Studium Biokompatibilních Vrstev Pomocí FTIR Spektroskopie Markéta Zezulová FBMI-ČVUT, Katedra přírodovědných oborů

Obsah Teoretický úvod Popis přístroje Měření TiO2/Si Měření HA, HAAG Měření LiNbO3 Plánované měření DLC (diamond-like carbon)

Teorie Infračervené Spektroskopie Podstata - interakce IČ záření s hmotou Spektrum nám dává informaci o složení zkoumaného vzorku IČ záření je elektromagnetické záření ve spektralním rozsahu vlnočtů 12500 cm-1 až 20 cm-1 a vlnových délek 800 nm až 0.5 mm Vlnové délky IČ záření dělíme do 3 oblastí: daleká oblast (FIR) od 600 cm-1 do 50 cm-1 střední oblast (MIR) od 4000 cm-1 do 400 cm-1 blízká oblast (NIR) od 12000 cm-1 do 3800 cm-1

Interferometrický spektrometr FTIR spektrometr pracuje na princip Michelsonova interferometru, který se skládá z děliče paprsků, pohyblivého a pevného zrcadla Paprsky se odrážejí, na děliči paprsků se rekombinují a vytvářejí interferenci (skládání) Obr. 1. Schéma Michelsonova interferometru (červeně ohraničeny hlavní části) [1].

FTIR Spectrometr NICOLET 6700 Obr. 3. Schéma FTIR Spektrometru. Obr. 2. FTIR Spektrometr na Albertově.

FTIR Spektrometr NICOLET 6700 Pracuje v daleké a střední IČ oblasti Je vybaven děličem paprsků s tenkou vrstvou germánia na nosiči z KBr Má softwarově měnitelné detektory: Deuterovaný triglycinsulfát (DTGS KBr nebo DTGS - Poly) Mercury-cadmium-telluride (MTCA), detektor vyžadující chlazení dusíkem Pro vlastní zpracování spekter je používán software OMNIC

Nástavec SEAGULL Používáme nástavec SEAGULL s proměnným úhlem, který je na všechny IČ oblasti Při úhlu pod 30° můžeme pronikat do podložky Úhel je třeba optimalizovat Měříme pod úhlem 50°, což se zdá být nejoptimálnější Obr. 4. Nástavec SEAGULL.

TiO2/Si Měříme TiO2 vzorky deponované na křemíku Obr. 5. Krystalická a amorfní struktura [2]. Měříme TiO2 vzorky deponované na křemíku Používáme dalekou IČ (FIR) oblast, která je vhodná pro zkoumání vibrace mřížek krystalů anorganických sloučenin Naší snahou je na spektrech pozorovat krystalickou nebo amorfní strukturu zastoupenou na TiO2/Si Na spektrech můžeme pozorovat výskyt TiO2 pásů i přítomnost krystalických struktur zastoupených ve vzorku v podobě anatasu, brookitu a rutilu (a) (b) Obr. 6. Anatas (a), Brookit (b), Rutil (c) [2]. (c)

Měřená Spektra TiO2/Si Při měření nás zajímá oblast od 600 cm-1 do 100 cm-1 U křemíku je často na spektrech vidět interference (skládání), což nám vadí při hodnocení Můžeme se jí ale zbavit zhoršením rozlišení Běžně používáme rozlišení 4 cm-1, takže zvýšíme rozlišení na 8 cm-1 a eliminujeme tím interferenci Kromě toho můžeme dosáhnout lepších výsledků zvýšením energie, tzn. zvýšením apertury

Pokud jde o kvalitativní informace, je možné srovnávat naměřená spektra s knihovnami spekter Tímto způsobem mohou být materiály identifikovány Vlnové délky, které požíváme zatím nejsou prezentovány v knihovnách, ale v knihovně společnosti NICOLET – Inorganics I., jsou naměřeny spektra ve střední IČ oblasti (4000 cm-1 – 400 cm-1) Problém Knihovna spekter poskytuje pouze spektra ze střední IČ oblasti (MIR) - do 400 cm-1 Krystalické struktury TiO2 a jejich vrcholy jsou i pod 400 cm-1 – daleká IČ oblast (MIR)

Knihovna spekter ve střední IČ oblasti Obr. 7. Licenční knihovní spektra Anatasu, Brookitu a Rutilu.

Anatas, Brookit, Rutil, Amorfní struktura (d) (c) Obr. 8. Spektra Anatasu (a), Brookitu (b), Rutilu (c) a Amorfní struktury (d) vytvořená pomocí softwaru OMNIC.

HA, HAAG Použili jsme detektor DTGS KBr pro střední IČ oblast a nástavec SEAGULL vhodný pro reflexi Hydroxyapatit jsme měřili při 64 skenech a při rozlišení 4 cm-1 Zajímaly nás krystalické fáze hydroxyapatitu Vzorky byly připravovány jako čisté hydroxyapatity a hydroxyapatity se stříbrem přidaným v poměru počtu pulzů do terče HA:Ag (1:3) Je nutno říct, že IČ spektroskopie není přímo vhodná metoda pro detekci stříbra, vhodnější je spíše XRD Pásy HA se stříbrem a bez stříbra se od sebe moc neliší Lehce se mění poměr pásů, díky projevu na aniontu Rozdíl je také v zešikmení spektra se stříbrem z důvodu většího rozptylu IČ záření u kratších vlnových délek Povrch je méně pravidelný než u hydroxyapatitu

HA, HAAG Na obou vzorcích můžeme pozorovat v oblasti okolo 3500 cm-1 strench deformaci OH- Pod 3000 cm-1 jsou valenční vibrace CH alyfatické, pod 2400 cm-1 a dále pak okolo 670 cm-1 vidíme přítomný CO2 z prostředí, pravděpodobně je zde přítomen díky manipulaci se vzorky a drobným znečístěním Pod 1600 cm-1 je zde lehká přítomnost CO3-2 Píky od 1400 cm-1 po 600 cm-1 by měli náležet hydroxyapatitu Pásy od 1200 cm-1 po 800 cm-1 náleží PO4-3, stejně tak pásy od 700 cm-1 až 400 cm-1 Byla udělána subtrakce vzorků Rozdíl nebyl moc patrný, okolo 650 cm-1 můžeme pozorovat drobnou změnu, která může ukazovat na přítomnost aniontu stříbra. Obr. 9. FTIR spektra hydroxyapatitu se stříbrem HA+Ag (a), hydroxyapatitu HA (b), detail (c) a (d) výsledek odečítání hydroxyapatitu HA. V detailu (c) pozorujeme výskyt β-TCP (beta-tricalcium-fosforečnan) (Software Origin)

LiNbO3 Měřily se vrstvy LiNbO3 deponované na podložkách SiO2/Si a safíru (0001) - tloušťka podložek ~680 nm, při teplotách 650, 700 a 750°C Vzorky měřeny na reflexi v MIR oblasti (4000-400 cm-1), pokrývá oblast výskytu LiNbO3 Měřilo se pomocí detektoru DTGS KBr (deuterium triglycinsulfát KBr), nástavec SEAGULL s měnitelným úhlem (byl použit úhel 50°), rozlišení 4 cm-1 při 256 skenech, TURBO módu (maximální svítivost IČ zdroje) Depoziční podmínky při měření – hustota energie 2 J/cm-3, tlak 30 Pa kyslíku, frekvence laseru 10 Hz, teplota 650, 700 a 750°C; použity 3 terče – krystal (Crytur spol. s.r.o.), lisovaný prášek (VŠCHT) a magnetronový terč (Kurt J. Lasker company).

LiNbO3 Obr. 10. FTIR spektrum LiNbO3 na SiO2/Si podložce deponované z krystalového terče při 650°C. Pod 3000 cm-1 methylove vazby, od 1600 cm-1 po 1100 cm-1 Si vazby, pík 1088 cm-1 vazba Si-O-Si, píky od 1000 cm-1 po 400 cm-1 náleží Nb-O vazbám, okolo 650 cm-1 Li-O vazbám. Obr. 11. FTIR spektrum LiNbO3 na podložce ze safíru (0001) deponované z krystalového terče při teplotě 650°C, odpovídající krystalickému spektru. Píky okolo 3000 cm-1 CH2 vazby, výrazný pík v 988 cm-1 vibrace Nb-O, pík okolo 800 cm-1 O-O vazba, píky od 670 cm-1 do 450 cm-1 vibrace Nb-O a Li-O vazeb.

Plánované měření DLC (diamond-like carbon) Zkoumání a-C vrstev bez obsahu vodíku Vliv dopace Manganem a Chromem na změnu FTIR spekter Měření vrstev s různou koncentrací sp2 a sp3 vazeb

Děkuji za pozornost Literatura použitých obrázků: [1] KANIA, P Děkuji za pozornost Literatura použitých obrázků: [1] KANIA, P. Infračervená Spektroskopie [online]. VŠCHT Praha, 2006 [cit 2010-11-19]. Dostupné na http://www.vscht.cz/anl/lach1/7_IC.pdf [2] Wikipedia - free encyclopedia, [cit 2010-11-19] Dostupné na http://en.wikipedia.org/wiki