Kimyasal sistemlerin çoğu fotoluminesanstır; yani
elektromagnetik ışınla uyarıldıklarında aynı veya daha uzun dalga boylarında
ışın yayarlar. Fotoluminesans iki şekilde oluşur;
·
Fluoresans
·
Fosforesans.
Bu olayların oluşum mekanizmaları kısmen birbirinden
farklıdır ve bu fark uyarılmış halin yaşam süresi gözlenerek anlaşılabilir.
Fluoresansta, ışınlandırma durdurulduktan hemen sonra (< 10-6 s)
ışıldama kesilir; fosforesansta ise olay saptanabilecek kadar uzun bir süre
devam eder. Analitik yönden fluoresans fosforesanstan daha önemli olduğundan bu
bölümde fluoresans olayı üzerinde durulacaktır.
Eser miktardaki pek çok inorganik ve organik madde
fluoresans şiddetinin ölçülmesiyle kantitatif olarak analiz edilebilir;
özellikle biyolojik sistemler için çok sayıda fluorometrik yöntem
geliştirilmiştir.
Fluorometrenin en önemli özelliklerinden biri yapısından
kaynaklanan hassasiyetidir. Yöntemin alt sınırı, bir absorbsiyon yönteminden en
az 10 kat daha düşüktür (1-100 ppb) ve seçiciliği diğer yöntemlerden daha
iyidir. Bu avantajlarına karşın fluometre diğer absorbsiyon yöntemleri kadar
fazla kullanılmaz, çünkü fluoresans özellik gösteren kimyasal sistemler sınırlı
sayıdadır.
FLUORESANSIN TEORİSİ
Fluoresans davranış basit ve kompleks gazlarda, sıvı ve katı
kimyasal sistemlerde görülebilir. En basit fluoresans seyreltik atomik buharlar
tarafından çıkarılır. Örneğin. buharlaştırılmış sodyum atomunun 3s
elektronları, 5896 ve 5890 A0'deki ışının absorblanmasıyla 3p haline
uyarılırlar. 10-8 s kadar sonra, elektronlar tekrar temel hale
dönerlerken bu iki dalga boyunda (her yönde) ışın çıkarırlar. Bu tip
fluoresansa, yani absorblanan ışının hiç değişmeden tekrar emitlenmesine
"rezonans ışını veya fluoresansı" denir.
Poliatomik moleküller ve iyonlar da rezonans ışını verirler;
ayrıca, daha uzun dalga boylu özel ışınlar emitlenir. Bu olaya "Stokes
kayması" denir.
Uyarılmış Haller
İki atom arasındaki bir bağ, bağları oluşturan bir çift
elektronun atomik orbitallerinin üst üste düşmesiyle oluşan bir veya daha fazla
moleküler orbitalden oluşur. İki atomik orbitalin birleşmesiyle bir bağ
orbitali ve bir anti-bağ orbitali meydana gelir; birincinin enerjisi daha
düşüktür ve bu nedenle temel haldeki elektronlar buraya yerleşirler. Her bir
moleküler orbitalin elektronik enerji seviyesi üzerinde birbirine çok yakın bir
seri titreşim enerji seviyeleri bulunur. Bundan dolayı, her elektronik
absorbsiyon bandında, temel halden uyarılmış bir elektronik halin birkaç titreşim
seviyesine geçişten kaynaklanan, bir seri birbirine yakın titreşim pikleri yer
alır.
Pek çok molekülde çift sayıda elektron vardır; temel halde,
bu elektronlar çeşitli atomik ve moleküler orbitallerde çiftler şeklindedirler.
Pauli dışlama ilkesine göre bir orbitaldeki iki elektronun spinleri birbirinin
zıttıdır (yani çiftleşmiş spinler). Spin çiftleşmesinin (çift sayılı
elektronlu) net elektron spini yoktur ve molekül diamagnetik özelliktedir. Tüm
elektron spinlerinin çiftleştiği bir moleküler elektronik hale "tekli
(singlet)" hal denir; molekül bir magnetik alana tutulduğunda enerji seviyesinde
ayrılma (bölünme) olmaz (burada çekirdek spininin etkisi ihmal edilmiştir). Bir
serbest radikal için temel hal bir "ikiz (doublet)" haldir; burada,
tek elektron bir magnetik alanda iki düzende bulunabilir ve enerji seviyesi
ikiye ayrılır.
Bir molekülün elektronlarından biri daha yüksek bir enerji
seviyesine uyarıldığında, bir tekli veya bir "üçüz (triplet)" hal
oluşur. Uyarılmış tekli hale geçirilen elektronun spini temel haldeki
elektronla çiftleşmiş durumdadır; üçlü (üçüz) halde ise iki elektronun spinleri
çiftleşmiş değil paralel durumdadır. Bu haller aşağıdaki gibi gösterilebilir
(Tekli, ikiz, ve üçlü terimleri spektroskopik çoklukları belirtir).
Uyarılmış üçlü haldeki bir molekülün özellikleri, buna uygun
tekli haldeki özelliklerinden farklıdır. Örneğin, molekül birinci durumda
paramagnetik olduğu halde, ikinci durumda diamagnetiktir. Elektronik haldeki
bir değişiklikle de ilgili olan bir tekli-üçlü geçişi (veya tersi) olasılığı,
tekli-tekli geçişten daha azdır. Bundan dolayı, uyarılmış bir üçüz halin
ortalama yaşam süresi bir saniye (veya daha fazla) gibi uzun bir zamandır.
Uyarılmış bir tekli hal içinse bu süre 10-8 s kadardır. Bundan başka
bir temel-hal molekülünün ışın-etkisiyle bir üçüz hale uyarılması çabukça
gerçekleşemez ve bu işlem nedeniyle oluşan absorbsiyon piklerinin şiddeti, benzer
tekli-tekli geçişten oluşan piklerin şiddetinden birkaç derece daha küçüktür.
Uyarılmış bir üçlü hali, bazı moleküllerin "uyarılmış" bir tekli
halinin bir arada toplanmasıyla da oluşabilir; bu işlemin sonucunda fosforesans
davranış çıkar.
Şekil-1'de tipik bir fotoluminesans molekülün enerji
seviyesi diyagramının bir kısmı gösterilmiştir. Alttaki kalın yatay doğru
molekülün temel-hal enerji seviyesidir; normal olarak bir tekli haldir ve S0
'la gösterilir. Oda sıcaklığında temel hal, bir çözeltideki tüm moleküllerin
enerjilerini belirtir.
Şekil-1: Bir fotolüminesans sistem;
absorbsiyon, fluoresans ve fosforesans için kısmi Jablonski (enerji) diyagramı
Üst kısımdaki kalın yatay hatlar, üç uyarılmış elektronik
halin temel titreşim hallerinin enerji seviyeleridir. Soldaki iki hat birinci
(S1) ve ikinci (S2) elektronik tekli halleri, sağdaki hat
(T1) birinci elektronik üçüz hali gösterir. Normal olarak, birinci
uyarılmış üçlü halin enerjisi, karşılığı olan tekli hallerden daha düşüktür.
Dört elektronik halin her biri için çok sayıda titreşim
enerji seviyeleri bulunur. Bunlar ince yatay çizgilerle gösterilmiştir.
Şekil-1'de görüldüğü gibi, bu molekülün uyarılması, iki ışın
bandının absorbsiyonu ile gerçekleştirilmiştir, bunlardan biri l2 (S0 ® S1) dalga boyu dolayında, diğeri
daha kısa olan l2 (S0
® S2) dolayındadır. Uyarma
işlemi sonunda molekül birkaç uyarılmış titreşim hallerinden birine geçer.
Doğrudan üçüz hale uyarılma mümkün olmaz, çünkü bu işlem çoklukta bir
değişiklik gerektirir.
Deaktivasyon
(Aktifliğin Bozulması)
Uyarılmış bir molekül birkaç mekanik kademeyle temel haline
geri döner. Şekil-1'deki dik oklarla gösterildiği gibi, bu kademelerden ikisi
(bir ışın fotonu çıkar) fluoresans ve fostoresanstır. Dalgalı çizgilerle
gösterilmiş olan diğer deaktivasyon kademeleri ışımasız işlemlerdir. Temel hale
geçişteki en olası durum yaşam süresi minimum olan uyarılmış haldir. Buna göre,
fluoresansla deaktivasyon ışımasız işleme kıyasla daha hızlı ise, fluoresans
olayı gözlenir. Eğer ışımasız bir yolun hız sabiti daha yüksekse, fluoresans
olayı gözlenmez veya çok zayıftır.
Fluoresans olayının gözlenebildiği sistemler oldukça azdır.
Yapısal ve çevresel durum ışımasız relaksasyon veya deaktivasyon hızını,
emisyon reaksiyonu hızının (kinetik olarak) buna rakip olduğu bir noktaya kadar
azaltır. Bu hızı kantitatif olarak saptayabilecek emisyon işlemi ile ilgili
yeterli bilgi vardır.
Emisyon Hızı
Fluoresans emisyon uyarma işleminin tersi olduğundan, bir
uyarılmış halin yaşam süresi ve uyarma işlemine uygun absorbsiyon pikinin molar
absorbtivitesi arasında basit ters bir ilişki bulunur. Deneylerle de
doğrulandığı gibi uyarılmış halin tipik yaşam süresi, molar abrorbtiviteler 103
– 10-5 aralığında olduğunda 10-7 – 10-9
saniyedir (ve emisyonla deaktive olur). Geçiş işlemi olasılığının düşük olduğu daha zayıf absorblayıcı sistemler
için, yaşam süresi 10-6 – 10-5 saniye gibi daha uzun
olur. Deaktivasyon işlemi fluoresans şiddeti azaltır.
Titreşim Relaksasyonu
(Gevşemesi)
Şekil-1'de görüldüğü gibi, bir molekül, uyarma işlemi
sırasında titreşim seviyelerinden herhangi birine gönderilebilir. Çözeltilerde,
uyarılmış moleküllerle solvent arasındaki çarpışmalar sonunda fazla titreşim
enerjisi kaybolur; böylece bir enerji transferiyle solventin sıcaklığında az
bir artış gözlenir. Titreşimce uyarılmış bir molekülün ortalama yaşam süresi 10-12
saniye veya daha az ise relaksasyon işlemi olur; bu süre bir elektronik
uyarılmış halin yaşam süresinden daha kısadır. Buna göre, çözeltiden fluoresans
oluşması, daima "uyarılmış bir halden en düşük titreşim seviyesine"
bir geçiş olmasıyla gerçekleşir. Elektron "temel halin herhangi bir
titreşim seviyesine" geri dönebildiğinden (Şekil-1a), diğer bir titreşim
relaksasyonu ile hızla en düşük temel hale düşer.
Titreşim relaksasyonu yeterliyse elektronik bir geçişten
oluşan fluoresans bandı absorbsiyon bandından daha düşük frekanslara kayar;
Sadece temel haldeki en düşük titreşim seviyesi ve buna uygun uyarılmış hal
seviyesi arasındaki geçişlerle oluşan rezonans piki absorbsiyon bandının
üzerine düşer.
İç Dönüşüm (İç
Değişme)
"İç dönüşüm" terimi ile, bir molekülün ışın
yaymadan daha düşük enerjili bir "elektronik" hale geçtiği molekül
içi işlemler tarif edilir. İç dönüşüm, özellikle iki elektronik enerji
seviyesinin, titreşim seviyelerinde bir üst üste düşme olayı yaratacak kadar
yakın olması durumunda ortaya çıkar. Bu durum iki uyarılmış tekli hal için
Şekil-1'de gösterilmiştir. Üst üste durumda iki uyarılmış halin potansiyel
enerjileri birbirine eşittir; bu eşitlik verimli bir geçiş sağlar. Üst üste
titreşim seviyeleri yoluyla iç değişme olasılığı, bir yüksek uyarılmış halden
fluoresansla enerji kaybetme olasılığından daha fazladır. Buna göre (Şekil-1), l2 ışını ile uyarılma sonunda S2
ve S0 arasındaki bir geçişten oluşan bandın çıkmasıyla, l3 dalga boyunda fluoresans
üretilir. Burada, uyarılan molekül yüksek elektronik halden bir seri titreşim
relaksasyonları, bir iç değişme ve diğer relaksasyonlar yoluyla daha düşük elektronik
halin en düşük titreşim seviyesine ilerler. Bu halde, fluoresans uyarmayı yapan
l1 veya l2 dalga boylarına bağlı
olmayarak, "sadece" l3
meydana gelir.
Şekil-1’de görülen iç değişme işlemlerinin (S1 ® S0 ve T1 ® S0) mekanizması çok iyi
bilinmemektedir. Temel halin titreşim seviyeleri birinci uyarılmış halin
titreşim seviyeleri üzerine düşebilir; böyle durumlarda deaktivasyon, yukarıda
tarif edilen şekilde olur. Bu durum alifatik bileşiklerde çok görülür, ve bu
nedenle de alifatik bileşiklerde fluoresansa nadiren rastlanır; yani, titreşim
seviyelerinin üst üste düşmesiyle çok hızla enerji transferi olması fluoresansı
engeller.
"Ön disosiyasyon (ön ayrışma)" olayı da iç
değişmeye neden olabilir. Burada, elektron, yüksek bir elektronik seviyeden,
titreşim enerjisi bir bağı koparabilecek kadar büyük olan, daha düşük bir
elektronik seviyenin en üstteki titreşim haline geçer. Büyük bir molekülde,
kromoforların elektronik uyarılma enerjilerinden daha az kuvvetli bağların
bulunma olasılığı fazladır. Elektronik enerjinin iç değişimle titreşim enerjiye
geçmesinin ardından kromoforların enerji absorbsiyonu sonunda bu bağlar kopar.
Bir ön disosiyasyon, bir disosiyasyon olayından farklıdır;
disosiyasyonda absorblanan ışın, bir kromoforun elektronunu kromoforik bandı
koparabilecek kadar yüksek bir titreşim seviyesine doğrudan uyarır; bir iç
değişme olayı yoktur. Disosiyaysyon işlemi de fluoresans olayına rakiptir.
Dış Dönüşüm (Değişme)
Uyarılmış bir elektronik halin deaktivasyonu, uyarılmış
molekül ve solvent (veya diğer moleküller) arasındaki etkileşim ve enerji
transferi ile ilgilidir. Bu işlemlere "dış dönüşüm" denir. Solventin
fluoresans şiddetini önemli derecede etkilemesi dış değişme olayının varlığını
gösteren bir örnektir; ayrıca tanecikler arasındaki çarpışma sayısını azaltan
koşullar (düşük sıcaklık ve yüksek viskozite) fluoresansın yükselmesini
sağlarlar. Dış değişmenin detayları çok iyi bilinmemektedir.
En düşük uyarılmış tekli ve üçüz hallerden temel hale
ışımasız geçiş (Şekil-1), iç değişme olayları kadar, dış değişme olayları ile
de ilgilidir.
Sistem-Arası Geçiş
"Sistem-arası geçiş", uyarılmış bir elektron
spininin ters dönmesi ve molekülün çokluğunda bir değişme işlemidir. İç
değişmede olduğu gibi, iki halin titreşim seviyelerinin üst üste düşmesi bu
geçişin olasılığını artırır. Şekil-1'de görülen tekli-üçlü geçişi bir örnektir;
burada, en düşük tekli titreşim seviyesi üsteki üçlü titreşim seviyelerinden
biri ile üst üste düşer ve böylece spin halinde bir değişiklik olasılığı çok
büyür.
Sistem-arası geçiş, iyod ve brom gibi, ağır atomlar içeren
moleküllerde daha çok görülür. Bu tip atomların varlığında spin ve orbital
hareketleri arasındaki etkileşim çok büyür ve spinde bir değişiklik kolaylaşır.
Çözeltide moleküler oksijen gibi paramagnetik maddelerin bulunması da sistem
içi geçişi artıracağından fluoresansı azaltır.
Fosforesans
Deaktivasyon olayı fosforesansla da ilgilidir. Uyarılmış bir
üçüz hale sistem-arası geçişten sonra iç veya dış dönüşüm, veya fosforesans
yoluyla deaktivasyon oluşur. Bir üçlü-tekli geçişi olasılığı, bir tekli-tekli
değişiminden daha azdır, ve uyarılmış üçlü halin ortalama yaşam süresi,
emisyona göre, 10-4 - birkaç saniye aralığındadır. Buna göre, böyle
bir geçişten oluşan emisyon, ışınlandırma kesildikten sonra bir süre daha devam
eder.
İç ve dış değişimler fosforesans olayı ile rekabet ederler,
bu tip emisyon sadece çok düşük sıcaklıklarda veya viskoz ortamlarda
gözlenebilir.
Fluoresans ve
Fosforesansı Etkileyen Değişkenler
Bir maddenin fluoresans veya fosforesans olup olmaması
moleküler yapısına, kimyasal çevresine, ve oluşan emisyonun şiddetine bağlıdır.
Bu kısımda değişkenlerden bazılarının etkileri kısaca incelenecektir.
Verim
Bir fluoresans işlemindeki "kuvantum verimi" veya
"kuvantum etkinliği", basitçe, ışıyan moleküllerin sayısının toplam
uyarılan moleküllerin sayısına oranı olarak tarif edilir, (fosforesans için de
kuvantum verimi benzer şekilde tarif edilir). Fluoresein gibi çok yüksek bir
fluoresans molekül için kuvantum verimi, bazı koşullarda, 1'e ulaşır.
Hissedilir derecede ışıma göstermeyen kimyasal maddelerin verimi sıfıra
yakındır.
Şekil-1 deki bilgilere ve deaktivasyon işlemleri üzerindeki
incelemelere göre bir bileşiğin fluoresans kuvantum verimi f, en düşük uyarılmış tekli-halin oluştuğu
işlemlerin relatif hızları ile saptanmalıdır; bu işlemler fluoresans, sistemler
arası geçiş, dış ve iç dönüşmeler, öndisosiyasyon ve disosiyasyondur. Bu
ilişkileri aşağıdaki denklemle gösterebiliriz. (k terimleri, yukarıda
belirtilen işlemlerin hız sabitleridir.)
Fluoresansın kuvantum verimi:
Denklem(1), fluoresans şiddeti etkileyen yapısal ve çevresel
etkenlerin kalitatif yorumuna olanak verir. Fluoresans hız sabiti kf
nin büyük olması ve diğer k terimlerinin küçük olmalarının fluoresansı
artıracağı açıktır. kf nin büyüklüğü, öndisosiyasyon hız sabiti kpd,
ve disosiyasyon hız sabiti kd kimyasal yapıya bağlıdır. Diğer
sabitler daha çok çevreden, az derecede de yapıdan etkilenirler.
Fluoresansta Geçiş
Tipleri
Ultraviyole ışının veya 250 nm den kısa dalga boylarındaki
ışının absorbsiyonu fluoresans vermez (veya nadiren verir). Çünkü bu ışının
enerjisi uyarılmış halin öndisosiyasyon veya disosiyasyon ile deaktivasyonu
için yeteri kadar yüksektir. Örneğin, 250 nm dalga boyundaki ışın 140 kcal/mol
kadar enerjiye eşdeğerdir; pek çok moleküldeki bazı bağlar bu büyüklükteki
enerjiyle koparılır. Sonuçta, s*® s geçişi ile oluşan fluoresans nadiren
gözlenir; bunun yerine, böyle emisyonlar daha az enerjili p* ® p ve p*® n işlemleriyle sınırlanır.
Elektronik olarak uyarılmış bir molekül, ışın emisyonu
vermeyen bir seri hızlı titreşim relaksasyonları ve iç değişimlerle, "en
düşük uyarılmış haline" döner. Bu durumda, gözlenen herhangi bir
fluoresans çoğu kez birinci uyarılmış halden temel hale bir geçişten oluşur.
Fluoresans bileşiklerin çoğunluğu için sonra, hangisinin daha az enerjili
olduğuna bağlı olarak, ya n, p* veya p, p*
uyarılmış halin deaktivasyonuyla ışın üretilir.
Kuvantum Verimi ve
Geçiş Tipi
Fluoresans davranış daha çok, en düşük enerjili uyarılmış
halin, p, p* tipi (n, p* yerine) olduğu bileşiklerde gerçekleşir,
yani, p*®
p geçişlerinde kuvantum verimi daha büyüktür.
p, p* haliyle ilgili daha büyük kuvantum verimi
iki şekilde açıklanabilir. Birincisi, bir p
® p*
geçişinin molar absorbtivitesi, n ® p*
işleminin 100-1000 katıdır, ve bu miktar her iki yöndeki geçiş olasılığını
belirler; buna göre, p ® p*
geçişiyle ilgili zaman süresi daha kısadır (bir n, p* hali için olan 10-5 – 10-7 s ile
kıyaslandığında 10-7 – 10-9 s dir) ve Denklem(1) deki kf
büyük olur.
Başka bir konu da sistem içi geçiş hız sabiti ki
nin p,
p * uyarılmış halinde daha küçük olmasıdır, çünkü tekli-üçüz halleri
arasındaki enerji farkı daha büyüktür; yani p, p* uyarılmış halinin elektron çiftlerini
ayırmak için daha fazla enerjiye gereksinim vardır. Bu nedenle de, bu tekli
hallerle üçüz titreşim seviyelerinin üst üste düşmesi daha azdır ve sistem içi
geçiş olasılığı daha küçük olur.
Özetlenecek olursa fluoresans, n, p* hallerinden çok, p, p*
hallerinde görülür. Çünkü p, p* işleminin ortalama yaşam süresi daha kısa
(kf daha büyük) ve fluoresansla rekabet eden diğer deaktivasyon
işlemleri daha azdır.
Fluoresans ve Yapı
En şiddetli fluoresans davranışa, düşük-enerjili p ® p* geçiş
seviyeli fonksiyonel gruplar içeren aromatik bileşiklerde raslanır. Alifatik ve
alisiklik karbonil yapılar içeren bileşikler veya çok yüksek konjuge çift bağ
yapılar da fluoresans özellik gösterebilirler, fakat bu tip bileşiklerin sayısı
aromatik sistemlere göre azdır.
Sübstitue olmamış pek çok aromatik hidrokarbonlar da
çözeltide fluoresans özellik gösterirler, kuvantum verimi halka sayısı ve
halkanın durumuna göre artar. Piridin, furan, tiyofen, ve pirrol gibi en basit
heterosiklik bileşikler fluoresans davranış göstermezler; diğer taraftan
yapışık-halkalı yapılar fluoresanstır. Azot içeren heterosiklik bileşiklerde en
düşük-enerjili elektronik geçiş n ® p*
geçişidir, bu ise hızla üçüz hale dönüşerek fluoresansa engel olur. Benzen
halkasının heterosiklik bir çekirdeğe yapışması, absorbsiyon pikinin molar
absorbtivitesini artırır; uyarılmış halin yaşam süresi kısalır ve fluoresans
oluşur. Kinolin, isokinon, indol bu tip bileşiklerdir.
Benzen halkasında sübstitüsyon, absorbsiyon maksimumundaki
dalga boyunun kaymasına ve ilgili fluoresans piklerinin değişmesine yol açar.
Ayrıca, sübstitüsyon çoğu kez fluoresans verimini de etkiler (Tablo-1).
Tablo-1: Benzenin Fluorensansına Sübstitüsyonun
Etkisi (Etanol çözeltisinde)
Etkisi (Etanol çözeltisinde)
Halojen sübstitüsyonunun etkisi oldukça çarpıcıdır;
halojenin atom numarası arttıkça fluoresans azalır, bu durum kısmen ağır atom
etkisinden kaynaklanır. Bu durumda sistemler arası geçişle üçüz hale geçiş
olasılığı artar. İyodobenzen ve nitro türevlerinde ön disosiyasyonun önemli bir
rol oynadığı kabul edilir; bu bileşiklerdeki bağlar, iç değişmeden sonra uyarma
enerjisinin absorblanmasıyla kopar.
Bir aromatik halkaya bir karboksilik asit veya karbonil
grubunun sübstitüsyonu fluoresansı engeller. Bu bileşiklerde, n, p* sisteminin enerjisi p, p*
sistemindekinden daha azdır; daha önce de değinildiği gibi, birinci tip
sistemin fluoresans verimi oldukça düşüktür.
Yapısal Sertliğin
Etkisi
Sert yapılı moleküllerdeki fluoresansın daha fazla olduğu
deneylerle saptanmıştır. Örneğin, fluoren ve bifenilin kuvantum verimleri,
benzer ölçme koşullarında sırasıyla, 1.0 ve 0.2 dolayındadır.
Fluoren metilen grubu köprüsü nedeniyle daha sert bir
yapıdadır, bu nedenle de fluoresans özelliği bifenilden daha fazladır. Benzer pek
çok örnek gösterilebilir. Ayrıca, fluoresans boyalar katı bir yüzey (sertliği
artırıcı etki) üzerinde absorblandığında emisyon artar.
Bazı organik şelat maddeleri bir metal iyonuyla kompleks
oluşturduğunda, fluoresans özellik artar, bu durum da molekül sertliğinin
artmasının bir sonucudur. Örneğin, 8-hidroksikinolinin fluoresans şiddeti,
bunun çinko kompleksininkinden çok daha azdır.
Bir molekülün sertliğini kaybetmesi iç değişme hızını
(Denklem-1 deki kic) artırarak ışımasız deaktivasyon olasılığını
yükseltir. Sert olmayan bir molekülün bir parçası diğer parçalara göre
düşük-frekans titreşimi yapabilir; bu tür hareketler enerji kaybına neden
olabilir.
Sıcaklık ve Çözücünün
(Solventin) Etkileri
Pek çok molekülde sıcaklığın artmasıyla fluoresansın
kuvantum verimi azalır, çünkü yüksek sıcaklıklarda çarpışma frekansı artar ve
böylece dış dönüşüm ile deaktivasyon olasılığı yükselir. Solvent viskozitesinin
azalması da dış değişme olasılığını artırarak aynı etkiyi yapar.
Solventin poloritesinin etkisi de önemli olabilir.
Bölüm(4)'de, n® p* geçiş enerjilerinin polar solventlerde
artırıldığı, p® p*
geçişinin ise azaltıldığı belirtilmiştir. Bu kaymalar bazan, p® p*
işleminin enerjisini n®
p** geçişinin altına düşürecek kadar
büyük olur; sonuçta fluoresans artırılır.
Bir molekülün fluoresansını, ağır atomlar içeren solventer
veya yapısında ağır atomlar bulunan bileşikler azaltır; karbon tetrabromür ve
etil iyodür bu tip maddelerdir. Buradaki etki, fluoresans maddelere ağır
atomların sübstitüsyonunda görülen etki ile aynidir; orbital spin etkileşimi
üçlü oluşum hızını artırır ve buna uygun olarak ta fluoresans azalır. Ağır
atomlar içeren bileşiklerde yüksek fluoresans istendiğinde, madde uygun bir
solventle birleştirilir.
Fluoresansa pH ın
Etkisi
Asidik veya bazik halka sübstitüenti bulunan bir aromatik
bileşiğin fluoresansı, çoğunlukla, pH a bağımlıdır. Bileşiğin iyonize ve
iyonize olmamış hallerinin dalga boyu ve emisyon şiddetleri farklıdır.
Tablo-1'de fenol ve aniline ait veriler bu etkiyi göstermektedir. Bu
bileşiklerin emisyon değerlerindeki değişiklikler, asit-baz indikatörlerinde
gözlenen farklılığa benzer; gerçekte, çok renkli çözeltilerde asit-baz
titrasyonları fluoresans indikatörlerle yapılır. Örneğin, 1-naftol-4-sülfonik
asitin fluoresansı, ultraviole bölgede oluştuğundan, gözle izlenemez. Baz
ilavesiyle madde fenolat şekline dönüştürülürse, emisyon piki görünür dalga
boylarına kayar ve gözle izlenebilir hale gelir. Bu değişiklik, fenolün asit
disosiyasyon sabitinden çıkarılan pH dan farklı bir pH'da oluşur; nedeni
"uyarılmış" molekülün asit disosiyasyon sabitinin aynı molekülün
temel haddeki değerinden farklı olmasıdır. Uyarılma ile asit veya baz
disasiyasyon sabitlerinin değişmesi olağandır; büyüklüğü 4. veya 5.
derecedendir.
Bu incelemelere göre, fluoresansa dayanan analitik
işlemlerde pH ın çok iyi kontrol edilmesi gereği açıkca görülmektedir.
Çözünmüş Oksijenin
Etkisi
Fluoresans bir çözeltinin şiddeti, ortamda çözünmüş oksijen
bulunması durumunda azalır. Bu etki, fluoresans taneciklerin fotokimyasal
tesirle oksitlenmelerinden kaynaklanabilir. Ayrıca, moleküler oksijenin
paramagnetik özelliği nedeniyle, sistemler arası geçişin hızlanması ve
uyarılmış moleküllerin üçüz hale dönüştürülmesi de fluoresansı azaltır; bu etki
daha fazladır. Diğer paramagnetik maddeler de fluoresansı zayıflatırlar.
Fluoresans Şiddetine
Konsantrasyonun Etkisi
Fluoresans ışının gücü F, sistem tarafından absorblanan
uyarıcı demetin ışın gücü ile orantılıdır. Yani,
P0 çözeltiye gelen demetin gücü, P demetin b
uzunluğundaki ortamı geçtikten sonraki gücüdür. K’ sabiti, fluoresans işleminin
kuvantum verimine bağlıdır. F nin fluoresans madde konsantrasyonuyla (c)
ilişkisi Beer kanunundan çıkarılır. Kanun aşağıdaki şekilde yazılabilir,
burada e fluoresans
moleküllerin molar absorbtivitesi, e b
c de absorbans, A, dır. Denklem(3) denklem(2)’de yerine konularak aşağıdaki
eşitlik çıkarılır.
e b c = A < 0.05
olduğunda, parantez içindeki tüm terimler birinci terime göre çok küçük olur;
bu durumda,
Buna göre bu çözeltinin fluoresans gücünün emisyonu yapan
taneciklerin konsantrasyonuna göre çizilen eğrisi, düşük konsantrasyonlarda,
bir doğru şeklindedir. Konsantrasyonun, 0.05'ten büyük absorbansa kadar
artırılmasından sonra doğrusallık kaybolur ve F, doğru-hattın ektrapolasyonunun
altında bir yerde bulunur.
Yüksek konsantrasyonda doğrusallıktan negatif sapmanın iki
nedeni vardır, bunlar "kendini-zayıflatma" ve
"kendini-absorblama" dır. Birincisi, uyarılmış moleküller arasındaki
çarpışmanın sonucudur. Bu durumda ışımasız enerji transferi olur; bu olay bir
dış dönüşümdeki solvent moleküllerine enerji transferine benzer. Kendini
zayıflatma konsantrasyonla artar. Öz soğurma (kendini absorblama) olayı, emisyon
dalga boyunun bir absorbsiyon dalga piki ile çakışması durumunda ortaya çıkar;
emitlenen demet çözeltiye geçerken fluoresans zayıflar. Bu olayların etkileri
nedeniyle, fluoresans güç-konsantrasyon eğrisi, çoğu zaman, bir maksimum gösterir.
FLUORESANS ANALİZ
CİHAZLARI
Fluoresans cihazlarının kısımları ultraviyole-görünür
fotometreler veya spektrofotometrelerdekine benzer. Şekil-2'de bu kısımların
bir "fluorometre" veya "spektrofluorometre" deki
dizilişleri gösterilmiştir. Hemen hemen tüm fluoresans cihazlarda, kaynak
gücündeki dalgalanmaları gidermek için, çift demetli optikler kullanılır. Önce
örnek demeti bir uyarıcı filtre veya monokromatörden geçerek örnekten çıkan
fluoresans dalga boylarını uyarır, fakat diğer dalga boylarını etkilemez. Örnekten
her yönde fluoresans ışın emitlenir, bunlar en iyi, uyarılan demete göre doğru
açı altında gözlenebilir; çözeltiden ve hücre duvarlarından saçılan diğer ışınlar
fluoresans şiddetin ölçülmesinde hatalara neden olabilirler. Emitlenen ışın,
ölçülecek fluoresans piki ayıran ikinci bir filtre veya monokromatörden
geçtikten sonra bir fotoelektrik dedektöre ulaşır.
Referans demet, gücünü fluoresans ışına göre 100 kat veya
dahafazla azaltan bir atenuatörden geçer; referans ve örnek fototüplerinin
çıkışı sonra bir işlem amplifikatörüne, bunun çıkışı da bir metre veya
kaydediciye beslenir. Fluoresans cihazların çoğu null tiptir, bu durum optik
veya elektrik amplifikatörlerle sağlanır.
Şekil-2: Bir fluorometre veya
spektrofluorometrenin kısımları
Fluorometre ve spektrofluorometrelerin karmaşıklığı ve
performans özellikleri absorbsiyon cihazlarından oldukça değişiktir.
Fluorometrelerdeki uyarılan ve emitlenen dalga boylarını sınırlayan filtreler
absorbsiyon fotometrelerdekine benzer. Spektrofluorometreler iki tiptir.
Birincisinde, uygun bir filtre ile uyarılan ışın sınırlandırılır ve bir grating
veya prizmalı monokromatörle bir fluoresans emisyon spektrumu piki ayrılır.
Bazı ticari spektrofotometrelerde bunların spektrofluorometre olarak
kullanılmasına olanak veren adaptörler bulunur.
Spektrofluometrelerde iki monokromatör vardır. Bunlardan
biri uyarılmış ışının dar bir band olmasını sağlar, diğeri özel bir fluoresans
dalga boyunu diğerlerinden ayırır. Bu tip cihazlarla "fluoresans",
"uyarma", ve "absorbsiyon" spektrumları ölçülebilir. Bir
uyarma spektrumu, emisyon monokromatörünün en yüksek fluoresans dalga boyuna
ayarlanmasıyla elde edilir; fluoresans çıkışı uyarma dalga boyuna karşı grafiğe
alınır. Bir fluoresans spektrumunda ise, uyarma dalga boyu sabit, fluoresans
dalga boyları değişkendir. Kaynak çıkışında dalga boyuna göre uygun düzeltmeler
yapılarak bir maddenin mutlak uyarılma spektrumu elde edilir.
Spektrofluometrelerin seçiciliği, moleküllerin elektronik ve
yapısal özelliklerinin kalitatif ve kantitatif incelenmesine olanak verir.
Kantitatif çalışmalarda basit cihazlar yeterlidir. Gerçekte, fazla pahalı
olmayan fluorometreler, geliştirilmiş spektrofotometreler kadar seçici ve uygun
cihazlardır.
Cihazların Kısımları
Fluorometreler ve spektrofluorometreler sadece detaylarda
farklıdır; burada bu farklılıklar belirtilecektir.
Kaynaklar
Uygulamaların çoğunda, absorbsiyon ölçmelerinde kullanılan
tungsten veya hidrojen lambasından daha şiddetli bir kaynağa gereksinim vardır.
Bu bir civa veya ksenon ark lambası olabilir.
Ksenon ark lambası, akımın bir ksenon atmosferinden
geçirilmesiyle yüksek şiddette ışın üretir. Spektrum 250-600 nm dolayında bir
pik verir. Bazı cihazlarda, lambada bir kapasitörün deşarjı ile düzgün
pırıltılar elde edilir; böylece yüksek şiddetler alınır. Ayrıca, fototüplerin
çıkışı ac olduğundan tümüyle kuvvetlendirilerek iletilebilir.
Civa ark lambaları şiddetli hat spektrumu verirler.
Yüksek-basınç lambaları (~ 8 atm.) 366, 405, 436, 546, 577, 691 ve 773 nm'de
hatlar verir. Düşük basınç lambalarında silika pencereler bulunur, bunlar
ayrıca 254 nm'de’de şiddetli bir hat verirler. Fluoresans bileşiklerin
çoğundaki fluoresans davranış dalga boylarındaki bir değişiklikten
etkilendiğinden, civa hatlarından en az bir tanesinin bulunması yeterlidir.
Son gelişmelerde fluorometrede çeşitli lazer kaynakları
kullanılmaya başlanmıştır. Pulslu bir azot lazerinin bulunduğu ayarlanabilir
boya lazeri bunlardan biridir. Bu kaynakla 360-650 nm arasında ışın üretilir.
Böyle bir sistemle çalışıldığında bir uyarma monokromatörüne gereksinim olmaz.
Filtreler ve
Monokromatörler
Fluorometrelerde girişim ve absorbsiyon filtreleri
kullanılır. Spektrofluorometrelerin çoğunda ise gratingli monokromatörler
bulunur.
Dedektörler
Tipik fluoresans sinyalin şiddeti düşüktür ve ölçülmesi için
büyük derecelerde kuvvetlendirmeye gereksinim vardır. Hassas fluoresans
cihazlarda dedektör olarak en çok fotomultiplier tüpler kullanılır.
Hücreler ve Hücre
Bölmeleri
Silindirik ve dikdörtgen hücreler cam veya silikodan
yapılır. Hücrenin bulunduğu bölme dedektöre ulaşan saçılan ışını en aza
indirecek şekilde dizayn edilmelidir. Bu amaçla bölmeye baffıllar yerleştirilir.
Fluorometreler
Tipik bir fluorometre (Courtesy
of Farrand Optical Co., Inc.)
Şekil-3: Turner model 110
fluorometrenin optik dizaynı
Şekil-3'de, bir civa lambası ve tek bir fotomultiplier tüp
(dedektör olarak) bulunan çift-demetli bir fluorometrenin şematik diyagramı
verilmiştir. Lambadan gelen ışının bir kısmı bir filtreden geçerek örneğe
gelir. Fluoresans ışın sonra ikinci bir filtreden dedektöre geçer bir referans
demet ışık kamının aynalanmış yüzeyinden, fotomultiplier tüpü yönlendiren bir
parlak ışık borusuna yansıtılır. Dönen ışık kesici bu referans demetin ve
fluoresans demetin, sıra ile, dedektör yüzeyine çarpmasını sağlar, böylece
güçleri farklı olan demetler bir ac sinyali üretirler; ac sinyalinin fazını
kuvvetli olan demet belirler. Bu fark ve işareti, bir faz-hassas aletle bir
metre ibresini hareket ettirecek şekle dönüştürülür (Şekil-3'de
gösterilmemiştir). Referans demetin gücü sonra ışık kamının dönmesiyle değişir,
kam dedektöre ulaşan referans demetin miktarını mekanik olarak artırır veya
azaltır. Kamda, herbir bölmesi eşit miktarda ışığı belirten doğrusal bir kadran
bulunur.
Bir null aleti her iki yönden de sıfırlanabilecek şekilde
ayarlanmalıdır. Tümü fluoresans olmayan bir örnek için dedektöre fazlardan
birinden ışık gelmeyeceğinden null noktasına sadece bir yönden ulaşılır.
Sonucun hatalı olmaması için, dedektöre fluoresans demetle "faz
içinde" olan sabit şiddetli üçüncü bir demet (ışık yolu yönünde)
gönderilir, böylece fotomultipliere bir miktar ışın çarpar. Ölçülen fluoresansa
üçüncü demetin etkisi, hücre bölmesine bir şahit konulup fluoresans kadranı
sıfıra ayarlanarak giderilir; referans demetin şiddeti, optik bir null
noktasına ulaşılıncaya kadar şahit tarafından azaltılır. Bu işlem bir seri
analiz sırasında sık sık yapılmalıdır.
Bu tip çift-demetli cihazda tek-dedektörle, kararlı dedektör
hassasiyeti ve kaynak çıkışı için uzun-zaman gerektiği halde,
tekrarlanabilirlik çok iyidir. Bu nedenle kalibrasyon eğrilerinin, sadece arada
sırada, bir standartla kontrolü yeterli olur. Bazı cihazlar tek-ışın yollu
olarak dizayn edilmişlerdir.
Spektrofluorometreler
Spektrofluorometre yapan birkaç firma bulunur. Basit ve
tipik bir cihaz Şekil-4'de gösterilmiştir. Bunda iki tane gratingli
monokromatör vardır. Ksenon lambasından gelen ışın birinci monokromatörde
dağıtılır ve örneği uyarır. Oluşan fluoresans ışın, ikinci monokromatörden
dağıtıldıktan sonra, bir fotoselde algılanır. Okuma bir metre veya kaydedici
ile yapılır. Cihaz, sadece birinci monokromatör ile, absorbans ölçmelerinde
kullanılabilir.
Şekil-4'deki gibi bir cihaz ile kantitatif analizlerde
fevkalade spektrumlar alınır. Spektranın mükemmelliği çıkışın sadece
fluoresansa değil, aynı zamanda lambanın özelliğine, dedektöre ve
monokromatörlere de bağlı olmasından kaynaklanır. Bütün bu cihaz özellikleri
dalga boyu ile değişir ve cihazdan cihaza farklı bir durum gösterir.
"Düzeltilmiş" (cihazın etkilerinden kurtarılmış) bir spektrum elde
edebilmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir; yeni ve geliştirilmiş
cihazlar doğrudan doğruya düzetilmiş spektrayı çizerler.
Şekil-4: Bir spektrofluorometre;
cihaz absorbsiyon ölçmelerinde de kullanılabilir (Courtesy of SLM Instruments,
Inc., Urbana, IL.)
FLUOROMETRENİN
UYGULAMA ALANLARI
Fluorometrik yöntemler, spektrofotometrik tayinlerdekinden
daha düşük konsantrasyonlara uygulanabilir. İki yöntem arasındaki temel
farklılık, fluorometrede konsantrasyon-ilişki parametresinin (F) kaynağın
gücünden (P0) bağımsız olarak ölçülebilmesidir. Tersine,
spektrofotometrik ölçmelerde P0 ve P etkindir, çünkü konsantrasyona-bağımlı
A parametresi bu iki miktarın oranına bağlıdır. Bir fluorometrik yöntemin
hassasiyeti P0 ın artırılması veya fluoresans sinyalin daha fazla kuvvetlendirilmesiyle
artırılabilir. Spektrofotometrede ise P0'ın artırılması P'nin’de
orantılı olarak artmasına neden olacağından A'yı etkilemez; böylece,
hassasiyette bir yükselme elde edilemez. Benzer şekilde, dedektör sinyalinin
kuvvetlendirilmesi de P ve P0 üzerinde ayni derecede etki
yapacağından A'da herhangi bir iyileşme sağlanamaz. Bu nedenlerle, fluorometrik
yöntemler, ayni amaçlarla kullanılan spektrofotometrik işlemlerden 1-4 derece
kadar daha hassas sonuçlar verir.
İnorganik Analizler
İnorganik fluorometrik yöntemler iki tiptir. Birincisi
doğrudan analiz yöntemidir; bunda, bir fluoresans şelat oluşturularak bunun
emisyonu ölçülür. İkinci yöntemde, analizi yapılan maddenin söndürülme (guenc)
özelliğinden yararlanılır; yöntem fluoresanstaki azalmanın ölçülmesine dayanır
(anyon analizlerinde çok kullanılır).
Fluoresans Şelat
Oluşturan Katyonlar
Fluoresans şelat oluşturan geçiş-metallerinin sayısı iki
nedenle sınırlanır. Birincisi bu iyonların çoğunun paramagnetik olmasıdır; bu
özellik sistem içi geçiş hızını artırarak üçüz hale geçişi kolaylaştırır. Bu
durumda fosforesans davranış gözlenebildiği halde, fluoresansla deaktivasyon
oluşamaz. İkinci neden, geçiş-metalleri komplekslerinde çok yakın ve çok sayıda
enerji seviyelerinin bulunmasıdır; bu durum deaktivasyonun iç geçişle
gerçekleşme olasılığını yükseltir. Geçişsiz-metal iyonlarında üçüz halden veya
iç geçiş sonucu deaktivasyon işlemlerine çok nadiren raslanır; bu tip iyonlarda
fluorometre uygulanabilir. Geçişsiz-metal katyonların çoğunlukla renksiz
olduklarını ve renksiz şelatlar yapma eğilimlerini de belirtmek gerekir; bu
nedenle, çoğu zaman, spektrofotometreyi tamamlayıcı bir yöntemdir.
Fluorometrik
Reaktifler (Maddeler)
Katyon analizlerinde kullanılan en başarılı fluorometrik
reaktifler, metal iyonu ile şelat yapmayı sağlayacak iki veya daha fazla
fonksiyonel grubu bulunan aromatik yapılardır. Bu bazı tip maddelerin yapıları
aşağıda verilmiştir:
Seçilmiş bazı fluorometrik reagentlar ve uygulamaları ise
Tablo-2'de verilmiştir. Daha fazla bilgi için çeşitli literatürlerden
yararlanılabilir.
Tablo-2: İnorganik Maddeler İçin Seçilmiş
Fluorometrik Yöntemler
Fluorometrik Yöntemler
Organik Maddeler
Organik sorunlara uygulanan fluorometrik analizlerin sayısı
şaşırtıcıdır. Weissler ve White bunlardan çok önemlilerini çeşitli tablolarda
toplamışlardır. "Organik ve Genel Biyokimyasal Maddeler" başlığı
altında 100'den fazla madde için bilgi bulunabilir; Adenin, antranilik asit,
aromatik polisiklik hidrokarbonlar, sistein, guanidin, indol naftoller, bazı
sinir gazları, proteinler, salisilik asit, skatol, triptofan, ürik asit, ve
varfarin bu tablolardaki bazı maddelerdir. Fluorometrik olarak analiz
edilebilen 50 kadar tıbbi madde sayılabilir. Bunlardan bazıları adrenalin,
alkilmorfin, kloroquin, digitalis prinsipıls, liserjik asit dietilamin (LSD),
penisilin, fenobarbütal, prokain, ve reserpindir. Bu tablolarda on kadar
steroid ve bir o kadar da enzim ve koenzim için de analiz yöntemleri bulunur.
Bazı sanayi ürünlerinin analiz yöntemleri de verilmiştir; klorofil, ergot
alkoloidler, rauwolfia alkaloidleri, lavanoidler, ve reten analizleri gibi.
Vitaminler ve vitamin ürünlerini içeren 18 kadar tablo bulunur; askorbik asit,
folik asit, nikotinamid, pridoksal, ribovlavin, tiamin, vitamin A, ve Vitamin
B12 bu tablolarda bulunan maddelerden bazılarıdır.
Fluorometrenin yiyeceklerde, farmasetiklerde, klinik
örneklerde, ve doğal ürünlerde çok geniş bir uygulama alanı bulunur. Yöntemin
bu alanda başarıyla uygulanabilmesinin en önemli nedeni hassasiyeti ve
seçiciliğidir.
NEFELOMETRE VE
TÜRBİDİMETRE
Nefelometre ve türbidimetre, ışının tanecik yapılı maddeler
tarafından saçılmasına dayanan analitik yöntemlerdir. Nefelometre cihazı
fluorometrelere benzer, farkı bulanıklık ölçümünde kullanılan bir filtre
fotometresinin bulunmasıdır. Bu iki yöntemi bu farklılık yönünden kısaca
inceleyelim.
Katı taneciklerin dağıtıldığı berrak bir ortamdan geçen ışığın
bir kısmı her yönde saçılarak karışıma bulanık bir görünüm verir.
"Türbidimetrik" yöntemler taneciklerin neden olduğu saçılmayla
paralel demetin gücündeki azalmaya dayanır. "Nefelometrik yöntemler"
de ise, saçılan ışın gelen demetle doğru bir açı altında ölçülür. Nefelometre
türbidimetreden daha hassas bir yöntemdir; nedeni fluorometrenin fotometreden
daha hassas olmasını sağlayan nedenlerle aynıdır.
Bir nefelometrik ve bir türbidimetrik yöntem arasındaki
seçim saçılan ışık miktarına göre yapılır. Saçılan ışık yaygın ise (çok tanecik
bulunması), türbidimetrik bir yöntem tercih edilir. Saçılma az ve gelen demetin
gücündeki azalma küçükse, nefelometrik ölçmeler daha başarılıdır.
Nefelometre ve türbidimetredeki saçılmada (Raman
spektroskopisindekinin tersine) ışın gücünde net bir kayıp yoktur; sadece
ilerleme yönü değişir. Herhangi bir açı altındaki ışının şiddeti taneciklerin
sayısına, büyüklük ve şekilerine, taneciklerin ve ortamın relatif refraktif
indekslerine, ve ışının dalga boyuna bağlıdır. Bu değişkenlerin birbiriyle
ilişkileri oldukça karmaşıktır. Özel analitik sorunlara teorik yorumlar
getirilebilirse de olayın karmaşıklığı böyle bir uygulamaya nadiren olanak
verir.
Saçılmaya
Konsantrasyonun Etkisi
Seyreltik bir süspansiyondaki saçılma ile paralel bir ışın
demetinin zayıflaması aşağıdaki bağıntı ile verilir.
P0 ve P, demetin b uzunluğundaki bulanık ortamdan
geçmeden önce ve geçtikten sonraki güçleridir. t
ya "bulanıklık katsayısı" veya bulanık denir; değeri, ışığı saçan
taneciklerin c konsantrasyonu ile doğru orantılıdır. Bu durumda Beer kanununa
uygun bir eşitlik yazılabilir.
Denklem(9)'un türbidimetrik analizlerde kullanılışı, aynen
fotometrik analizlerde Beer kanunun kullanılışı gibidir. Log10 P0/P
ve c arasındaki ilişkiyi bulmak için standart örneklerle (P0 ın
tayininde kullanılan ayni solventlerle) kalibrasyon eğrisi çizilir. Daha sonra
örneğin konsantrasyonu bu eğriden yararlanılarak bulunur.
Nefelometrik ölçmelerde, gelen demetle doğru açı altında
bulunan saçılmış demetin gücü, konsantrasyona karşı grafiğe alınır; grafik
çoğunlukla bir doğru şeklindedir. Buradaki işlem bir fluorometrik yöntemle
tamamiyle aynidir.
Saçılmaya Tanecik Büyüklüğünün
Etkisi
Herhangi bir açı altında saçılan ışının miktarı, saçılmaya
neden olan taneciklerin büyüklük ve şekline bağlıdır; etki çok büyüktür.
Analitik uygulamaların pek çoğunda, çözeltide koloidal olarak dağılmış bir faz
yaratıldığından, çökelme sırasında tanecik büyüklüğünü değiştiren faktörler de
türbidimetrik ölçmeleri etkiler. Bu faktörler reaktiflerin konsantrasyonu,
karıştırma hızı ve derecesi, bekletme süresi, sıcaklık, pH, ve iyonik
kuvvettir. Kalibrasyon ve analiz sırasında tanecik büyüklüğünü etkileyen tüm
koşulların ayni olmasına özen gösterilmelidir.
Saçılmaya Dalga
Boyunun Etkisi
Bulanıklık katsayısının,
denklemine göre, dalga boyu ile değiştiği deneysel olarak
görülebilir. s, verilen bir sistem için sabittir. t nin değeri tanecik büyüklüğüne bağlıdır ve saçılmayı yapan
tanecikler ışının dalga boyundan küçük olduğunda 4'dür (Rayleigh saçılması);
dalga boyu ile benzer büyüklükteki tanecikler için t'nin değeri 2 dolayında
olur (bu durum türbidimetrik bir analizde görülür).
Analizlerde sıradan beyaz ışık kullanılır. Çözelti renkli
ise, spektrumun ortam tarafından en az absorblanan kısmı seçilir.
Cihaz
Nefelometrik ve türbidimetrik ölçmeler daha önce görülen
çeşitli fluorometreler ve fotometrelerle yapılabilir. En çok kullanılan hücreler
dikdörtgen hücrelerdir. Işın geçen yüzeyler dışındaki hücre duvarları,
istenmeyen yansıma ışınlarının dedektöre gitmesine engel olmak için, siyah bir
madde ile kaplanmıştır.
Şekil-5'de basit bir gözlem türbidimetresi verilmiştir. S
şeklindeki lamba filamenti kayboluncaya kadar, gözlem tüpünün süspansiyon
içindeki konumu ayarlanır. Sonra kalibrasyonla çözeltinin uzunluğu ve
konsantrasyon arasındaki ilişki tayin edilir. Böyle bir sistemle düşük konsantrasyondaki
sülfat analizlerinde oldukça doğru sonuçlar alınır. Burada, BaCl2 ilavesiyle bir BaSO4 süspansiyonu
oluşturulur.
Şekil-5: Basit bir türbidimetri
Saçılma Yöntemlerinin
Uygulama Alanları
Türbidimetrik veya nefelometrik yöntemler en çok, suyun
berraklığının tayininde ve çeşitli su arıtma işlemlerinin kontrolünde
kullanılır. Ayrıca, uygun çökeltme reaktifleri ile çeşitli iyonların konsantrasyon
tayinleri de yapılabilir. Analizde dikkat edilecek önemli bir nokta oluşan katı
fazın kararlı bir süspansiyonda bulunmasıdır; buna uygun koşullar seçilmesi gerekir.
Daha önce değinildiği gibi, sadece tanecik büyüklüğünü etkileyen faktörlerin
çok iyi kontrol edilmesi durumunda güvenilir veriler alınır.
Tablo-3'de türbidimetrik veya nefelometrik yöntemle tayin
edilebilen bazı maddeler verilmiştir. En çok uygulama sülfat iyonlarında
görülür. Nefelometrik yöntemle birkaç ppm kadar düşük konsantrasyonlar %1-5
hassasiyetle tayin edilebilir. Ayni tekrarlanabilirlik derecesine türbidimetrik
yöntemlerde daha konsantre çözeltilerde erişilebilir.
Türbidimetrik ölçmeler çökelme titrasyonlarında eşdeğerlik
noktası tayinlerinde de kullanılır. Cihaz çok basittir, titrasyon kabının zıt
yönünde yerleştirilmiş bir ışık kaynağı ve bir fotosel bulunur. Fotoakımın,
reagent hacmine karşı grafiği çizilir. İdeal hal, bulanıklığın son noktaya
ulaşıncaya kadar doğrusal olarak artması ve eşdeğerlik noktasından sonra sabit
kalmasıdır.
Tablo-3: Bazı Türbidimetrik (T) ve Nefelometrik (N)
Yöntemler
Yöntemler