共焦点顕微鏡ラマン分光法

ラマン散乱は非弾性散乱に属し、研究用ですこうしおよびぶんしの振動パターン、回転モードとシステム内の他の低周波モードのスペクトル技術。その原理を下図に示す1次のように表示されます。

図1 分子遷移エネルギー準位図異なるエネルギー準位遷移は異なるRaman信号に対応する。線の太さは概ね信号の強弱を表している。

散乱物分子が本来基底状態にあると仮定すると、振動エネルギーレベルは図のようになる1を参照してください。入射光が分子に照射されると、励起光と分子の作用分子のぶんきょく分子が光子に虚な吸収を生じたことに相当する速度が変化する，したがって電子遷移へ仮想レベル（仮想エネルギー状態)、仮想準位の電子すぐに下準位への遷移光子を放出する、すなわちさんらんこう。そのほとんどがさんらんこう入射光の周波数と同じである、すなわち、分子と光の相互作用の過程で、エネルギーの移動が発生していない、これは弾性散乱であり、レイリー散乱と呼ばれる、一方、ごく一部の分散光があり、分子や格子との間にエネルギー移動が発生して散乱光の周波数が変化し、この部分の散乱をラマン散乱と呼ぶ。ラマンでスペクトルにおいて、入射光の周波数よりも周波数が小さいスペクトル線をストークスと呼ぶ線、入射光の周波数よりも周波数が大きいスペクトル線を反ストークス線と呼ぶ。

異なる分子や原子団の振動方式が1つであるため、そのラマン散乱光の周波数も特異であるため、ラマンスペクトルは別名“分子指紋”スペクトル。ラマンスペクトルの応用は非常に広く、それは材料の化学成分、化学構造、相と形態、結晶度及び分子相互作用の情報を特徴づけることができ、また、結晶内の不純物、応力、及び温度などの情報を得ることができる。

上述の各応用分野における被検出物のサイズが縮小しつつあり、特にミクロン乃至ナノスケールに入るにつれて、ラマンスペクトルの分析にはその空間分解能の向上が要求されるため、共焦点顕微鏡の顕微鏡増幅機能と共焦点孔を結合することによって共焦点顕微鏡ラマンスペクトル検出技術が誕生するのドメイン制限機能ラマン検出の空間分解能を光学回折限界、すなわちミクロン乃至サブミクロンスケールに高めることができる。図2共焦点顕微ラマンの典型的な光路模式図である

図2 共焦点顕微Raman分光法の原理図

共焦点顕微Raman分光法は3次元分解能を実現でき、マイクロナノスケールの試料を分析できるほか、多層薄膜中の異なる層と界面、透明試料表面下の不純物や汚染物などを分析することができる。

ポイントスキャンまたはフェーススキャンによるマッピング機能、ラマンスペクトルの二次元または3次元イメージング。抽出によるマッピングにおける各点のラマン情報に基づいて、ラマンイメージングはさまざまな材料属性を表示することができる(成分、構造、相、多形態、応力、結晶度)の空間分布を参照してください。

共焦点顕微ラマンスペクトル応用

1.化学分野：

化学結合及び対称分子の振動周波数はすべて特異的であるということで、ラマンスペクトル提供するた分子鑑別としての重要な手段を選択します。たとえば、シオ、Si2O型2,和シ3O型3の振動周波数を同定することができ、赤外分光法及びラマン分光法の配位分析の基礎として並列されている。ラマン変位の大きさ、強度及びラマンピーク形状は化学結合、官能基を同定する重要な根拠である。偏光特性を利用して、ラマンスペクトルは分子異性体の判断の根拠とすることもできる。触媒化学において、ラマンスペクトルは触媒及び表面上の物質の構造情報を提供することができ、また触媒の製造過程に対してリアルタイム分析を行うことができる。ラマン分光法は研究電極である/溶液界面の構造と性能の重要な方法は、分子レベルで電気化学界面構造、吸着と反応などの基礎問題を深く研究し、電気触媒、腐食とめっきなどの分野に応用することができる。

（参考文献：クライツベルグ等,Journal of Power Sources 282.（2015）：294-298）

図3 リーイオン電池シ充放電中の電極のその場Ramanスペクトル

評価中ナ₂S前駆体不純物対Wドーピングナ₃PS₄合成された影響で、ラマンスペクトル分析することができますNa₂S-d に 481、498センチメートル⁻¹に多硫化物（Na₂Sₓ）特徴ピーク、Na₂S-c に 967、1005、1025センチメートル⁻¹に表示されるSOₓ相関ピーク、Na₂S-p に2560センチメートル⁻¹弱いピークがあり、微量を示す NaSH の（精製過程における多硫化物還元生成物）、三者とも207センチメートル⁻¹ある Na₂S きょうしんどうピーク。したがって、他のテクノロジーと組み合わせることで、以下のことを共同で推定できます。Na₂S-c 主な内容SOₓ不純物、Na₂S-d 多硫化物及び微量を含むSOₓ，Na₂S-p この2種類の不純物はほとんどなく、異なる不純物が電解質合成に与える影響を後続研究するために清浄度制御可能な前駆体を提供する。（参考文献：フェリックス シュナウベルト等、Energy Mater。2025年、e03047）

図4 ラマン分光分析商用 Na₂S-c、乾燥処理の Na₂S-d、精製処理の Na₂S-pの構造と不純物分布

2.食の安全

ラマン分光法は、植物油、鉱物油、豚体脂肪を含む牛ショートニング中の異なる濃度の非乳脂肪ドーパントを検出するために用いられる。に774センチメートル−1（パラフィン炭化水素C-C/C-H伸縮）、971 センチメートル−1（CCH面内揺動）、1265 和 1656 センチメートル−1（シス式・RHC=CHR振動）における特徴的なラマンピークは、これらのドーパントを明確に区別することができる。（参考文献：ディニス等,食品制御,2025,178,111481）

図5 .オイル（CG）、鉱物油（MO）、パーム油（PO）、落花生油（Gn0）、綿実油（CSO）豚体脂肪と（PBF）の平均正規化ラマンスペクトル

ラマン分光技術により温室ホウレンソウ硝酸塩の高精度、非破壊的定量モニタリングを実現した，化学計量学モデルを結合し、複雑なスペクトルから硝酸塩濃度と高度に関連する特徴を抽出し、硝酸塩に対する迅速、正確な定量化を実現した正確な農業のために着地可能なソリューションを提供。（参考文献：パオロ等,農業食品研究ジャーナル,2025,21,101839.）

図6 ほうれん草葉のスタックラマンスペクトル

特定の範囲内のスペクトルマーカーは、アントシアニンと炭水化物の振動パターンに由来し、青を正確に区別することができるベリーイチゴ、ラズベリー、ブラックベリーとの細粒度の違い、ラマンスペクトルこれらのベリー分子の組成に関するより深い理解を提供し、将来の食品安全と品質制御の研究に堅固な基礎を築いた，食品業界の品質評価に迅速、無傷、安価な方法を提供している。（参考文献：スティーブン等,Journal of Food Composition and Analysis,2025,137:106898 食品構成と分析ジャーナル,2025,137:106898）

図7 4種類ベリーサンプル抽出モノラマンスペクトル

3.ソリッドステート物理：

原料特性、測定温度及び試料を探すための結晶方位を選択します。たとえば、単結晶、多結晶及び非晶質の区分に対して、ラマンスペクトルの広がりは結晶品質を特徴づけることができ、特定のフォノンモード監視を行い、2次元材料層の数と厚さをすばやく決定また、ラマンスペクトルは固体を監視することができる体の低周波励起、例えばプラズマ、磁気振動子と超伝導ガスの励起。通過ストークス線和反ストークス線強度の比、格子の温度を知ることができる。（参考文献：ビプラブ等,アプリフィスエクスプレス, 7, 022401 (2014)）

図8 窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）のラマンスペクトルを測定し、ここで格子温度は計算によりE2Gモードのストークスと反ストークス線の強度比は出す価値がある。

4.ライフサイエンス

単細胞ラマン分光法は細胞内の核酸、蛋白質、脂質含有量などの大量の情報を提供することができ、細胞を損傷しない条件下でリアルタイムに細胞構造の変化を動的に監視することができ、それによって細胞レベルの疾病診断（例えば癌細胞検査）、細胞薬物処理、単細胞生命活動検査などの分野に応用すべきである。（参考文献：フロイジャー等,科学, 322, 1857 (2008)）

図9 細胞内脂質液滴と細胞核内領域の誘導ラマン散乱スペクトル（左）と誘導ラマンイメージング（右）。

動物細胞のほか、共重合焦ラマン分光法もキュウリ（根、茎、葉組織における細胞壁の化学成分空間分布と構造特徴の無標識、無傷可視化に用いる，同時に分子と形態学レベルで植物細胞壁の複雑な組織構造に供する多次元情報。1598,1621,1658センチメートル⁻¹等位置のピークリグニンであり、1092センチメートル⁻¹（C-C、C-O）しんしゅくしんどう)和1337センチメートル⁻¹（HCC、HCO）へんけいしんどう)のピークを示し、セルロースが細胞壁の主要成分であることを示している，1523,1156,1005センチメートル⁻¹の強いピークためにカロテノイドとくせいピーク。（参考文献：ベウム等,植物 2018, 7, 7）

図10 （A） 根、茎、葉木質部細胞壁の異なる亜区城で採取したラマンスペクトル

リグニン、セルロース、同前卜素異なる場所でのラマンイメージング（B）根（ね）（C）茎（D）葉

5.はんどうたい

ラマン分光法は半導体材料の純度、不純物、欠陥又は汚染物質の分析、化合物半導体中の合金成分、超格子又はヘテロ構造の研究、応力又は歪特性の分析に用いることができる、イオン注入後の半導体の損傷分布、エピタキシャル層の質量、成分、キャリア濃度など。

図11 単独ZnO はナノリングの顕微鏡像（左）、従来のラマンイメージング結果（中）、偏光ラマンイメージング結果（右）。

5.ざいりょうぶんせき

Ramanスペクトルは材料科学において物質構造研究の有力なツールであり、構造解析は、例えば、単けっしょう、多けっしょう、マイクロけっしょう及びアモルファスシリコン及びホウ素化アモルファスシリコン、水素化アモルファスシリコン、ダイヤモンド、クラスダイヤモンドとうたんそざいりょう等;高温耐性材料の相構造を分析し、各種ナノ材料の量子サイズ効果を研究することができ、高分子ポリマーの分子構造と組成、立体規則性、結晶と分子鎖の配向、分子相互作用などを分析した。（参考文献：王等,オプト。お母さんエクスプレス, 10, 1092 (2020)）

図12ReS2分子膜のラマンスペクトルとマッピング。

より多くのRamanスペクトル技術：

1.きょうめいラマンスペクトル

通常、ラマンスペクトルの励起光エネルギーは分子の吸収エネルギー準位または固体中のエネルギーバンドと一致しないため、分子の励起光子の吸収は“虚（きょ）”の吸収、これも本文の最初に指した電子吸収光子の1つへの遷移である“かそうエネルギーじょうたい”しかし、励起光エネルギーが測定対象分子のある電子吸収ピークに接近または重なる場合、この分子のあるまたはいくつかの特徴的なラマンバンド強度は通常のラマンバンドの104倍以上であり、通常のラマン効果では現れにくい、その強度は基本周波数と比較して擬似的な複数段または結合振動スペクトルを観察した。通常ラマンと共鳴増強ラマンの原理を図のように示す3を参照してください。（参考文献：ルーis et al.、テクノロジーがんの治療。 12（4），371 (2013)）

図13 ラマン散乱電子遷移の概略図。（a）通常のラマン散乱、（（b））共鳴ラマン散乱

図14 正常と癌化した乳腺組織の共鳴ラマンスペクトル（532nm励起）

2. 表面増強Ramanスペクトル（SERS）

特殊に調製されたいくつかの金属良導体表面またはゾルにおいて,吸着分子のラマン散乱信号は通常のラマン散乱信号より大幅に増強され、主に以下の2種類の機構に分けられる：。

（1）電磁場増強機構,主に金属表面で表面プラズモン共鳴が発生する,この増強効果は金属ナノ粒子の大きさと形状及び凝集構造と密接に関連している、

（2）化学増強機構は、主にナノ粒子表面の化学活性位の性質を反映し、プローブ分子と金属表面の結合及び分子吸着配向と密接に関連している。

表面増強ラマンはラマンスペクトル感度が低い欠点を克服し、従来のラマンスペクトルでは得にくい構造情報を得ることができ、表面研究、吸着界面表面状態研究、生物サイズ分子の界面配向及び構造、立体研究、構造分析などに広く用いられ、界面における化合物の吸着配向、吸着状態の変化、界面情報などを効果的に分析することができる。（参考文献：クーバ等,ラマンスペクトロスク., 49(9),1426 (2018)）

図15 表面増強Raman散乱原理の概略図。

図16 血液中の生体分子の表面増強Ramanスペクトルのうち、上図は生体分子がガラス基板上で測定したRamanスペクトル、下図は生体分子がナノメートルアグ粒子表面上で測定されたラマンスペクトル。

3 近接場Ramanスペクトル

近接場光学技術の成熟に伴い、近接場走査顕微鏡システムは外光路として、ラマン分光計を結合すると、超分解能の近接場を構成することができるラマン分光分析システム。

近接場Ramanは試料の超分解能の物理的及び化学的情報を同時に得ることができる。Ramanスペクトルはサンプルの化学構造情報を表し、形態図はサンプルの物理情報である。近接場光学走査顕微鏡の特徴と結合して、サンプルの点ごとにラマンスペクトルを収集することができて、ある特定の波数でラマンスペクトル図を形成することができます。単分子レベルでの物質構造の研究を実現することができる。（参考文献：シュタイトナー等,PRL、100、236101（2008年））

図17 近接場ラマン配置の概略図。

図18BCB分子の針先増強と針先増強のないラマンスペクトル。