Atomik emisyon spektroskopisi (aynı zamanda alev emisyon spektroskopisi
veya alev fotometresi de denir) elementel analizlerde çok kullanılır. En yaygın
kullanım yerleri, özellikle biyolojik sıvılar ve kültürlerde sodyum, potasyum,
lityum, ve kalsiyum analizleridir. Kolaylığı, sürati ve kısmen de olsa girişim
etkilerinin azlığı nedeniyle alev emisyon yöntemi tercih edilir. Periyodik
sistemdeki elementlerin yarıya yakını bu yöntemle (farklı hassasiyetlerde)
analiz edilebilirler. Bu da alev emisyon spektrofotometresinin analizlerde
kullanılan en önemli cihazlardan biri olduğunu gösterir.
1. Cihazlar: Alev
emisyonu çalışmalarında kullanılan cihazlar, alev absorpsiyonu cihazlarına
benzer, aradaki fark emisyonda alevin ışın kaynağı olmasıdır; bu nedenle oyuk
katot lambası ve choppere gerek yoktur. Modern cihazların çoğu emisyon veya
absorpsiyon analizlerinde kullanılabilecek şekilde dizayn edilmişlerdir. Atomik
emisyon analizlerinin çoğunda önceleri türbülent akışlı bekler kullanılırdı.
Yeni cihazlardaki bekler çoğunlukla laminar akışlıdır.
Spektrofotometreler: Rutin olmayan analizlerde ayırma gücü
~0.5 A0 olan kaydedicili bir UV-görünür spektrofotometre uygundur.
Fotometreler: Alkali ve toprak-alkali metallerin
rutin analizleri için basit filtreli fotometreler yeterlidir. Diğer metallerin
çoğunun uyarılması düşük-sıcaklıklı alev kullanılarak önlenir. İstenilen
emisyon hattı cam veya girişim filtreler ile ayrılır.
Bazı cihaz imalatçıları kan serumu ve diğer biyolojik
örneklerde NA, K ve Lİ analizlerinde kullanılan alev fotometreleri
yapmaktadırlar. Bu cihazlarda alevden gelen ışın yaklaşık olarak eşit güçlerde
üç kısma ayrılır. Bunlardan her biri, bir girişim filtresi (bu filtre
elementlerden birinin emisyon hattını geçirirken diğer ikisine ait olanları
absorblar), foto tüpü ve bir amplifieri bulunan ayrı birer fotometrik sisteme
girer. Sistemlerin çıkışları ayrı ayrı ölçülebilir. Analizlerde Li çoğunlukla
bir iç standard olarak kullanılır. Bu amaçla her standard ve örneğe sabit
miktarda Li konur. Na ve Li transdüseri ile K ve Li transduserinin çıkış
sinyallerinin oranları analitik parametrelerdir. Böyle bir sistemin doğruluğu
oldukça yüksektir. Çünkü üç hattın şiddetleri alev sıcaklığı, yakıt akış
hızları ve taban ışınları gibi analitik değişkenlerden aynı derecede
etkilenirler. Böyle bir çalışma örnekte Li elementi bulunmadığı halde
yapılabilir.
Otomatik
Alev Fotometreler: Kliniklerdeki
tam otomatik fotometrelerde dönen bir örnek tablası vardır ve örnek buradan
sırayla alınır, protein ve asılı taneciklerin ayrılması için diyaliz edilir, Li
standardıyla seyreltilir ve aleve püskürtülür. Örnek ve kimyasal maddelerin
taşınması bir döner-tip pompa ile yapılır. Örnekler hava kabarcıklarından
yararlanılarak birbirinden ayrılır. Sonuçlar bir kağıt şerit üzerine
kaydedilir. Her 9 örnekten sonra otomatik olarak kalibrasyon işlemi
tekrarlanır.
2.
Çok Sayıda Elementin Hızlı Analizinde Kullanılan Cihazlar: 1970'li yıllarda bir örnek içindeki
bir kaç elementi ardışık (ardarda) veya eşzamanlı analiz eden cihazların
geliştirilmesi üzerinde yoğun çalışmalar başlatılmıştır. Bunlardan biri de Na
va K analizinde kullanılan basit bir fotometredir. Çalışmalar bilgisayar
kontrollü monokromatörler üzerinde yoğunlaştırılarak, çeşitli elementlerin
piklerini tanımlayan dalga boylarındaki ışın gücünün ardarda ölçülmesi
gerçekleştirilmiştir. Bu tip cihazlarda bir pikden diğerine geçiş için iki-üç
saniye gibi çok kısa bir süre yeterli olabilmektedir. Böylece bir dakika içinde
10 kadar elementin konsantrasyonu tayin edilebilir. Bu tip cihazlar üç alev
yöntemiyle de çalışabilir. Emisyon yöntemi, kaynağa gereksinim olmadığından
diğerlerine tercih edilir.
"Eşzamanlı", çok sayıda element analizlerinin
yapıldığı alev emisyon yöntemlerinde optik çok-kanallı analizörler kullanılır.
Örneğin, her hangi bir grating monokromatör slitinin bulunduğu optik düzlem üzerine
bir slikon diod vidicon tüp konur. Tüp yüzeyinin çapı, 20 nm'lik ışın bandını
izleyebilecek büyüklüktedir; tüpün monokromatör merkez düzlemi boyunca
yerleştirilmesiyle spektrumun 20 nm'lik (ayırma gücü ~0.14 nm) çeşitli bandları
gözlenebilir. Şekil-15 de, 388.6-408.8 nm dalga boyu aralığında emİsyon pikleri
bulunan 8 elementin eşzamanlı spektrumu görülmektedir. Uyarıcı azot oksit/
asetilen alevidir. Bu 8 analizin verileri yarım dakikadan daha az bir sürede
alınmıştır, relatif hassasiyet %5 dolaylarındadır. (Relatif güç: bağıl yayım
şiddetini belirtir.)
Şekil-15: Çok elementli alev emisyon
spektrumu; 388.6-408.6 nm aralığında
3. Girişimler: Alev
emisyon spektroskopisinde karşılaşılan girişimlerler, atomik absorpsiyondaki
nedenlerden kaynaklanır; ancak şiddetleri birbirinden farklıdır.
Spektral Hat Girişimi (Engellemesi): İki atomik absorpsiyon pikinin üst
üste düşmesi (bu durumda birbirini engellerler) sadece piklerin dalga boyları
arasında 0.1 A kadar küçük bir farklılık olması halinde gözlenir; böyle bir
durumla ise nadiren karşılaşılır. Burada spektral seçicilik, monokromatörün
yüksek ayırma gücünden çok, kaynağın verdiği dar hat özelliğinin bir sonucudur.
Oysa atomik emisyon spektroskopide seçicilik tümüyle monokromatöre bağlıdır.
Şekil-16: 600 ppm Fe, 600 ppm Ni ve
200 ppm Cr içeren bir örneğin kısmi oksihidrojen alev emisyon spektrumu
Bu nedenle de piklerin üst üste düşmesiyle doğan engelleme
atomik emisyonda daha büyüktür. Şekil-16'da bazı ayrılmamış piklerin
bulunduğunun ve bu elementlerden herhangi birinin analizinde spektral girişim
ile karşılaşılabileceğinin bilinmesi gerekir.
Band
Engellemesi; Zemin (Background)) Düzeltmesi: Emisyon hatları çoğunlukla, örnek, yakıt, veya oksitleyiciden
oluşan oksitler veya diğer moleküler tanecikler tarafından emitlenen bandlar
üzerine düşerler. Şekil-17’de görüldüğü gibi band emisyonu için, analit pikinin
başladığı ve bittiği iki ucunda, bir kaç angström birimlik bölgede zemin
düzeltmesi yapılır. Kaydedicisi bulunmayan cihazlarda ise pikin iki ucunda
ölçme yapılması yeterlidir. Bu iki değerin ortalaması alınarak toplam pik
yüksekliğinden çıkarılır.
Şekil-17: Doğal salamuranın alev
emisyon spektrumu; zemin (taban) düzeltmesi yöntemi uygulanmıştır
Kimyasal Girişimler (Engellemeler): Alev emisyonu çalışmalarında
karşılaşılan kimyasal girişimler, alev absorpsiyonu yöntemlerinde
karşılaşılanlarla aynıdır. Alev sıcaklığının bilinçli olarak seçilmesi ve
koruyucu, uzaklaştırıcı, ve iyonizasyon önleyiciler kullanılarak bu sorunlardan
kurtulunmaya çalışılır.
Öz
Soğurma (Kendini - Absorblama): Bir
alevin merkezi dış çevresinden daha sıcaktır; bu nedenle merkezde oluşan
atomlar, yüksek konsantrasyonda uyarılmamış atomlar içeren daha soğuk bir bölge
ile çevrilmişlerdir; sonuçta soğuk tabakadaki atomlar resonans dalga boylarını
absorblarlar (öz soğurma). Emisyon hattının Doppler genişlemesi, buna karşı
gelen resonans absorpsiyon hattının genişlemesinden daha büyük olur, yine de tanecikler
daha sıcak-emisyon bölgesinde, daha hızlı hareket ederler. Böylece, öz soğurma,
bir hattın merkezini kenarlarına kıyasla daha fazla değiştirir. En şiddetli
halde ise merkez, kenarlardan daha az şiddette olur, hatta kaybolabilir;
sonuçta emisyon maksimumu kendini-çevirerek iki pik oluşur. Şekil-18'kendi
kendini absorpsiyon ve kendini-çevirme olayını göstermektedir.
Öz soğurma çoğunlukla analitin konsantrasyonunun yüksek
olması durumunda ortaya çıkar. Bu gibi hallerde analiz için resonans olmayan hatlar
kullanılır; çünkü bu hatlar aynı etkiye uğramazlar.
Öz soğurma ve iyonizasyon, bazan üç bölgeli S şeklinde
emisyon kalibrasyon eğrileri verirler. Potasyumun orta derecelerdeki
konsantrasyonlarında, ışının şiddeti ile konsantrasyon arasında doğrusal bir
ilişki gözlenir (Şekil-19). Düşük konsantrasyonlarda doğrunun hafifçe eğilmesi
alevdeki iyonizasyon derecesinin artmasından kaynaklanır. Diğer taraftan,
yüksek konsantrasyonlarda doğrudan negatif bir sapma gözlenir ki bu durum da
kendi kendini absorblama özelliğinden dolayıdır.
Şekil-18: A, yüksek konsantrasyonda
Mg (200 mg) bulunduğunda ters dönme, B
100 mg Mg’un normal spektrumu
Şekil-19: Potasyumun kalibrasyon eğrisinde iyonizasyon ve kendi kendini absorblamanın
etkileri
4. Analitik Yöntemler:
Alev emisyon spektroskopide uygulanan analitik yöntemler, daha önce görülen
atomik absorpsiyon uygulamalarına benzer. Bunda da hem kalibrasyon eğrileri,
hem de standart katma yöntemleri kullanılır. Ayrıca alevdeki değişiklikleri
giderebilmek için iç standartlar da kullanılabilir.
5. Atomik Emisyon ve Atomik Absorpsiyon Yöntemlerinin
Kıyaslanması: Çok geniş
bir kullanım alanı olan bu iki alev yönteminin avantaj ve dezavantajları
aşağıda sıralanmıştır. Kıyaslamalar, çok sayıda elementin analiz edildiği çok
maksatlı spektrofotometreler için geçerlidir.
1. Cihazlar: Emisyon yöntemiyle çalışan cihazların en önemli
avantajı alevin kaynak görevi yapmasıdır. Tersine, absorpsiyonda her element
(veya bir grup element) için özel bir
lamba gerekir. Diğer taraftan, bir absorpsiyon cihazının monokromatörünün çok
üstün kalitede olmasına gerek yoktur, çünkü yüksek seçicilik, oyuk (hallow)
katot lambasından çıkan dar hatlarla sağlanır.
2. Operatörün Yeteneği : Emisyon yöntemlerinde dalga boyu,
örneğin alevin neresinde bulunması gerektiği, ve yakıt/oksitleyici oranı gibi
kritik ayarların önemi nedeniyle operatör yeteneği önemli bir faktördür.
3. Zemin Düzeltmesi: Örnekteki maddelerden kaynaklanan band
spektralarını gidermek için uygulanan zemin düzeltmesi işlemi emisyon
yöntemlerinde daha kolay ve daha doğru olarak yapılabilir.
4. Duyarlık ve Doğruluk :Deneyimli operatörlerin
çalışmalarında her iki yöntemin de hassasiyet ve doğruluğu aynıdır (%± 0.5-1).
Operatörün deneyiminin azsa atomik absorpsiyon yönteminde başarı daha yüksek
olur.
5. Girişimler: İki yöntemde de benzer kimyasal girişimlerle
karşılaşılır. Atomik absorpsiyonda spektral hat girişimleri daha azdır.
Emisyonda bu tip girişimlerin daha fazla olmasına karşın, bunların kolayca yok
edilebilmeleri mümkündür. Spektral band
girişimleri zemin düzeltmesi ile giderilebilir.
6. Tayin Sınırları: Tablo-5'de iki yöntemin tayin
edilebileceği elementler ve duyarlıkları gösterilmiştir.
Tablo-5: Alev Absorpsiyonu ve Alev Emisyonu Yöntemlerinde Çeşitli Elementler
İçin Tayin Sınırlarının Kıyaslaması
Alev Absorpsiyonu
daha duyar |
Duyarlılıklar
aynı |
Alev
daha duyar |
Al, Ba, Ca, Eu, Ga, Ho, In,
K, La, Li, Lu, Na, Nd, Pr, Rb, Re, Ru, Sm, Sr, Tb, Tl, Tm, W, Yb
|
Cr, Cu, Dy, Er, Gd, Ge, Mn,
Mo, Nb, Pd, Rh, Sc, Ta, Ti, V, Y, Zr
|
Ag, As, Au, B, Be, Bi, Cd,
Co, Fe, Hg, Ir, Mg, Ni, Pb, Pt, Sb, Se, Si, Sn, Te, Zn
|
GERİ (enstrümantal analiz)
