Atomik Spektroskopi

Enerji Seviyeleri Işık Kaynakları Oyuk Katod Lambası Elektrodsuz Boşalım Lambaları Numune Transferi Atomlaştırıcılar Alev Fırın Plazma Dalga boyu Seçiciler Dedektörler

Atomik Spektroskopi Atomik Absorpsiyon Atomik Emisyon Uyarılma durumu E3 Spesifik karakteristik dalgaboyuna sahip ışık absorbe edilerek bir elektronu yüksek enerji seviyesine çıkarır. Işık absorpsiyonu element konsantrasyonu ile orantılıdır. - Atomik Absorpsiyon E2 E1 Spesifik dalgaboyundaki ışık Oyuk Katod Lamba (HCL)’dan gönderilir. E0 Kararlı durum Atomik Emisyon E3 Yüksek enerji (ısı veya ışık), bir elektronu yüksek enerji seviyesine çıkarır. Elektron eski durumuna dönerken karakteristik dalga boyuna sahip bir ışık yayar. Yayılan ışık element konsantrasyonu ile orantılıdır. The ground state of an electron, the energy level it normally occupies, is the state of lowest energy for that electron. When an electron temporarily occupies an energy state greater than its ground state, it is in an excited state. An electron can become excited if it is given extra energy, such as if it absorbs a photon, or collides with a nearby atom or particle. Electrons do not stay in exited states for very long, they soon return to their ground states, emitting a photon with the same energy as the one that was absorbed. There is also a maximum energy that each electron can have and still be part of the atom. Beyond that energy, the electron is no longer bound to the nucleus of the atom and it is considered to be ionized. Ionization, which is required by ICP-MS requires removing a single outer shell electron from the atom to be measured. This results in a singly-charged ion with the mass of the isotope of interest. It is possible to doubly ionize some elements with low second ionization potentials (a few alkali and alkaline earth elements) resulting in doubly-charged ions. These will be detected at half their mass because quadrupole MS filters based on mass to charge ratio, M/Z. Each orbital has a specific energy associated with it. For an electron to be boosted to an orbital with a higher energy, it must overcome the difference in energy between the orbital it is in, and the orbital to which is is going. This means that it must absorb a photon that contains precisely that amount of energy, or take exactly that amount of energy from another particle in a collision. The illustrations on this page are simplified versions of real atoms, of course. Real atoms, even a relatively simple ones like hydrogen, have many different orbitals, and so there are many possible energies with different initial and final states. When an atom is in an excited state, the electron can drop all the way to the ground state in one go, or stop on the way in an intermediate level Transitions among the various orbitals are unique for each element because the energy levels are uniquely determined by the protons and neutrons in the nucleus. We know that different elements have different numbers of protons and neutrons in their nuclei. When the electrons of a certain atom return to lower orbitals from excited states, the photons they emit have energies that are characteristic of that kind of atom. This gives each element a unique fingerprint. - E2 E1 Yüksek yoğunluktaki bir kaynaktan (plazma veya alev) ısı veya ışık enerjisi gönderilir. E0

Kimyasal bağlar olmadan titreşimsel ve dönme enerji düzeyleri ve bunlar arasındaki geçişler var olamaz. Bunun sonucu olarak atomik emisyon, absorpsiyon ve floresans spektrumları az sayıda ince pik veya çizgi içerir.

Moleküler ve Atomik Spektrum Atomik spektral çizgi Moleküler spektral bant l, nm Abs Atomik Geçişler Moleküler Geçişler

Sodyumun üç emisyon çizgisi

Enerji seviyesi diyagramı a) Na atomu b) Magnezyum atomu Enerji seviyesi diyagramı a) Na atomu b) Magnezyum atomu. Geçişler birbirine benzemesine rağmen dalga boyları aynı değildir.

Atomik Absorpsiyon Spektrometresi Işık kaynağı Atomlaştırıcı Monokromatör Sinyal İşlemci Kayıt Cihazı

Kuvartz veya cam pencere Işık Kaynakları Oyuk Katod Lambası (HCL) İzolasyon diski Kuvartz veya cam pencere Oyuk katot Anot Ar veya Ne 1-5 torr

ATOMLAŞTIRICILAR

ATOMLAŞTIRICILAR (Numune Kabı) Alev Elektrotermal (grafit fırın) Plazma

Alevli AAS (FAAS) Bileşenleri Oyuk katot lambası Monokromatör Dedektör Yükseltici Çıktı cihazı Alev Analit örneği Yakıt Hava

Bir plazma veya aleve sürekli numune verilirken atom, molekül ve iyon oluşumuna yol açan süreçler. Numune çözeltisi sisleştiricide bir sise dönüştürülür. Alev veya plazmanın yüksek sıcaklığında çözücü buharlaşır ve geriye kuru aerosol zerrecikleri kalır. Bu tanecikler daha yüksek sıcaklığa ısıtılınca, kendileri de gaz hale dönüşerek atomik, moleküler ve iyonik türler oluşturur. Çoğu zaman, en azından bazı bölgelerde bu türler arasında bir denge oluşur.

NumuneTransferi

Numune Verme Püskürtücüler-Sisteştiriciler (Nebulizer): Numune çözeltisi küçük damlalara parçalanarak yüzey alanı genişletilir ve alevin numuneden fazla etkilenmemesi sağlanır.

Sıvı analit girişi Kabuk Kapiler Kapiler uç Gaz girişi

(Cross flow nebulizer) Eş merkezli boru Çapraz akış (Cross flow nebulizer) Eş merkezli boru (Concentric tube pneumatic nebulizer) Analit Çözeltisi Yüksek basınçlı gaz akışı Yüksek basınçlı gaz akışı Analit Çözeltisi

(Babington nebulizer) Gözenekli disk (Fritted disk nebulizer) Analit Çözeltisi Analit Çözeltisi Çözelti filmi Orifis Atık Yüksek basınçlı gaz akışı Yüksek basınçlı gaz akışı

Alev başlığı (AAS-FAAS) Alev Alev Başlığı Sprey Odası Yakıt Oksidant Akış durdurucu Cam boncuk Numune Sisleştirici Atık

- Damlalardaki çözücü buharlaştırılır - Numunenin yalnızca %5’i aleve ulaşır - Büyük damlalar atığa gider - Alev ya da plazmaya giden küçük parçalar molekül, atom veya iyonlarına ayrıştırılır.

Sisleştirilmiş bir numune aleve taşındığında, çözücü başlığının hemen üstünde yer alan birincil yanma bölgesinde (primary combustion zone) buharlaşır. Böylece oluşan ince toz halindeki katı parçacıklar alevin ortasındaki iç bölgeye (interzonal region) taşınırlar. Burası alevin en sıcak bölgesi olup, burada katı parçacıklar gaz halindeki atomları ve element iyonlarını oluşturur. Atomik emisyon spektrumları için uyarma işlemi de yine bu bölgede gerçekleşir.

Yakıt-Oksidant oranına göre alev çeşitleri: -Fuel lean -yakıtı az alev -Stokiyometrik- 1:1 -Fuel rich -yakıtça zengin alev

Alevli AAS (FAAS)’de en çok serbest atom sağlayan alev yüksekliği ve yakıt/oksidant oranları belirlenerek analit absorpsiyonu ölçülür. Kolay oksitlenen elementlerde (Mg, Cr gibi) alev başlığının yüksekliği arttıkça A azalır

Hem emisyon hem de absorpsiyon spektrumları karmaşık yollarla alev sıcaklığındaki değişimlerden etkilenirler. Yüksek sıcaklıklar toplam serbest atom sayısını, dolayısıyla duyarlılığı artırır. Bununla birlikte, alkali metaller gibi bazı elementler için (E2-E1 = küçük), sayıları sıcaklıkla artan atomların çoğu iyonlaşma ile yok olduğundan serbest atom sayısı azalabilir. Alev sıcaklıkları, alevdeki uyarılmış ve uyarılmamış atom sayılarının birbirine oranını da tayin eder. Ör. Mg için uyarılmış atom sayısı/uyarılmamış atom sayısı Asetilen/hava alevi (2100-2400 0C)’de 10-8 700 0C’de 10-6

Elektrotermal AAS (ETAAS, GFAAS) Elektrotermal atomlaştırıcı olarak grafit fırın adı verilen 2-3 cm uzunluğunda 1 cm iç çapındaki tüp kullanılır. Bu tüpün her iki yanına bağlanmış elektrik akımı ile ısıtma yapılır. Püskürtücü yoktur, burada numune çözeltisi (10-50L) mikropipet veya otomatik pipetlerle damlatılır. Oksitlenmeyi engellemek için tüpten, atomlaşma aşaması hariç inert gaz (Ar) geçirilir.

Grafit Fırın

Fırın programları 4 aşamalıdır: 1) Kurutma - 110 °C’de 20- 45 s kurutma yapılarak çözücü uzaklaştırılır. 2) Külleme- 350-1200 °C’de, 20-45 s ısıtılarak organik maddeler uzaklaştırılır. 3) Atomlaşma- 2000-3000 °C’de, 3-10 s ısıtılarak analit atomlaştırılır. 4) Temizleme- 2500-3500 °C’de kalıntılar Ar gazı akışı altında uzaklaştırılarak hafıza etkisi giderilir Elektrotermal atomlaştırıcılar düşük miktardaki numunelerde bile yüksek gözlenebilme sınırlarına sahiptir. Işık kaynağından (HCL) gelen ışık fırın içinden geçecek şekilde ayarlanarak, atomlaşma aşamasında açığa çıkan atomlar tarafından absorplanır.

ETAAS Sıcaklık Programı Kurutma Külleme Atomlaştırma Sıcaklık (C) zaman

Grafit Tüp Numune verme (katı,sıvı,gaz) sıcaklık Absorbans sinyali zaman

GFAAS’nin Problemleri - Tekrarlanabilirlik - Ölçüm hızı düşük - Girişimler - Dar Dinamik aralık - Bazı elementler imkansız Element: Cd Dalga boyu: 228.8 nm Slit: 0.4 nm 2 ppb 0.20 Absorbans 1 ppb Disadvantages of GFAAS Poor reproducibility this is because of sample injection accuracy and temperature profile of the graphite tube changes. Slow measurement, typically only one element can be analysed per sample run. Severe interferences, they include background, spectral, ionisation, chemical and physical interferences. Narrow dynamic range, typically 2 ~ 3 orders of magnitude. Impossible elements, because the excitation point of some elements are so high it is imposable to achieve that state at 2000 ~ 3000 degrees. 0.00

Girişimler 1- Kimyasal Girişimler 2- İyonlaşma Girişimi 3- Fiziksel Girişimler 4- Spektral Girişimler

Kaynak modülasyonu (alev kaynaklı girişim nedeniyle) Alevli AAS ile çalışılırken hem alevden (ısı ile uyarılmış analit atomlarının emisyonu) hem de lambadan dedektöre aynı l’da ışık ulaşabilir. Yalnızca ışık kaynağının neden olduğu uyarma (P/Po) için alevden gelen emisyon çıkarılır, Bu işlem; i. ışık kesici ile ii. Chopper ile yapılır 1- karanlık 5- karanlık 2- boşluk 6- boşluk 3- karanlık 7- karanlık 4- ayna 8- ayna Alev Lamba Kesici Yarı geçirgen ayna Ayna Açık

Kimyasal Girişimler ve Çözümleri 1) Termal olarak kararlı yapı oluşturan bileşiklerin oluşması (alevli aas) - Anyon + Katyon Tuz Ca2+ (analit) + PO43- (girişim yapan iyon)  Ca3(PO4)2 (k) - Atomlaşan analit miktarı azalır  absorbans sinyali azalır - Çözüm 1) Alev sıcaklığı arttırılarak daha fazla atomlaşma sağlanır (N2O- asetilen) 2) Serbest bıraktıcı reaktif (Releasing agents) ilave edilir – girişime neden olan iyonlar bağlanır ör. Ca+2 tayininde La+2 veya Sr+2 ilave edilirse 2LaCl3 + Ca3(PO4)2  2LaPO4 + 3CaCl2 Ca atomları serbest kalır ve absorbansı artar 3)“Koruyucu madde” ilave edilir – analiti bağlayarak uçucu hale getirir ör. Ca2+ tayininde EDTA4- ilave edilirse Ca3(PO4)2 + EDTA4-  CaEDTA2-  Ca atomları

Kimyasal Girişimler ve Çözümleri 2) Oksitlerin/Hidroksitlerin Oluşması (alevli aas) M + O  MO M + 2OH  M(OH)2 - M analit - Çözüm 1) Alev sıcaklığı arttırılarak metaloksitler parçalanır ve daha fazla atomlaşma sağlanır 2) Alevde daha az oksidant kullanmak (lean alev)

İyonlaşma Girişimleri (alevli aas) 1A -2A elementleri kolay iyonlaştığı için daha çok karşılaşılır M M+ + e- İyonlaşma engellenerek atom sayısı arttırılmak istenir. Çözüm: Ortama daha çabuk iyonlaşan element ilave edilir. Ör. Ca tayininde K ilavesi Ca Ca2+ + 2e- K K+ + e- K miktarı analit (Ca) miktarına göre fazla olduğu için K iyonlaşır ve ortam elektronca zenginleşir. Böylece reaksiyon Ca2+ yi azaltacak yönde sola kayar.

Fiziksel Girişimler Numune ve standartların farklı fiziksel özelliklere sahip olmasından kaynaklanan girişimlerdir. Numune ve standart yoğunluklarının farklı olması püskürtme verimini, dolayısıyla atomlaştırıcıya ulaşan analit miktarını etkiler Çözüm: Seyreltme Standart İlave Etme Yöntemi

Spektral Girişimler Çizgi Girişimi: Aynı l’da absorbans yapan elementin ortamda bulunması Ör. Al’un 308.215 nm’de ölçümüne dayalı tayinde 308.211 nm’de absorpsiyon yapan V girişime neden olur. Çözüm: Girişimin olmadığı başka l’unda çalışmak (Al için 309.27 nm gibi başka bir çizginin seçilmesi) Zemin Sinyali Girişimi Moleküler absorpsiyon (-OH, CH, CO-) -yanma ürünlerinin geniş bantlar şeklinde ışın absorplaması Moleküler Saçılma -parçacıkların ışını saçması

Matriks kaynaklı spektral girişimler Absorpsiyon veya emisyon CaOH emisyonu CaOH absorp. Ba çizgisi Dalga boyu, A

D2 Zemin Düzeltmesi

D2 zemin düzeltmesi - aleve sırayla ışık kaynağından (HCL) ve D2 dan ışık gönderilir - HCL  atom + moleküllerin absorbansı - D2  atom + moleküllerin absorbansı + - 400 nm’den sonra kullanılamaz

Atomik Emisyon Spektrometresi Alevli AES Plazma (ICP)

Emisyon spektroskopisinde kullanılan cihazların bileşenleri Sinyal işlemci Po P kaynak ve numune kabı  seçici Dedektör

Alevli atomik emisyon spektroskopisi veya alev fotometresi biyolojik sıvı ve dokularda Na, K, Li, Ca (IA – IIA elementleri) gibi elementlerin tayinlerinde kullanılır.

Boltzmann eşitliği; Nj = uyarılmış durumdaki atom sayısı No = temel haldeki atom sayısı k = Boltzmann sabiti (1.38 x 10-23J/K) T = sıcaklık, Kelvin Ej = Nj ve No arasındaki enerji farkı (joules) Pj ve Po = kuantum seviyesine bağlı istatistiksek faktör

Dalgaboyu ayırıcı Dedektör Sinyal İşlemci Plazma RF güç kaynağı Numune Sisleştirici RF güç kaynağı Dalgaboyu ayırıcı Dedektör Sinyal İşlemci Kayıt cihazı

Radyo frekans indüksiyon bobini Teğetsel argon plazma destek akışı Argon içinde numune aerosolü ve buharı

ICP sıcaklıkları

Yalıtım bloğu Plazma Argon Yardımcı argon Argon içinde aerosol Atık Numune

Kantitatif Analizler Beer-Lambert Yasası Kalibrasyon Standart Katma Yöntemi

Beer-Lambert Yasası Numune içinden geçen ışığın belli dalga boyundaki absorbansı (A) şunlara bağlıdır: Işığın numune içinde aldığı yola (b) Numune derişimine (c) Numunenin ışığı absorplama kabiliyetine (e) artan [Fe2+] Absorbans Fe+2 derişimiyle doğru orantılı

Beer-Lambert Yasası A = absorbans (belli l’da) Dalga boyu (nm) Absorbans A = absorbans (belli l’da) e = molar absorptivite katsayısı (l’a ve maddenin cinsine bağlı) b = ışık yolu c = analit derişimi

log P0/P = ε x c x b = A (Absorbans) analit derişimi Işık yolu (cm) Absorptivite katsayısı Derişim (c) birimi g/l olursa, e, spesifik absorptivite katsayısı; Derişim (c) birimi mol/l olursa, , molar absorptivite katsayısı adını alır.

Beer-Lambert Yasası Işığın numune ile etkileştikten sonra geçen kısmı transmittans (T) olarak adlandırılır ve; % transmittans T ; 0 (sıfır) ile 1aralığındadır , %T ; 0 (sıfır) ile 100 aralığındadır

Beer-Lambert Yasası Absorbans (A): numune tarafından absorplanan ışık miktarıdır ve transmittansla bağlantılıdır.

Beer-Lambert Yasasında Sınırlamalar Işık monokromatik olmalı Işık yolu sabit olmalı Numunede: Floresans veya fosforesans Işığın saçılması (heterojen çözelti) Kimyasal formunda bozulma olmamalı Numune çok derişik olmamalı

Beer-Lambert yasasından sapmalar: Derişim Işık Yolu, cm

Beer-Lambert yasasından sapmalar: Aletsel sapmalar Kimyasal sapmalar

Beer-Lambert yasasından sapmalar: Aletsel sapmalar - Polikromatik ışınlarla görünür aletsel sapmalar: Absorplayıcı türün l1 ve l2 dalga boylarına ilişkin molar absorplama katsayıları değiştikçe sapmalar artar Absorbans Dalga boyu Derişim

Beer-Lambert yasasından sapmalar: Aletsel sapmalar Kaçak ışınlar sebebiyle aletsel sapmalar: Prizmaların, merceklerin, filtrelerin ve pencerelerin yüzeylerinde meydana gelen saçılmaların sonucunda oluşur. A= log(P0/P) A’ = log (P0 + Ps)/(P0 + Ps) P0= 100 A= log(100/40)= 0.398 P= 40 P0= 100 A’= log[(100+10)/(40+10)]= 0.342 Ps= 10

Beer-Lambert yasasından sapmalar: Kimyasal sapmalar Yüksek derişimlerde (genellikle > 0.01 M) absorplayıcı tanecikler arasındaki ortalama uzaklık, her taneciğin komşu taneciklerdeki yük dağılımını etkileyebileceği noktaya kadar küçülür. Yük dağılımının etkilenmesi, kullanılan dalga boyundaki ışınların absorplama derecesini değiştirir. Etkileşim derecesi derişime bağlı olduğu için bu süreç derişim ile absorbans arasındaki doğrusal ilişkiyi bozar.

Beer-Lambert yasasından sapmalar: Kimyasal sapmalar Analit molekülleri ayrışırsa, birbiri ile birleşerek veya çözücü ile reaksiyona girerek farklı bir ürün oluşursa Beer-Lambert yasasından sapmalar ortaya çıkar.

Problem 250 mL’lik stok Fe(phen)32+ çözeltisinden 1 Problem 250 mL’lik stok Fe(phen)32+ çözeltisinden 1.0 mL alınıp 100 mL’lik balonjojeye konularak hacme tamamlanıyor. Seyreltik bu çözeltinin 0.1 cm’lik küvette UV-vis spektrometre ile absorbans değeri 0.560 okunuyor. Fe(phen)32+ için molar absorptivite katsayısı 110000 M-1 cm-1 olduğuna göre başlangıçtaki stok çözeltinin derişimini hesaplayınız. Cevap: A= ebC 0.560= 110000 x 0.1 x C Cseyreltik= 5.09x10-5 M Cstok= 5.09x10-5x100/1= 5.09x10-3 M Seyrelme faktörü

Kantitatif Amaçlı Uygulamalar Lineer Kalibrasyon Doğrusu Farklı derişimlerde analiti içeren çözeltiler (standartlar) hazırlanır Her bir çözeltinin (standartın) absorbans değerleri okunur Derişime karşı Absorbans grafiğe geçirilir Bilinmeyen numunenin absorbansı okunur Absorbansa karşılık gelen derişim hesaplanır

Lineer Kalibrasyon Amaç: İki bilinmeyen x ve y arasındaki ilişkinin doğrusallığını bulmak y = mx + n burada; x; bağımsız değişken y; bağımlı değişken m; eğim (dy/dx) n ; y eksenini kesen nokta

Problem: İçme sularında Fe tayini [Fe], ppm (mg/L) A508, nm 1 0.001 2 25 0.112 3 50 0.245 4 75 0.321 5 100 0.460 numune ? 0.405 Absorbans ve Fe(phen)32+ derişimi arasında doğrusal ilişki olduğu düşünülür.

Numune absorbansı Analit derişimi

Standart Katma Yöntemi Matriksten dolayı, sulu standartlarla çizilen doğrunun ve standart ilave edilerek çizilen doğrunun eğimleri farklı ise standart katma yöntemi kullanılır Yöntem: Eşit miktarda numune eklenir Numunelere artan miktarlarda standart katılır Numune hacmi ve toplam hacim tüm standartlar için aynıdır Tüm çözeltilerdeki girişim eşit kabul edilir. Son derişim doğrusal çalışma aralığındadır Lineer kalibrasyon doğrusunun y’nin (absorbans) 0 (sıfır) olduğu noktadaki x (derişim) eksenini kestiği nokta seyreltilmiş analit derişimidir. Dezavantajı: - ölçüm sayısı artar - Her numune için ayrı kalibrasyon gerekir

Standart Katma Yöntemi Sr’un sulu numunesi Eklenen Stronsiyum (ppm) Kesişim = -7.41 ppm Absorbans Standart eğri (Su içerisinde Sr) Sr’un sulu ortamdaki kalibrasyon doğrusunun, akvaryum suyunda standart katma yöntemi ile çizilen kalibrasyon doğrusu ile karşılaştırılması

Standart Katma Yöntemi Numune Hazırlama Aynı hacimde numune alınır Artan miktarlarda standart ilave edilir Tüm çözeltiler aynı hacme tamamlanır çözücü Standart (Sr) numune örnek 2 4 { Çözelti no. 1 2 3 4 Std Sr derişimi=10 ppm Numune hacmi (mL) 5 5 5 5 Standart hacmi (mL) 0 1 3 4 Toplam hacim (mL) 10 10 10 10 Num. Hesabı Çöz. 2:

Standart İlave Etme Yöntemi 1) İlave edilen standart derişimleri hesaplanır. Önceki slayttaki örnek için; X1 = 0 X2 = 1 mL x 10 ppm / 10 mL = 1 ppm X3= 3 mL x 10 ppm / 10 mL = 3 ppm X4= 4 mL x 10 ppm / 10 mL = 4 ppm 2) Her bir standart için okunan absorbans değerine karşı derişim grafiğe geçirilir. 3) Numune derişimini bulmak için y= 0 olduğu noktada x(derişim) hesaplanır. 4) Bulunan sonuç seyreltme faktörü ile çarpılır

Tekli Standart Katma Yöntemi Amaç: Standartı, bilinmeyen karmaşık matriksli numuneye benzetmek İki ölçüm yapılır: numune numune üzerine analit standartı ilave edilmiş çözelti

Tekli Standart Katma xl sabit Bilinmeyen Karışım

Problem: İdrardaki fosfat derişimi spektrofotometrik olarak fosfatın molibden mavisi reaksiyonu ile tayin edilmek isteniyor. Aşırı molibden mavisi 1.0 mL idrar numunesine ilave ediliyor. Numune 5.0 mL’ye seyreltiliyor ve UV-vis spektrofotometre ile analiz ediliyor. Seyreltilmiş numunenin 710 nm’deki absorbans değeri 0.139’dur. İkinci 1.0 mL idrar numunesine 1 mL 5 ppm fosfat standartı ve aşırı molibden mavisi ilave ediliyor ve 5.0 mL’ye seyreltildikten sonra 710 nm’de okunan absorbans değeri 0.836 ise idrar numunesindeki fosfat derişimini (ppm) hesaplayınız. Cevap: Anumune/Cnumune = Akarışım/Ckarışım 0.139/Cidrar = 0.836/1 ppm+ Cidrar Cidrar= 0.2 ppm seyreltik numunede 0.2 x 5 mL/ 1 mL = 1 ppm