近赤外分光分析法のプロセスモニタリングへの応用（１）Application of NIR Spectroscopy for Process Monitoring (1)─ 近赤外分光法の特色とハードウエアの概要─
─ Features and Hardware Overview ─
横河電機株式会社 環境機器事業部 営業部 営業技術Gr

大原 寿樹
村田 明弘

TOSHIKI OOHARA, AKIHIRO MURATA
Yokogawa Electric Corporation, NIR Spectroscopy Sales Engineering Group, Environmental & Analytical Products Sales Dept.

１． はじめに本稿は２回の連載より成り、第1回では、近赤外分光分析法の特色と測定を行うハードウエアについて概論的

近赤外分光分析法をプロセスモニタリングに応用するに述べる。第2回では、近赤外分光分析法のポイントとことによって、温度、流量、反応時間などの間接的なパなる検量線の作成方法および近赤外分光分析法の実プラメータではなく、反応進捗度や成分濃度、物性値等のロセスへの応用例を紹介する。本稿がこのクリーンかつ真に必要とされるプロセスパラメータが、リアルタイムに高速で、適用範囲の広い分析法の普及の一助になれば入手できる可能性がひらける。

幸いである。

近赤外分光分析法は水和構造の決定などの基礎研究分野に留まらず、化学プロセス、液晶デイスプレイ・半2．近赤外分光法の特色

導体プロセス、メッキ・エッチングプロセス等における各種化学量・濃度・性状値のオンラインモニター、バッチ反

2.1 近赤外分光分析法とは応工程の終点検知、あるいは品質管理用の測定手段と近赤外分光法は、物質による近赤外の吸収あるいはして注目されており、既に多くのプロセスで実用化され発光に基づく分光法である。いかなる波長域を近赤外ている。とするかは文献により若干の差異が見られるが、800〜2500nm（12500〜4000 cｍ-1）を近赤外域とする場合が多い。また本稿では近赤外励起のラマン分光法等は含まず、主として近赤外吸収スペクトルの応用について述べる。
図２に測定例として、半導体プロセスの洗浄液の近赤外吸収スペクトルおよび検量線作成結果を示す。赤外分光分析ではサンプルの定性に力点が置かれるが、近赤外分光分析では、むしろ構成成分の定量、性状値の予測が主たる応用範囲となる。
2.2 近赤外域の特色
近赤外域に生じる吸収帯のほとんどは、赤外域（4000〜650 cｍ-1）に観測される分子の基準振動の第一倍音、第二倍音、結合音などによるものである。これは近赤外

図1 NR800プロセス用近赤外分析

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域においてもサンプルの官能基、二重結合等につい近赤外分光分析法のプロセスモニタリングへの応用（１）

図2 半導体プロセス洗浄液の測定例て、赤外域とほぼ同様な情報が得られることを意味する。

ができる。

また、近赤外域における有機化合物のモル吸光係数は、②非接触分析、あるいは光ファイバーによる分析も可能

赤外域に比べて数百分の一程度と扱いやすい範囲にあである（危険な環境にプローブを置き、遠隔操作を行るため、透過スペクトル採取時の光路長は1〜10mm程うことも可能である）。オンライン分析に向いている。

度となり、試料の薄膜化あるいは希釈等の前処理は不③絶対定量分析法よりも相対定量分析法が用いられる要となる。すなわち、オンライン測定においても光路長の場合が多い。

再現性の高い測定システムが構築可能であり、近赤外④多成分の同時分析が可能である。

分光法のオンライン測定への導入にあたり大きなメリット⑤化学量のみならず物理量（粉体の粒度、密度、結晶となる。

化度など）の予測もできる。
⑥化学薬品を必要としない、すなわち、環境にやさしい

近赤外分光法の特色についてまとめると以下のとおり分析である。

１）である 。
①エネルギーの低い電磁波を用いるため、試料を損傷3． 近赤外分析計のハ ードウエアすることがほとんどない。非破壊、無侵襲分光法である。
②固体、粉体、フィルム、ペースト、液体、溶液、気体など種々の状態にある試料について適用が可能である。
③近赤外吸収だけでなく、拡散反射、発光、光音響分析法なども利用できる。

まず近赤外スペクトルを採取するハードウエアについて概説する。
赤外分光分析の分野では、回折格子分光法が用いられることは、特殊な例を除いて最近ではほとんどなく、フーリエ 変換分光法（FT-IR）が一般的になっている１）。
これは、①光束の利用効率が高いこと（Jacquinotの優④赤外に比べて近赤外では水の吸収強度がかなり弱く位性）、②全波長を同時に検出しているため、信号の使なるので、水溶液での研究や分析がはるかに容易に用効率が高いこと（Fellgettの優位性）、③波数精度が高なる。

く、高分解能が得られること（Connesの優位性）などのメリットがあるためである。これらのメリットは、近赤外域に以上の特長を活かして近赤外分光分析を行うと、次もそのまま成立するので、将来的には、ほとんどの近赤のような特色のある分析法となる１）。

外分光計は、フーリエ変換近赤外分光光度計になるで①非破壊分析、in situ（あるがままの状態）、in line 分析あろうと思われる１）。なお、農業用や特定の薬液を測定

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図3 プロセス用近赤外分光分析計ＮＲ800のシステム構成する専用器を用途とするフィルター型分光計も多数上市されているが、本稿での解説は省略する。

（２）特長①デュアルファイバー方式の採用：計器本体と測定セル／プローブを結ぶ光ファイバーに対する温度

3.1 近赤外分光光度計の構成

2）等の環境影響をキャンセルするため、開発当初

本項では、国産唯一のプロセス用近赤外分光分析計

より光ファイバーケーブルを2本平行に敷設し、サNR800のハードウエアについて、ポイントになる部分を紹

ンプル光とリファレンス光の測定結果により環境介する。図3にNR800のシステム構成の概要を示す。

変動の影響を取り除く方式を採用している。
②マルチチャンネル：分光器からの光を直接分岐す（１）プロセス計器の要件
プロセス計器は、プラントと同様に24時間365日の続可能となった。機械的な切り替え機構なしで4可用性が求められ、ラボ計器に比べて高度の堅牢チャンネルまでの同時測定が可能である。

性、耐久性が求められる。高度な基本性能を保持③多性状値の同時測定：検量線を最多64本までダすると共に、フィールドに置かれる計器としての基本ウンロードでき、１流路につき12までの性状値演的な要求を満たすことが重要である。また、保守が算を同時に行うことができる。

容易であることも要求される。

図4 ＮＲ800分光計内部の構成

4ることにより、4台までの測定セル／プローブが接THE CHEMICAL TIMES 2005 No.4
（通巻198号）④高い基本性能：測定波長範囲0.9〜2.5μｍ、およ近赤外分光分析法のプロセスモニタリングへの応用（１）び4 cｍ-1の高分解能測定を実現した。
⑤防爆構造：本体については、国内はもとより海外の防爆規格に対しても対応可能である。

（５）InGaAsフォトダイオード
新たに開発した光検出器であるInGaAsフォトダイオードは、広い感度波長範囲を持ち、非常に暗電流の少ないフォトダイオードである。従来のフォトダイオ

（３）分光計の構成分光計の内部構成を図4に示す。本分光計はフーードではカバーできなかった2.0〜2.5μｍの領域にも感度を持つ。図6に感度特性を示す。

リエ変換分光方式を採用しており、干渉計より出射される干渉光を測定光としてサンプルに照射する。
すなわち、干渉計からの出射光は光ファイバーに導かれ二分岐ユニットにより2本に分割される。一方は測定光として測定セル中のサンプルを透過した後、本体に戻り、本機専用に設計された光検出器（PD）に導かれる。残る一方は参照光として、測定セルを経由せずに光検出器に導かれる。この双方の信号をフーリエ変換することでサンプルの吸収スペクトルを得る。
図6 近赤外域用フォトダイオードの感度特性（４）移動ミラー部
図5に移動ミラー部の構成を示す。干渉計では移動ミラー等により光路長を変化させることが必須であ

4． まとめるが、可動部となることから、連続運転における安定性、構成部品の摩耗等に対して十分な配慮が必

第1回目として、近赤外分光分析法の特色とスペクト要である。本機では、移動ミラーの支持に2組の平ルを採取するハードウエアの概要について述べた。次行板バネを組み合わせて用い、VCM（ボイスコイル

回は、近赤外分光分析法を理解するためのキーとなるモータ：スピーカーと同様の駆動方法）
により移動さ検量線の作成と、紙幅の許す限り実プロセスへの応用せることで、摺動部を持たず、耐久性に優れた移例について述べたい。

動ミラーを実現した。フィールドに設置されることを念頭に耐震性についても配慮した。
参考文献
1）尾崎幸洋，河田聡 編：近赤外分光法，15-16，79-80，1996 ，学会出版センター
2）南光智昭，関行裕，本村尚道：近赤外分光分析計 InfraSpec
NR800，横河技報 Vol.45 No.3（2001）p.179
3）尾崎幸洋：分光学への招待−光が拓く新しい計測技術，
1997，産業図書＊近赤外を含む分光学一般に関する入門書

4）尾崎幸洋，宇田明史，赤井俊雄：化学者のための多変量解
析−ケモメトリックス入門，2002，講談社＊化学のための多変量解析についての好著

図5 移動ミラー部

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