【コラム】NIRとIR：その違いとは？
2024/01/08
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近赤外分光法（NIR）に関する本シリーズの第1回では、NIR分光法とは何かについてご説明しました。本記事では、近赤外分光法と赤外分光法（IR）、すなわち一般に中赤外分光法（mid-IR）と呼ばれる手法との違いに焦点を当てます。また、ラボでの分析や工業製造プロセスにおける分析課題に対して、なぜNIR分光法がIR分光法より適している場合があるのかについても解説します。
波長とエネルギーの違い
本シリーズの第1回では、NIR分光法を「近赤外光と物質との相互作用を分析する手法」として説明しました。分光分析では、光はエネルギーではなく波長によって定義されます。この考え方に馴染みがない場合は、本シリーズの第1回記事をご覧ください。
光の波長とエネルギーは反比例の関係にあります。したがって、波長が短いほどエネルギーは高くなります。電磁波スペクトルを 図1 に示します。NIR領域は可視光領域（より高エネルギー側）と赤外光領域（より低エネルギー側）の間に位置し、その波長範囲は780～2500 nmです。
電磁波スペクトルのIR領域およびNIR領域の光は、分子内の特定の部位（官能基と呼ばれる）の振動を引き起こします。そのため、IR分光法とNIR分光法はいずれも振動分光法に分類されます。図2には、NIR領域で応答を示す代表的な官能基および分子を示しています。
IR放射またはNIR光によって引き起こされる振動が異なるのは、NIR領域の波長がIR領域の波長よりも高いエネルギーを持つためです。
赤外領域における振動は基準振動（fundamental vibration）に分類され、これは基底状態から第一励起状態への遷移を意味します。一方、近赤外領域における振動は、結合音（combination band）または倍音（overtone）です。結合音とは2つの振動が同時に励起された状態を指し、倍音とは基底状態から第一励起状態を超える励起準位への遷移を指します（図3）。
これらの結合音や倍音は、基準振動よりも発生する確率が低いため、NIR領域におけるピークや吸収バンドの強度は、IR領域のピークよりも小さくなります。
この違いは、階段を上る動作に例えると理解しやすいでしょう。多くの人は階段を1段ずつ上りますが、急いでいるときには2段や3段飛ばしで上ることがあります。これはIRとNIRの関係に似ています。1段ずつ上る動作（IR：基準振動）は一般的ですが、2段以上を一度に上る動作（NIR：倍音や結合音）はそれほど頻繁には起こりません。つまり、NIR領域の振動はIR領域の振動よりも発生確率が低く、その結果、対応する吸収バンドの強度も低くなります。
NIR分光法がIR分光法より優れている点
上記の理論的な説明から、NIR分光法がIR分光法に対して持つ以下の利点を導き出すことができます。
NIR分光法では吸収バンドの強度が低いため、検出器の飽和が起こりにくい
固体試料の場合、NIR分析では試料をそのままNIR測定用バイアルに入れて測定できます。一方、IR分析では、KBr錠剤を作製するか、試料を全反射減衰法（ATR）の測定窓に慎重に塗布する必要があります。さらに、測定後には装置の洗浄も必要です。
液体試料の場合、NIRスペクトルは直径4 mmまたは8 mmの使い捨てバイアルで測定できます。これらのバイアルは、粘性の高い試料であっても容易に充填できます。一方、IR分析では非常に短い光路長（0.5 mm未満）が必要となるため、高価な石英セルやフローセルを使用しなければならず、試料の充填も容易ではありません。
NIR分光法ではより高エネルギーの光を使用するため、試料への透過深さが大きい
その結果、NIR分光法では赤外分光法のように表面特性だけでなく、試料全体（バルク試料） に関する情報を得ることができます。
NIR分光法は定量分析にも定性分析にも利用できる
赤外分光法は、分子中に特定の官能基が存在するかどうかを確認するための手法として利用されることが多く、主に定性分析に用いられます。一方で、定量分析はNIR分光法が特に得意とする用途の一つ です（後述）。
NIR分光法は汎用性が高い
NIR分光法は、化学物質の定量（水分、API含量など）、化学パラメータの測定（水酸基価、全酸価など）、および物理パラメータの測定（密度、粘度、相対粘度、固有粘度など）に利用できます。各例の無料アプリケーションノートは、以下のリンクからダウンロードできます。
NIR分光法は、化学物質の定量（ 水分、API含量など）、化学パラメータの測定（水酸基価、全酸価など) ）、および物理パラメータの測定（ 密度、粘度、相対粘度 および 固有粘度など）に利用できます。各例の無料アプリケーションノートは、以下のリンクからダウンロードできます。
NIR分光法は光ファイバーに対応しています
これは、長距離でも分散の少ない光ファイバーケーブルと堅牢なプローブを備えた分析装置を使用することで、ラボで開発した測定法をプロセス環境へ容易に移行できることを意味します。一方、赤外線は物理的な制約により、光ファイバーケーブルで伝送することができません。
NIR ≠ IR分光法
要約すると、NIRはIRとは異なる分析手法であり、両者はいずれも振動分光法に分類されるものの、同じ手法ではありません。NIRはIRよりも迅速で取り扱いが容易です。また、試料前処理を必要とせず、試料全体（バルク試料）に関する情報を取得できます。さらに汎用性にも優れており、さまざまな化学パラメータや物理パラメータの定量が可能です。また、プロセス環境への導入にも対応できます。
IR分光法とNIR分光法の主な違いについては、ぜひ動画をご覧ください。
工業製造プロセスにおける近赤外分光分析ガイド
NIR分光法の分光学的な詳細（倍音や結合音など）に加え、多変量データ解析やケモメトリクスについてさらに詳しく知りたい方は、本モノグラフをダウンロードしてください。
