【アプリケーションノート】一体型FT-IR 顕微鏡LUMOS による微小試料の分析

Bruker Optics Application Note 一体型 FT-IR 顕微鏡 LUMOS による微小試料の分析 はじめに 装置 顕微赤外分光法は、FT-IR 単体では測定できない微小 測定に用いた LUMOS (図１)は、FT-IR分光計と顕微 物や複雑な構造をもつ試料の分析において有用な手法の 光学系を一体化した顕微 FT-IR専用機で、主な仕様は以 ひとつです。顕微 FT-IR を用いることで、その高い空間分 下のとおりです。 解能を活かした局所的な赤外スペクトル分析が可能とな n本体サイズ： 30 x 64 x 52 cm (W x H x D) り、試料上の任意の部位の化学情報を得ることが可能と n試料観察： 標準視野 1.5 mm x 1.2 mm なります。したがってこの手法は、各種工業製品の品質 デジタルズーム機構付 CCDカメラ 管理や科学捜査、生物医学領域における組成分析など、 n測定モード : 透過、反射、ATR (Ge) 様々な分野において活用されています。対象試料は、繊 全モードでマッピング対応 維、塗料片、混入異物、複合材料（ラミネート、錠剤など）、 n対物鏡 : 8倍カセグレン型 NA= 0.6 (観察時 0.4) 生体組織など多種多様であり、様々な応用が期待できま ワーキングディスタンス： 30 mm す。例えば、パッケージング材料の各層の化学組成を分 測定時 /観察時のNA自動切替機構装備 析したり、電子部品上の微小異物やゴム材料に局在する nコンデンサ : 8倍電動式、自動焦点調整機能付き 不純物を同定したりすることが可能です。 n ATR プリズム : ピエゾ制御式 ゲルマニウム (Ge) ここでは、ブルカー・オプティクスが新たに提案する 接触圧力 3段階切替機構付 一体型 FT-IR 顕微鏡、“LUMOS（” ルーモス） による顕微 n視野絞り : 可視光透過型、電動 3軸アパーチャ 分析の実例を紹介します。 n試料ステージ : XYZ 電動式 測定最大エリア： 75 mm x 50 mm 全測定モードでマッピングに対応 nソフトウェア : OPUS / LUMOS (図 2 参照 ) 図 2. OPUS ウィザード - 測定ポイントの設定の様子 OPUS / LUMOS では、画面上の試料の可視観察像を観察しながら、 測定ポイントやアパーチャのサイズを簡単に指定することが可能で 図 1. フルオート、オールインワン FT-IR 顕微鏡 LUMOS す。アパーチャの大きさは、試料のサイズにあわせて自由に設定することが可能で、それぞれのアパーチャサイズごとにバックグランド スペクトルの測定もすべて自動的に実行されます。

アプリケーション例 1 そこで、黒い斑点とその周辺部の違いを比較・解析する さらに、マッピングデータ上の、ワニスの各層に対応す SMD チョーク上の汚染物質の同定 ために、2つの黒い斑点を含むエリアについて、反射モー るエリアから抽出したスペクトルを個々に観察することで、 製品を構成する部品の汚染や異物の ドによりラインマッピング測定を行いました（連続 20ポイ それぞれの成分について、より詳細な解析が可能となりま 混入は、言うまでも無く、その品質と ント）。その結果を図 4 に示します。ここでは、黒色斑点の す。たとえば、緑色の層の成分については、抽出したスペ 性能に悪影響を及ぼします。特に、小 領域のスペクトルにおいて顕著に見られた 1650 cm-1 近傍 クトルをスペクトルライブラリ検索に掛けることで、その主 型化が進むマイクロエレクトロニクスの のバンドについて、その積分強度の分布の状態を可視化し、 成分が市販塗料である “Finadur 781” に近いものである 分野では、ますますその脆弱性が顕著 試料の可視像に重ねあわせて汚染の様子を示しています。 ことが判明しました。ワニスをはじめとする塗料片の迅速 となっており、ごくわずかな異物でも さらに測定により得られた各スペクトルを解析した結果、 な成分分析は、法科学等の分野で非常に重要です。 無視することはできません。たとえば、 汚染の原因となっている未知の物質がタンパク質の一種で アプリケーション例 3 汚染された表面実装デバイス (SMD) は、ハンダ付けの あることが判りました。タンパク質の濃度は、明らかに黒 図 5. 可視像に重ね合わせたワニスの薄切片の RGB 画像。測定は透 塗料片の ATR 測定 不良に伴いリーク電流を発生するなど、最終的に様々な い斑点上で高くなっており、こうして収集した情報により、 過モードで実施しています ( 空間分解能 10 μm x 10 μm)。 3つ目の例として、積層構造を持つ塗料片の化学組成 トラブルの原因になる可能性があります。異物や汚染物 汚染源の特定と問題の解決を実現することができました。 分析について紹介します。この試料は非常に柔らかく、透 質の定性が最大の関心事となります。 過測定が可能な厚みの切片に調製することができません 構造がより複雑化・微細化された電子素子の場合にお でした。このように厚みを持った試料に対しては、顕微 いては、たったひとつの微粒子によってデバイスがまったく ATR モードが非常に有効です。LUMOSでは、測定位置 動作しなくなるなど、その影響はますます大きくなります。 はもちろん、各測定ポイントにおける測定エリアの大きさ 汚染源を排除するためには、その化学的性質を知るこ （＝アパーチャの大きさ）を自由に設定することが可能で、 とが不可欠です。FT-IR 顕微鏡を使用することで、マイク それぞれのアパーチャサイズにあわせたバックグランドス ロメートルオーダーの汚染物質や異物の同定が可能とな ペクトルの測定もすべて自動的に実行されます。ここで紹 ります。ひとつの例として、SMD チョークのはんだ接点 介する測定においても、試料を構成する 8つの層について、 上の汚染物質を分析した事例を示します。 それぞれの厚みに合わせてアパーチャのサイズを設定し、 図 6. スペクトル検索による緑色の層の定性解析。スペクトルライブ 連続自動測定を行いました。波数分解能は 4 cm-1、積算 ラリ検索の結果、緑色の層は市販エナメル塗料 " Finadur 781 " と同 回数は 32 回としました。 様の成分から構成されていると推測されました。 測定によって得られた各層のスペクトルのうち、特徴的 スペクトルマップは、試料片に含まれる 3つの成分（第 1 な 4つの層に対応するスペクトルを 図 7 に示します。図 図 4. 汚染部のスペクトルにみられるアミド I バンドの積分値（面積強 層、第 2層、包埋材）に特徴的なバンドの強度をもとに 7-左の、試料の顕微鏡像に重ねあわせで示される赤枠は、 度）により、汚染の様子を可視化。右側のスケールに従って色分け した積分値を SMD チョーク接点の可視像と重ね合わせています。 マップを構築し、さらにそれぞれの成分に対して 1色ずつ 測定時のアパーチャの大きさに相当します。赤枠内の丸い 割り当て、その相対量を RGB像として示しています。こ スポットの色は、右図に示した各スペクトルの表示色に対 のようにすることで、着目する化学成分の空間的な広が 応します。得られたスペクトルは、厚みが 20 μm を切る アプリケーション例 2 ワニス被膜の透過マッピング測定 りの様子を簡単に把握することができます。この測定デー 白色の薄層を含め、各層の成分の違いを明瞭に現してお タにおいても、各層の化学的な組成の違いを高い空間分 り、このことは LUMOSの ATRマッピング機能の精度の 2番目の例として、2層構造のワニス被膜片の分析を示 解能で明確に描出しており、可視観察像と良い一致を確 高さと、複雑かつ微細な構造をもつ試料の分析において、 します。測定に先立ち、試料を樹脂包埋し、さらにミク 認することができました。 非常に有効であることを示しています。 ロトームを用いて切片を調製しました。多くの有機化合物 は赤外光に対して強い吸収を与えるため、吸収の飽和を 避けるためにも最適な厚みの試料を準備することが重要 となります。 調製した試料切片について、透過モードによるエリ アマッピング測定を行いました。LUMOSでは、内蔵 CCDによりキャプチャされた試料の可視観察像の上でマ ウスを操作するだけで、測定エリアを簡単に指定するこ 図 3. SMD チョーク不良品の接点部を撮影した可視像。 とが可能です。ここでは、測定点のサイズ、すなわち空 間分解を規定する視野絞りアパーチャのサイズを 10 μ チョークの面積はおよそ -1 3.0 mm x 2.5 mm、高さは m x 10 μmとし、波数分解能 4 cm 、各測定ポイントで 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 2 mm 程度です。LUMOS の可視光用対物鏡による観察 の積算回数を 12回（約 6秒）として測定を実行しました。 Wavenumber cm-1 では、ひとつの接点上に幾つかの黒い斑点状の物質が見 その結果を、図 5に示します。この図では、試料の 図 7. 左）試料塗装片の断面像。測定ポイントと視野絞りアパーチャのサイズを重ねて表示。右）測定により得られた代表的な赤外スペクトル。 られます (図 3)。その大きさは、直径 50 μm 程度です。 可視像にスペクトルマップを重ね合わせて示しています。 左図の各測定ポイントの色は、右図に示されているスペクトルの表示色に対応します。

アプリケーション例 4 図 8 に、透過マッピング法で得られたデータを示しま 生体試料の赤外スペクトルマッピング す。ここでは、試料片の 870 μm x 705 μm のエリアに 顕微赤外分光法は、生体試料の分析においても有用な ついて、空間分解 15 μm x 15 μm、波数分解 8 cm-1、 手法です。生体組織を構成する化学成分の分析において 積算時間 1.5 秒 /ポイントの条件を用い、合計 2,726本 は、着目する成分と特異的に反応する試薬等を用いて染色 （58 x 47）のスペクトルを連続的に測定しました。図 8で し、その着色の様子を “間接的に”観察する方法が一般的 は、組織に含まれる脂質成分に由来する1740 cm-1 近傍 です。これに対して顕微赤外分光法では、赤外スペクトル のバンド強度の分布を可視化し、試料可視顕微鏡像と重 がもたらす化学情報をもとに、それぞれの成分をダイレク ね合わせて表示しています。細胞の一つひとつが鮮明に トに捉えることが可能となります。ここでは、シンプルなデ 見て取れ、さらにスペクトルマップからは、予想された通 モンストレーションとして、赤外スペクトルマッピング法によ り、脂質二重層が含まれる細胞壁の内側で脂質の濃度が る玉ネギの組織小片に関する測定結果を紹介します。 高くなっていることが容易に確認できました。 まとめ 各種工業製品に発生する不具合の原因特定において、 異物や汚染物質の同定は、非常に重要です。また、科学 捜査の分野では、事故や事件の現場に残された繊維や 塗料等の断片に関する分析の結果が、重要な証拠となる 場合があります。さらに、多層ポリマーや生体組織など の不均一系試料の化学組成分析は、その機能や性能を 把握・向上するうえで必須と言えます。ここで紹介した分 析事例が示す通り、顕微 FT-IR は、微小異物や汚染物の 定性分析や微細構造を持つ試料の化学的な解析におい て貴重な情報をもたらすことが可能であり、現在では無 くてはならない分析手法のひとつとなっています。 ブルカー・オプティクスの新型顕微 FT-IR “LUMOS” は、 誰もが使える優れた操作性と、誰もが満足する高い分光 図 8. タマネギ組織片の脂質成分の分布状態を示す赤外スペクトル 性能を併せ持ち、短時間で精度の高い分析結果を提供す マップ（脂質由来の 1740 cm-1 バンドの積分強度分布図）を、可視 るシステムです。LUMOS を用いることで、顕微赤外分光 像に重ね合わせて表示。 分析がさらに身近となり、迅速かつ高精度な分析をとお して、製品の品質改善や生産性のさらなる向上が可能と なります。 ブルカージャパン株式会社　オプティクス事業部 本社：〒221-0022 神奈川県横浜市神奈川区守屋町 3-9 B棟6階 Phone：045-450-1601 Fax: 045-450-1602 大阪営業所：〒532-0004 大阪市淀川区西宮原 1-8-29 テラサキ第2ビル Phone：06-6394-8118 Fax: 06-6394-9003 www.bruker.com Application Note AN-JP 1