【コラム】MIRAはいかにしてモバイル化したか
2020/03/09
記事
情報共有
ハンドヘルドラマン分光計は、他のいかなる分析化学装置とも一線を画す存在です。すべての分光計(例:IR/NIR、UV-Vis、GC/MS、およびラマン)は、物質とエネルギーの相互作用に依存しており、結果として生じる原子・分子の変化についての情報を収集する検出器を備えています。この情報は、さまざまな化学種を定性的および/または定量的に評価するために使用されます。通常、分光計は、実験室で分析者が使用する、コンピュータや他の視覚的表示装置に接続されたベンチトップ型装置です。
古典的なラマン分光計は、このカテゴリーに属します。レーザー、フィルター、検出器、そしてサンプリング用の関連ハードウェアはすべて1台に統合されており、データ処理と表示はその近くで行われます。
他の分光技術との比較については、過去のブログ記事をご覧ください。
ラマンは、多くの点で独特な調査分析技術です。「目に見えるものであれば、ラマンはそれを識別できる」と言われています。
実際、ラマンの強みは、その特異性と組み合わさった、簡便なサンプリング方法です。多くの純粋物質については、サンプル前処理なしで直接分析が可能です。サンプリングは、物質との直接接触、遠隔、あるいは障壁越しに実施することができます。水中の溶質でさえ、直接識別することが可能です。この技術は非常に特異性が高く、ラマンで調査された各材料は固有の「フィンガープリント」スペクトルを生み出します。ラマン分光法は、非常によく似た化合物であっても正確に区別しながら、それぞれの異なる物質を確実に識別することに成功しています。
ラマンスペクトル
ラマンスペクトルには、特定の分子結合性に対応するピークがある範囲にわたって含まれており、これらはサンプルの化学組成を決定するために使用できます。スペクトル範囲は分光計の設計に依存し、分解能と感度のバランスを体現しています。
「フィンガープリント領域」(400~1800 cm⁻¹)は、未知物質の識別や既知物質の検証に使用されます。400 cm⁻¹未満の領域は、鉱物、宝石、金属、半導体の分析に役立ちます。ほとんどの有機材料(例:油、ポリマー、プラスチック、タンパク質、糖・でんぷん、アルコール、溶剤など)については、2255 cm⁻¹を超える情報はラマン応用においてはほとんど有用ではありません。炭素―水素鎖は分子の定性においてほとんど寄与しないためです。
MIRAの測定範囲
の400~2300 cm⁻¹は、以下を含む、ほとんどのラマン応用に最適です:
- 医薬品業界その他の規制産業
- 食品
- パーソナルケア・化粧品
- 防衛・セキュリティ
- プロセス分析
- 材料識別
- 教育・研究
良いものは小さくまとまっている
テクノロジー、分析能力、使いやすさ、正確性―ハンドヘルドラマンは、これらすべてを、実験室の制約を超えたコンパクトな形態に凝縮しています。これはまた、ラマンを全く新しく刺激的な用途に活用する、多くの新しいタイプのユーザーを呼び込むものでもあります。本ブログ記事の残りの部分では、ラマンの小型化につながった構成要素の開発について詳しくご紹介します。続いて、MIRA(Metrohm Instant Raman Analyzers)の製造元であるMetrohm Ramanの起源についての物語をご紹介します。
MIRAを生み出すため、4つの重要な技術革新が結集しました:ダイオードレーザー、専用のフィルターとグレーティング、オンアクシス光学系、そして「非点収差型分光器」と呼ばれる独自設計のCCD(電荷結合素子)です。ラマン分光器のこれらの基本構成要素は、上図に示す通りです。ただし、これはMIRAの筐体内にある独自の幾何学的構造を正確に描写したものではないことにご注意ください!
ラマン分光法は、光(エネルギー)による分子の励起に依存する技術です。1928年のC.V.ラマンによるラマン散乱の発見は、集光された太陽光によって可能になりましたが、その後まもなく、励起用には水銀灯、検出用には写真乾板へと置き換えられました。これにより、単純な分子の構造を決定するための、簡便で普及しやすく効果的な方法が生まれました。
最初の市販ラマン分光計は、1950年代に登場しました。1960年代にレーザーがより入手しやすくなり、続いて1970年代にフィルター技術が改良されると、ラマンは幅広い化学分析のための技術として人気を高めていきました。統合型システムは1990年代に初めて登場し、装置の小型化は2000年代初頭に始まりました。
ラマン分光計の小型化
ダイオードレーザーは、ハンドヘルドラマンへの第一歩でした。ある年代の方であれば、これがCDプレーヤーに使用されていた、小型で低発熱・低エネルギーなレーザーであり、独自の種類の回折格子によって光源が安定化されていたことを覚えていらっしゃるかもしれません。
強力かつ高効率な光学フィルターも、分光器内でのレーザー光の散乱を制御することにより、小型化に貢献しています。携帯電話のカメラによく使用される、高感度で小型な電荷結合素子(CCD)の開発により、ラマン散乱の検出と、処理のためのコンピュータへの結果信号の効率的な伝送が可能になりました。
非点収差型分光器は、ラマン分光計内の多くの構成要素における幾何学的構造と位置合わせの両方を簡素化しました。この設計が、ハンドヘルドラマン開発における最後の技術的進歩でした。
ワイオミングからスイスへ
1990年代までに、さまざまな産業向けに開発された新技術が、ラマン分光法に取り入れられるようになりました。当時、米国ワイオミング州ララミーでは、キース・キャロン博士が、表面増強ラマン散乱(SERS)を専門とする分析化学の教授を務めていました。キャロン博士は既に堅牢なSERS試験法を確立していましたが、彼はこれらの試験法を産業、医療、あるいは防衛・セキュリティ市場に導入する、低コストなラマンシステムを構想していました。彼の次なる一歩が、ラマン分光法に革命をもたらすことになります。
市販の既製部品を使用し、キャロン博士とそのチームは、ラマン分析にかかる高額なコストを解消する経済的なベンチトップ型装置を開発し、大学のカリキュラムでの活用を後押ししました。2000年代初頭、ラマンが高性能用途で使用される専門的な技術から、あらゆる種類の作業に幅広く利用できる技術へと成長するにつれて、研究・教育分野での活況が始まりました。キャロン博士は、ラマンを現代へと導いた立役者です。ある共同研究がポータブルラマンシステムへとつながり、そして最終的には、非常に小型な装置における新しい非点収差型分光器の設計へとつながりました。
2001年9月11日の米国での惨事は、テロ活動を検知する技術への即座の後押しを生み出しました。この頃、炭疽菌騒動もさらに「白い粉」アナライザーの必要性を後押ししました。現場での化学分析が、達成すべき目標となりました。
キャロン博士は、爆発物や他の違法物質の識別のための、真の意味でハンドヘルド型で電池駆動のラマン装置を発明することに着想を得ました。数々の試作を経て、Snowy Range Industriesによって設計された手のひらサイズのラマンシステム(MIRAよりもさらに小型でした!)、CBexが2012年2月に誕生しました。CBexはMetrohm AGの目に留まり、2013年8月、キャロン博士に協業の申し出が送られました。
こうしてMIRAが誕生した
MIRAは2015年に誕生しました。これは単なる新規の分析装置であるだけでなく、ハンドヘルドラマン分光計の中でも独自の存在です。MIRAは、市販されているすべてのラマン装置の中で最小のフォームファクターを持っています。
MIRAを競合製品と本当の意味で一線を画すものにしているのは、その内蔵のスマートアクワイア機能であり、これにより誰もが、どこにいても、高精度な分析結果にアクセスできるようになります。MIRAは頑丈であり、MIL-STD 810GおよびIP67の規格を満たしています―MIRAを落としたり、液体に沈めたりしても、識別を行うことができます。
ラマンが実験室の制約から解き放たれると、たちまち、専門知識を持たない操作者による新たな用途の可能性が生まれ、彼らは高度な分析試験を安全、迅速、かつ正確に実施できるようになりました。
実際、ラマンの小型化は、さまざまな面で安全性に革命をもたらしてきました:
- 直接分析により、実験室用溶剤や他の化学物質への曝露による危険性が排除されます
- 包装越しの分析により、ユーザーが潜在的に有害な物質に接触することが防げます
- 現場での簡便な材料識別により、食品、医薬品、サプリメント、化粧品、スキンケア製品中の成分の品質を検証できます
- 麻薬、爆発物、化学兵器などの違法物質の識別は、軍・民間機関による迅速な対応を支援します
次に何が続くか?
ベンチトップシステムから、今日の私たちが手にするハンドヘルド装置に至るまでの、ラマン技術の進化についての本記事をお楽しみいただけたなら幸いです。私たちは今後も、ハンドヘルドラマン分光法のいくつかの興味深い応用例について詳しく説明する、MIRAについての記事を発表し続けます。以下より、これらの記事の一部をご覧いただけます:
お役立ち情報
MIRAの装置校正、システム検証、および性能バリデーション
本ホワイトペーパーをダウンロードして、MIRA用AIQルーチンについて詳しくご覧ください。
