分光分析とは、物質に当てた光や物質から出る光を波長ごとに分けて測り、何がどれだけ含まれているかを調べる分析法の総称です。紫外可視・赤外・近赤外・ラマン・蛍光・原子吸光の違いと、試料を画像として測る「分光イメージング」との使い分けを、初めて装置を検討する方向けに整理しました。
先に結論を書きます。分光分析の種類は「どの波長の光を使い、光と物質のどんな相互作用（吸収・散乱・発光）を見るか」で分かれます。紫外可視は主に電子の遷移による吸収、赤外は分子の振動による吸収、ラマンは散乱光、蛍光は発光、原子吸光は元素ごとの吸収を見ています。どれも基本は「1点の試料を測って1本のスペクトルを得る」方法で、試料の中の“どこに”あるかを面で見たいときに使うのが分光イメージング（ハイパースペクトルカメラ）です。
分光分析とは｜光を波長ごとに分けて物質を調べる
太陽光をプリズムに通すと虹色に分かれるように、光は波長の違う成分の集まりです。物質は種類によって、特定の波長の光を吸収したり、散乱させたり、自ら光を出したりします。この「波長ごとの光の強さ」を並べたグラフをスペクトルと呼び、スペクトルの形から物質を特定する（定性分析）、強さから量を求める（定量分析）のが分光分析です。
吸収を使う分光分析の定量の土台になっているのが、ランベルト・ベールの法則です。溶液の場合、吸光度は濃度と光が通る長さに比例するため、濃度の分かった標準試料で検量線を作れば、未知の試料の濃度を吸光度から求められます。分光光度計が化学分析・品質管理で広く使われているのは、この関係が単純で再現性が高いためです。
分光分析の装置は、一般に「光源」「試料部」「分光器（光を波長に分ける部分）」「検出器」で構成されます。どの波長域の光源と検出器を組み合わせるかで、測れる対象が変わります。
分光分析の主な種類と違い
代表的な分光分析を、使う光と見ている現象で比べます。
種類 | 使う光（目安） | 見ている現象 | 得意な対象 | 注意点 |
|---|---|---|---|---|
紫外可視分光法（UV-Vis） | 紫外〜可視（約200〜800nm） | 電子の遷移による光の吸収 | 溶液中の色素・有機化合物の濃度、色 | 多くの成分が似た位置に幅広い吸収を持つため、混合物の分離は苦手 |
近赤外分光法（NIR） | 近赤外（約800〜2500nm） | 分子振動の倍音・結合音による吸収 | 水分・脂質・たんぱく質・糖などの非破壊測定 | 吸収が弱く重なり合うため、多変量解析で検量線を作る必要がある |
赤外分光法（IR・FTIR） | 中赤外（波数4000〜400cm⁻¹） | 分子振動による光の吸収 | 有機物・樹脂・異物の同定（官能基の判別） | 水の吸収が強く、含水試料は前処理や測定法の工夫が要る |
ラマン分光法 | 可視〜近赤外のレーザー光 | 分子振動による散乱光の波長のずれ | 結晶形の違い、炭素材料、微小領域の成分 | 散乱光が弱い。蛍光を出す試料は信号が埋もれやすい |
蛍光分光法 | 紫外〜可視の励起光 | 物質が吸収後に出す光（発光） | 微量成分、蛍光を持つ物質の高感度測定 | 蛍光を出さない物質は測れない |
原子吸光分析 | 元素ごとの特定波長 | 原子化した元素による吸収 | 金属元素の定量 | 試料を原子化するため破壊分析になる。分子の情報は得られない |
波長の範囲は装置によって異なります。たとえば公設試験研究機関が公開している紫外可視近赤外分光光度計では、測定波長範囲が185〜3300nmの機種が導入されています（千葉県産業支援技術研究所の設備紹介）。導入や依頼の前に、目的の波長が測れる仕様かを確認してください。
近赤外の原理と非破壊測定の限界は近赤外分光法の記事で、中赤外の指紋領域の読み方は赤外の指紋領域の記事で詳しく扱っています。
目的別｜どの分光分析を選ぶか
- Q1：調べたいのは「元素」か「分子・成分」か。
- 元素（鉛・カドミウムなどの金属）→ 原子吸光分析など元素分析の手法を検討します。
- 分子・成分 → Q2へ。
- Q2：試料を溶かしたり削ったりしてよいか。
- よい（抜き取り試料で精密に測りたい）→ 溶液の濃度なら紫外可視、物質の同定なら赤外（FTIR）やラマンが候補です。
- よくない（製品をそのまま測りたい）→ Q3へ。
- Q3：1点の値で足りるか、ばらつきや分布を見たいか。
- 1点の値で足りる → 近赤外分光計など、非破壊の点測定の装置が候補です。
- 分布や位置を見たい（どこに異物があるか、どこが傷んでいるか）→ 分光イメージング（ハイパースペクトルカメラ）が候補になります。
測定を外部に依頼する場合の流れと費用の内訳は、分光の受託測定を依頼する手順の記事にまとめています。
分光分析と分光イメージングの違い
従来の分光分析は、試料の1点（または試料全体を混ぜた平均）から1本のスペクトルを得る方法です。分光イメージングは、カメラの画像の1画素ごとにスペクトルを記録します。つまり「何があるか」に加えて「どこにあるか」が分かるのが最大の違いです。
観点 | 分光分析（点測定） | 分光イメージング（ハイパースペクトルカメラ） |
|---|---|---|
得られる情報 | 1点・1試料のスペクトル | 画素ごとのスペクトル（画像×波長） |
分かること | 成分の種類と量 | 成分の種類と、その分布・位置 |
向く用途 | 抜き取り試料の精密な定量・同定 | 異物・傷み・ムラの検出、全数検査、面の比較 |
苦手なこと | 局所的な異常の見逃し（測った点以外は分からない） | 点測定の精密分析ほどの定量精度は対象ごとの検証が必要。データ量が大きい |
両者は置き換えではなく組み合わせで使うのが実務的です。分光イメージングで「どこがおかしいか」を面で絞り込み、その箇所を点測定の分光分析で精密に確かめる、という流れが典型です。ハイパースペクトルカメラの仕組みと活用例はハイパースペクトルカメラとは何かを解説した記事、方式の違いはハイパースペクトルカメラの原理の記事、目的別の機種の選び方は分光カメラの選び方の記事で紹介しています。
分光分析の限界と、導入前に確認したいこと
- 標準試料と検量線が要る: 定量にはその対象に合った検量線が必要です。測定対象や品種が変わると作り直しになることがあります。
- 表面と内部の違い: 反射光を測る方法は表面付近の情報が中心です。内部の状態を知りたい場合は、透過で測れるか、別の手法が要るかを確認します。
- 試料の状態に左右される: 温度・水分・粒の大きさ・表面の凹凸でスペクトルが変わります。測定条件をそろえる手順が精度を決めます。
- 「測れる」と「現場で使える」は別: 研究室で差が見えても、ライン速度や照明の変化の中で再現できるかは、現場条件での検証が必要です。
まとめ
- 分光分析は、光を波長ごとに分けて測り、物質の種類と量を調べる分析法の総称
- 紫外可視・近赤外・赤外・ラマン・蛍光・原子吸光は、使う光と見ている現象（吸収・散乱・発光）が違う
- 元素か分子か、破壊してよいか、点か分布か、の3つの問いで候補が絞れる
- 分布や位置を知りたいときは分光イメージング。点測定の分光分析と組み合わせると精度と網羅性を両立しやすい
私たちは国産ハイパースペクトルカメラ「irodori」を開発し、食品・農業・インフラ・医療などの現場とともに実証を重ねてきました（これまでの取り組み）。点の分析では見えなかった分布を確かめたい、という段階でしたら、まずは製品と検証の進め方をまとめた資料をご覧いただけたら嬉しいです。
