JAIMA Season 2023

No.19

機器分析が支える、豊かな暮らしと産業のフロンティア

ラマンイメージングを用いた可視化分析

株式会社住化分析センター

千葉ラボラトリー

材料解析グループ
石竹美帆

メージング測定が可能である。以上のような特長

1. はじめにを活かし、ラマン分光法は、半導体、高分子、電物質に光を照射すると、物質表面で光の一部が散乱する。散乱光の多くは入射光と同じ波長のレイリー散乱光であるが、入射光と異なる波長を持つ散乱光がごくわずかに観測され、これをラマン散乱光という。
ラマン分光法では、このラマン散乱光の波長差が物質の分子振動のエネルギーに相当することを池材料、医薬品、生命科学等のさまざまな分野の微細構造解析に広く用いられている。
本稿では、ラマン分光法を用いたイメージング測定の特徴と事例を紹介する。

2. ラマンイメージングによる可視化分析
2-1. ラマンイメージングの測定方法利用して、発生したラマン散乱光を波長ごとに分顕微ラマン分光光度計の装置構成例を図２に示光して検出することで、物質の分子構造や結晶構す。ラマンイメージングは、レーザー光を試料に造などを解析することができる。ラマンスペクト照射して面内を走査し、一定面積の情報を得る方

ルから得られる情報の概要を図１に示す。ラマン法である。イメージング測定により得られた情報

バンドのピーク波数からは化学結合の種類、ピーを二次元あるいは三次元に表示することで、化学ク位置のシフトからは応力・歪み、ピークの幅か結合、結晶構造、濃度などの分布を高い空間分解

らは結晶性、ピークの強度からは濃度や配向など能で可視化することができる。また、共焦点光学の情報が得られる。

系を利用すれば、レーザー光が透過する試料の内部を狙って測定することができ、断面作製することなく深さ方向のイメージング測定を行う、あるピーク強度→ 濃度、配向ピーク位置のシフト→ 応力、歪み

いはガラス窓越しに内部の測定を行うことも可能である。
スリットもしくはピンホール

ピークの幅→ 結晶性

分光器

検出器

フィルタ
Raman shift (cm-1)

レーザー

ピークの位置→ 化学結合の種類

ラマンスペクトルから得られる情報
図図11 ラマンスペクトルから得られる情報

対物レンズ

顕微鏡を組み合わせた顕微ラマン分光光度計を試料用いると、1 μm 以下の微小領域を狙って測定でき、さらに二次元（面分析）あるいは三次元のイ

図２ 顕微ラマン分光光度計の装置構成例

図2

顕微ラマン分光光度計の装置構成例
JAIMA Season 2023 New Year5

イメージング測定手法は大きく分けて２種類あ析するのは限界があることから、統計・多変量解り、試料ステージを移動しながら対象座標を１点析を用いてわずかなスペクトル差を検出、ノイズずつ測定する方法、レーザーをライン状または面除去やスペクトル前処理を行うなどの技術も利用状に広げて試料に照射し、一度に各点のスペクトされており [4]、今後簡便かつ高度なデータ解析がルを得る方法がある。前者は古くから実施されて可能なソフトウェアの発展も期待される。

いる方法であるが、測定に膨大な時間を要する。
これに対し後者は、より短時間で測定ができることに加え、レーザー照射による試料ダメージを低減させる利点もあることから、近年普及が進んでいる。

3. ラマンイメージング事例
3-1. 錠剤表面の成分分布解析
医薬品製剤の多くを占める錠剤には有効成分の他に、賦形剤、崩壊剤、コーティング剤などの添

一方でラマン分光法の大きな課題は、試料から加剤が配合されている。錠剤に含まれる各成分の発生する蛍光妨害である。試料の持つ発光波長が分布や均一性は、製品の安定性や機能性などに影照射レーザー波長付近にあると、微弱なラマン散響を与えることから、各成分の分布を確認するこ

乱光に蛍光が重なることにより、ピークが観測でとが重要である。また、医薬品の有効成分は複数きない。共役系構造を持つ成分や劣化した有機物の結晶構造を持つものが多く、結晶形により活性は、強い蛍光が発生することから注意が必要であが異なる場合があるため、結晶多形の評価が必要る。このような蛍光妨害は、近赤外もしくは紫外となる。ラマン分光法は、1 μm以下の分解能でへのレーザー波長の変更、蛍光退色の確認、スリッ

結晶粒子を狙って測定でき、結晶多形の識別が可トなどの測定条件設定により影響を低減できる場

能であることから、結晶形のスクリーニングにも合があるが、蛍光影響を回避できずピークが検出活用されている[５]。

できない試料に出合うこともしばしばある。

錠剤表面のラマンイメージング測定を行い、各含有成分のラマンバンド強度から得られた成分分

2-2. ラマンイメージングの解析方法

布のイメージ像を図３に示す。図３では、有効成イメージング測定の解析は、他の成分と干渉し分（緑）および賦形剤である乳糖（ピンク）が全体にないラマンバンドや結晶性を反映するラマンバン分布しており、滑沢剤であるステアリン酸マグネドを選択し、強度や半値幅などの値を色付けする

シウム（黄）は２成分と比較して分布量が少ないことでラマンイメージを作成する。特定のポインことがわかる。ラマンイメージにおける各成分のト測定では単一成分と思われていた試料でも、イおおよその面積率を解析した結果、有効成分がメージング測定により複数成分の混合物であるこ58%、乳糖が 37%、ステアリン酸マグネシウムがとが判明する場合があり、見た目では隠れていた５% であった。ラマンイメージから得られる面積情報が得られるという利点がある。

率は、厳密な定量値ではないが、測定面におけるイメージング解析結果の妥当性を確認するには、グループ振動数表 [1] やデータベースとの照各成分の相対量を数値化して比較することができ、錠剤の品質管理や不具合解析に利用できる。

合、赤外分光法など他手法との比較が有用である。
ラマンスペクトルのデータベースは赤外吸収スペクトルと比較して数が少なかったが、近年一定数の化合物が収録されたライブラリも販売されてい有効成分（58 %）乳糖 （37 %）る [2,3]。ただし、未知物質の解析には物足りない（実化が期待される。また、イメージング測定で得10μmられる膨大なデータを、人が網羅的に確認して解6

ステアリン酸マグネシウム （5 %）場合があることから、データベースのさらなる充JAIMA Season 2023 New Year。
）内は各成分のおおよその面積率を示す。

図 3 錠剤表面のラマンイメージ

図3 錠剤表面のラマンイメージ

ラマンイメージングは、電極材料中の活物質・導の特性を利用し、シフト変化量から応力のかかり電助剤等の成分分布、ブレンドポリマーや樹脂中の方と大きさを推定するのに活用されている。ただフィラーの分布、岩石中の鉱物種の分布などの多し、応力評価では、0.1 cm-1 以下のわずかなシフ様な混合物の成分分布解析に適用可能であり [6-8]、ト差を解析するため、高い波数分解能での測定に成分分布解析の有力なツールであるといえる。

加え、標準物質を用いた波数位置の補正およびピークフィッティング解析を行う必要がある。

3-2. 半導体材料の応力分布解析

Micro Electro Mechanical Systems（MEMS）

半導体デバイスは年々小型化・微細化が進んでデバイスを試料とし、内部を露出させた後、センおり、デバイスに応力・歪みが生じると性能不良サ部表面のラマンイメージング測定を行った。図や故障の要因となりうるため、応力の管理が重要

４にセンサ部の光学顕微鏡写真およびラマンイとなっている。応力評価手法は、ラマン分光法のメージを示す。図４（b）および図４（ c）は、520ほか、歪みゲージや X 線回折法（XRD）などがcm-1 付近に観測される単結晶シリコン由来のラ用いられているが、微細なデバイスを評価するにマンバンドについて、標準物質を用いて波数位置は、空間分解能が優れたラマン分光法が適していを補正したシフト変化量のイメージ像を作成し、ると考えられる。ラマン分光法は、非破壊・非接応力分布を可視化したものである。図４（ b）は約触で測定できることに加え、共焦点機能を用いて400 μm 角を測定し、図４（c）は図４（b）の一部深さ方向に測定することで、非破壊で深さ方向のを拡大し、約 80 μm 角でイメージング測定を行っ応力イメージング測定を行うことも可能である。

た。微細構造の形状や位置によって応力のかかり結晶格子に応力がかかると、原子間の結合力が方が異なることがわかり、図４（ c ）のように拡大変化するため、応力がかかっていない状態と比較することで 1 μm以下の空間分解能で応力分布をしてラマンバンドのピーク位置がシフトする。こ解析することができる。

(a) センサ部の光学顕微鏡写真(ｂ) センサ部のラマンイメージ(c) センサ部のラマンイメージ_拡大

白枠は(c)拡大箇所

50 μm

10 μm

50 μm

518 cm-1
引張

520 cm-1
圧縮520.5 cm-1518 cm-1
引張

圧縮

図４ MEMS センサ部の光学顕微鏡写真（a）
およびラマンイメージング
（b）
（c）
,

図4 MEMSセンサ部の光学顕微鏡写真（a）およびラマンイメージ（b）, （c）

ラマンイメージングによる応力分布解析は、今回紹介した半導体デバイスのほか、セラミックスから応力を評価する方法も検討されており [11, 12]、適用材料の拡大が期待される。

や高分子材料にも応用されている [ 9, 10 ]。これまで幅が広いラマンバンドが観測される試料の応力3-3. 高分子材料の結晶性分布解析

評価は難しかったが、ガラスのラマンバンドからポロプロピレン（PP）は、汎用プラスチックと応力分布を解析する方法、シャープなラマンバンして各種製品の筐体や自動車材、包装材料などにドを持つ成分を配合し、その成分のシフト変化量広く使用されている。PP は結晶性高分子であり、JAIMA Season 2023 New Year7結晶化度が高すぎると不透明となり外観が変化す

ンドの強度比のラマンイメージおよびラマンスペることに加え、結晶性の違いにより物性特性も変クトルを図５に示す。PP のラマンスペクトルは、化することから、結晶性の把握が重要となる。

結晶相の規則構造領域に由来する 808 cm-1 付近

高分子材料の結晶性評価には、示差走査熱量のバンド、欠陥構造領域に由来する 841 cm-1 付分析法（DSC）や XRD が一般的に用いられるが、近のバンドが観測される [13]。これらのバンド強これらの手法は一定量の試料が必要であるため、度比（I 808 ／ I 814）と結晶化度に相関があることμmオーダーの微小領域の結晶性評価は困難であを利用して、強度比から結晶性の高低を比較する

る。ラマンは、PP の分子骨格である C-C 伸縮振ことができる。図5（a）は、I 808 ／ I 814 を用いて動に強い活性を有しているため、結晶性バンドのラマンイメージを作成し、I 808 ／ I 814 の値が大き強度や面積を利用し、高い空間分解能での結晶性いほど結晶化度が高いことを示す。ネック部分のイメージングが可能である。

根元から肩方向にかけて徐々に結晶性が変化しており、根元よりも肩付近で結晶化度が低いことがPP 製ボトルのネック部分について、断面作製わかる。

後にラマンイメージング測定を行った。結晶性バ(a)
PP断面のラマンイメージ（a）PP
断面のラマンイメージ(b) ラマンスペクトル（b）ラマンスペクトル808 cm-1：ν(C-C),γ(CH3)840 cm-1 :γ(CH3)

根本付近

肩方向

Raman intensity (a.u.)

結晶化度が比較的高い領域

結晶化度が比較的低い領域

1 mm
200低い

図5

結晶化度

400

高い

600

800

1000

Raman shift (cm-1)

1200

1400図 5 PP 製ボトル断面のラマンイメージ（a）およびラマンスペクトル（b）

PP製ボトル断面のラマンイメージ (a) およびラマンスペクトル (b)ラマン分光法は、ポリエチレンテレフタレート（PET）やポリテトラフルオロエチレン（PTFE）

4. まとめなど多くの結晶性高分子の解析が可能であり、ラマンイメージングを用いた可視化分析についDSC などの他手法との相関を確認することで結て、分析事例を交えて紹介した。ラマンイメージ

晶化度を見積もることも検討されている [14, 15]。

ングは、1μm 以下の高い空間分解能で化学情報

結晶性イメージングは、成形条件が異なる試料のを可視化できる有用な手法のひとつといえる。た

比較や外観不良、劣化などの不具合解析にも役立だし、装置や測定条件により結果が変化する点、つと考えられる。

成分による感度差がある点などの留意事項もあることから、手法および装置の特性を理解し、試料8JAIMA Season 2023 New Year

の構成元素や分子構造も踏まえた上で測定・解析を行う必要がある。また、ラマンでしか得られない知見がある一方、ラマンの結果だけでは解釈が難しい事象も多くあることから、赤外分光法や元素分析、顕微鏡観察などの他の分析手法と組み合わせて解析することも重要となる。複数手法の結果を総合的に解析することで、ラマンで得られた情報を補完することができ、データベースの蓄積にも繋がると考えられる。

（2020）[12] Q. Zhao, R. J. W. Wood, H. D. Wagner, Applied
Physics Latter, 78, 12, 1748-1750（2001）[13]A. S. Nielsen, D. N. Batchelder, R. Pyrz, Polymer（Guildf）, 43（9）, 2671–2676（2002）[14] B. H. Stuart, Vibrational Spectroscopy, 10, 2, 79-87（1996）[15] R. J. Lehnert, P. J. Hendra. N. Everall, Polymer, 36,
12, 2473-2476（1995）

ラマンイメージングは、非破壊・非接触、ガラス越しでも測定可能といった測定上の利点をうまく使うことで、温度や電圧印加などさまざまな条件下での測定や適用試料の拡大が進むと考えられ、先端材料のイメージング技術として今後も発展していくことが期待される。
◎参考文献[1] 濵口 宏夫 , 岩田 耕一 , 分光法シリーズ第 1 巻
ラマン分光法 , 講談社（2015）[2] https://sciencesolutions.wiley.com/solutions/
technique/raman-ja/?lang=ja[3] https://www.stjapan.co.jp/products/429#a10[4] ラマン分光スペクトルデータ解析事例集 , 技術情報協会（2022）[5] 上野 高裕 , 浦上 康司 , 東 篤也 , 梅本 和一 , 神戸 正幸 ,北 村 桂 介 , YAKUGAKU ZASSHI, 125(10), 807-814（2005）[6] H. Fukumitsu, M. Omori, K. Terada, S. Suehiro, The
Electrochemical Society of Japan, 83 (11), 993-006（2015）[7] K. Taksapattanakul, T. Tulyapitak, P. Phinyocheep,
P. Ruamcharoen, J. Ruamcharoen, F. Lagaede, M.
Edely, P. Daniel, Polymer Testing, 57, 107-114 (2017)[8] 鈴木 昭夫 , 近藤 忠 , 大谷 栄治 , 岩石鉱物科学 , 30,241-246（2001）[9] Colomban, P., Advanced Engineering Materials, 4 (8),535-542（2002）[10] 木田 拓充 , 比江嶋 祐介 , 新田 晃平 , 高分子論文集 ,75, 6, 497-506（Nov. 2018）[11] N. Terakado, R. Sasaki, Y. Takahashi, T. Fujiwara, S.
Orihara, Y. Orihara, Communications Physics, 3, 37

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