気体中の成分濃度を測定する方法はさまざまですが、その中でもFTIR（フーリエ変換赤外分光法）は、多成分同時測定ができる優れた分析法として利用されています。CO₂、CH₄、NOₓなどの環境ガスから、工場の排ガス、さらには呼気成分の分析まで、さまざまな場面で活用されています。

この記事では、FTIRによるガス測定の仕組み（原理）、代表的な応用例、そして他の測定法との違いや利点を、図やスペクトルとともにわかりやすく解説します。

FTIRの測定原理：赤外線と分子の振動

分子は、ばねのように原子がつながっており、伸びたり縮んだり、ねじれたりします。これが分子振動と呼ばれる動きです。この振動は波長ごとに異なります。これを固有振動数（波長）とよびますが、赤外線が分子に当たると、固有振動数に適応する波長の光だけが吸収され、残りは透過します。FTIRでは、マイケルソン干渉計を使って、さまざまな波長の赤外光を干渉波として同時に試料に当てます。その後、得られた信号（干渉パターン）をフーリエ変換することにより、各波長ごとの吸収スペクトルを一気に得ることができます。この方法により、短時間で広い波長範囲の情報（複数の成分を含む情報）を同時に取得できるのがFTIRの特徴です。

図1：ガス赤外スペクトル例（CO2、メタン、アンモニア、NO2、NO)

ガス測定におけるFTIRの特徴　ガスセルの構造

ガスを測定するには、ガスを閉じ込めるセル（気体セル）が必要です。以下のような構造があります：

• ミラーレス直線型セル（光路長数cm）

• 多重反射型セル（最大100m程度の光路長）

光路長は吸収強度と比例するため、長い光路をとることにより、微量なガスでも吸収が明確に現れます。

図2：多重反射型ガスセル（出典：エスティジャパン、システムズエンジニアリング）

FTIRによる代表的なガス分析の応用例

1. 大気汚染物質のモニタリング

• CO₂、N₂O、CH₄など（温室効果ガス）

• NOx（酸性雨の原因）

• 酸化エチレン（発がん性）
  
  FTIRは複数のガスを同時にリアルタイム分析できるため、大気監視装置として活用されています。

2. 工場の排ガス測定、工業ガス測定

ボイラー、焼却炉などから出る排ガス中の有害物質（CO、HCl、NH₃、HCl、炭化水素類など）の連続モニタリングに使われています。法律に基づく連続排出監視（CEMS）にも対応可能。フッ素系ガス、半導体ガス、CO2中の不純物ガス分析にも最適。

3. 自動車や燃焼実験のガス分析

エンジンテストベンチや燃焼研究において、NOx、SOxなどの燃焼生成物の変化を時間分解能高く追跡できます。アンモニア燃焼におけるNOx測定などにも応用されます。

4. 医療用途

人の呼気に含まれるアセトン、CO、NOなどのガスを測定することで、糖尿病や炎症の指標を非侵襲で得る研究も進んでいます。

代表的なガス測定法との比較とFTIRの利点

欠点や注意点

• 感度：FTIRで測定できる濃度は概ねppm以上が必要（機器や仕様により数ppbレベルの測定も可能）

• 水蒸気やCO₂などの干渉吸収に注意が必要

• ガスセルの材質・温度・圧力によって測定結果が変動する

• 測定濃度範囲、ガスの反応性によってガスセルの材質、光路長など選定が必要

まとめ

FTIRは、「分子の赤外吸収特性」を活用することで、ガスをリアルタイムかつ多成分同時に測定できる強力なツールです。

他のガス測定法に比べて、非破壊・簡便・多用途であるため、環境分析から工業プロセス、医療分野まで幅広く活躍されています。