1. Moleküler Lüminesans Spektroskopisi

... konulu sunumlar: "1. Moleküler Lüminesans Spektroskopisi"— Sunum transkripti:

1 1. Moleküler Lüminesans Spektroskopisi
Bu bölümde, moleküler floresans, fosforesans ve kemilüminesans gibi optik yöntemlerin birbiriyle ilişkili üç tipi üzerinde durulacaktır. Bu yöntemlerin her birinde analit molekülleri emisyon spektrumları vermek üzere uyarılırlar. Floresans ve fosforesans, foton absorpsiyonu ile uyarma sağlanması bakımından benzerdirler. Bu yöntemler, topluca moleküler lüminesans (Işıldama veya lüminesans, bazı maddelerin, ısısı değişmeksizin elektromanyetik ışınım yaymasıdır.) işlemleri olarak bilinirler. Emisyon (ışıma gücü) ise, bir molekülün yüzeyinin radyasyon ile enerji yayma yeteneğidir. Işıldamaya yol açan enerji kaynakları ise, elektron akışı, elektrik ya da manyetik alan, morötesi ışınım, alfa parçacıkları salınımı şeklindedir. Uyarılmış molekülün temel enerji düzeyine dönerken ışık yaymasına genel olarak fotolüminesans denir. Uyarılma enerjisi bir kimyasal tepkimeden karşılanırsa buna da kemilüminesans denir. Işıldama ile görünür ışık yayılması (fotolüminesans) olayının gerçekleşme süresine göre (yani elektronun temel enerji düzeyine geri dönmesi için geçen süre) sınıflandırılması ise aşağıdaki gibidir : Flüro ışıldama (Fluoresans) : t < 10-8sn Fosfor ışıldama (Fosforesans) : t > 10-8sn

2 Floresansı, fosforesanstan ayıran floresanstan sorumlu elektronik enerji aktarımının elektronun spininde bir değişiklik oluşturmamasıdır. Bu yüzden floresans hemen yok olan bir lüminesans iken (<10-5 s), fosforesans birkaç saniye gibi oldukça uzun sürelerde olur. Birçok durumda, fotolüminesans emisyonu, onu uyarmak için kullanılan ışımanınkinden daha uzun dalga boyundadır. Lüminesans yöntemlerinin en çekici yönlerinden birisi, bu yöntemlerin kendilerine özgü duyarlılıklarıdır. Bu yöntemlerin gözlenebilme sınırları, genellikle absorpsiyon spektroskopisi yöntemlerininkinden kat daha iyidir. Fotolüminesans yöntemlerinin diğer bir üstünlüğü, onların daha geniş doğrusal derişim aralığıdır ve bu da absorpsiyon yöntemlerinde elde edilen doğrusal çalışma aralıklarından önemli ölçüde daha geniştir. Genel olarak, lüminesans yöntemleri, nicel analizde absorpsiyon yöntemlerinden daha az uygulanır. Çünkü, UV-GB ışın absorpsiyonu yapan tür sayısı spektrumun bu bölgesinde ışın absorpladığında fotolüminesans gösteren türlerin sayısından çok daha fazladır.

3 Elektron Spini Pauli dışarlama prensibine göre, bir orbitalde iki elektrondan daha fazla elektron bulunamaz ve bu iki elektron da zıt spinli olmak zorundadır. Bu şartlar altında, moleküllerin çoğu, durgun manyetik alan tarafından ne çekilir ne de itilirler (diamanyetik). Buna karşılık, eşleşmemiş elektronlar içeren serbest radikallerin bir manyetik momenti vardır ve bunun sonucu olarak bir manyetik alan tarafından çekilirler. Bu yüzden serbest radikaller paramanyetik olarak adlandırılır. Singlet/ Triplet Uyarılmış Haller Bütün elektron spinlerinin eşleşmiş olduğu bir moleküler elektronik hal; temel singlet hal olarak adlandırılır ve molekül bir manyetik alana maruz bırakıldığında elektronik enerji seviyelerinde hiçbir yarılma meydana gelmez. Bir molekülün bir çift elektronundan biri daha yüksek bir enerji seviyesine uyarılırsa ya uyarılmış singlet hal ya da uyarılmış triplet hal meydana gelir. Uyarılmış singlet halde, uyarılmış elektronun spini hala temel haldeki elektron ile eşleşmiş durumda, bununla beraber, triplet halde, iki elektronun spinleri eşleşmemiş durumda ve böylece birbirlerine paralel durumdadırlar.

4 Fotolüminesans bir sistem için Jablonski enerji-düzey diyagramı
Oda sıc. da çözeltideki moleküllerin büyük çoğunluğu temel singlet haldedir. Bir molekülün uyarılması, biri l1 dalga boyunda (S0 → S1) ve ikincisi de daha kısa dalga boyunda, l2 (S0 → S2) civarında merkezileşmiş iki ışın bandının absorpsiyonu ile meydana gelebilir. Temel hale dönüş floresans ve fosforesans ile olabildiği gibi, ışımasız da (dalgalı oklar) olabilir. Fotolüminesans bir sistem için Jablonski enerji-düzey diyagramı

5 Sönüm (durulma) işlemleri Uyarılmış molekülün temel hale geçişi ışımalı (fotolüminesans) ya da ışımasız olabilir. Temel hale geçişte en tercih edilen yol, uyarılmış halin ömrünü en az yapan yoldur. Işımasız sönümler, titreşimsel durulma, iç dönüşüm, dış dönüşüm ve sistemler arası geçişler şeklinde gerçekleşir. Işımalı geçiş gösteren molekül sayısı, ışımasız geçiş gösteren moleküllere göre oldukça azdır. Floresans ve fosforesansı Etkileyen Değişkenler: 1. Kuvantum Verimi Lüminesans yapan moleküllerin sayısının toplam uyarılmış molekül sayısına oranıdır. Floresein gibi oldukça floresans bir molekül için bazı şartlar altındaki kuvantum verimi bire yaklaşır. Önemli derecede, floresans yapmayan kimyasal türler ise sıfıra yakın verimlere sahiptir. kf = floresans bağıl hız sabiti ks = sistemler arası geçiş bağıl hız sabiti kdd = dış dönüşüm bağıl hız sabiti kid = iç dönüşüm bağıl hız sabiti köa = ön ayrışma bağıl hız sabiti ka = ayrışma bağıl hız sabiti

6 2. Kuvantum Verimi ve Geçiş Tipi
s ® s* geçişleri, genelde 250 nm’nin altında nadiren gözlenir. Çünkü bu enerji, molekülün ayrışma ve ön ayrışmasına sebep olur. Genelde gözlenen geçişler; p ® p* ve n® p* geçişleridir. p ® p* geçişinin kuvantum verimi, n® p* geçişinin kuantum veriminden daha büyüktür. Çünkü; p ® p* geçişlerinde e, kat daha büyüktür. p ® p* geçişi n ® p* geçişine göre daha kısa sürede olur. 3. Floresans ve Yapı En şiddetli ve en faydalı floresans, düşük enerjili p ® p* geçişlere sahip aromatik fonksiyonel gruplar içeren bileşiklerde görülür. Alifatik ve alisiklik karbonil grupların veya çok sayıda konjüge çift bağlı yapılar içeren bileşikler de floresans gösterebilir. Piridin ve pirol gibi heterosiklik bileşikler ise floresans göstermezler. Ancak bunların benzen ile kondanse olmuş türevleri (kinolin ve indol gibi) floresans gösterirler. piridin pirol kinolin indol

7 4. Yapısal Rijitliğin Etkisi
Rijit yapılara sahip moleküllerde floresans daha fazladır. Çünkü rijit olmayan bir molekülün bir kısmının yapacağı titreşim hareketi şüphesiz bazı enerji kayıplarına sebep olur. 5. Sıcaklık ve Çözücünün Etkisi Kuvantum verimi sıcaklık artmasıyla azalır. Çünkü sıcaklık arttıkça çarpışmalar artar. Sonuçta dış dönüşüm ihtimali artar ve floresans ihtimali azalır. Benzer şekilde vizkoz çözücülerde ise floresans verimi yüksektir. 6. pH’nın Etkisi Asidik veya bazik fonksiyonel grup ihtiva eden bir aromatik bileşiğin iyonlaşmış ve iyonlaşmamış halleri için, dalga boyu ve emisyon şiddetinin her ikisi de farklıdır. 7. Derişimin Etkisi Floresans şiddeti (F), düşük derişimlerde derişim ile orantılıdır. Floren Φ=1.0 Bifenil Φ=0.2

8 Bir uyarma spektrumu, uyarma dalgaboyu değiştirilirken, sabit dalgaboyunda lüminesansın ölçülmesiyle elde edilir. (aynı şartlarda elde edilen absorpsiyon spektrumu ile aynıdır). Floresans ve fosforesans spektrumları dalgaboyunun bir fonksiyonu olarak emisyon şiddeti kaydedilirken sabit dalgaboyunda uyarılmayı kapsar. Fotolüminesans genellikle uyarma dalgaboyundan daha uzun dalgaboylarında olur. Ayrıca fosforesans bantları floresans bantlarından daha uzun dalgaboylarında olur. Çünkü triplet uyarılmış enerji seviyesi genelde singlet uyarılmış enerji seviyesinden daha düşük enerjilidir.

9 Floresans ve Fosforesans Ölçümü için Cihazlar
Fotolüminesans ölçülmesi için kullanılan cihazların çeşitli bileşenleri, UV-GB için kullanılanlarla benzerdir. Numuneden gelen ışın bütün yönlere doğru olur. Fakat en uygun şekilde floresans, uyarma ışınına dik açıdan gözlenir; diğer açılarda çözeltiden ve hücre duvarlarından oluşan saçılma, şiddet ölçümünde büyük hatalara sebep olabilir. Yayılan ışın, ölçme için floresansı ayıran bir filtreden veya monokromatörden geçtikten sonra dedektöre ulaşır. Referans ve numune fotoçoğaltıcı tüplerden gelen sinyaller bir fark yükselticisine gönderilir. Kaynak filtre Işın şiddetini azaltıcı numune dedektör yükseltici Bir alan florometresi. Su içindeki klorofil için dedeksiyon limiti ppb, sudaki ham petrol için ise ppm seviyelerindedir. (Klorofil A: C55H72O5N4Mg)

10 Işık Kaynakları: Filtreli florometreler için en yaygın kullanılan kaynak, erimiş silika pencereli, düşük basınçlı Civa buhar lambasıdır. Bu kaynak, 254, 302, 313, 546, 578,691 ve 773 nm'deki uyarma floresansında faydalı çizgiler meydana getirir. Her bir çizgi, uygun absorpsiyon veya girişim filtreleri ile diğerlerinden ayrılabilir. Floresans yapan birçok bileşikte, floresans çeşitli dalga boylarıyla sağlanabildiğinden, civanın en azından bir çizgisi normal olarak bu iş için uygun olur. Filtreler ve Monokromatörler: Hem uyarma demetinin hem de oluşan floresans ışınının dalga boyunun seçilmesi için, florometrelerde girişim ve absorpsiyon filtrelerinin her ikisi de kullanılmıştır. Spektroflorometrelerin çoğu, en az bir ve bazen iki optik ağlı monokromatör ile donatılmıştır. Dedektörler: Tipik lüminesans sinyali düşük şiddetlidir; ölçülebilmeleri için yükseltilmeleri gerekir. Duyarlı floresans cihazlarda fotoçoğaltıcı tüpler en yaygın kullanılan dedektörlerdir. Bunlar, genellikle, artırılmış sinyal/gürültü oranları elde etmek için foton sayım modunda çalıştırılırlar. Sinyal/gürültü oranlarını artırmak için bazen dedektörlerin soğutulması da gerekir. Hücreler ve Hücre Bölmeleri: Floresans ölçmeleri için cam veya silisden yapılmış hem silindirik hem de dikdörtgen prizması şeklindeki hücreler kullanılır. Fosforesans ölçümünde florometrelere uyarma ile fosferansın aralıklı olarak ölçülmesini sağlayacak düzenek eklenir. Fosforimetre ile florometre arasındaki fark budur.

11 Fotolüminesans Uygulamaları
Floresans ve fosforesans yöntemleri absorbansa dayalı spektrofotometrik ölçümlerden daha düşük derişim aralıklarına uygulanabilir ve en duyarlı analiz tekniklerinden biridir. Floresans emisyonunun gücü (F), sistem tarafından absorplanan uyarıcı demetin ışın gücü ile orantılıdır. F = K’(P0 - P) F = 2,3K’ebcP0 F = Kc P0: çözeltiye gelen ışının gücü P: b uzunluğundaki bir ortamdan geçtikten sonraki ışının gücü K’: Floresans olayının kuvantum verimine bağlı bir sabit Görüldüğü gibi kaynağın gücü sabit iken ya da kaynağın gücünden bağımsız olarak fotolüminesans ölçülebilir. Bir florometrik yöntemin duyarlılığı P0 artırılarak artırılabilir. Buna karşılık, bir absorbans ölçümü P0 ve P’nin her ikisinin de değerlendirilmesini gerektirir. Çünkü derişime bağlı olan absorbans bu iki büyüklük arasındaki orana bağlıdır. Buna göre spektrofotometride, P0’daki artış P’de orantılı bir değişme yapar ve absorbansı etkilemez. Işın yayan türün derişimine karşı bir çözeltinin floresans gücünün grafiği düşük derişimlerde doğrusaldır. Ancak fotolüminesans yöntemlerinin kesinlik ve doğruluğu, absorpsiyona dayalı spektrofotometrik yöntemlerden daha düşüktür. Hem kalitatif hem de kantitatif analizde fotolüminesans uygulamaları vardır. Ancak fotolüminesans yöntemleri, kantitatif analizde UV-GB absorpsiyon yöntemlerinden daha az uygulanır. Çünkü UV-GB ışını absorplayan türler, fotolüminesans gösterenlerden çok daha fazladır. P/P0 = 10 -ebc

12 Analitik Uygulamaları:
Floresans ve fosforesans yöntemleri absorbansa dayalı spektrofotometrik ölçümlerden daha düşük derişim aralıklarına uygulanabilir. Yüksek duyarlık ışık kaynağının gücünü artırmak suretiyle sağlanabilir. Ancak fotolüminesans yöntemlerinin kesinlik ve doğruluğu absorpsiyona dayalı spektrofotometrik yöntemlerden daha düşüktür. Floresans oluşturan kompleks oluşturarak metal iyonlarının emisyonu ölçülebilir. Florometik analizin organik ve biyokimyasal türlere çok sayıda uygulaması vardır. Florometrenin en önemli uygulamaları, gıda ürünleri, ilaç, klinik numuneler ve doğal ürünlerin analizidir. Fosforesans ve floresans yöntemleri birbirlerini tamamlama eğilimindedirler. çünkü, kuvvetli floresans yapan bileşikler zayıf fosforesans, kuvvetli fosforesans yapan bileşikler de zayıf floresans yaparlar. Örneğin, bitişik halkalı aromatik hidrokarbonlar arasında, halojenler veya sülfür gibi daha ağır atomları içerenler, genellikle kuvvetli olarak fosforesans yaparlar; diğer taraftan, ağır atom içermeyen aynı tip bileşikler fosforesanstan daha çok floresans yapma eğilimindedir. Fosforimetri, nükleik asitler, amino asitler; pirin ve pirimidin, enzimler, petrol hidrokarbonIarı ve pestisitler gibi maddeleri de kapsayan çok çeşitli organik ve biyokimyasal türlerin tayini için kullanılmıştır. Bununla beraber, bu yöntem, florometri kadar yaygın kullanım aIanı bulmamıştır. Bunun sebebi, düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyulması ve fosforesans ölçmelerindeki daha zayıf kesinlik olabilir. Diğer taraftan, fosforesans işlemlerinin potansiyel olarak daha yüksek seçiciliği cezbedicidir. Davranıştaki bu farkın sebebi, etkili fosforesansın uyarılmış triplet haldeki molekül sayısını artırmak için hızlı sistemler arası geçişe ihtiyaç duyması, dolayısıyla uyarılmış singlet derişimini ve böylece de fosforesans şiddetini azaltmasıdır.

13 Kemilüminesans Kemilüminesansın analitik kimyaya uygulanması bağıl olarak son yıllarda gelişmiştir. Kemilüminesans oluşturan kimyasal reaksiyonların sayısı azdır ve bu yüzden işlem bağıl olarak az sayıdaki tür ile sınırlıdır. Ancak gözlenebilme sınırı ise milyarda birdir. Bir kimyasal reaksiyon, temel hale dönerken, ışık yayan veya enerjisini daha sonra emisyon yapacak başka bir türe aktaran, elektronik olarak uyarılmış bir tür verdiği zaman kemilüminesans meydana gelir. Kemilüminesans Olayı Bir kimyasal reaksiyon, temel haline dönerken, ışık yayan veya enerjisini daha sonra emisyon yapacak başka bir türe aktaran, elektronik olarak uyarılmış bir tür verdiği zaman kemilüminesans meydana gelir. Kemilüminesans reaksiyonlarına çok sayıda biyolojik sistemde rastlanır ve bu olaya genellikle biyolüminesans adı verilir. Biyolüminesans gösteren türler için örnekler, ateşböceği, deniz menekşesi ve bazı deniz anası bakteriler, tek hücreli hayvanlar ve kabuklu hayvanlardır. Çeşitli doğal biyolüminesans olaylarının kimyası tam olarak anlaşılamamıştır. Kemilüminesans oluşturmak için bileşiklerin en basit reaksiyonu: A + B  C* + D C*  C + h 

14 Kemilüminesans ölçmeleri için cihaz, oldukça basittir ve sadece uygun bir reaksiyon kabı ve bir fotoçoğaltıcı tüpten ibaret olabilir; Genel olarak, tek ışın kaynağı, analit ile reaktif arasındaki kimyasal reaksiyon olduğundan, dalga boyu seçici cihazına gerek yoktur. Zamanın bir fonksiyonu olarak, bir kemilüminesans deneyinden elde edilen tipik sinyal, reaktif ve analitin karıştırılması tamamlandığında, hızla en yüksek değere ulaşır; sonra sinyalin daha az veya daha çok üstel bozunması takip eder. Kantitatif analiz için ekseriya sinyal sabit bir zaman periyodu için integre edilir ve aynı yolla işlem görmüş standartlar ile karşılaştırırlar. Alternatif olarak, pik yükseklikleri de kullanılır. Sinyal ve derişim arasında geniş bir deriim aralığında genellikle doğrusal bir ilişki vardır. Kemilüminesans yöntemleri genellikle yüksek duyarlılığa sahiptirler. çünkü gürültü yokluğunda düşük ışık seviyeleri bile kolayca izlenebilir. Ayrıca, bir filtre veya monokromatör ile ışının zayıflaması söz konusu değildir. Gerçekte gözlenebilme sınırları genellikle dedektör duyarlılığı tarafından değil, reaktifin saflığı tarafından belirlenir. Tipik gözlenebilme sınırları milyarda bir (bazen daha az) ile milyonda bir aralığındadır. Ozon, azot oksitler ve kükürt bileşikleri gibi atmosferik kirleticilerin tayini için yüksek duyarlılık ihtiyacı sonucu, gaz bileşenlerinin tayini için kemilüminesans yöntemleri ortaya çıkmıştır. Bu yöntemlerin en yaygın kullanılanlarından biri, azot monoksit tayini için olandır; reaksiyonlar şöyledir: NO + O3  NO2* + O2 NO2*  NO2 + h  ( = nm)

15 İnfrared (IR) Absorpsiyon Spektroskopisi
Moleküler maddeler için IR absorpsiyon, emisyon ve yansıma spektrumların, moleküllerin bir titreşim veya dönme enerji düzeyinden ötekine geçişleriyle ilgili enerji dönüşümleri temelinde açıklanabilir. Genelde analitik uygulamalar orta IR bölgesine tekabül eden cm-1 (2,5-25 µm) arasındadır. Bir spektrumda absis, cm-1 birimleri cinsinden doğrusaldır. - - - - E = h. ,  = c.1/ → E = h. . c = h. c/ →  = k.  Grafiğin üst ekseninde dalga boyu skalası da ayrıca verilmiştir. Dalga sayısı (1/λ), hem enerji ve hem de frekansla doğru orantılı olduğundan, infrared spektroskopide genellikle doğrusal bir dalga sayısı ölçeği kullanılmaktadır. Dalga sayısı dalga boyunun tersidir. Titreşim frekansını kullanmak sayısal olarak ölçeklenmeye uygun olmadığından dalga sayısının kullanılması tercih edilmektedir. IR spektroskopisi, organik bileşiklerin hem kalitatif hem de kantitatif analizlerinde oldukça fazla kullanılan bir tekniktir.

16

17 IR bölgesine karşılık gelen elektromanyetik ışının enerjisi, bileşiklerin atomları arasındaki bağ uzunluklarının ve konumlarının değişmelerine (titreşim) ve olası dönmelere neden olmaktadır. Orta infrared bölgesine karşılık gelen 4000 cm-1 ile 400 cm-1 dalga sayısı aralığı bölgesi en çok kullanılan bölgedir. Bileşiklerin infrared bölgesinde aktif olabilmesi için polar bağlara sahip olmaları gerekir. Bileşiği oluşturan atomların kütlelerinin farklılığı, bağların gücü ve bileşiğin geometrisi, bağların polar olmasına, yani dipol momentinin farklı olmasına neden olan etkilerdir. Oda sıcaklığında temel halde yani v=0 titreşim düzeyinde bulunan ve  frekansı ile titreşmekte olan bir molekülü, v=1 ile belirlenen titreşim düzeyine çıkarmak için, yani titreşim enerjisini arttırmak için bu molekülü, titreşim frekansına eşit frekansa sahip bir foton ile etkileştirmek gerekir. Moleküllerde titreşim enerji düzeyleri arasındaki geçişleri gerçekleştirecek fotonlar, elektromanyetik ışımanın infrared bölgesinde yer alırlar. Bu bölgee moleküller için infrared absorpsiyon spektrumları tanımlanmıştır. İki atomlu bir molekülde gerilme titreşiminin mekanik modeli, Atomik gerilme titreşiminin özellikleri, bir yayın iki ucuna bağlanmış iki kütleden oluşan mekanik bir modelle ifade edilebilir: Yayın iki ucundaki kütlelerden birinin yayın ekseni yönünde çekilip bırakılması basit harmonik hareket denen olaya neden olur.

18 Herhangi bir molekülün IR radyasyonunu absorplayabilmesi için, dipol momentinin titreşimsel ve dönmesel hareket sırasında değişmesi gerekir. Ters işaretli iki yük belirli bir uzaklıkta bulunuyorsa: Dipol moment = Yük x uzaklık Dipol moment yük merkezleri arasındaki uzaklık ve yük farkının büyüklüğündeki farka bağlıdır. Genelde titreşimsel ve dönmesel dipol momentinde net bir değişiklik olmayan O2, N2 ve Cl2 gibi homonükleer türler IR radyasyonunu absorplamazlar. IR ışınları UV, GB ve X-ışınları ile ilgili incelenen elektronik geçişlerin hepsini oluşturacak kadar enerjili değildir. Bu nedenle, IR ışınının absorpsiyonu, çeşitli titreşim ve dönme halleri arasındaki enerji farklarının küçük olması yüzünden daha çok moleküler yapılarla sınırlıdır. Dönmesel geçişler daha az enerji gerektirdiği için bu geçişler, 100 mm’den büyük dalga boylarında olur. Katı ve sıvıları oluşturan moleküllerde dönme olmadığından bu hallerde alınan spektrumlar sadece titreşimsel geçişleri yansıtır. Molekülün dipolünde bir değişime sebep olan her bir titreşim için tek bir absorpsiyon piki görülür.

19 Moleküllerde Titreşim Tipleri: Moleküller iki tür titreşim yapar:
1. Gerilme (atomlar arasındaki uzaklığın değişmesi) H C H C Simetrik Asimetrik Makaslama Sallanma Burkulma Salınma Düzlem içi Düzlem dışı 2. Eğilme (iki bağ arasındaki açının değişmesi) H C H C H C H C

20 Formaldehitteki CH2’nin hesaplanmış IR bandları
|| H ̶̶ C ̶̶ H için, görüldüğü gibi gerilme titreşimlerine karşılık gelen absorpsiyon bantları, eğilme titreşimlerine karşılık gelen absorpsiyon bantlarından daha yüksek frekansta çıkmıştır. Formaldehitteki CH2’nin hesaplanmış IR bandları Eğilme Gerilme

21 Bir molekülde N tane atom varsa 3N tane hareket (uzaydaki 3 koordinat için) yapar. Bu hareketler şunlardır: 1. Molekülün uzayda bir bütün olarak hareketi (ağırlık merkezinin ötelenmesi) 2. Ağırlık merkezi etrafında molekülün bir bütün halinde hareketi 3. Moleküldeki her bir atomun diğer atomlara göre bağıl hareketi yani moleküldeki atomların bireysel titreşimleri Bütün moleküller için 3 tane öteleme vardır. Doğrusal moleküller 2 tane dönme yapar. Açısal moleküller ise 3 tane dönme yapar. Öteleme ve dönme hareketleri 3N’den çıkarılırsa titreşim sayısı bulunabilir: Doğrusal molekül, 3N-5 titreşim yapar. Açısal molekül ise, 3N-6 titreşim yapar. Kuantum teorisine göre titreşimsel geçiş kuantlaşmıştır. Yani titreşimsel geçiş Dn = ±1 durumunda gerçekleşir. Ancak yüksek titreşim enerji düzeyinde bulunan moleküller için Dn = ±2 veya ±3 geçişleri gözlenebilir. Bu da pik sayısının beklenenden fazla olmasına sebep olur. Optikçe aktif maddeler (enantiyomerler) hariç, iki farklı molekül aynı IR spektrumu vermez.

22 Üç atomlu doğrusal moleküllerin yapabileceği titreşim hareketleri:

23 CO2’in Titreşimi Dipol moment değişmez Dipol moment değişir

24 Üç atomlu açısal moleküllerin yapabileceği titreşim hareketleri:

25 H2O’nun Titreşimi

26 IR Uygulamaları 1. Kalitatif Uygulamalar Erime noktası, kaynama noktası elementel analiz sonuçları ve kırılma indisi gibi bilgilerle birlikte kullanıldığı zaman infrared spektrumları maddenin nitel analizi açısından vazgeçilmez bir bilgi kaynağıdır. a) Grup frekans (fonksiyonel grup) bölgesi: IR bölgesinin yaklaşık 1500 cm-1 – 4000 cm-1 dalga sayısı aralığı, C=O, C=C, C-H, C≡C veya O-H gibi grupların IR absorpsiyon frekansları nerdeyse değişmez. Bilinmeyen maddelerin infrared spektrumları şüphelenilen maddelerin aynı koşullarda çekilen spektrumları ile veya kataloglarda bulunan spektrumlarla karşılaştırılır. Titreşim frekansını moleküldeki hidrojen bağları, konjugasyon (çift bağlar) ve rezonans etkiler.

27 b) Parmak izi bölgesi: IR bölgesinin 1200 cm-1 – 700 cm-1 dalga sayısı aralığı tamamen moleküle özgü molekül yapısından etkilendiğinden bu aralığa parmak izi bölgesi denir.

28 Bu IR spektrumu bütanole (CH3CH2CH2CH2OH) aittir.
C-H eğilme C-O gerilme O-H eğilme O-H gerilme C-H gerilme Bu IR spektrumu bütanole (CH3CH2CH2CH2OH) aittir. Saf sıvının spektrumunda 3350 cm-1 de gözlenen bant hidrojen bağı yapmış O-H gerilme titreşimine aittir. Ayrıca spektrumdaki 1380 cm-1 ve 1480 cm-1 deki bantlar, C-H eğilme, 2900 cm-1 deki bant C-H gerilme ve 1180 cm-1 ile 1120 cm-1 deki bantlar C-O gerilme ve O-H eğilme bantlarıdır.

29 2. Kantitatif Uygulama IR spektroskopisi ile kantitatif analiz yapmak UV-Görünür bölgeye göre zordur. Çünkü, Oluşan bantların UV-GB’kilere nazaran dar olması Monokromatör slit aralığının geniş olması Işın kaynağının şiddetinin zayıf olması Spektrumların kompleks oluşu Düşük giriş sinyali Dedektörlerin hassasiyetinin düşük oluşu Çözücü absorpsiyonu gibi etkenler Beer kanunundan sapmalara sebep olur. IR çalışmalarında genelde bir referans absorplayıcı kullanılmaz ve numuneden geçen ışının şiddeti herhangi bir engelden geçemeyen ışının şiddeti ile basit bir şekilde karşılaştırılır. Her iki durumda da numunenin hiç absorpsiyon yapmadığı spektral bölgelerde bile geçirgenlik genellikle %100 den küçük olmaktadır.

30 İnfrared Cihazları Infrared spektrometre cihazının genel bileşenleri ışık kaynağı, monokromatör, dedektör ve kaydedicidir. Birçok farklı spektrometre cihazı vardır. Bu cihazlar spektrum bölgeleri ile optik sistemin farklı olmasına göre, değişik uygulama alanlarına uygun üretilmişlerdir. Spektrometre cihazlarının çift ışınlı ve daha gelişmiş olan Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) türleri de vardır.

31 Işık Kaynakları: İnfrared ışın kaynakları, elektrikle 1500 ile 2000 K'e kadar ısıtılabilen inert katılardır. Bir siyah cisminkine yakın sürekli bir ışıma oluşur. Bu sıcaklıklardaki maksimum ışın şiddeti 5000 ile 5900 cm-1 (2 ile 1,7 m) arasında olur. Uzun dalga boylarında şiddet, 670 cm-1 (15 m)'de maksimum değerinin yaklaşık % 1 ine kadar düzenli olarak düşer. Kısa dalga boylu kısımda ise, düşüş daha hızlıdır ve şiddetteki benzer bir azalma cm-1 (1 m) civarında gözlenir. 1. Nernst Çubuğu 1-2 mm çaplı ve 20 mm uzunluğunda silindir halde nadir toprak elementlerinin oksitleridir. Sistemden akım geçince K arası sıcaklık meydana gelir. 2. Globar Kaynağı 50 mm uzunluğunda 5 mm çapında olan ve elektrik arkını engellemek için su soğutmasına sahip silikon karbür teldir. Elektrik akımı ile K arası sıcaklık meydana gelir. 3. Nikron Tel Nikel –krom alaşımı teldir. Elektrik ile 1100 K’e kadar sıcaklık oluşturulabilir. Ayrıca cıva ark lambası (uzak IR, λ>50 mm) ve tungsten telli lamba da (yakın IR, cm-1) ışık kaynağı olarak kullanılır.

32 İnfrared Dedektörleri:
IR’de genellikle zamana bağlı olarak, sıcaklıktaki değişimi tespit eden termal dedektör sistemleri (termoçiftler, bolometreler, piroelektrik transduserler) ve ayrıca fotoiletken dedektörler kullanılır. 1. Termal dedektörler Işının ısıtma etkisine bağlı olan bu dedektörler, en kısa dalga boylu infrared dalga boyları hariç, infrared dalga boylarının hepsini tayin etmek için kullanılırlar. Bu düzeneklerde ışın küçük bir siyah cisim tarafından absorplanır ve oluşan sıcaklık yükselmesi ölçülür. En iyi şartlar altında, sıcaklık değişmeleri binde birkaç Kelvin aralığındadır. 2. Fotoiletken dedektörler Yakın IR bölgedeki (0,75-3 mm) ışınların taranmasında kullanılan en duyarlı dedektörler bu bölgedeki ışınları absorpladığında direnci düşen yarıiletkenlerdir. İnfrared fotoiletken dedektör, iletken olmayan bir cam üzerine PbS ve HgCdTe yarıiletken maddelerin ince bir film halinde kaplanmasıyla hazırlanmıştır. Işının bu malzemeler tarafından absorpsiyonu iletken olmayan değerlik elektronlarını yüksek enerjili iletken seviyeye çıkarır ve böylece yarıiletkenin elektriksel direnci azalır.

33 Monokromatörler: Optik ağ veya prizmalar kullanılır. İyi bir ayırma için 2 optik ağ birlikte kullanılmalıdır. Bunların birinde mm’de 300 çıkıntı vardır ve 2 μm ile 5 μm arasındaki dalga boylarını ayırır. Uzun dalga boylarında mm’deki çıkıntı sayısı azalır. Fourier dönüşümlü (FT) IR spektroskopisinde monokromatör yoktur. Monokromatörün yerine interferometre denilen aynalar kullanılır. FT-IR’de tüm frekansların aynı anda numune ile etkileşmesi sağlanır ve tüm frekansları kapsayan bu bilgilerin zamanla değişimi izlenir. Zaman ölçeğindeki spektrum birçok kez elde edilir ve bu bilgi depolanarak toplam sinyal elde edilir. Başka bir deyişle klasik IR spektroskopisi frekans bağımlı iken FT-IR spektroskopisi zaman bağımlıdır. Zaman ölçeğinde alınan data, daha sonra frekans ölçeğine çevrilir. FT-IR’nin en önemli avantajı, optik elemanı az olduğu için sinyal/gürültü oranı (S/N) daha büyüktür.

34 Numune Hazırlama: İnfrared spektroskopisi ile gaz, sıvı ve katı numuneler incelenebilir. Numune kabı penceresi olarak infrared bölgesinde geçirgen olduğu bilinen alkali halojenürler (NaCl, KBr) kullanılır. Bir çok bileşiğin KBr peleti hazırlanarak spektrumu alınmış ve çok sayıda spektral kütüphaneler oluşturulmuştur. KBr iyonik olduğu için IR bölgenin 400 cm-1’den daha yüksek enerjili bölgesinde geçirgen davranır. Numune katı halde ise, çok ince toz haline getirilmiş birkaç mg ağırlığındaki katı numune bir­kaç yüz mg kuru KBr ile iyice karıştırılır ve bir preste birkaç tonluk basınç uygulanarak 0,5 mm kalınlığında ve 1 cm çapında bir tablet haline getirilir. Bazı katıların infrared spektrumları kırılma indisi yüksek bir malzeme içinde ışığın tam yansımasından yararlanılarak değişik bir biçimde elde edilebilir. Bu uygulamada genellikle ZnSe kristali kullanılır. Çözelti hazırlanacaksa, çözücü seçimi önemlidir. İnfrared bölgesinde ışığı absorplamayan çözücü olmadığı için çözücü seçiminde dikkatli olmak gerekir. Bu bölgede en uygun çözücüler, polar olmayan ve hidrojen içermeyen CS2 ve CCl4 gibi çözücülerdir. CS cm cm-1 arasında CCl4 ise 4000 cm-1 ile 1335 cm-1 arasında geçirgendir. Su, infrared spektroskopisinde kullanılması uygun olmayan bir çözücüdür. Numune sıvı halde ise, numune bir KBr tabletinin üzerine damlatılır. Bunun üzerine de başka bir KBr kapatılarak sıvı film haline getirilir. Gazların infrared ölçümleri ise, pencereleri uygun malzemeden yapılmış ve uzun silindir biçimindeki kaplarda gerçekleştirilir.

35

36

37