Carbonate Minerals and Other Samples Studied by Far IR ATR Spectroscopy

Význam tématu

Studium vibračních režimů v daleké infračervené oblasti (THz, pod 400 cm⁻¹) poskytuje cenné informace o vnějších či mřížkových vibracích minerálů a dalších pevných látek, které jsou citlivé na krystalovou strukturu, polymorfismus a mezimolekulární interakce. Díky pokrokům ve zdrojích a optice ATR nyní lze tento region zkoumat rychleji a s vyšší kvalitou spektra, aniž by bylo nutné náročné vzorkové přípravy nebo transmisní techniky, které mohou ovlivnit vlastnosti vzorku.

Cíle a přehled studie

Hlavním cílem bylo demonstrovat možnost efektivního získání kvalitních dalekoinfračervených spekter minerálních uhličitanů (CaCO₃, BaCO₃, MnCO₃) metodou ATR a porovnat je s literárními transmisními výsledky. Dále byla ověřena aplikovatelnost korekčního algoritmu pro běžné organické a anorganické vzorky (askorbová kyselina, DMSO-d₆, CuO).

Použitá instrumentace

• FTIR spektrometr Bruker VERTEX 70v (INVENIO R) s FM FIR-MIR optikou
• Pevnolátkový FIR beamsplitter
• DLaTGS detektor (teplota okolí)
• Diamantová ATR jednotka Bruker Platinum ATR (A225/Q)
• Softwarový balík OPUS s funkcí advanced ATR correction a Curve Fit

Metodika

Uhličitany ve formě prášků byly přiloženy na čistý diamantový krystal a pevně stisknuty. Spektra byla zaznamenána při rozlišení 4 cm⁻¹, zero filling 4 a rychlosti zrcadla 2,5 kHz. Pro potlačení vlivu vodní páry byla využita suchá vzduchová purž či vakuový režim. Pro zvýšení poměru signál/šum byly průměrovány tři měření a uplatněn 2. derivační filtrační postup.

Hlavní výsledky a diskuse

Neopravené ATR spektra uhličitanů vykazovala intenzivní pásy na nízkých vlnových číslech (např. CaCO₃: 87, 217, 286 cm⁻¹), které po aplikaci ATR korekce (refraktivní index vzorku ~1,6 a efektivní počet odrazů 1) přesunuly maxima na 111, 228 a 316 cm⁻¹ ve výborné shodě s transmisními daty. Podobné posuny a potlačení dlouhovlnných intenzit byly u BaCO₃ a MnCO₃. U organických vzorků (askorbová kyselina, DMSO-d₆) a CuO byly pozorovány symetrické pásy odpovídající literárním hodnotám, což potvrzuje univerzálnost korekčního algoritmu.

Přínosy a praktické využití metody

• Minimální či žádná vzorková příprava pro pevné látky
• Rychlé měření bez lámání vakuového stoje (u VERTEX 80v automatický výměník filtru)
• Možnost porovnání s existujícími transmisními knihovnami
• Aplikace na organické, anorganické i polymorfní materiály

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj směřuje k použití výkonných zdrojů (např. Hg oblouková lampa) a citlivějších detektorů ve vakuu pro pásma pod 100 cm⁻¹. Perspektivní je studie polymorfních materiálů, farmaceutických substancí a komplexních nanostruktur v terahertzové oblasti s vysokou prostorovou rozlišovací schopností.

Závěr

ATR spektroskopie v daleké infračervené oblasti v kombinaci s pokročilou korekcí poskytuje rychlý a spolehlivý přístup ke krystalovým mřížkovým vibracím u široké škály vzorků. Navržený postup umožňuje srovnání s transmisními spektry a rozšiřuje možnosti rutinní i výzkumné analýzy minerálů, anorganických a organických materiálů.

Reference

[1] T.N. Brusentsova et al., American Mineralogist 95, 1515–1522, 2010
[2] K. Nishikida, Advanced ATR-Transformation, N & K Spectroscopy LLC, University of Wisconsin
[3] J.E. Bertie, H.H. Eysel, Applied Spectroscopy 39, 382–401, 1985
[4] A.B. Kuz’menko et al., Physical Review B 63, 094303, 2001