Deney-7 Alev Fotometresi

DENEY ADI        Alev Fotometrisi İle Na⁺ Tayini 

1-) AMAÇ     Alev Fotometresinin Temel İlkelerinin İncelenmesi ve Standart Katma Yöntemi İle Verilen Bir Örnekteki Na⁺  Derişiminin Bulunması

2-) TEORİK BİLGİ  

2.1.) ALEV FOTOMETRİSİ

            Biyolojik sıvılarda en çok sodyum, potasyum, lityum konsantrasyonlarının ölçümlerinde kullanılan bir yöntemdir. Flame Atomic Emission Spectroscopy FAES veya Flame Emission Spectroscopy FES diye adlandırılır.

Temel ilkesi bazı metallerin atomları sıcak alev yoluyla verilen ısı enerjisini absoblayarak uyarılırlar ve vu enerjiyi belirli dalga boylarında yaptıkları ışıma ile geri verirler ve temel hale dönerler. AAS’nin tersi bir yöntemdir. Alev fotometrisinde iyonların reaksiyonu şöyledir.

Alkali metalleri bir alev ile uyarılmaya uygundur. Lityum kırmızı bir emisyon yayar. Dalga boyu 671 nm’ye karşılık gelir. Sodyum sarı bir emisyon yayar. Dalga boyu 589 nm’ye karşılık gelir. Bu renkler ve dalga boyu her atom için karakteristiktir. Bundan iki yönde faydalanılabilir.

1-           Emisyon frekansını ölçerek atomun türünü belirleyebiliriz.

2-           Emisyon şiddetini ölçerek o atomun incelenen materyaldeki konsantrasyonunu belirleyebiliriz. Alevdeki atomların %1-5 kadarı uyarılır. Bu miktar kantitasyon için yeterlidir. I = k [A⁺]

Teknik açıdan numunenin aleve verilmesi, (numune uygulanması) uygun alevin oluşturulması ve emisyonun ölçülmesi gibi basamaklar önemlidir.

Numune Uygulanması

Alev fotometrisi, atomun herhangi bir numunedeki konsantrasyonunu ölçmede kullanıldığından, numuneyi aleve veren sistemin , her zaman için sabit bir oranda vermesi gerekmektedir. Aksi takdirde salınan ışık ile atom konsantrasyonu arasında direkt bir ilişki kurulamaz. Normal alev fotometrisinde bu numune çözeltisini aleve pıskırtmak yoluyla gerçekleştirilir. Çözücü alevin içinde anında buharlaşır. Atomlar da ince dağılımlı bir gaz olarak kalırlar.

İki tür enjektör kullanılmaktadır. Her ikisinde de numuneyi içeren kapiler bir borunun ucundan komprese edilmiş hava verilir. Hava kapiler borudan küçük sıvı damlacıklarını emer “aerosol” oluşturur.

1.                 Cloud Chamber(Toz Bulutu) sisteminde, spray, bir expansiyon(genişleme) odacığına verilir. Böylelikle kan numune basıncı ve akış hızı azalmıştır. Büyük damlacıklar aerosolden ayrılarak çöker ve de yavaş akan çok ince bir spray ateşleme sistemine aktarılır.

2.                 Direkt enjeksiyon sisteminde spray hemen hemen direkt olarak alevepıskırtılır.

Birinci sistemin diğerine göre avantajları; Çok ince ve yavaş akan spray alevin stabilitesini bozmaz. Ayrıca operasyon sırasında sistem akustik yönden sessizdir. Dezavantajları; Aleve numunenin çok az bir miktarı uygulanmış olur.(%10). Ayrıca enjeksiyon ile aleve numunenin erişmesi arasında geçen zaman diğer sisteme göre daha fazla olduğundan numunenin uygulanışları arasında daha uzun zaman gerekmektedir.

Uygun Alevin Oluşturulması

Alev fotometrisinde alev son derece stabil olmalıdır. Zaman içinde alevin ısısı ya da yapısı değişecek olursa numunenin vereceği emisyonda değişecektir. Alev hızlı iniş çıkışlar göstermemelidir. Alevin ısısı incelenecek atomları uyarabilecek kadar yüksek olmalıdır. Ne kadar yüksek olursa uyarılan atomların total atom sayısına oranı o kadar yüksek olacaktır. Ancak çok sıcak olursa uyarılma derecesi çok fazla olur ve elektronlar tümüyle atomdan koparılıp iyonizasyonla sonuçlanabilir.

Alev oluşturmada genel olarak propan, bütan, asetilen ve hidrojen yakıtları kullanılır. Hidrojen yakıt olarak kullanıldığında oksidan oksijen diğerlerinde havadır. Propan 1925°C için, Bütan 1840°C Na, Li ve K için, Asetilen 2250°C orta sıcaklıkta Ca ve emisyon analizlerinin çoğu için, Hidrojen 2700°C yüksek sıcaklık içindir.

Alevden Emisyonun Ölçülmesi

Alev reaksiyona giren gazların kompleks bir karışımıdır. Bu gazlar sıcak olduğundan numune olmadan da belli bir ışıma yaparlar. Buna “background” denir. Numune tarafından yayılan radyasyon bu background ile çakışabilir. Aleve ait background’u ve incelediğimiz atom dışındaki atomlarca yayılan emisyonların elimine edilmesi gerekmektedir. Cihazın monokromotörü ne kadar dar ise eliminasyon işlemi o kadar verimli olur. İyonik olmayan materyaller yakıldığında değişik dalga boylarında emisyon saptanır. Bu sürekli emisyondur ve bir elemente bağlı tek dalga boyunda çizgisel emisyondur. Bu nedenle dış ortama bağlı sürekli emisyonu ortadan kaldırıp elementin kendine ait çizgisel emisyon maksimumunu geçiren monokromotör idealdir.

Analiz Yöntemi

1-Direkt Okuma Yöntemi

Bazı eski modellerde sodyum ve potasyum standart çözeltileri atomize edildikten sonra direkt olarak aleve verilirler. Daha sonra aynı şekilde numune çözeltileri seyreltilmiş olarak uygulanır. Bu yöntemin bazı sakıncaları vardır. Hava ve gaz basıncındaki hafif oynamalar cihazın okumasında dengesizlik yapabilir. Aynı seyreltmeler için ayrı okumalar gerekebilir. Ayrıca potasyuma ait sinyal numunesi sodyum içeriğine bağlı olarak şiddetlenebilir. Bu olay karşılıklı uyarılma şöyle gerçekleşebilir. Uyarılan bir sodyum atomu enerjisini potasyum atomuna transfer edebilir. Buna bağlı olarak daha çok potasyum atomu uyarılır ve ışık emisyonu artar. İdeal olarak standartlardaki sodyum ve potasyum konsantrasyonları bilinmeyen numunedekine yakın olmalıdır.

2-İndirekt Okuma Yöntemi (Internal Standart)

Bu yöntemde tüm standart, kör ve numunelere eşit konsantrasyonlarda lityum ve sezyum eklenir. Lityum yüksek emisyon şiddeti gösterir, normalde biyolojik sıvılarda mevcut değildir ve farklı dalga boyunda emisyon yapar. Alev Fotometresi incelenen elementin emisyonu ile referans lityum elementinin emisyonunu kıyaslamaktadır. Bu şekilde emisyon oranlarının ölçülmesi atomizasyon hızlarını, alev stabilitesini ve çözelti viskozitesine bağlı farklılıkları kompanse eder. Bu şartlarda lityum standart değil referans elementi olarak fonksiyon görmektedir. Lityum seyreltme çözeltisinde potasyum ve sodyumun değişik konsantrasyonlarda standart çözeltileri hazırlanarak kalibrasyon eğrileri çizilir ve yanıtın linearitesi kontrol edilir. Lityumun bir başka fonksiyonu karşılıklı uyarılma olayının etkilerini minumuma indirerek bir tür radyasyon tamponu görevini yapar. Sodyum ve potasyuma göre lityum konsatrasyonu yüksek ayarlanmaktadır ve böylece sodyum atomlarının konsantrasyonu potasyum atomlarını etkilememekte, sodyuma ait radyasyonu absorblamaktadır.

Standart Katma Yöntemi ve Alev Fotometrisinde Uygulanması

Standart katma yönteminde analiz edilecek türün farklı derişimlerde standart çözeltileri hazırlanır. Analiz edilecek örnekten eşit hacimler alınarak örnek ve standart çözeltilere ilave edilir.Daha sonra derişimleri farklı standart çözeltilerin ve örneğin ölçümü yapılır. Bu sinyal absorbans veya emisyon olabilir.

Standart katma yönteminde örnek çözeltisi, sadece örneğe ait ölçüm sonucunu verir. Standartlara ait alınan ölçüm ise hem incelenen örneğe hem de ilave edilen standarta ait ölçüm sonucunu vermektedir. Ölçümler ile derişimler arasında kalibrasyon grafiği çizildiğinde standart derişiminin “0” olduğu ölçüm değeri örneğe ait ölçüm değeridir. Bu değer kalibrasyon grafiğinin denkleminde eğim değeri ve eğrinin y eksenini kestiği nokta kullanılarak hesaplanabilir.

Standart katma yönteminde, standart çözeltilerin derişimleri ile ölçümler arası kalibrasyon grafiği çizilerek hesaplama yapılabileceği gibi, standart çözeltilere standardı bilinen stok çözeltiden ilave edilen hacim ile ölçümler arası kalibrasyon grafiği çizilerek de hesaplama yapılabilir. Ancak çıkan sonuç direkt olarak derişimi vermez. Bu sonuç hacimdir ve stoktan standart çözeltiler ilave edilen hacimlere benzer. Aralarında oranlama yapılarak veya formülle derişime dönüştürülür.

Standart katma yönteminde sinyal alındıktan sonra güvenilir ve doğru sonuç için hesaplamalar önemlidir. Sonuca belirsizlik değerinin ilave edilmesi gerekir.

 Analizlerde Doğruluk ve Standart Katma Yönteminin Önemi

Kimyasal analizlerde alınan her sinyalde belli bir gürültü olur. Bir ölçümün minumum tayin edilebilir miktarı vardır. Okunabilecek en küçük miktar kör sinyallerin standart

sapmasının 3 katı olmak zorundadır.

Limit of Dedection LOD veya belirtme alt sınırı olarak tanımlanan (b.a.s) değeri cihazın duyarlılığını  gösterir.

Kör çözelti incelenen A türü hariç hepsini içeren çözeltidir. Yapılan ölçümlere örnekte bulunan tüm maddeler arttırıcı veya azaltıcı etki yapacağı için kör ile çalışılarak bu etkiler elimine edilir.

Standart katma yönteminin en önemli özelliği işte bu özelliktir. Çözelti ve standartların aynı ortamı içeriyor olmasıdır. Bu nedenle analizlerin doğruluğu yüksektir.

Ayrıca Standart katma yöntemi ile girişim sonucu oluşabilecek yanılgılar minumuma indirilmiş olur.

Girişimler Fiziksel, kimyasal ve spektral olmak üzere üç kısımda incelenir. Analizde yanlışlığa neden olan faktörlerin tamamı girişim olarak tanımlanır. İncelenen elementin emisyon çizgisi herhangi bir ışınımdan  etkilenirse spektral girişim sözkonusudur.

Alev ölçüm koşullarını değiştiren tüm etmenler ile çözeltinin fiziksel koşullarını değiştiren tüm etmenler fiziksel girişim olarak tanımlanır. Fiziksel girişimlerde tuzlardan kaynaklanan matriks girişim önemlidir. Alevde örnek çözeltisinin çözgeni uçurulurken örnek damlacıklarından katılaşmış cisimciklerin oluşması ve bu katılaşmış cisimciklerin belli bir ışık yayımı yapmasıdır.

Kimyasal girişim sistemin serbest durumdaki nötral atom konsantrsayonunu değiştiren tüm reaksiyonlardır. Kimyasal girişim olarak iyonizasyon girişimi de görülür. Bu “spektrokimyasal tampon” kullanılarak giderilebilir. Alev temperatürü düşürülerek de iyonziasyon girişimi engellenebilir.

Standart katma yönteminde standart ve örnek ortamları aynı olacağı için yukarıda sayılan girişimler önemli ölçüde engellenmiş olur.

2.2.) ALEV FOTOMETRESİNİN TEMEL BİLEŞENLERİ

• YAKICI (ALEV)

Öncelikle yakıcıya gelen çözeltinin çözücüsü buharlaştırılır. Daha sonra örnekteki metaller atomlaştırılır ve uyarılarak ışın yayması sağlanır. Alevin oluşması için kullanılan yanıcı ve yakıcı gazlar genellikle propan-hava, asetilen-hava veya N₂O-asetilendir. Alev sıcaklığının artması ile uyarılmış düzeydeki atom sayısı buna bağlı olarak da yayılan ışımanın şiddeti artar. Fakat çok yüksek sıcaklıklardaki alev, analizi yapılacak elementin iyonlaşmasına neden olabilir. Buda hataya neden olur.

• AYNALAR

Sistemde yayılan ışınlar uzayda bütün doğrulara yayılırlar. Yayılan bu ışıkları alıcıda toplamak için aynalar kullanılır. Yakıcı sistemin arkasına bir ayna yerleştirilerek ışınlar yansıtılır. Alevden çıkan ışınlar ve yansıtılan ışınlar ışık yoluna gönderilir.

• YARIKLAR

Bu yarıklar monokromatörden önce ve sonra kullanılır. Giriş yarığı ışımayı çevredeki bütün diğer ışınlardan ayırır. Yalnızca alevden yayılan ve aynadan yansıyan ışınların optik sisteme girmesine izin verir. Çıkışa yerleştirilen yarıktan ise sadece belli bir dalga boyu aralığındaki ışınların alıcıya geçmesine izin verilir.

• Monokromatörler

UV ve görünür bölgedeki ışınları ayırmak amacı ile kullanılır. En yaygın olarak prizmalar kullanılır. Sadece belli başlı elementlerin (Na, K, Ca, Li) analizinde kullanılan daha basit bir sistem olan alev fotometresinde ( cihaz sadece emisyon şiddetini ölçer) monokromatör yerine filtreler kullanılır. Bu filtrelerden sadece dedektöre ulaşması istenen ışık geçer.

• DEDEKTÖRLER

Dedektörler üzerine düşen ışığın şiddetini ölçer. En yaygın olarak kullanılan dedektör foto çoğaltıcı tüplerdir.Bunlar üzerine düşen ışınları elektrik sinyaline dönüştürürler.

3.) KULLANILAN MALZEMELER

• Beher
• Balon joje
• NaCl tuzu
• Pipet
• Pınar madran doğal kaynak suyu

4.) DENEYİN YAPILIŞI

0,256 g NaCl tuzu alındı ve 100 ml’lik balon joje içerisinde çözüldü. Burada elde ettiğimiz tuz çözeltisi bizim stok çözeltimizdir. Bu çözelti içerisindeki Na⁺ iyonunun derişimini ppm cinsinden hesaplandı. 4 balon joje daha alarak stok çözeltisi yardımıyla 5ppm, 10ppm, 20ppm ve 40ppm lik derişimlerde Na⁺ bulunan çözeltileri hazırlandı.

            Çözeltiler hazırladıktan sonra alev fotometresinde saf su yardımıyla sıfır ayarı yapıldı. Sonra hazırladığımız çözeltileri alev fotometrisinden geçirerek cihazdaki değerler okundu ve not edildi.

5.) SONUÇLAR

6.) GRAFİK

7.) HESAPLAMALAR

• Grafiğin denklemi :  y = 10,12x + 1,6
• Çeşme suyunun şiddeti : 28
• Ticari suyun şiddeti: 77

Çeşme suyu için:

y = 10,12x + 1,6

28 = 10,12x + 1,6

x = 2,61  ppm………………çeşme suyundaki Na⁺ iyon konsantrasyon değeri

Ticari suyun için:

y = 10,12x + 1,6

77 = 10,12x + 1,6

x = 7,45  ppm………………ticari sudaki Na⁺ iyon konsantrasyon değeri