子を励起し、散乱放射光を集めることができます。ラマン測定は、接触プローブ（リアクタへの直接挿入）、非接触プローブ（石英、ガラスリアクターの外部から測定）、あるいはフローセル（フロー合成モニタリング）のオプションがあります。発熱、急激な状態変化を伴う触媒分野の研究ではラマンは非常に有効なツールです。ヒドロキシル結合はラマン活性ではないので、水性媒体の反応ではラマン分光法が適しています。
反応解析では、ラマン分光法は特定の官能基やC-C結合に敏感なので、特徴的な分子構造情報が得られます。低周波数のラマンシフトを測定することで結晶格子構造の情報が得られるので、多形の研究には有効な手法です。例えば溶液から結晶を析出させる晶析のようなプロセスでは、結晶成長にともなう構造の変化を分析することが可能です。
制約: ラマン活性では無い化合物も多くありますが、ラマン活性の化合物の中には、近赤外または可視光の波長領域で蛍光を発する場合があります。蛍光は、ラマン散乱よりも信号が数段強く、ラマン散乱光の検出を妨害することが多いため、ラマンでは特に問題になります。
一般的に、ラマンは非破壊的な技術であり、さまざまなサンプル形態（溶液、固体、ゲル、膜など）に対応します。ラマン分光法は非常に特異的な化学情報をもたらし、測定を行う際にサンプル調製を必要としません。
以下のケースのモニタリングにはラマンが適しています。
長所: 吸光分光測定方法として、赤外線信号は強い場合が多く、単変量または多変量解析のような計量化学手法を併用することで定量測定が行なえます。指紋領域における赤外スペクトルを把握することで、FTIR分光法は分子構造の理解に非常に役立ちます。IR分光法のデータベースは非常に充実しているので、化合物の検索と同定が可能です。粒子、気泡などの干渉を受けずに反応溶液の測定を行うため、ATR-IR（中赤外線全反射）測定法が用いられており、反応モニタリングには非常に適しています。赤外線はラマン分光法のように蛍光の影響を受けず、また、サンプルを加熱、熱分解することもありません。ATRのフローセルと接液プローブは、それぞれインライン測定とオンライン測定に使用でき、反応の開始、終了、反応中間体、反応速度など反応の進行に関する情報が得られます。IR分光法の指紋領域におけるスペクトルを解析することで、不安定な中間体や反応中の化学種の同定に非常に役立ちます。
制約: 水分は中赤外線を強く吸収するため、従来の透過IRでは水溶液の測定に問題が生じることがありますが、ATR-IRを使用することでこの問題を緩和できます。ATR-IRにより、溶液に含まれる粒子が測定に影響を与えることなく、溶液相のモニタリングが可能になります。ATRプローブとフローセルでは光路長が短い（最長でも14ミクロン）ので、強い赤外吸光種（DMSO、NCOなど）を容易にモニタリングできますが、従来の透過型IR測定（非直線性測定）ではピークが飽和してしまい測定が難しい場合があります。
一般的に、赤外線は液体サンプル（ATR-IR）に対して効果的に働き、非常に特異的な化学情報をもたらします。また、測定を行う際にサンプル調製を必要としません。
以下のケースのモニタリングにはIRが適しています。
ラマン分光法とIR分光法は、反応中の化学種のリアルタイムなプロファイリングを可能にし、反応の開始点、進行具合、不安定な中間体、終点を追跡します。また、反応速度論データの開発期間を短縮でき、想定した反応機構の検証が行なえます。
いずれの分光測定手法とも、触媒のバルクと表面構造の調査、触媒表面の吸着種の研究、配位子-金属結合の調査、構造活性相関の開発、触媒プロセスの最適化を、生成物の収率、品質、触媒活性に対する反応変数の影響を実測して評価することができます。実際の圧力/温度での評価、フロー内の均一触媒反応を分析はインラインIR/ラマン分光法を活用することで、実行可能となります。
耐薬品性に優れたインラインフローセル（ラマン）とATRフローセル（IR）を使用して、連続的にデータを取得することで、フロー反応の安定性を確認できます。IR分光法とラマン分光法は、フロー合成条件（流速、温度、ガス圧など）のパラメータを変更したときの反応中の成分を追跡することで、プロセス最適化をサポートします。
インラインIR分光法は、晶析工程における母液の濃度変化を測定し、in-situラマン分光法は結晶成長と多形を、溶媒、種晶添加、冷却プロファイル、温度、pHなどの変数に応じて測定します。
インラインIR分光法とラマン分光法は、ダウンストリーム工程での一次捕捉、バッファ交換、精製、バイオコンジュゲーション、調合などの最適化ツールとして活用できます。これらのアプリケーションにリアルタイム分析を活用することで、従来のオフライン分析やグラブサンプングで問題とされていた分析時間による遅延が解消されます。
ラマン分光法は、ポリマーの主鎖構造、鎖長、開環、配座の分析に非常に効果的です。側鎖、長鎖分子の末端基、官能基の分析にはIR分光法を使用します。反応速度論、モノマー反応速度、反応比、活性化エネルギー、反応開始剤の役割、中間体、副生成物の生成についてのデータをすべてリアルタイムで取得でき、反応途中でのサンプリングやオンライン分析は不要となります。反応速度の上昇や高速重合時にオフラインサンプリングで見られる分析データポイントの欠落は、インライン分析を用いることで解消され、再現性が高く、より正確な速度論データを得ることができます。
これらの2つの技術では装置構成やサンプリング技術は非常に似ていますが、詳細を見ると違いがあります。
ラマン分光計はレーザー（通常は可視または近赤外レーザー）を光源に使用しますが、IR分光光度計は一般的に熱放射デバイス（グローバーなど）を使用して中赤外線領域のエネルギーを使用します。
さらに、光学機械システムについては、ラマン分光計が高感度CCD検出器によるホログラフィック回折格子を使用するのに対し、FTIR分光光度計が干渉計を使用して焦電（DTGS）検出器またはより高感度の光子（MCT）検出器によって検出される変調放射を供給する点で異なります。
どちらの技術も、インライン反応モニタリングに光ファイバープローブを使用しています。ラマン分光法の場合、光ファイバーはシリカで構成されており、長さは数メートル（2 m）から数十メートル（50 m超）または数キロメートルに及びます。IRファイバープローブは、カルコゲナイドガラスやハロゲン化銀（AgX）などの中赤外線を透過する材料で構成されており、光ファイバーの材質によるIRエネルギーの自然減衰のために長さが制限されます（4 m未満）。FTIR分光法におけるサンプルとプローブとの接触面は、ダイヤモンドまたはシリコン結晶で作られたATRセンサですが、in-situラマン測定の場合はサンプルとの接触面でサファイアレンズを使いサファイアレンズ表面近傍にレーザーを集光します。
ReactIRとReactRamanは、iCソフトウェアプラットフォームを通じて統合された製品群に含まれており、反応特性を高めるために反応速度論、反応機構、反応経路、などの情報を同時に取得することが可能となっています。
ReactRamanは、非常にコンパクトでプローブとフローセルは入替え可能なシステムとなっています。化学反応と晶析プロセスのインラインモニタリング装置として最適化されています。このシステムでは、785 nmの固体レーザーを使用してサンプルの蛍光を低減し、優れた散乱断面積を維持することでラマン信号を最大化します。レーザーエネルギーは、光ファイバーケーブルとプローブを経由して収集されます。プローブは耐薬品性に優れた材質とサファイアレンズで構成されています。散乱エネルギーは高性能ホログラフィック格子に送られ、さらにCCD検出器がこのエネルギーを捕捉してラマンスペクトルを生成します。
ReactIRは、有機合成反応のモニタリングに特化されたコンパクトなFTIRシステムで、プローブフローセルの取り付けが可能となっており、バッチ合成または連続フロー合成のモニタリングが可能です。FTIR分光光度計は一般に、光源（通常は赤外グローバー）、固定鏡と移動鏡を備えた干渉計、熱または光検出器で構成されています。光源からの広帯域赤外線エネルギーはビームスプリッタにより、2つの異なる光路に分岐します。光路の1つは末端の固定鏡に、もう一方は移動鏡に向かいます。分離された2つの赤外線エネルギーはビームスプリッタに戻り再結合して、干渉による強弱のパターン、インターフェログラムを生成します。この変調された赤外線ビームはサンプルに伝わり、そこでサンプルの分子構造（官能基）に吸収されます。これにより分析対象のIRスペクトルが生成されます。
ReactIRとReactRamanは、高性能なリアルタイム分光法と同等の使いやすさを兼ね備えています。これにより、専門知識の有無を問わずユーザーの誰もが反応を容易に理解できるようになります。
1. 小型でポータブル小型で積み重ね可能なユニットにより、ドラフトチャンバーやグローブボックス内の限られたスペースにも設置することが可能です。
2. 通電するだけで稼働高性能なシステムと最適化された装置構成により、安定したデータを高感度で取得できます。液体窒素などのユーティリティは不要です。
3. ワンクリック分析反応プロファイルとトレンド分析は自動化されており、信頼性の高い情報を1クリックで取得できます。ソフトウェアは直感的に操作でき、生成物の純度に影響する不安定な中間体、主な反応中の化学種を特定し追跡します。
4. 統合された合成プラットフォームiCソフトウェアでは、ワークフローの完全自動化と、合成、晶析、その他のユニット操作のためのプロセスと分析データの統合が可能です。
5. あらゆる種類の化学反応に対応バッチやフローベースの各種オプションにより、高活性の反応物質や試薬でも幅広い条件下で研究開発に利用できます。
Ya Wang, Jun Yu, Yanding Wang, Zhuwen Chen, Lei Dong, Rongming Cai, Mei Hong, Xia Long and Shihe Yang, “in-situ templating synthesis of mesoporous Ni–Fe electrocatalyst for oxygen evolution reaction”, RSC Adv., (2020), 10, 23321.
筆者は、酸素発生反応の電極触媒の作成において、アモルファスメソポーラス微粒子シリカ（MFS）を骨格とし、そこにNi2+とFe3+イオンを拡散させた場合について述べています。X線光電子分光測定との組み合わせでラマン分光法による測定を行ったところ、Ni2+イオンが表面のSi-OH基と共有結合しているのに対し、Fe-Si-O結合はMFS骨格へのFe3+イオン注入により形成されることが示されました。
MFSでは、345～450、575、750、973、1070 cm-1のラマンバンドは、さまざまなSi-O-Si振動とSi-OH伸縮に関連しています。Fe含有量が多い場合、332、495、1163 cm-1のラマンバンドが出現します。これはFe-O-Si種に帰属します。Ni含有量が多いMFSでは、973 cm-1のSi-OH伸縮バンドが減少し、他の新しいバンドは存在しません。これは、Niが表面のSi-OHに結合しており、MFSシリカ骨格の一部ではないことを示しています。このような結合に関する情報を得るためには、より低い周波数の振動を測定できるラマン分光法の機能性が重要であることがわかりました。
Kallakuri Suparna Rao, Fredéric St-Jean, Archana Kumar, “Quantitation of a Ketone Enolization and a Vinyl Sulfonate Stereoisomer Formation Using Inline IR Spectroscopy and Modeling”, Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 945−951.
筆者はReactIRを使用して、2段階のワンポット反応でのケトンエノール化とトシル化による四置換非環式オレフィンの形成を調べました。1685 cm-1でのケトンカルボニルバンドに基づく単変量モデリングにより、ケトンからエノラートへの変換を追跡することに成功しました。さらに、このモデルを用いて出発物質の消費速度を追跡し、反応条件の変化に応じて反応終点を定義しました。
第2段階の四置換ビニルトシラート異性体生成物のE体とZ体の比率を割り出すため、研究者は全スペクトルのインラインIRとオフラインHPLCのデータを用いてPCAとPLSの多変量モデルを構築しました。これらのモデルにより、その後の反応における2つの異性体の相対量を測定することができ、さまざまな条件で得られた反応データを用いてモデルの妥当性が検証されました。
Wanya Li, Peng Shi, Lina Jia, Yanxiao Zhao, Binqiao Sun, Mingtao Zhang, Junbo Gong, Weiwei Tang, “Eutectics and Salt of Dapsone With Hydroxybenzoic Acids: Binary Phase Diagrams, Characterization and Evaluation”, J. Pharm. Sci., (2020), 109(7), 2224-2236.
筆者は、抗生物質ダプソンとヒドロキシ安息香酸コフォーマーとの合成による、新しい多成分固体の形成について述べています。これらの固体の構造と特性について、X線回折、DSC、IR、ラマン測定により求めたところ、2,6-ジヒドロキシ安息香酸（26DHBA）によるDAPの新しい塩と、他のヒドロキシ安息香酸による4つの共晶が形成されていることが示されました。IRとラマン測定により、イオンの相互作用がこの新しい塩で起こることが示唆されました。
DAPと26DHBAの1:1の物理的混合物のIRスペクトルは、2つの個別な化合物のスペクトルから構成される相加スペクトルです。新しいDAP-26DHBA（1:1）生成物のIRスペクトルは、著しい変化を示しています。例えば、1677 cm-1の26DHBAのカルボニルが消失し、1386 cm-1の新しいバンドが生成物のスペクトルに現れ、イオン塩の形成が示されています。DAP-26DHBA（1:1）生成物のラマン測定におけるスペクトル変化は、IRの結果と一致します。さらに、DAP-SAL、DAP-3HBA、DAP-4HBA、DAP25DHBAの共晶のラマンスペクトル（サリチル酸（SAL）、3-ヒドロキシ安息香酸（3HBA）、4-ヒドロキシ安息香酸（4HBA）、2,5-ジヒドロキシ安息香酸（25DHBA）、2,6-ジヒドロキシ安息香酸（26DHBA））は、それぞれの成分のスペクトルと一致し、共晶に新しい結晶相が存在しないことを示しています。
IR分光法
ラマン分光法
ラマン/IR分光法