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近赤外分光法（NIR分光法またはNIRSとしても知られる）は、30年以上にわたり確立されてきた信頼性の高い分析技術です。この手法は、固体および液体の化学的・物理的特性を迅速かつ正確に測定することができます。本シリーズの第1部では、近赤外分光法の基本的な原理を解説し、その利点と幅広い応用可能性についてご紹介します。
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近赤外分光法 (NIR分光法) の仕組みとは？
近赤外分光法 (NIR分光法) は、光と物質の相互作用を分析してスペクトルを生成する技術です。分光法では、光は通常、適用されるエネルギーではなく波長によって記録されます。近赤外分光法 (NIR分光法) は、電磁スペクトルの近赤外領域、すなわち波長780～2500 nmの範囲で機能します。言い換えれば、近赤外分光計 (NIR分光計) は近赤外領域における異なる波長でサンプルからの光の吸収を測定します。近赤外線は中赤外線とは異なる波長範囲であることにご留意ください。これら二つの技術の違いについては、コラム «NIR vs. IR: What is the difference?».で詳しく説明されています。
近赤外分光法 (NIR分光法) は二次的な技術です。つまり、最初に予測モデルを作成する必要があります。これは高速液体クロマトグラフ法(HPLC) と比較することができます。HPLCを用いて物質を特定または定量する場合、まずその物質の標準溶液を調製し、測定して検量線を作成する必要があります。
近赤外分光法 (NIR分光法) も同様です。まず、滴定などの一次方法で得られた既知の濃度または既知のパラメータ値を持つ複数のスペクトルを測定する必要があります。これらのスペクトルを用いて、ケモメトリクス (計量化学) ソフトウェア (例えば., the Metrohm Vision software) で予測モデルを作成します。その後、未知サンプルのルーチン分析を開始することができます。予測モデルの作成方法については、コラム «How to implement NIR spectroscopy in your laboratory workflow». で詳細に説明しています。
近赤外分光法 (NIR分光法) は、特定の官能基である-CH、-NH、-OH、および-SHに対して特に感度が高い特性を持っています。そのため、水分含量（水分）、水酸基価、酸価、およびアミン含量など、さまざまな化学パラメータを定量するのに理想的な手法です。
さらに、光と物質の相互作用はサンプル自体のマトリックスにも依存しており、その結果、粒子サイズ、密度、固有粘度、およびメルトフローレート(MFR) などの物理的およびレオロジカル (流動的) なパラメーターを検出することが可能です。
固体・液体サンプルの測定方法
近赤外分光 (NIR) 技術の利点を理解するためには、まず近赤外 (NIR) スペクトルの測定方法を理解することが重要です。近赤外 (NIR) 分光法により、さまざまな種類のサンプルを分析できます。サンプルの種類に応じて、実験者はそれに合わせた装置構成が必要となります。
透明な液体から不透明なペーストや粉体まで、さまざまなサンプルに対応した複数の測定方法があります。適切な測定方法、サンプリングモジュール、およびアクセサリーを選択することは、堅牢な近赤外 (NIR) による分析手法を開発する上で最も重要な段階です。以下では、異なるサンプルタイプに対する各方法（拡散反射、拡散透過、透過、および透過）を説明します。
固体サンプルの測定方法
拡散反射： クリーム、ペースト、顆粒、粗粉末、微粉末
近赤外 (NIR) 光がサンプルに浸透し、相互作用します。未吸収の近赤外 (NIR)エネルギーは検出器に反射します。この手法は、サンプルの準備を必要とせずに固体サンプルを測定するのに最も適しています。
拡散透過：錠剤およびカプセル
拡散反射と同様に、近赤外 (NIR) 光がサンプルに浸透し、相互作用します。この光は、粒子との相互作用によってサンプル全体に散乱されます。未吸収の近赤外 (NIR) 光は、検出器に到達する前にサンプルを透過します。この手法は、サンプルの準備を必要とせずに固形剤を測定するのに最も適しています。
固体サンプルの測定例
固体サンプル（例：粉末）は、こちらに示すように、適切なバイアルに安全に入れられ、光学窓の上に置かれます。
下から近赤外(NIR)光を照射します。サンプルによっては一部反射され、同様に下に配置されている検出器に到達します。45秒後、測定が完了し、測定結果が表示されます。この反射光にはすべての関連するサンプル情報が含まれているため、この測定技術は拡散反射と呼ばれています。
液体サンプルの測定方法
透過： 液体とゲル
この測定方法は、透過と反射の組み合わせです。サンプルの後ろには反射板が配置されています。この反射板は未吸収のNIR光を検出器に反射させます。この手法は、液体サンプルを測定するのに最も適しています。
透過： 液体
こちらでは、サンプルが近赤外 (NIR) 光源と検出器の間に配置されます。NIR光はサンプルを透過し、未吸収のNIRエネルギーは検出器に向かいます。この手法は、透明な液体溶液や懸濁液を測定するのに最も適しています。
液体サンプルの測定例
図から明らかなように、液体サンプルの近赤外 (NIR) 分析では、試料ホルダーにバイアルまたはキュベットを挿入する必要があります。開始ボタンを押すと、45秒後に測定結果が得られます。
この場合、近赤外(NIR)光は検出器に到達する前に溶液を通過します。この測定技術は透過法として知られています。
近赤外分光法 (NIR分光法) の利点
近赤外(NIR)スペクトルを得る手順は、近赤外分光法の主な利点であるサンプル測定の簡便さと早さを示しています。以下に、これらを含む近赤外(NIR)分析のその他の利点を示します。
- 高速測定 - 1分以内に測定結果が得られる.
- サンプルの前処理が不要 - 固体も液体もそのままの状態で測定が可能です.
- サンプルあたりのコストが低い - 試薬や溶媒が不要です.
- 環境にやさしい技術 - 廃棄物をだしません.
- 非破壊 - 貴重なサンプルは分析後に再利用できます.
- 操作が簡単 - 経験の浅いユーザーでもすぐに測定ができます.
近赤外分光法 (NIR分光法) のアプリケーション
近赤外分光法 (NIR分光法) は多目的な技術であり、化学的および物理的パラメータの分析に用いられます。近赤外 (NIR) 分析は、化学、ポリオール、ポリマー、食品、飼料、製薬、パルプ、製紙、塗料、石油化学、および石油燃料の分野で用いられています。一般的に、近赤外(NIR)測定装置は品質保証および品質管理、原材料の同定または化学組成の定性・定量、プロセス制御およびリアルタイム反応モニタリング、およびスクリーニングに用いられています。
近赤外分光法 (NIR分光法) のアプリケーションはアプリケーション・ファインダーでもご覧いただけます：
近赤外分光法(NIR分光法)は、固体および液体の化学的および物理的特性を信頼性高く測定する分析手法です。この迅速な手法は、実務経験のないスタッフのルーチン分析を成功裏に導入できます。
近赤外分光法(NIR分光法)の概要を把握しましたら、どのように簡単にあなたのラボのワークフローに組み込むかを学んでいただけたらと思います。
How to implement NIR spectroscopy in your laboratory workflow
参考資料
Learn more about our NIR spectrometers for lab and process analysis, as well as Raman solutions
A guide to near-infrared spectroscopic analysis of industrial manufacturing processes
倍音やコンビネーションバンド、多変量データ解析、ケモメトリックス(計量化学)など、近赤外分光法の分光学的な詳細については、このモノグラフをダウンロードしてください。
