Spektrokimyasal Yöntemlere Giriş Doç. Dr. H. Eda ŞATANA KARA 2014-2015 Bahar Dönemi

Spektrofotometrenin çalışma prensibi: Lamba tarafından yayılan ışın demeti monokromatör (l seçici) yardımıyla tek bir dalga boyundaki ışına (monokromatik ışına) dönüştürülür. Bu ışın örneğin içinde bulunduğu odaya girer. Ölçümü yapılacak örnek, KÜVET içine konulur. Örnekten geçen ışığın şiddeti dedektör tarafından algılanır ve kaydedici ya da yazıcıya elektrik sinyali şeklinde gönderilir.

Spektrofotometrenin çalışma prensibi: Işık kaynağı - Sabit şiddette ışık slit Kör/ numune Grating Işığı farklı l’ larına ayırır dedektör slit Işığın şiddetini ölçer Gratingin dönmesiyle numuneden geçen dalga boyları değişir Işık körden geçerken Po, diğer durumlarda P ölçülür

Tek Işın Yollu Sektrofotometre P0 kontrol altında değildir Tek Işın Yollu Sektrofotometre P0 kontrol altında değildir. A=log (P0/P) Monokromatör Işık Kaynağı Giriş Sliti Dalgaboyu Ayırıcı Çıkış Numune Dedektör

Çift Işın Yollu Spektrofotometre (A=log (P0/P) P0 P Monokromatör Işık Kaynağı Giriş Sliti Dalgaboyu Ayırıcı Çıkış Numune Dedektör Referans Işık Bölücü

Çift Işın Yollu Spektrofotometre Monokromatör Işık Kaynağı Giriş Sliti Dalgaboyu Ayırıcı Çıkış Numune Dedektör Referans Işık Bölücü

+ - Çift ışık yollu spektrofotometrelerin avantaj ve dezavantajları Eş zamanlı zemin/kör çıkartması Çoklu dalga boyu taramasını kolaylaştırır Küvet değiştirmeden kaynaklanan hatalar elimine edilir Tek ışık yollu aletlerden daha duyarlıdır - Pahalı Optik/elektronik bileşenlerin fazlalığı ölçümlerde rastgele hata kaynaklarının artmasına neden olur. Fakat bu sinyal ortalamaları alınarak çözülebilir.

Işık Kaynakları Numune tarafından absorplanacak ışık veya enerjiyi sağlar. Işık kaynakları: Geniş bölgede (l aralığında) emisyon yapan Sürekli kaynaklar Dar bölgede (tek l’da) emisyon yapan Çizgi tipi kaynaklar Kaynak tarafından yayılan ışık, numune tarafından absorpladığı dalga boyunda (l) veya dalga boyu aralığında olmalı

Dalga boyu, nm Görünür Kaynaklar Sürekli Çizgi Yakın IR Spektral bölge Ar Lambası Xe Lambası H2 yeya D2 Lambası Sürekli Tungsten Lambası Nerst Çubuk (ZrO2+ Y2O3 ) Nikrom Tel (Ni+Cr) Globar (SiC) Oyuk Katot Lambası Çizgi Lazerler

Işık kaynakları, çalışılacak l aralığına bağlı olarak seçilmeli ve bu l aralığında şiddeti yüksek olmalı Xenon ark Karbon ark Tungsten Lambası Nerst çubuk Bağıl enerji Dalgaboyu, nm Siyah cisim ışıması

Sürekli Işık Kaynakları 1 Sürekli Işık Kaynakları 1. Xenon lamba: Xe gazının iyonlaşması ile parlak beyaz ışık elde edilir. 250-600 nm arasında ışıma yapar. Moleküler floresans spektroskopisinde kullanılır.

Siyah cisim ışımasına dayanır 2. Tungsten (W) Lamba: Siyah cisim ışımasına dayanır Sıcak katı flament kızardığında, yayılan ışığın l’u, sıcaklığa bağlıdır. 350-2200 nm arasında ışıma yapar Görünür ve yakın IR moleküler absorpsiyon spektroskopisi için kullanılır Düşük basınç (vakum) Tungsten Filament

D2 + Eelektrik  D*2  D’ + D’’ + hn uyarılmış durum 3. Döteryum (D2) Lamba: Ark varlığında, elektrik enerjisinin D2 (veya H2) tarafından absorplanarak gazın uyarılması ve ışığın açığa çıkması ile sonuçlanır D2 + Eelektrik  D*2  D’ + D’’ + hn uyarılmış durum Elektrik arkı 160-380 nm arasında ışıma yapar UV moleküler absorpsiyon tekniklerinde kullanılır.

Çizgi Işık Kaynakları 1. Oyuk Katot Lamba (HCL) E W, nm 200 350 Anot Pencere Güç Kaynağı Katot Çıkan Işık Ar veya Ne Etken band genişlikleri 10-2-10-3 nm Ar Ar+ + e- (e- anot , Ar+ katot) Ar+ M M* M + hn

Çizgi Işık Kaynakları 2. Elektrodsuz Boşalım Lambaları (EDL) RF sarmalı Kuartz Pencere lamba Seramik tutucu Ar veya Ne Metal veya metal tuzu HCL dan daha şiddetli ışık oluşturur. Elektrot içermezler. Analit elementini ve birkaç torr basınçta Ar gibi inert gaz içeren kapalı kuvars bir tüptür. Radyo frekansı veya mikrodalga ışını ile lambanın içindeki atomlar uyarılır. Önce Ar atomları iyonlaşır, bu iyonlar analit atomlarına çarparak onları uyarır. Ancak bu tür lambaların performansı HCL’ler kadar iyi değildir. Daha uçucu ve l küçük elementler için kullanılır.

Tungsten ve D2 geniş dalgaboyunda ışıma yapan lambalar HCL, EDL çizgi tipi ışıma yapan lambalar Oyuk Katod L. Tungsten Lambası Döteryum Lambası Işık Şiddeti Dalgaboyu, nm

Numune Kapları (Küvetler) Olması gerekenler: Numune ile kimyasal olarak etkileşmemeli Çalışılan l’da geçirgen olmalı Örneğin quartz 190-3000 nm için uygundur Cam ~300-900 nm için uygundur Tek kullanımlık plastik hücreler VIS bölge için uygundur NaCl ve KBr daha yüksek l‘ları için (IR bölge) kullanılır Tekrar kullanılabilmesi için kolay temizlenebilir olmalı Diğer spesifik enstrümanlarla uyumlu olmalı Küvetlerin geometrisi: Geçen ışık gelen ışıkla 180 derecedir (Abs. Yöntemi için) Işık yolu genellikle 1.0 cm’dir Kullanım amacına göre iki veya dört yüzü transparandır

Çeşitli optik malzemelerin geçirgenlik aralıkları Çeşitli optik malzemelerin geçirgenlik aralıkları. Görünür bölgede, adi camlar bile yeterince geçirgendir. UV bölgede (380 nm) erimiş silis veya kuvars hücreler gerekir. IR bölgede çoğu zaman KBr, NaCl, AgCl gibi halojenürler kullanılır; fakat, bu malzemeler pahalıdır ve suda çözünür olanlar, ayrıca sorunludur.

Floresans, fosforesans, kemilüminesans Absorbans: Floresans, fosforesans, kemilüminesans uçları geçirgen, 10 cm gaz içeren küvet

Farklı şekil ve büyüklüklerde küvetler Standart 1-cm ışık yolu Mikro hücreler Silindirik 20 mm ışık yolu Termal hücreler 5 mm ışık yolu 1 mm ışık yolu Akış hücreleri

Dalga Boyu (l) Seçiciler Polikromatik ışığı l’larına ayırır l’unu seçmemizi sağlar Çeşitleri Filtreler Monokromatörler Prizmalar, Gratingler (Slitlerle birlikte kullanılan kapalı bir aparattır)

Dalga Boyu (l) Seçiciler 1. Filtreler: (1 filtre tarafından absorplanmıştır) Renkli Filtre

Dalga Boyu (l) Seçiciler Filtreler a) Absorpsiyon Filtreleri İstenmeyen l’larını absoplayan materyallerden, genellikle renkli cam veya jelatin içine dağıtılmış boyalardan yapılır ucuzdur geniş l aralığı farklı l aralığında filtreler birlikte kullanılabilir tipik bandgenişliği (30-250 nm).

Absorbsiyon filtresi Yeşil Filtre Turuncu Cut-off filtresi İki filtrenin kombinasyonu Yüzde geçirgenlik Dalga boyu Görünür bölgede kullanılan farklı tipteki absorbsiyon filtrelerinin karşılaştırılması

b) Girişim Filtreleri Yarı geçirgen iki metalik film arasına yerleştirilen dielektrik tabakadan (ör.MgF2) oluşur. Bu düzenek camdan veya geçirgen malzemelerden oluşan iki tabaka ile kaplanmıştır. Dielektrik tabakanın kalınlığı geçen ışığın l nu belirler

Işın demetinin, 1. metalik tabakadan bir kısmı geçerken geri kalanı yansıtılacaktır. Geçen kısım ikinci metalik filme çarptığında benzer oranda yansıtılacaktır. Eğer 2. tabakadan yansıyan ışınların l ları uygunsa, 1.tabakadan gelen aynı l daki ışınlarla birleşerek, o ışınlarla aynı fazda olumlu girişim olur ve ışık şeklinde görülür. Diğer l daki ışınlar fazları aynı olmadığı için girişime uğrar. Çoklu yansıma yüzeyi Yüksek yansıtıcı (> %95) düşük absorbanslı aynalar Optik Kalınlık λ= 2tn/m

İki filtre tipi için bant genişlikleri.

Dalga Boyu (l) Seçiciler 2. Prizma: Işığın kırılmasına ve farklı l’larının farklı kırılma indislerine (hi) sahip olması prensibine dayanır. Cam Prizma

Dalga Boyu (l) Seçiciler. 3. Grating Dalga Boyu (l) Seçiciler 3. Grating Çentikli yüzey yansıtıcı özelliktedir (Al, Au, Pt kaplı) Grating uzunluğu 3-10 cm UV-vis 1200-3000 yiv, çentik/mm IR 10-200 yiv/mm

Echellette-tipi bir optik ağdan kırınım mekanizması Echellette-tipi bir optik ağdan kırınım mekanizması. Gelen ışınların optik ağ normaliyle yaptığı açı i, yansıyan ışınların aynı normalle yaptığı açı r’dir. Ard arda iki yiv arasındaki mesafe d ile gösterilmiştir.

Io, diğer durumlarda I ölçülür Işık kaynağı - Sabit şiddette beyaz ışık slit Grating Işığı farklı l’larına ayırır dedektör slit Işığın şiddetini ölçer Gratingin dönmesiyle numuneden geçen dalga boyları değişir numune Işık körden geçerken Io, diğer durumlarda I ölçülür

Monokromatörlerin odaklama düzlemleri (AB) boyunca ışınların dalga boyu dağılımı: (a) prizma ve (b) echellette optik ağ.

Etkin band genişliği, grating kalitesine, boyuna, slitlerin genişliğine ve monokromatörün odak uzaklığına bağlıdır. Yüksek kaliteli bir monokromatörün UV-Vis bölgedeki bant genişliği 0.1-0.3 nm arasında veya daha küçüktür. Kantitatif uygulama için monokromatörün etkin bant genişliği 1-20 nm arasında olması yeterlidir. Pek çok monokromatörde, bant genişliğini ayarlamak için slitler kullanılır. Daha dar bir slit aralığı, daha küçük bant genişliği demektir; ama bu sırada monokromatörden çıkan ışının şiddeti de önemli ölçüde azalır. Yani kullanılabilecek en küçük slit genişliği, dedektörün duyarlılığı ile belirlenir.

Çıkış slitinden gelen ışıma gücü, P Monokromatör ayarı Çıkış sliti Etken bant genişliği Monokromatör ayarı,  Çıkış slitinden gelen ışıma gücü, P Bağıl bant genişliği Geniş slitler = yüksek ışık şiddeti, Kötü ayırım, kantitatif analiz Dar slitler = düşük ışık şiddeti, Daha iyi ayırım, kalitatif analiz

Monokromatör giriş sliti Parabolik ayna 1 grating Parabolik ayna 2 çıkış sliti Parabolik ayna 1 Parabolik ayna 2 grating

Slitlere neden gereksinimimiz var? Monokromatör ayarı Giriş Siliti Etken bant genişliği Bağıl bant genişliği Monokromatöre gelen ışık miktarını belirler Serseri ışımayı azaltır 3. Spektral ayırımı etkiler Çok geniş slit – rezolusyon azalır Çok dar slit – kırınım etkileri nedeniyle rezolusyon azalır Optimal ayar – normal silit genişliği (~ 25 m). Çıkış sliti Etken bant genişliği Çıkış slitinden gelen ışıma gücü, P Etken bant genişliği Monokromatör ayarı, 

Slitlere neden gereksinimimiz var? Çıkış sliti çıkış sliti entrümanın spektral ayırımını (rezolusyon) belirler iyi kötü

Slit genişliği (Slit width) (daralma = band genişliğinin küçülmesi) Yeterli spektral detaylar elde etmek için dar band istenir. Fakat, ışık şiddetinin azalmasını göze almak gerekir. Kalitatif analiz için dar slitler, kantitatif analizler için geniş slitler tercih edilir.

Dedektörler veTransduserlar Fotonlara duyarlı (UV-vis-yakın IR) 1. Fotovoltaik hücreler 2. Fototüpler 3. Fotoçoğaltıcı tüpler 4. Silisyum fotodiyotlar 5. Yük aktarım dedektörleri Isıya duyarlı (IR) 1. Termoçiftler 2. Balometreler 3. Piroelektrik Transducerlar

Dedektör: Herhangi bir fiziksel olgunun varlığını gösteren aletlerin genel adıdır. Transduser: Işık şiddeti, pH, kütle, sıcaklık gibi sinyalleri elektrik sinyallerine dönüştüren özel dedektör tipidir. Analitik cihazlarda elde edilen çıkış sinyali, kontrolü mümkün olmayan çok sayıda değişkenin etkisiyle, rastgele şekilde dalgalanır. Cihazın duyarlığını azaltan bu dalgalanmalara gürültü denir. Kontrol edilemeyen her değişken bir gürültü kaynağıdır. Bir cihazın ürettiği çıktının ortalama değerine sinyal denir. S/N (Sinyal/Gürültü) cihazın kalitesini belirleyen önemli kriterlerden biridir. S/N: Çıkış sinyalinin ortalama değerinin, kendi standart sapmasına oranıdır. S/N oranının YÜKSEK olması istenir.

Sinyal, Gürültü ve Sinyal/Gürültü Oranı Hemoglobinin, eşit sinyal seviyelerinde, fakat farklı zemin gürültülerinde elde edilmiş absorpsiyon spektrumları.

Dedektörler; Yüksek duyarlık göstermeli S/N oranı yüksek olmalı Geniş l aralığında sabit, orantılı cevap vermeli Hızlı cevap vermeli Işın gelmediğinde çıkış sinyali sıfır olmalı

Dalga boyu, nm Dedektör Foton Dedektörler Termal Dedektörler Fotoğraf kağıdı Fotoçoğaltıcı tüpler Fototüp Foton Dedektörler Fotosel Silikon diyot Yük transfer Fotoiletkenler Termoçift-Bolometre Golay Cihazı Termal Dedektörler Pirolitik Hücreler

Fototüpler Çalışma prensibi: - Fotonlar katoda (Cs2O) çarptığında, katod e- verme eğilimindedir. -Katod(-) ve anod(+) arasına 90V potansiyel uygulandığında salınan e- lar anoda doğru akarak akım oluşur -Fotonlara duyarlı yüzeyden çıkan e- ların sayısı yüzeye çarpan ışın demetinin şiddeti ile doğru orantılıdır.

Fotoçoğaltıcı Tüpler (PMT) Dynodes – fotoemissif materyalle kaplıdır Çalışma Prensibi a) ışık katoda çarpar ve e- koparır. b) yayılan e- 90V daha pozitif #1 (dynode 1) yönlenir ve daha fazla e- koparır c) bu e- lar dynode 2’ye yönlenir (dynode 1’den 90V daha pozitif) ve daha fazla e- kopar d) bu işlem 9 dynodes boyunca tekrarlanarak e- lar anodda toplanıncaya kadar devam eder. e) anod ve katod arasındaki toplam voltaj 900 V’dur f) 106 – 107 kez daha fazla e- üretir. g) sonuçta akım yükseltilir ve ölçülür. +: düşük ışık şiddetinde çok hassas, çok hızlı cevap zamanı -: yüksek güç kaynağına ihtiyaç var, yoğun ışık zarar verebilir

Silisyum Diyodlu Fotodiyod Dedektörler Silisyum kristali bir yarı iletkendir; iletkenliği metallerinkinden küçük, yalıtkanlarınkinden büyüktür. n-tipi silisyum fotodiyod- Si (IVA) içine As (VA) doplanarak e- fazlalaştırılır (–) yük artar ve iletkenlik artar. p-tipi silisyum fotodiyod- Si (IVA) içine Ga (IIIA) doplanarak e- azaltılır, (+) yük fazlalığı olur ve iletkenlik artar.

Silisyum Diyodlu Fotodiyod Dedektörler

Silisyum Diyodlu Fotodiyod Dedektörler Yarıiletken materyal – yalnızca bazı durumlarda akım iletir Ters yönelim: akım oluşmaz Ters yönelimli bağlantı e- kıtlığı oluşturur ve iletkenlik sıfıra düşer Çalışma prensibi: Işınlar çip üzerine çarptığında tabakada e- lar ve boşluklar oluşur Bu e- lar ve boşluklar devreden akarak elektrik akımı oluştururlar. Oluşan akım ışın gücüyle orantılıdır

Silisyum Diyodlu Fotodiyod Dedektörler Foton Metal yüzey geniş çalışma aralığı çok iyi sinyal/gürültü p tabakası İletkenlik bölgesi n tabakası Altın tabakası

Silisyumlu fotodiyodların binlercesi küçük bir silisyum çip üzerine yan yana dizili halde üretilebilir. Çünkü tek bir diyodun genişliği 0.02 mm’dir. Seri halinde dizili diyodlardan biri veya ikisi, bir monokromatörün odak düzlemine yerleştirilebilir ve bütün dalga boyları aynı anda gözlenip kaydedilebilir. Böylece spektroskopik tekniğin hızı artar.

Diode-Array UV-VIS Spectrometre HAREKETLİ PARÇALARI YOK! Fotodiyot Dedektör Ayna Eliptik ayna Numune Işık Kaynağı Grating polikromatör

Termal (Isı) Dedektörler IR bölgede fotonların fotoemisyona yetecek enerjileri olmamaları yüzünden bu bölgede termal dedektörler kullanılır. Termal dedektörler, üzerine infrared ışınlar düşünce sıcaklığı yükselen küçük bir siyah yüzeyden ve bu yüzeydeki sıcaklık artışını bir elektrik sinyaline dönüştürüp yükselten bir elektronik devreden ibarettir. En iyi şartlarda bile söz konusu sıcaklık artışı 1oC’nin binde birkaçı mertebesindedir. Bu sıcaklık artışını ölçmenin zorluğu yanında, dedektör çevresinden kaynaklanan termal ışımalar her zaman ciddi bir belirsizlik kaynağıdır. Bu zemin ışımalarının (gürültünün) etkisini en aza indirmek için termal dedektör bir vakum içine hapsedilmiş ve çevresindeki cisimlerden dikkatle perdelenmiştir.

SİNYAL İŞLEMCİLER Sinyal işlemci, dedektörden gelen elektrik sinyalini yükselten bir elektronik alettir. Ayrıca sinyal işlemci, dedektör sinyalini doğru akım iken alternatif akıma çevirebilir, istenmeyen bileşenleri süzer, yani sinyali işler. Sinyal işlemci ayrıca sinyal üzerinde fark alma, integrasyon, logaritma alma gibi matematiksel işlemleri de yapabilir. Modern cihazlarda pek çok tip gösterge bulunabilir. Sayısal göstergeler, potansiyometre skalaları, kaydediciler, katot ışını tüpleri, mikro bilgisayarlar bunlardan birkaçıdır.