IRにKBrを使用する理由とは？固体試料からクリアで妨害のないスペクトルを得る

簡単に言えば、臭化カリウム（KBr）がIR分光法に用いられるのは、最も診断に有用な周波数範囲全体で赤外線に対して透明であるためです。この特性により、装置は試料自体の分子振動を測定し、それを保持または含有するために使用される材料の振動を測定することはありません。

その核心となる原理は単純です。物質を光で分析するには、覗き込む「窓」が目に見えないものでなければなりません。KBrは赤外光にとって完全に透明な窓として機能し、試料独自のスペクトル指紋が干渉なしに記録されることを可能にします。

必須要件：赤外線透過性

「IR透過性」とは

分光法では、試料が異なるエネルギーの光をどのように吸収、透過、または反射するかを測定します。結果として得られるスペクトルは、試料の化学結合のユニークな指紋となります。

これが機能するためには、試料を保持する材料（液体セルの窓であろうと固体のマトリックスであろうと）が、同じエネルギー範囲の光を吸収してはなりません。

KBrはイオン性塩です。K-Brイオン結合の振動は非常に低い周波数（遠赤外）で発生し、ほとんどの有機官能基を識別するために使用される標準的な中赤外領域（4000～400 cm⁻¹）よりもはるかに低いです。

KBrの透過窓

自身の吸収が邪魔にならないため、KBrは近紫外から中赤外領域、約400 cm⁻¹まで透明です。

この広くクリアな窓は非常に重要です。それは、ある分子を別の分子と区別する複雑な振動が発生するフィンガープリント領域全体をカバーします。KBrを使用することで、化合物の完全で妨害のないスペクトルを確実に取得できます。

KBrの物理的特性が重要な理由

光学的な透明性に加えて、KBrの物理的特性は、一般的なIRサンプリング技術であるKBrペレットに非常に適しています。

固体状態の「溶液」の作成

多くの試料は固体粉末であり、IRで直接分析することは困難です。KBrペレット法は、固体試料を固体でIR透過性のマトリックスに効果的に溶解させることで、この問題を克服します。

少量の試料を純粋で乾燥したKBr粉末と細かく粉砕します。この混合物をダイに入れ、数トンもの immense な圧力で圧縮して、薄く透明または半透明のディスクを形成します。

可塑性の重要性

KBrは比較的柔らかく、プラスチックのような塩です。圧力下では、その結晶構造が流れ、融合して、破損することなく固体でガラスのようなディスクを形成します。

このプロセスにより、試料がKBrマトリックス全体に均一に分散され、光散乱が最小限に抑えられ、IRビームが通過して正確な測定が可能になります。

トレードオフと限界の理解

KBrはIR分光法の主力ですが、課題がないわけではありません。その主な欠点は重大なものです。

吸湿性の問題

KBrは吸湿性です。つまり、大気中の水分を容易に吸収します。これは、実験室環境における最大の弱点です。

水汚染がスペクトルに与える影響

水（H₂O）は、IRスペクトルにおいて非常に強く幅広い吸収帯を持ち、約3400 cm⁻¹に中心があります。また、約1640 cm⁻¹に曲げ振動もあります。

KBrが水分を吸収している場合、これらの水ピークがスペクトルに現れます。これらは、特にO-HおよびN-H伸縮バンドなどの重要な試料ピークと容易に重なったり、完全に覆い隠したりする可能性があり、不正確な分析につながります。

重要な取り扱いと保管

吸湿性があるため、KBrはデシケーターに保管するか、使用前にオーブンで乾燥させる必要があります。すべての粉砕とペレットプレスは、湿った空気への露出を最小限に抑えるために、できるだけ迅速に行う必要があります。

KBrの一般的な代替品

KBrはペレットに最も一般的ですが、他の材料は異なる用途や技術に使用されます。

塩化ナトリウム (NaCl)

KBrと同様に、NaClは安価でIR透過性の塩です。しかし、その透過窓は小さく、約600 cm⁻¹でカットオフされます。多くの分析に適していますが、低周波数フィンガープリント領域が重要な場合には使用できません。

塩化銀 (AgCl)

AgClはより柔らかい材料で、水に溶けません。これはKBrに対する大きな利点です。しかし、はるかに高価であり、光に敏感な場合があり、一般的に特殊な用途に使用されます。

ZnSe、ダイヤモンド、ゲルマニウム

これらの材料は通常ペレットには使用されません。代わりに、これらは減衰全反射（ATR）と呼ばれる技術で使用される硬く、耐久性があり、水に不溶性の結晶です。ATRは、液体または固体試料を結晶に直接接触させる現代的な代替法であり、最小限の試料調製で済みます。

目標に応じた適切な選択

• 固体有機化合物の日常分析が主な焦点の場合： KBrペレットは、水分管理を注意深く行えば、高品質で全範囲のスペクトルを得るための費用対効果が高く信頼性の高い方法を提供します。
• 水溶液の分析や試料調製を避けたい場合： ZnSeまたはダイヤモンド結晶を使用したATR-FTIRは、より高価ですが、優れた選択肢です。
• 予算が厳しく、全フィンガープリント領域が必要ない場合： NaClプレートまたはペレットは、多くの標準分析においてKBrの実行可能な代替品となり得ます。

最終的に、KBrの広い透明窓、理想的な物理的特性、および低コストの独自の組み合わせにより、固体試料IR分析のデフォルトの標準となっています。

要約表：

主要特性	IR分光法においてなぜ重要か
IR透過性 (4000-400 cm⁻¹)	干渉なしに試料振動を測定するためのクリアな「窓」を提供します。
圧力下での可塑性	固体試料分析用の透明ペレットの形成を可能にします。
費用対効果が高い	日常的な実験室での使用において標準的な選択肢となっています。
吸湿性	スペクトル中の水ピークを避けるために、注意深い取り扱いと乾燥が必要です。

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