Геологические применения инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) — это спектроскопический метод , который использовался для анализа фундаментальной молекулярной структуры геологических образцов в последние десятилетия. Как и в других инфракрасных спектроскопиях , молекулы в образце переводятся в более высокое энергетическое состояние из-за поглощения инфракрасного (ИК) излучения, испускаемого ИК-источником в приборе, что приводит к колебаниям молекулярных связей . Внутренние физико-химические свойства каждой конкретной молекулы определяют соответствующий пик ИК-поглощения и, следовательно, могут давать характерные отпечатки функциональных групп (например, CH, OH, C=O и т. д.). [ 1 ]
В геолого-геофизических исследованиях FTIR широко применяется в следующих приложениях:
- Анализ следовых количеств воды в номинально безводных минералах (NAM) [ 2 ]
- Измерение летучих включений в стекле и минералах [ 3 ]
- Оценка возможности взрыва в вулканической обстановке. [ 4 ]
- Анализ хемотаксономии ранней жизни на Земле [ 5 ]
- Связь биологического сходства как микроископаемых, так и макроископаемых [ 6 ] [ 7 ]
Эти приложения подробно обсуждаются в последующих разделах. Большинство геологических приложений FTIR сосредоточены на среднем инфракрасном диапазоне, который составляет примерно от 4000 до 400 см. −1 . [ 4 ]
Инструментарий
[ редактировать ]
Основными компонентами спектрометра с преобразованием Фурье являются источник полихроматического света и интерферометр Майкельсона с подвижным зеркалом. Когда свет попадает в интерферометр, он разделяется на два луча. 50% света достигает статического зеркала, а другая половина — подвижного. [ 1 ] [ 8 ] Два световых луча отражаются от зеркал и снова объединяются в один луч в светоделителе. Комбинированный луч проходит через образец и, наконец, улавливается детектором. Замедление (общая разность хода) световых лучей между неподвижным зеркалом и подвижным зеркалом приводит к появлению интерференционных картин . [ 1 ] ИК-поглощение образцом происходит на многих частотах, и результирующая инфереограмма состоит из всех частот, кроме поглощенных. Математический подход Преобразование Фурье преобразует необработанные данные в спектр. [ 1 ]
Преимущества
[ редактировать ]- Метод FTIR одновременно использует полихроматический луч света с широким диапазоном непрерывных частот и, следовательно, обеспечивает гораздо более высокую скорость сканирования по сравнению с традиционной монохроматической дисперсионной спектроскопией. [ 8 ]
- Без щели, используемой в дисперсионной спектроскопии, FTIR позволяет большему количеству света проникать в спектрометр и дает более высокое соотношение сигнал/шум , то есть менее искаженный сигнал. [ 8 ]
- Используемый ИК-лазер имеет известную длину волны, и скорость подвижного зеркала можно контролировать соответствующим образом. Эта стабильная установка обеспечивает более высокую точность измерения спектра. [ 8 ]
Характеристика образца
[ редактировать ]FTIR пропускания, ослабленное полное отражение (ATR)-FTIR, инфракрасное преобразование Фурье-спектроскопии диффузного отражения Для анализа проб обычно используются (DRIFT) и микро-FTIR отражения.
ИК-Фурье режим | Подготовка проб | Принципиальная схема |
---|---|---|
Трансмиссия FTIR |
|
![]() |
ATR-FTIR |
|
![]() |
ДРЕЙФ-спектроскопия |
|
![]() |
FTIR отражение-поглощение |
|
![]() |
Приложения в геологии
[ редактировать ]Диагностика летучих веществ
[ редактировать ]
Наиболее часто исследуемыми летучими веществами являются вода и углекислый газ, поскольку они являются основными летучими веществами, вызывающими вулканические и магматические процессы. [ 4 ] Поглощение общей воды и молекулярной воды составляет примерно 3450 см-1 и 1630 см-1. [ 2 ] Высота пика полос поглощения CO 2 и CO 3 2− 2350 см −1 и 1430 см −1 соответственно. Фазы летучих веществ также дают разную частоту растяжения связей и в конечном итоге создают определенное волновое число. Например, полоса твердого и жидкого CO 2 находится между 2336 и 2345 см. −1 ; а газовая фаза CO 2 демонстрирует две характерные полосы при 2338 см-1. −1 и 2361 см −1 . Это связано с разницей энергий при колебательном и вращательном движении молекул газа. [ 4 ]
Модифицированное уравнение закона Бера-Ламберта обычно используется в науках о Земле для преобразования поглощения в ИК-спектре в концентрацию веществ:
Где ω представляет собой вес. % представляющих интерес видов в образце; А – поглощающая способность вида; M – молярная масса (в г моль −1 ); ϵ – молярная поглощающая способность (в л моль −1 см −1 ); l – толщина образца (в см); ρ — плотность (в г моль −1 ) [ 4 ]
Существуют различные применения определения количественного количества летучих веществ с помощью спектроскопической технологии. В следующих разделах приведены некоторые примеры: [ 4 ]
Водные компоненты в номинально безводных минералах
[ редактировать ]Номинально безводные минералы (NAM) — это минералы, содержащие лишь следы или незначительные количества водных компонентов. Водный материал встречается только при кристаллических дефектах. Химические формулы НАМ обычно пишутся без водорода. NAM, такие как оливин и ортопироксен, составляют большую долю в объеме мантии . [ 12 ] Отдельные минералы могут содержать лишь очень низкое содержание OH, но их общий вес может вносить значительный вклад в резервуар H 2 O на Земле. [ 13 ] и другие планеты земной группы. [ 14 ] Низкую концентрацию водных компонентов (OH и H 2 O) можно анализировать с помощью спектрометра с преобразованием Фурье благодаря его высокой чувствительности. Считается, что вода играет значительную роль во влиянии на реологию мантии либо за счет гидролитического ослабления минеральной структуры, либо за счет снижения частичной температуры плавления . [ 15 ] Таким образом, присутствие водных компонентов в НАМ может (1) предоставить информацию об условиях кристаллизации и плавления в исходной мантии; (2) реконструировать палеоокружение ранней планеты земной группы. [ 4 ]
Жидкие и расплавленные включения
[ редактировать ]
Включение относится к маленьким минеральным кристаллам и посторонним жидкостям внутри кристалла. Расплавные и флюидные включения могут предоставить физическую и химическую информацию о геологической среде, в которой расплав или жидкость заключены внутри кристалла. Жидкие включения относятся к пузырькам внутри минерала, удерживающим в себе летучие вещества или микроскопические минералы. Для расплавных включений это относится к исходному расплаву исходной среды кристаллизации, который содержится в виде расплава внутри минерала. [ 4 ] Включения сохранили исходный расплав и поэтому могут обеспечить магматическое состояние, при котором расплав находится вблизи ликвидуса. Включения могут быть особенно полезны в петрологических и вулканологических исследованиях. [ 3 ]
Размер включений обычно микроскопический (мкм) с очень низкой концентрацией летучих веществ. [ 9 ] Подключив источник синхротронного света к FTIR-спектрометру, диаметр ИК-луча можно значительно уменьшить до 3 мкм. Это обеспечивает более высокую точность обнаружения целевых пузырьков или расплавленных участков без загрязнения окружающим минералом-хозяином. [ 3 ]
Путем включения других параметров (т.е. температуры, давления и состава), полученных с помощью микротермометрии, электронных и ионных микрозондовых анализаторов, он способен реконструировать среду захвата и в дальнейшем делать выводы о генезисе магмы и ее хранении в земной коре. Вышеупомянутый подход FTIR успешно обнаруживает присутствие H 2 O и CO 2 в ряде исследований, проводимых в настоящее время. Например, водонасыщенные включения во вкрапленниках оливина извергались в Стромболи (Сицилия, Италия) в результате разгерметизации. [ 3 ] и неожиданное появление молекулярного CO 2 в расплавных включениях Флегрейского вулканического района (Южная Италия), выявленное как наличие глубокой, богатой CO 2 , непрерывно дегазирующей магмы. [ 3 ]
Оценить взрывоопасный потенциал вулканического купола
[ редактировать ]
Везикуляция, то есть зарождение и рост пузырьков, обычно инициирует извержения вулканических куполов . Эволюцию везикуляции можно резюмировать следующими этапами: [ 16 ]
- Магма постепенно насыщается летучими веществами, когда в ней растворяются вода и углекислый газ. Зарождение пузырьков начинается, когда магма перенасыщается этими летучими веществами. [ 16 ]
- Пузыри продолжают расти за счет диффузионного переноса водяных газов из магмы. Накопление напряжений внутри вулканического купола. [ 16 ]
- Пузыри расширяются вследствие декомпрессии магмы, и в конечном итоге происходят взрывы. Это прекращает везикуляцию. [ 16 ]
Чтобы понять процесс извержения и оценить взрывной потенциал, FTIR-спектроскопия используется для измерения изменений H 2 O в миллиметровом масштабе в обсидиана образцах вблизи обнажения пемзы . [ 16 ] Диффузионный перенос воды из магматического хозяина уже завершился в высокопористой пемзе, летучие вещества которой выделяются во время взрыва. С другой стороны, в стекловидном обсидиане, образовавшемся из остывающей лавы, диффузия воды еще не завершилась, и поэтому внутри этих образцов фиксируется эволюция диффузии летучих веществ. Концентрация H 2 O в обсидиане, измеренная методом FTIR поперек образцов, увеличивается по мере удаления от границы везикулярной пемзы. [ 16 ] Форма кривой профиля концентрации воды представляет собой временную шкалу диффузии летучих веществ. Таким образом, инициирование и прекращение везикуляции фиксируется в образце обсидиана. Скорость диффузии H 2 O можно оценить на основе следующего одномерного уравнения диффузии. [ 16 ] [ 17 ]
D(C, T, P): коэффициент диффузии H 2 O в расплаве, который имеет арренианскую зависимость от температуры (T), давления (P) и содержания H 2 O (C).
При создании модели диффузии с помощью уравнения диффузии температура и давление могут быть зафиксированы в условиях высокой температуры и низкого давления, которые напоминают среду извержения купола лавы. [ 16 ] Максимальное содержание H 2 O, измеренное с помощью FTIR-спектрометра, подставляется в уравнение диффузии в качестве начального значения, которое напоминает состояние летучего перенасыщения. Продолжительность образования пузырьков можно контролировать путем уменьшения содержания воды на расстоянии в образце по мере выхода летучих веществ в пузырьки. Более постепенное изменение кривой содержания воды представляет собой более продолжительное явление везикуляции. [ 16 ] Таким образом, взрывной потенциал вулканического купола можно оценить по профилю содержания воды, полученному на основе диффузионной модели. [ 16 ]
Установление таксономии раннего возраста
[ редактировать ]Что касается крупного ископаемого с хорошо сохранившейся морфологией, палеонтологи, возможно, смогут относительно легко распознать его по характерной анатомии. Однако для микроокаменелостей, имеющих простую морфологию, композиционный анализ с помощью FTIR является альтернативным способом лучше определить биологическое родство этих видов. [ 4 ] [ 5 ] Высокочувствительный ИК-Фурье-спектрометр можно использовать для изучения микрокаменелостей, количество экземпляров которых доступно в природе лишь в небольшом количестве. Результаты FTIR также могут помочь в разработке хемотаксономии ископаемых растений . [ 4 ]
Полосы растяжения алифатических CH на длине волны 2900 см. −1 , ароматическая растяжка C-Cring на 1600 см. −1 , полосы C=O при 1710 см-1 −1 – это некоторые из общих целевых функциональных групп, исследованных палеонтологами. CH 3 /CH 2 полезен для различения разных групп организмов (например, архей, бактерий и эукариев) или даже видов одной группы (т.е. разных видов растений). [ 4 ]
Связь между акритархами и таксонами микроископаемых
[ редактировать ]Акритархи - это микроорганизмы, характеризующиеся кислотоустойчивой морфологией с органическими стенками, существовавшие от протерозоя до настоящего времени. Нет единого мнения относительно общего происхождения, эволюционной истории и эволюционных взаимоотношений акритархов. [ 5 ] Они имеют сходство с клетками или органеллами различного происхождения, перечисленными ниже:
- Цисты эукариот: [ 5 ] Эукариоты по определению являются организмами, клетки которых состоят из ядра и других клеточных органелл, заключенных внутри мембраны . [ 18 ] Кисты являются доминирующей стадией у многих микроэукариот, таких как бактерии, и состоят из усиленной стенки, защищающей клетку от неблагоприятной окружающей среды. [ 17 ]
- Прокариотическая оболочка: клеточная стенка одноклеточного организма, в которой отсутствуют все мембраносвязанные органеллы, такие как ядро; [ 19 ]
- Водоросли и другие вегетативные части многоклеточных организмов; [ 5 ]
- Ящики с яйцами ракообразных. [ 20 ]
Образцы акритархов собираются из керна бура в местах, где были обнаружены протерозойские микроокаменелости, например, группа Ропер (1,5–1,4 млрд лет назад) и формация Танана (около 590–565 млн лет назад) в Австралии, группа Руян, Китай (около 1,4–1,3 млрд лет назад). . [ 4 ] [ 5 ] Сравнение длины цепи и наличия структуры у современных эукариотических микроископаемых и акритархов предполагает возможное родство между некоторыми видами. Например, состав и структура неопротерозойского акритарха Tanarium conoideum соответствует альгенанам, то есть устойчивой стенке зеленых водорослей, состоящей из длинноцепочечного метиленового полимера, способного выдерживать изменение температуры и давления на протяжении геологической истории. [ 5 ] [ 21 ] Оба FTIR-спектра, полученные от Tanarium conoideum и algaenans, демонстрируют пики ИК-поглощения при изгибе метилен-СН 2 (около 1400 см-1). −1 и 2900 см −1 ). [ 5 ]
Хемотаксономия окаменелостей растений
[ редактировать ]Микроструктурный анализ является распространенным способом дополнения традиционной морфологической таксономии для классификации окаменелостей растений. [ 4 ] ИК-Фурье-спектроскопия может предоставить ценную информацию о микроструктуре различных таксонов растений. Кутикула — это восковой защитный слой, который покрывает листья и стебли растений и предотвращает потерю воды. Состоящие из него восковые полимеры обычно хорошо сохраняются в ископаемых растениях, что можно использовать для анализа функциональных групп. [ 6 ] [ 7 ] Например, хорошо сохранившаяся кутикула окаменелостей Cordatales , вымершего отряда растений, найденная в Сиднее, Стеллартоне и заливе Сент-Джордж, показывает аналогичные FTIR-спектры. Этот результат подтверждает предыдущие морфологические исследования о том, что все эти морфологически сходные кордаталы произошли от одного таксона. [ 7 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Аманд, LE; Таллин, CJ (1997). Теория, лежащая в основе FTIR-анализа . Гетеборг, Швеция: Департамент преобразования энергии Технологического университета Чалмерса. S2CID 16247962 .
- ^ Jump up to: а б Ловенстерн, Дж.Б.; Питчер, BW (2013). «Анализ H 2 O в силикатном стекле с использованием микро-FTIR-спектроскопии ослабленного полного отражения (НПВО)». Американский минералог . 98 (10): 1660. Бибкод : 2013AmMin..98.1660L . дои : 10.2138/am.2013.4466 . S2CID 93410810 .
- ^ Jump up to: а б с д и Мормон, А.; Пиочи, М.; Беллатречча, Ф.; Де Астис, Г.; Моретти, Р.; Вентура, Дж. Делла; Кавалло, А.; Мангиакапра, А. (2011). «Источник магмы, богатый CO 2 , под Флегрейским вулканическим районом (Южная Италия): данные исследования расплавных включений». Химическая геология . 287 (1–2): 66–80. Бибкод : 2011ЧГео.287...66М . doi : 10.1016/j.chemgeo.2011.05.019 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v Чен, Ю; Цзоу, С; Масталерц, М; Ху, С; Гасауэй, К; Тао, X (2015). «Применение инфракрасной спектроскопии с микрофурье-преобразованием (FTIR) в геологических науках — обзор» . Международный журнал молекулярных наук . 16 (12): 30223–50. дои : 10.3390/ijms161226227 . ПМЦ 4691169 . ПМИД 26694380 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Маршалл, К; Яво, Э; Нолл, А; Уолтер, М. (2005). «Комбинированная инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) и микрорамановская спектроскопия протерозойских акритарх: новый подход к палеобиологии». Докембрийские исследования . 138 (3–4): 208. Бибкод : 2005PreR..138..208M . doi : 10.1016/j.precamres.2005.05.006 .
- ^ Jump up to: а б Зодроу, Эрвин Л.; д'Анджело, Хосе А.; Масталерц, Мария; Киф, Дейл (2009). «Взаимосвязь сжатия и кутикулы семенных папоротников: данные из жидко-твердого состояния FTIR (поздний палеозой – ранний мезозой, Канада – Испания – Аргентина)». Международный журнал угольной геологии . 79 (3): 61. doi : 10.1016/j.coal.2009.06.001 .
- ^ Jump up to: а б с Зодроу, Эрвин Л; Масталерц, Мария; Орем, Уильям Х; сьИмунек, Збинек; Башфорт, Арден Р. (2000). «Функциональные группы и элементный анализ кутикулярных морфотипов Cordaites Principalis (Germar) Geinitz, Приморский каменноугольный бассейн, Канада». Международный журнал угольной геологии . 45 : 1–19. дои : 10.1016/S0166-5162(00)00018-5 .
- ^ Jump up to: а б с д «Техническая нота 50674: Преимущества инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье» (PDF) . Термо Сайентифик . 2015.
- ^ Jump up to: а б с Ньювуд, Мишель К.; Симпсон, Марк П.; Тобин, Марк; Пушкарь, Лиляна (2014). «Синхротронная FTIR-микроскопия синтетических и природных флюидных включений CO 2 –H 2 O». Колебательная спектроскопия . 75 : 136–148. дои : 10.1016/j.vibspec.2014.08.003 .
- ^ Jump up to: а б с Перкин Элмер Жизнь и аналитические науки. (2005). «ИК-Фурье-спектроскопия — ослабленное полное отражение (НПВО)» (PDF) . Перкин Элмер Жизнь и аналитические науки . Архивировано из оригинала (PDF) 16 февраля 2007 г. Проверено 17 ноября 2016 г.
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Термо Фишер Сайентифик (2015). «Методы обработки проб FTIR» . Термо Фишер Сайентифик .
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Даффи, Томас С.; Андерсон, Дон Л. (1989). «Сейсмические скорости в мантийных минералах и минералогия верхней мантии» (PDF) . Журнал геофизических исследований . 94 (B2): 1895. Бибкод : 1989JGR....94.1895D . дои : 10.1029/JB094iB02p01895 . Архивировано из оригинала (PDF) 8 января 2017 г.
- ^ Белл, ДР; Россман, Г.Р. (1992) «Вода в земной мантии; роль номинально безводных минералов». Наука. 255: 1391-1397. doi:10.1126/science.255.5050.1391
- ^ Хуэй, Хэцзю; Пелье, Энн Х.; Чжан, Юсюэ; Нил, Клайв Р. (2013). «Вода в лунных анортозитах и свидетельства влажной ранней Луны». Природа Геонауки . 6 (3): 177. Бибкод : 2013NatGe...6..177H . дои : 10.1038/ngeo1735 .
- ^ Грин, Дэвид Х.; Хибберсон, Уильям О.; Ковач, Иштван; Розенталь, Аня (2010). «Вода и ее влияние на границу литосферы и астеносферы». Природа . 467 (7314): 448–51. Бибкод : 2010Natur.467..448G . дои : 10.1038/nature09369 . ПМИД 20865000 . S2CID 4393352 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Кастро, Джонатан М.; Манга, Майкл; Мартин, Майкл С. (2005). «Скорость везикуляции обсидиановых куполов, выведенная из H 2 профилей концентрации O» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (21): L21307. Бибкод : 2005GeoRL..3221307C . дои : 10.1029/2005GL024029 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, Юсюэ; Беренс, Харальд (2000). «Диффузия H 2 O в риолитовых расплавах и стеклах» (PDF) . Химическая геология . 169 (1–2): 243–262. Бибкод : 2000ЧГео.169..243Z . дои : 10.1016/S0009-2541(99)00231-4 .
- ^ Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М. (2008). Ленингерские принципы биохимии . Нью-Йорк: WH Freeman . ISBN 978-0-7167-7108-1 .
- ^ Константинидис, КТ; Тидже, Дж. М. (2005). «Геномные идеи, которые продвигают определение вида прокариот» . Труды Национальной академии наук . 102 (7): 2567–2572. Бибкод : 2005PNAS..102.2567K . дои : 10.1073/pnas.0409727102 . ПМК 549018 . ПМИД 15701695 .
- ^ ван Ваверен, IM (1992). Морфология вероятных яиц планктонных ракообразных из голоцена моря Банда (Индонезия) .
- ^ Верстег, Джерард Дж. М.; Блоккер, Питер (2004). «Устойчивые макромолекулы современных и ископаемых микроводорослей». Психологические исследования . 52 (4): 325. doi : 10.1111/j.1440-183.2004.00361.x . S2CID 84939480 .