Bölüm 1 Giriş

Enstümental Analiz Dersi Konuları 1. Giriş 2. Elektriksel devre elemanları, devreler ve operasyonel yükselticiler 3. Elektromanyetik Radyasyonun Özellikleri 4. Optik cihazların bileşenleri, radyasyon kaynakları ve dedektörler 5. UV-Görünür Bölge Absorbsiyonuna Giriş 6. Moleküler UV-Görünür Bölge Absorbsiyonu 7. Moleküler floresans, fosforesans ve kemilüminesans 8. Atomik Spektroskopi 9. İnfrared (IR) Absorbsiyon Spektroskopi 10. Raman Spektroskopi Kütle Spektroskopi 12. X-ışınları Spektroskopisi 13. Elektroanalitik yöntemler 14. Kromatografik ayırmalar 15. Radyokimyasal yöntemler

I.Analitik Metotların Sınıflandırılması Analitik Kimya Bir numunenin kimyasal bileşimini inceleyen (kalitatif analiz) ve numunedeki her bir elementin bağıl miktarlarını belirleyen (Kantitatif analiz) bir bilim dalıdır.Analitik Kimya Bir numunenin kimyasal bileşimini inceleyen (kalitatif analiz) ve numunedeki her bir elementin bağıl miktarlarını belirleyen (Kantitatif analiz) bir bilim dalıdır. Bir numunenin analizi için metotlar genel olarak iki ana başlık altında toplanır Klasik metotlar & Enstrümental Metotlar

I.Analitik Metotların Sınıflandırılması A.Klasik Metotlar 1.Numunenin ayrıştırılması - ekstraksiyon, distilasyon, çöktürme ve filtrasyon gibi genel prosedürleri içerir 2.Kantitatif analiz -titrasyon ve gravimetrik analiz. 3.Kalitatif analiz - renk, koku, yoğunluk, reaktiflik, kırılma indisi, vs.

I. Analitik Metotların Sınıflandırılması B.Enstrümental Metotlar –kalitatif ve kantitatif bilgiler almak için numunenin fiziksel özelliklerinden faydalanılır.

Analitik sinyal Enstrümental yöntemler Işın emisyonu Emisyon spektroskopisi, (X ışınları, UV-görünür, elektron, Auger), floresans, fosforesans, ve lüminesans X ışınları, UV-görünür(X ışınları, Uv-görünür) Işın absorbsiyonu Spektrofotometri, ve fotometri (X ışınları, UV-görünür, IR), fotoakustik spektroskopi, Nükleer manyetik rezonans, Elektron spin rezonans Işın saçılması Türbidimetri, nefelometri, Raman spektroskopisi Işın kırılması Refraktometri, interferometri Işın difraksiyonu X ışınları ve elektron difraksiyon yöntemleri Işın rotasyonu Polarimetri, optik rotary dispersiyonu, dairesel dikroizm Elektrik potansiyeli Potansiyometri, kronopotansiyometri Elektrik yükü Kulometri Elektrik akımı Amperometri, polarografi Elektriksel direnç Kondüktimetri Kütle Gravimetri (Kuartz kristal mikroterazi) Kütle/yük oranı Kütle spektroskopisi Reaksiyon hızı Kinetik yöntemler Termal özellikler Termal gravimetri ve titrimetri, diferensiyel taramalı kalorimetri, diferensiyel termal analiz, termal kondüktimetrik yöntemler Radyoaktivite Aktivasyon ve izotop seyreltme yöntemleri

I. Analitik Metotların Sınıflandırılması B.Enstrümental Metotlar 1.Numunenin Ayrıştırılması – iki şekilde yapılabilir a.Numunenin fiziksel ayrıştırılması i.Kromotografi – gaz veya sıvı (GC, LC) ii.Elektroforez – jel veya kapilar jel (GE, CGE) b.Numunenin spektroskopik ayrıştırılması Spektroskopik bir metot ile numuneden alınan sinyalin izole edilmesi

I. Analitik Metotların Sınıflandırılması B.Enstrümental Metotlar 2.Kantitatif Analiz Ultraviyole-Görünür Bölge spektrofotometri (UV-Vis)Ultraviyole-Görünür Bölge spektrofotometri (UV-Vis) Atomik emisyon ve absorpsiyon spektroskopi (AES, AAS)Atomik emisyon ve absorpsiyon spektroskopi (AES, AAS) Elektriksel İletkenlik (pH)Elektriksel İletkenlik (pH) 3.Kalitatif Analiz X-ray spektrometriX-ray spektrometri İnfrared spektroskopi (IR)İnfrared spektroskopi (IR) Kütle Spektrometri (MS)Kütle Spektrometri (MS) Nükleer manyetik rezonans (NMR)Nükleer manyetik rezonans (NMR)

II.Cihaz Cihaz bileşenleri

Cihaz Sinyal jeneratör Analitik sinyal Dedektör Giriş sinyali Sinyal işlemcisi Okuyucu Fotometre Tungsten lamba, cam filtre, numune Numune tarafından zayıflatılmış ışın demeti Fotosel Elektrik akımı Ampermetre Kulometre DC kaynağı, numune Hücre akımı Elektrot Elektrik akımı YükselticiYazıcı pH-metreNumune Hidrojen iyon kaynağı Cam kalomel elektrot Elektriksel potansiyel Yükseltici, dijitize edici Dijitalmetre X-ışınları difraktometresi X-ışını tüpü Kırılmış radyasyon Fotoğraf filmi Kimyasal işlem Fotoğraf Atomik emisyon spektrometresi Alev monokraomatör, numune UV-görünür bölge radyasyonu Foton çoğaltıcı tüp Elektriksel potansiyel Yükseltici demodülatör Yazıcı

III.Enstrümental Metot Seçimi A. Problemin belirlenmesi En iyi analiz metodunun seçilebilmesi için aşağıdaki soruların cevapları verilmelidirEn iyi analiz metodunun seçilebilmesi için aşağıdaki soruların cevapları verilmelidir 1.Analiz sonucunun doğruluğu ne kadar önemli? 2.Ne kadar numuneye sahipsiniz? 3.Analitik konsantrasyon aralığınız nedir? 4.Numunedeki analizi yapılacak bileşen ile diğer numune bileşenleri birbirlerine tesir ediyorlar mı? 6.Kaç adet numunenin analizi yapılacak? 5.Numune matriksinin fiziksel ve/veya kimyasal özellikleri hakkında bir bilginiz var mı?

III. Enstrümental Metot Seçimi B. Cihazların performans özellikleri ve sayısal ölçütler Metot seçiminde göz önünde bulundurulması gereken diğer ölçütlerMetot seçiminde göz önünde bulundurulması gereken diğer ölçütler 1)Analiz hızı 2)kolaylık ve uygunluk 3)Kullanıcının uzmanlığı 4)Fiyat ve cihaz bulunabilirliği 5)Numune başına maliyet Performans özellikleri - Yapacağımız analiz için uygulanabilecek en iyi metodu belirleyebilmek için cihazların performansları hakkında fikir sahibi olmalıyızPerformans özellikleri - Yapacağımız analiz için uygulanabilecek en iyi metodu belirleyebilmek için cihazların performansları hakkında fikir sahibi olmalıyız

III. Enstrümental Metot Seçimi B. Cihazların performans özellikleri ve sayısal ölçütler Sayısal ÖlçütlerSayısal Ölçütler 1)Kesinlik 2)Doğruluk derecesi (Hata) 3) Seçicilik 3) Seçicilik 4)Ölçüm limiti (LOD) 4)Ölçüm limiti (LOD) 5) Derişim aralığı (LOQ-LOL) 5) Derişim aralığı (LOQ-LOL) 6)Duyarlık (Kalibrasyon) 6)Duyarlık (Kalibrasyon)

1.Kesinlik – Aynı şartlarda yapılan ölçümlerin sonuçlarının birbirine olan uyumluluğunu gösterir. Veriler ne kadar birbirine yakınsa uygulanan metot o derece duyarlıdır. b)Relatif standart sapma (RSD) c)Değişkenlik katsayısı (CV) a) Standart sapma (s): x i = i. deneme x i = i. deneme = ortalama değer = ortalama değer N = deneme sayısı x

Örnek: 4 öğrenci musluk suyu numunesinde klorür konsantrasyonu tayini yaparak aşağıdaki sonuçları elde etmiştir. [ Cl - ] (ppm) 153,6 149,2 158,5 161,1 Su numunesindeki a) Ortalama klorür konstrasyonunu b) Standart sapmayı c) Relatif standart sapmayı d) Değişkenlik katsayısını hesaplayınız

a) Ortalama klorür konstrasyonu b) Standart sapma c) Relatif standart sapma RSD = 2,72/155,6 = 0,0175 d) Değişkenlik katsayısı CV = 0,0175 x 100 = % 1,75

2.Doğruluk derecesi – Analiz sonucu elde edilen verilerin doğru kabul edilen değere yakınlığının bir ölçüsüdür. b)Relatif hata c)Yüzde hata a)Mutlak hata (E a ) = ölçülen değer  = gerçek veya kabul edilen değer  = gerçek veya kabul edilen değer x

3.Seçicilik -Analitik metot ortamda bulunması muhtemel diğer maddelere ait sinyaller içermemelidir. Ne yazık ki diğer maddelerin girişiminden bağımsız bir maddeyi tayin edebilen yöntem yoktur. Ancak girişimlerin etkilerini ez aza indirmek için çeşitli önlemler alınır. Örneğin, A analitini ve bozucu etki yapma ihtimali olan B türünü içeren bir numuneyi göz önüne alalım. C A ve C B türlerin derişimi; m A ve m B ise onların kalibrasyon eğrilerinin eğimi alınırsa toplam alet sinyali (S) aşağıdaki gibi olur: S = m A C A + m B C B + S bl (S bl : Körden kaynaklanan sinyal) Yöntemin A için seçicilik katsayısını B’ye göre bulalım: k B,A = m B /m A Böylece seçicilik katsayısı, yöntemin B türlerine A türlerine göre bağıl cevabını gösterir. Seçicilik katsayısı kullanılarak bir önceki eşitlik yeniden düzenlenebilir: S = m A (C A + k B,A C B ) + S bl Seçicilik katsayısı sıfır ise girişim yok demektir.

Örnek: K + ’nın Na + ’ya göre seçicilik katsayısının 0,052 olduğu bir ortamda 2 x M Na + içeren 3 x M çözeltisindeki K + tayini için yüzde hatayı bulunuz. S bl değerini sıfır kabul ediniz. S = m K+ (C K+ + k Na+,K+ C Na+ ) + 0 S/m K+ = C K+ + k Na+,K+ C Na+ = 3 x ,052 x 2 x = 4,04 x Eğer Na + olmasaydı, S/m K+ = 3 x olacaktı. % hata = [(4,04 x x ) / 3 x ] x 100 = % 35  S m1 CC  S m2

4.Ölçüm limiti – Aletin güvenilir bir şekilde ölçebileceği minimum konsantrasyon veya ağırlıktır. (Güvenilir seviye genellikle % 95 ve üzeri değerlerdir) a)Ölçülebilir minimum sinyal (S m ) S m = ölçülen minimum sinyal S ort,bl = köre ait ortalama sinyal s bl = kör sinyalin standart sapması k = kör sinyaldeki değişkenlik b) Ölçülebilir minimum konsantrasyon (c m ) Ölçüm limiti (LOD) Ölçüm limiti (LOD) c m = Ölçülebilen minimum konsantrasyon m = kalibrasyon doğrusunun eğimi (LOD: Limit of dedection) k genellikle 3 alınır.

LOQ: En düşük derişim (Limit of quantification) Uygun doğruluk ve kesinlikle miktarı saptanabilen en küçük derişimdir. (k genellikle 10 alınır.) (k genellikle 10 alınır.) LOL : Limit of linearity 5. Derişim aralığı (LOQ-LOL) 5. Derişim aralığı (LOQ-LOL) Sinya l DerişimLOL C LOD LOQ Çalışma aralığı

6. Duyarlık (Kalibrasyon) Gravimetri ve kulometri hariç bütün Analitik yöntemler için kalibrasyon gerekir. Yöntemin kalibrasyonu ölçülen analitik sinyal ile analit derişimi arasındaki ilişkinin belirlenmesidir. En çok kullanılan üç yöntem: 1)Kalibrasyon Grafiği yöntemi 2)Standart ekleme yöntemi 3)İç standart ekleme yöntemi dir. 1) Kalibrasyon Grafiği yöntemi Analit derişimi kesin olarak bilinen birkaç standart çözelti cihaza verilerek sinyal ölçülür. Analit derişimine karşı sinyal grafiğe geçirilir. Kalibrasyon grafiğinin başarısı standart çözelti ortamının, analit çözeltisinin ortamına benzemesine bağlıdır. Ortam hatasını gidermek için ya da azaltmak için girişim yapan maddenin veya analitin ortamdan ayrılması gerekir.

Derişim (ppm) 2468 Işık Şiddeti0,20,40,60,8 Bilinmeyen0,5 5 Örnek: Bir çözeltide K tayini için aşağıdaki veriler elde edilmiştir. Buna göre çözeltideki K derişimi nedir.

2) Standart Ekleme Yöntemi Ortam etkisinin olduğu (girişim) karmaşık numunelerin analizinde kullanılır. Aynı miktarda alınan numunelere, artan derişimlerde standart çözelti ilave edilir. İlk numune çözeltisine ilave yapılmaz. Bu çözeltilerin cihazla sinyalleri ölçülür. Doğrunun X eksenini kesim noktasından numunedeki analit derişimi bulunur. Kalibrasyon eğrisinin denklemi y = mx + b şeklinde ifade edilir. Kalibrasyon eğrisinin denklemi y = mx + b şeklinde ifade edilir. Burada m eğimi, b ise eğrinin y eksenini kestiği noktayı gösterir. x (numunenin derişimi) = 0 alınırsa y = b olur. Bunun tersi de doğrudur: y = 0 alınırsa x = -b/m olur. A T =A numune + A standart (Standart ekleme grafiğinde A T toplam absorbans; numune ve standardın absorbansları toplamıdır. Aynı madde olduğundan b ve  aynıdır.) A T =  bC numune +  bC standart A T = 0 için -  b Cnumune =  bC standart - C numune = C standart

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 -10,0-5,00,05,010,015,020,0 Eklenen mL Standart Çöz. Absorbans Örnek: Doğal su numunesinden Fe +3 tayini için alınan 10 ar mL lik kısımlar 5 adet 50 mL lik ölçülü balona konmuştur. 11 ppm Fe +3 içeren çözeltiden sırasıyla 0,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 ml bu balonlara ilave edilmiştir. Sonra her balona SCN - ilave edilerek kırmızı renkli Fe(SCN) +2 kompleksi oluşturulmuştur. Bütün balonlar 50 ml’ye tamamlanmıştır. Çözeltilerin absorbansı kolorimetrede sırasıyla 0,240; 0,437; 0,621; 0,809; 1,009 olarak ölçülmüştür. Su numunesindeki Fe +3 derişimi nedir. ? Örnek: Doğal su numunesinden Fe +3 tayini için alınan 10 ar mL lik kısımlar 5 adet 50 mL lik ölçülü balona konmuştur. 11 ppm Fe +3 içeren çözeltiden sırasıyla 0,0; 5,0; 10,0; 15,0; 20,0 ml bu balonlara ilave edilmiştir. Sonra her balona SCN - ilave edilerek kırmızı renkli Fe(SCN) +2 kompleksi oluşturulmuştur. Bütün balonlar 50 ml’ye tamamlanmıştır. Çözeltilerin absorbansı kolorimetrede sırasıyla 0,240; 0,437; 0,621; 0,809; 1,009 olarak ölçülmüştür. Su numunesindeki Fe +3 derişimi nedir. ? -6,38 1,1 2,2 3,34,4 -1,1 -2,2 -1,4 ppm standart Çözelti Eklenen standart çözeltinin derişimi hesaplanarak sinyale karşı grafiğe geçirilerek de bilinmeyen grafikten bulunabilir. 5x11/50=1,1 ppm 10x11/50= 2,2 ppm 15x11/50=3,3 ppm 20x11/50= 4,4 ppm Bilinmeyen 1,4 ppm (grafikten) 1,4 x 50/10 = 7,0 ppm x= 0 için y = b = 0,240 bulunur. Eğrinin eğimi (m) = (0,809-0,621)/5 = 0,0376 y = 0 için, y = 0 için, x = -b/m = -0,240/0,0376 = -6,38 mL bulunur. V s. C s = V x. C x → -6, = 10. C x → C x = 7,02 ppm bulunur.

3) İç Standart Ekleme Yöntemi İç standart, bir analiz işleminde numuneye, tanık çözeltisine ve kalibrasyon standartlarına belirli miktarda eklenen maddedir. İç standart metodunda, kalibrasyon grafiği analit sinyalinin iç standart sinyaline oranı olarak grafiğe geçirilir. Yatay eksen yine analitin bilinen derişimini gösterir. Bu oran kullanılarak analit derişimi belirlenir. İç standart uygun biçimde seçilmişse, hem sistematik hem de rasgele hatalar giderilebilir. İç standart olarak seçilen madde, numunede bulunmadığı bilinen maddelerden seçilmelidir. Analit ile aynı yerde sinyal vermemelidir. Ancak kimyasal özellikleriyle analite benzemelidir. Örneğin, kanda sodyum ve potasyum tayinlerinde lityum iyi bir iç standarttır. Çünkü kimyasal davranışı sodyum ve potasyuma benzemekle beraber kanda bulunmaz.