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. 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 nispi olarak radyasyon ile enerji yayma yeteneğidir. Işıldamaya yol açan enerji kaynakları, elektron akışı, elektrik ya da manyetik alan, morötesi ışınım, alfa parçacıkları salınımı şeklindedir. Bu yolla uyarılmış atomlar, kararlı hallerine dönerken dışarıya ısı ya da elektromanyetik ışınım -ya da her ikisi birden- yoluyla enerji verirler. Atomdaki bu uyarılma en dıştaki elektron kabuğunda oluşur. Belirtilen şekilde uyarılan atomun en dış elektron kabuğundaki elektron (valans ya da değerlilik elektronu), bir üst enerji düzeyine yükselir. Ancak bu enerji düzeyi kararsız olduğundan tekrar eski enerji düzeyine düşecektir. Bu, elektronun aldığı enerjiyi geri vermesidir ve bir foton salınımı olarak gerçekleşir.

2 Herhangi bir atom tarafından yayınlanan ışımanın frekansı, elektronun çekirdek çevresindeki dönüş frekansına bağlıdır. Farklı atomların dış elektron kabuğu farklı olduğu için salınan ışınımın frekansı da değişik olacaktır. Elektron çekirdeğe yakınsa dönüş frekansı artacaktır. Bunun sonucunda da yayınlanan ışımanın frekansı da yüksek olacaktır. 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 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.

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 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.

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 p ® n* geçişleridir. p ® p* geçişinin kuvantum verimi, p ® n* geçişinin kuantum veriminden daha büyüktür. Çünkü; p ® p* geçişlerinde e, kat daha büyüktür. p ® p* geçişi p ® n* geçişine göre daha kısa sürede olur. 3. Floresans ve Yapı En şiddetli ve en faydalı floresans, düşük enerjili geçişlere sahip aromatik fonksiyonel gruplar içeren bileşiklerde görülür. Alifatik ve alisiklik karbonil grupların veya çok sayıda konjüge çift bağlı yapılar içeren bileşikler de floresans gösterir. 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 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)

9 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 Sabit P0’da ise, F = Kc olur. 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.

10 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. 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. Azot monoksit tayini: NO + O3  NO2* + O2 NO2*  NO2 + h  ( nm)

11

12 Moleküllerde Titreşim Tipleri Moleküller iki tür titreşim yapar:
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. Moleküllerde Titreşim Tipleri Moleküller iki tür titreşim yapar: 1. Gerilme (atomlar arasındaki uzaklığın değişmesi) Simetrik Asimetrik H C H C

13 2. Eğilme (iki bağ arasındaki açının değişmesi)
Makaslama Sallanma Burkulma Salınma Düzlem içi Düzlem dışı Formaldehitteki CH2’nin hesaplanmış IR absorpsiyon bantları Görüldüğü gibi gerilme titreşimlerine karşılık gelen absorpsiyon bantları, eğilme titreşimlerine karşılık gelen absorpsiyon bantlarından daha yüksek frekansta çıkmıştır. H C H C H C H C

14 Bir molekülde N tane atom varsa 3N tane hareket yapar
Bir molekülde N tane atom varsa 3N tane hareket 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.

15 Üç atomlu doğrusal moleküllerin yapabileceği titreşim hareketleri:

16 CO2’in Titreşimi Dipol moment değişmez Dipol moment değişir

17 Üç atomlu açısal moleküllerin yapabileceği titreşim hareketleri:

18 H2O’nun Titreşimi

19 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 bölgesi: 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.

20 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.

21 Bu IR spektrumu butanole (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.

22 2. Kantitatif Uygulama IR spektroskopisi ile kantitatif analiz yapmak UV-Görünür bölgeye göre zordur. Çünkü, Oluşan bantların dar olması Spektrumların kompleks oluşu Düşük giriş sinyali Dedektörlerin hassasiyetinin düşük oluşu Çözücü absorpsiyonu gibi etkenler Beer kanunundan sapmalara sebep olur.

23 İnfrared Cihazları

24 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.

25 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 ( 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.

26 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.

27 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. 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.