The occurrence of chloride ions in the apatite lattice of Holly Springs hydroxyapatite and dental enamel

Abstract

The hydroxyl stretching mode in hydroxyapatite occurs as a single absorption band in the infra-red spectrum at 3570 cm⁻¹. When there is approximately 10% replacement of hydroxyl ions by chloride ions, an extra band appears at 3498 cm⁻¹ which is assigned to hydroxyl ions forming weak hydrogen bonds with adjacent chloride ions. A similar extra band appears at 3545 cm⁻¹ in the infra-red spectrum of a synthetic fluor-hydroxyapatite. Mineral Holly Springs hydroxyapatite contains fluorine and was also found to contain chlorine. The infra-red spectrum showed, in addition to the unperturbed hydroxyl stretching mode at 3570 cm⁻¹, two sharp bands at 3543 cm⁻¹ and 3498 cm⁻¹ which are assigned to hydroxyl ions hydrogen-bonded with fluorine and chlorine respectively. The infra-red spectrum of human enamel, which is known to contain about 0.3% by weight of chlorine shows a weak band at 3500 cm⁻¹ and it is proposed that this is due to chloride ions present in the apatite lattice.

Résumé

L'élongation de l'hydroxyle au niveau de l'hydroxyapatite se traduit par une bande d'absorption unique dans le spectre infra-rouge à 3570 cm⁻¹. Lorsqu'il y a environ 10% de remplacement des ions hydroxyles par des ions de chlore, une bande supplémentaire apparait à 3498 cm⁻¹, qui semble dûe aux ions hydroxyles formant des liaisons d'hydrogène faibles avec les ions de chlore adjacents. Une bande supplémentaire similaire apparait à 3545 cm⁻¹ dans le spectre infra-rouge réalisé à partir d'un fluoro-hydroxyapatite synthétique. L'hydroxyleapatite minéral de type Holly Springs contient du fluor et du chlore. Le spectre infra-rouge présente, en plus de l'élongation non perturbée de l'hydroxyapatite à 3570 cm⁻¹, deux bandes nettes à 3543 cm⁻¹ et 3498 cm⁻¹, qui semblent être en rapport avec les ions hydroxyles liés par l'hydrogène respectivement avec le fluor et le chlore. Le spectre infra-rouge de l'émail humain, qui contient environ 0,3% en poids de chlore, présente une bande faible à 3500 cm⁻¹. Il semble que ce fait soit lié à la présence d'ions de chlore dans la maille de l'apatite.

Zusammenfassung

Die Schwingung (stretching) der Hydroxylgruppe in Hydroxyapatit findet sich als einzelne Absorptionsbande im Infrarot-Spektrum bei 3570 cm⁻¹. Werden etwa 10% der Hydroxylionen durch Chloridionen ersetzt, so erscheint bei 3498 cm⁻¹ eine besondere Bande, die den Hydroxylionen zugeschrieben wird, welche schwache Wasserstoffbindungen mit benachbarten Chloridionen eingehen. Eine ähnliche zusätzliche Bande wird bei 3545 cm⁻¹ im Infrarot-Spektrum des synthetischen Fluor-Hydroxyapatites sichtbar. Anorganisches Holly Springs Hydroxyapatit enthält Fluor und es konnte auch ein Gehalt an Chlor nachgewiesen werden. Das Infrarot-Spektrum zeigte, zusätzlich zum unveränderten Bild der Hydroxylgruppen-Schwingung bei 3570 cm⁻¹, zwei scharf abgegrenzte Banden bei 3543 cm⁻¹ und 3498 cm⁻¹, welche den mit Fluor- bzw. Chlorwasserstoff-gebundenen Hydroxylionen zugeschrieben werden. Das Infrarot-Spektrum von menschlichem Zahnschmalz, der bekanntlich etwa 0,3 Gewichtsprozente Chlor enthält, zeigt eine schwache Bande bei 3500 cm⁻¹, die möglicherweise durch die im Apatitgitter vorliegenden Chloridionen verursacht wird.