ラマン散乱は一般にラマン効果と呼ばれます。これは、散乱エネルギーの形で現れる振動運動に関する分子の分極率の変化を伴う2光子事象です。
レーザー（単一周波数）からの光がサンプルに接触すると、分子の電子雲の分極が変化し、分子は一時的により高い仮想エネルギー状態になります。この仮想状態の寿命は短く、再放出されるエネルギーは散乱光として放出されます。
散乱光には次のようなものがあります。
ラマン散乱とは？
ラマン散乱過程
量子力学で説明されているように、ラマン散乱プロセスは、光子が分子と相互作用するときであり、分子はより高いエネルギーの仮想状態に進む可能性があります。このより高いエネルギー状態から、いくつかの異なる結果が生じる可能性があります。そのような結果の 1 つは、分子が最初の状態とは異なる振動エネルギー レベルに緩和し、異なるエネルギーの光子を生成することです。入射光子のエネルギーと散乱光子のエネルギーの差は、ラマン シフトと呼ばれます。
散乱光子のエネルギーの変化が入射光子より小さい場合、その散乱はストークス散乱と呼ばれます。一部の分子は振動励起状態で始まり、より高いエネルギーの仮想状態に進むと、最初の励起状態よりも低い最終エネルギー状態に緩和する場合があります。この散乱は反ストークスと呼ばれます。
ラマン散乱法
誘導ラマン散乱
誘導ラマン散乱（SRS）は、非線形ラマン分光法のもう1つの例です。誘導ラマン散乱は、過剰な数のストークス光子が存在するか、励起ビームに意図的に加えられると発生します。この波長は、通常のラマンスペクトルの最も強いモードと一致し、その後大幅に増幅されますが、他のすべてのラマン活性モードは抑制されます。
サンプルに非常に強力なレーザーパルスを照射すると、新しい非線形現象が観察されることがわかっています。パルスレーザーによって生成される電界は、連続波（CW）レーザーによって生成される電界よりも約5桁大きいため、有用なラマン散乱に変換される入射光の割合がはるかに大きく、S/N比が大幅に向上します。このため、標準的なストークスラマン分光法よりも検出限界が明らかに低くなります。
表面増強ラマン散乱
表面増強ラマン散乱（SERS）は、微弱なラマン信号を増幅するために使用される方法の1つです。ラマン信号は本質的に弱く、これは検出に利用できる散乱光子の数が統計的に少ないためです。
SERSは、ナノ構造または粗面化された金属表面（一般的に金または銀）を使用します。これらの金属構造のレーザー励起により表面電荷が駆動され、局在プラズモン場（増強された電場）が生成されます。
分子が表面の近くにあり、その結果として電場が増強されると、ラマン信号の大幅な増強が観察され、通常のラマン散乱よりも数桁大きいラマン信号が得られます。これにより、標識後の蛍光測定などのステップをプロセスに追加することなく、低濃度の検出が可能になります。
SERSは、ラボや現場、法医学検査、医療診断など、創薬から分析試験まで幅広いアプリケーションで使用されています。
コヒーレントアンチストークスラマン散乱
コヒーレントアンチストークスラマン散乱（CARS）は、弱い（自発的）ラマン信号を増強するために使用される複数のレーザーの非線形混合プロセスに基づくものです。CARSプロセスでは、ポンプレーザービームとストークスレーザービームが相互作用し、特定の周波数でアンチストークス信号が生成されます。ポンプレーザーとストークスレーザーの周波数差（ビート周波数）がラマン活性振動モードの周波数と一致すると、分子発振器はコヒーレントに駆動されます。これにより、アンチストークス（短波長）ラマン信号が増強されます。
CARS技術の開発から恩恵を得ている2つの分野は、細胞生物学と組織イメージングです。伝統的に、細胞の研究は蛍光分光法を使用して実行されていました。CARSを使用すると、目的の分子を標識することなく、化学的に特異的な同じ情報を収集できるため、サブミクロンスケールの情報を得ることができます。
ストークス/アンチストークスラマン散乱
この図のエネルギー準位図はラマン散乱を示しています。初期状態は通常、基底振動準位状態（v0）と最終状態（v1）です。ラマン散乱では、分子をラマン散乱させるために次の2つのステップが必要です。
- 分子を仮想エネルギー状態に励起する光子エネルギー
- 上昇した基底状態（v1など）への分子の緩和（ラマン散乱）
弾性散乱とも呼ばれるレイリー散乱は、図1に示すように励起周波数が散乱光と等しい場合に発生します（E1=E2）。レイリー散乱では、分子の化学組成に関する情報は得られません。
非弾性散乱とも呼ばれるストークス散乱は、分子の振動エネルギーに図の右側に示すような正味の変化がある場合に発生します（E1>E2）。レイリー散乱とは対照的に、ストークス散乱は分子の化学組成に関する情報を提供します。
ラマン散乱のアプリケーション
結晶多形: 多形は、分子が複数の結晶状態で存在できる場合に発生します。多くの結晶性物質は、特定の熱力学的条件下でそれらの結晶格子エネルギーを最小化するために、さまざまな多形を形成できます。化学的性質が同じままでありながら、物理的特性（溶解度、融解、核形成と成長キネティクス、バイオアベイラビリティ、形態論、分離特性）が多形間で異なる場合があります。ラマン分光法は、晶析プロセスを最適化しながら、形状の違いを記録したり、形状を測定したりするのに最適です。
重合: ラマン分光法は、分子骨格、特に炭素二重/三重結合から（IRよりも）強い信号を提供する傾向があります。このため、ラマンはポリマーの同定や重合反応のモニタリングに適しています。押出化学、重合中の微細構造分析、ポリエチレン密度（LDPE/HDPE）の計算は、ラマン分光法が使用される実用的なアプリケーションのほんの一部です。
化学合成: in situラマン分光法は、赤外分光測定の感度がそれほど高くない化学合成の主要な反応変数（シリコン、チオール、ジスルフィドなど）をモニタリングするのに役立つ技術です。開始、終点、反応速度、過渡的中間体、機構情報などの主要な反応変数は、安全で堅牢なプロセス開発メソッドを確保するために把握し、完全に特性評価する必要がある重要な側面です。
IR分光法とラマン分光法の比較
ラマン分光法は分子分光法の一種で、IR分光法とよく比較されます。これは、どちらも振動遷移から分子の構造と特性に関する情報が得られるためです。ラマン分光法とは対照的に、IR分光法は、入射光の周波数が分子の特定の振動モードの振動周波数と等しい場合に発生する吸収技術であり、光子の吸収（散乱しない）を可能にします。これは、分子の双極子モーメントに関する単一光子事象です。
IRとラマンの両方について、これらの分子固有の遷移をスペクトルとしてプロットすると、調査対象の化合物に固有のパターンまたは指紋が得られます。非対称分子を調べる場合、分子の対称性により、ラマンスペクトルに見られる振動がIRスペクトルに見られない（または弱い）ことや、その逆のことがあります。この挙動は、これらのタイプの相互作用を管理する選択規則にまとめられています。これらの技術によって得られる類似の、しかし独自の分子情報に基づいて、ラマンとIRは補完的な技術であると考えられています。
ラマン分光法の成功の理由は次のとおりです。
非常にコンパクトで安定したダイオードレーザーの使用による励起
迷光の少ない小型化された分光計
レーザー波長からラマン散乱光を選択して分離する（レイリー散乱）効率的で高精度の光学フィルターの設計と製造の進歩
微弱なラマン散乱信号を検出して処理する高性能CCDアレイ
これらの機能は、分析ラボやプロセス開発ラボでラマンが広く受け入れられるようになった機器に活用されています。
ラマン分光計をラボ用自動リアクターと組み合わせることで、晶析や結晶多形の調査に独自の自動化されたワークステーションを提供し、貴重な時間とリソースを節約できます。システム間でデータを共有することで、重要な事象（試薬添加、温度変化、多形転移の開始、転移の終了など）の包括的な概要とレポートを1回の実験で得ることができます。
ReactRaman™ 802L
ラマン分光法をシンプルに
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コンパクトなパフォーマンス
優れた安定性と測定感度を備えたクラス最高の性能を、積み重ね可能なコンパクトなパッケージに収めました。バッチまたはフロー向けにラボのどこにでも導入できます。堅牢な1つのコネクタが一貫した安全性を提供し、心配のない測定を保証します。
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業界標準のiCソフトウェアを反応分析に使用すると、データの取得と分析をすばやく簡単に行うことができます。iCソフトウェアは直交データをシームレスに統合してプロセス変数をリンクさせ、プロセスの包括的な理解を促進します。
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引用と参考文献
学術雑誌におけるラマン散乱
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FAQ（よくある質問）
ラマン散乱の理由は？
ラマン散乱は、単色光（レーザー）の光子が分子と接触するときに発生し、その結果、非弾性光子が放出されます。
レイリー散乱とラマン散乱の違いは何ですか？
ほとんどの光子は、分子と相互作用すると弾性的に散乱します。ごくわずかな割合が、入射光子とは異なる周波数で非弾性的に分散します。レイリー散乱は、分析値を持たない弾性散乱光子を、ラマン散乱は非弾性散乱光子を指します。
誘導ラマン散乱（SRS）とは？
もう1つのタイプの非線形ラマン分光法として誘導ラマン散乱があります。誘導ラマン散乱は、励起ビームにストークス光子が過剰に存在する場合、またはストークス光子が意図的に導入された場合に発生します。この波長は、標準的なラマンスペクトルの最も明るいモードに対応し、大幅に増幅されますが、他のすべてのラマン活性モードはミュートされます。誘導ラマン散乱の詳細をご覧ください。
表面増強ラマン散乱（SERS）とは？
表面増強ラマン散乱は、ナノ構造または粗面化された金属表面（通常は金または銀）を使用して微弱なラマン信号を増幅する方法です。表面増強ラマン散乱について詳しくはこちらへ。表面増強ラマン散乱の詳細をご覧ください。
ラマンの原理とは？
ラマン効果は、入射ビームと同じ波長のレイリー散乱（弾性）と、分子振動によって生じるさまざまな波長でのラマン散乱（非弾性）を含む光散乱に基づくものです。レイリー散乱の強度はラマン散乱の約100万倍です。
ラマン散乱の歴史は？
1928年、C.V. Raman氏とK.S. Krishnan氏が、現在ラマン効果として知られており、ラマン分光法の基礎となっている現象を観察しました。この現象では分子と光子の相互作用が発生し、その後に通常は低エネルギーの非弾性散乱が続きます。一般に、光子は弾性的に散乱します。この1000分の1のエネルギーの非弾性散乱光子はストークス散乱と呼ばれ、分子内の結合に特異的であり、特定の分子構造に固有のスペクトルシグネチャをもたらします。
実験は、太陽光をフィルタリングして単一の色だけを残し、単色光を使用して行われました。1923年には、多くの液体が光の色を非常にわずかに変化させることを発見しました。その後、1927年に、グリセリンによる散乱光で特に強い色の変化を発見しました。ここでは、青色の入射光が緑色に変化しました。最終的に1928年に最初のラマンスペクトルが構築され、その後、レーザー、光学、検出器の分野における材料科学の進歩に応じて多くの工学的な改良が行われました。