ENSTRUMENTAL ANALİZ METODLARI

Transkript

1 ENSTRUMENTAL ANALİZ METODLARI Enstrumental metodlar: Hava kalitesi, yeraltısuyu ve yüzeysel su kalitesi, toprak kirliliği, su ve atık arıtımı takibinde rutin olarak kullanılmaktadır. phmetre ve spektofotometre ilk kullanılmaya başlanan cihazlardır. Günümüzde geliştirilen diğer cihazlar da sıklıkla kullanılmaktadır.

2 1. Optik Metodlar: Radyan enerji ve madde arasındaki etkileşimleri ölçer. İlk aletler görünür bölge için geliştirilmiştir.

3 Bugün çok daha geniş aralıktaki radyan enerji kullanılmaktadır. Radyan enerji, X ışınlarından radyo dalgalarına kadar değişebilmektedir. Radyan enerji dalga boyu ile karakterize edilmektedir ki bu da radyasyon ışınının iki komşu dalgası arasındaki mesafeyi belirtmektedir.

4 Dalga boyu A o, Angstrom ile ( 1A o = 10-8 cm) veya nanometre ile ölçülür (1 nm=10-7 cm = 10 A o ). Radyan enerji fotonlardan oluşmaktadır (madde ile etkileşime giren enerji paketleri). Bir fotonun enerjisi dalga boyuna bağlıdır: E = h. C h:planck sabiti C:Işık hızı : Dalga boyu X ışınları küçük dalga boyunda olduğundan enerjisi yüksektir ve madde üzerinde değişim yapar.

5 Mikrodalgalar ve radyodalgaları düşük enerjili olduklarından madde üzerindeki etkileri çok küçüktür ve gözle görülmez. Optik metodlar, madde veya çözeltinin radyan enerjiyi absorplama, enerji kaynağı ile etkilendiği zaman yaydığı radyasyon veya radyasyonu dağıtma özelliklerini kullanır ve ölçer. Absorpsiyon metodu, bir çözeltiden geçen radyan enerjinin absorplanarak çıkışta daha düşük yoğunlukta olması esasına dayanır. Askıda madde içermeyen çözeltiler için UV veya infrared radyasyonu absorplaması esasına dayanan metotlar kullanılır.

6

7 Ultraviolet and visible range spectrophotometry

8 Spektrofotometreler Cihazlar Barkot okuma özelliği ile barkotlu test tüpleri ile çalışabilmektedir. Absorbans/ %Transmitance ölçümleri ile akreditasyon standartlarına uygun kalibrasyonlu kitsiz ölçümler yapabilmektedir. Tüm parametre metodları EPA standartlarında cihazda kayıtlıdır. Otomatik dalga boyu ayarlaması yapmaktadır. mg/l,ppm,ppb seçim modları ile istenen hassasiyette kolay ölçüm.

9 Ultraviolet and visible range spectrophotometer

10 nm Optik Sistem - Ekonomik, güçlü, sessiz, hızlı ve yüksek performanslı. - Spektrofotometre split çift ışınlı spektrofotometre yapısı ve dahili bilgisayar özelliği. - Ölçüm İstikrarı ve tekrarlanabilirlik, Otomatik sıfırlama yöntemi, otomatik ayna ayar sensörü, düşük enerji tüketimi, sıcaklık kontrollü numune hücresi ve gürültü yok etme metodu. - Ihtiyaçlara özel analiz metodu geliştirmeye uygun. Üniversiteler, Ar-Ge, Kalite Kontrol, Endüstriyel uygulamalar, Akredite Laboratuarlar, fabrikalar gibi geniş kullanım alanları.

11 İnfrared ışınımı, organik bileşiklerin, pestisit ve diğer kompleks organik bileşiklerin tanımında kullanılır. Yüksek konsantrasyon gereklidir. Farklı maddeler mevcutsa madde tanımlama imkansız hale gelir. TOK (Toplam Organik Karbon) cihazı, suda düşük miktardaki organik maddenin organik karbon içeriğini belirler. Numune fırına alınır, su buharlaştırılır, organik madde yakılarak CO 2 e çevrilir. CO 2 infrared analizi ile belirlenir.

12 TOPLAM ORGANİK KARBON (TOK) CİHAZI

13 Emisyon Metodları Ağır metaller, enerji verildikleri zaman farlı dalga boyunda radyasyon yayarlar. Örneğin, Sodyum sarı ışık yayar. Belli dalga boyunda saçılan enerji ile hem tanım hem de miktar belirleme mümkündür. Atomik Emisyon Spektroskopi: Alev fotometresi, alkali ve alkalitoprak metallerin,( Na, K, Ca gibi) ışınımlarında prizma farklı dalga boylarını belirler. Fotoselde izole edilen radyasyonun şiddetini ölçer. Na, sarı l : 589 nm Li, kırmızı l : 671 nm Ca, mavi l : 423 nm

14

15 Atomik absorpsiyon bir emisyon spektrofotometresidir. Her metal için ayrı lamba kullanılarak dalga boyu ölçülür ve metalin konsantrasyonu belirlenir. Elektrotermal atomik absorpsiyon spektroskopisinde grafit fırın vardır ve çok düşük konsantrasyolarda ölçüm yapılır.

16 AAS:AAS eser miktardaki metallerin (ppm ve ppb düzeyde) kantitatif analizi için kullanılmaktadir. Öncelikle analizi yapılacak örnegin çözeltisi hazırlanır. Hangi metalin analizi yapılacak ise cihaza o metalin oyuk katot lambası takılır. Standartlar hazırlanarak metalin absorbans yaptığı dalga boyunda okuma yapılarak standart eğrisi hazırlanır.

17 Analiz edilecek örnekte bulunan tayin edilecek elementlerin gözlenebilme sınırlarına (Detection Limit) göre Spektrometredeki atomlastirici; Alev, Grafit Firin veya Hidrür olusturma ünitelerinden biri kullanilmaktadir. Belirleme siniri, ppb düzeyine kadar inebilmektedir. ALEV Gözlenebilme sinirlarinin ppm düzeyinde oldugu örneklerde ALEV ile çalisilmaktadir. En yaygin kullanilanimi olan hava-asetilen alevinin yanisira, zor atomlastirilan Si, Al, Ti gibi elemetler için daha düsük gözlemlenebilme sinirlarina da ulasilabilen Azotoksit Asetilen (N2O-C2H2) alevi kullanilmaktadir. GRAFIT FIRIN Tayini yapilacak analit için gerekli gözlemlenebilme sinirlari ppb düzeyinde ise GRAFIT FIRIN kullanilmaktadir. Kurutma, kül etme ve atomlastirma temeline dayanir. Hidrür Teknikleri: As, Se gibi elementlerin gözlenebilme sinirlari alevde sadece ppm düzeyindedir. As, Se, Sb,, Hg ve Sn elementler asidik çözeltide NaBH4 ile hidrür olusturmaktadirlar. Özel bir düzenek ile alev (veya elektrik ile) isitilan kuvars tübe inert gaz ile yollanan analit hidrürleri ile tayin yapilmaktadir.

18 Kullanım Alanları: - Jeolojik mineraller - Biyokimyasal ürünler - Gıda - Su ve Çevre Örnekleri

19 Alev Fotometre Aynı anda etkileşimler doğru kaldırılması ile örnek tek aspirasyonunda Na, K, Li, Ca ve Ba analiz edilebilir.

20 Elektriksel Metodlar Potansiyometrik metod esasına dayanır. Potansiyometrik analiz, elektrokimyasal hücre prensibine dayanır. Elektrod potansiyeli ile ilgili iyonun çözeltideki konsantrasyonu arasındaki ilişki, iyonun çözeltideki aktivitesini ölçmeye dayanır. Potansiyometrik analiz için ölçülmesi istenen iyon için özel bir elektrod, bir referans elektrodu ve potansiyel ölçme cihazı gereklidir. phmetre, cam elektrod ve referans elektrod arasındaki elektrik potansiyelini (voltajı) ölçerek hidrojen iyonunun aktivitesini belirler.

21 Metal elektrod; Ag, Cu, Hg, Pb, Cd ölçülür. Oksidasyon-Redüksiyon elektrodu; O-R potansiyelini ölçerek ortamın aerobik (oksitleyici) veya anaerobik (indirgeyici) olduğunu gösterir. Membran elektrodu; İyon seçici elektrodlardır ve K +, Na +, F -, Ca 2+, NO 3-, NH 4+, S 2- ölçümünde kullanılır. Dörde ayrılırlar; cam elektrodlar, likit membran elektrodlar, gaz-geçirgen membranlar, kristal membran elektrodlar.

22 phmetre Elektrodlar için ölçüm mekanizması değişmemektedir. ph ölçümleri için en çok cam elektrod kullanılmaktadır. Yoğun renk içeren çözeltilerde, oksitleyici ortamda, indirgeyici ortamda ve kolloid şartlarda ölçüm yapılabilmektedir. Cam kısım elektrodun en hassas bölgesidir. Kompozisyonunun ve kalınlığının değişmemesi gerekmektedir.

23 Çözünmüş oksijen ölçümü için geliştirilen gaz-geçirgenli membran elektrodlar, etkin olarak kullanılmakta, sadece su kalite ölçümleri için değil biyolojik arıtmada havalandırma hızının kontrolünde kullanılmaktadır. Bu elektroda katodu inert bir metal oluşturur (altın veya platin) gümüş ise anoda kullanılır. Bunlar potasyum klorür çözeltisi ile elektriksel olarak birbirine bağlıdır voltluk bir potansiyel anod ve katoda uygulandığında membrandan geçen oksijen katoda indirgenecektir ve bir akım oluşturacaktır. Oluşan akımın büyüklüğü numunedeki oksijenin miktarıyla doğru orantılı olacaktır.

24 phmetre kalibrasyonu ve elektrotlar Tüm ph metre elektrotlarının bir ömrü vardır. ph metre elektrotlarını bir pil gibi düşünürsek ne kadar sık kullandığımıza,kullanıldığı alana ve kullanıcıya bağlı olarak kullanım ömrününde değişkenlik gösterebileceğini söyleyebiliriz. Tamamen kullanım şekline bağlı olarak bir elektrotun çoğu uygulamalarda 6 aydan 24 aya kadar ömrü olabilir. Fakat elektrot, yüksek sıcaklıklara, yüksek basınca, HF veya kostik uygulamalarına maruz bırakıldığında büyük ölçüde ömrü azalmaktadır. ph metrelerde kalibrasyon, elektrotun bir ömrünün olması yüzünden yapılır. ph metrenin ve dolayısı ile elektrotun kullanımı arttıkça zaman içerisinde ömrünü bitirmekte ve doğru ölçümü yapabilmek için kalibrasyona ihtiyaç duymaktadır.

25 Kromatografik Metodlar Kromatografi, genel anlamda bir karışımdaki bileşikleri, farklı fazlar arasındaki göreceli affinitelerinden faydalanılarak kullanılan ayırma metodlarıdır. Örneğin, karbon dioksit suda metandan daha çok çözünür. Her iki gazın da bulunduğu gaz numunesi, su ile temas ettirildiğinde karbon dioksit, metana göre suyla daha fazla reaksiyona girecektir. Bu özellik sayesinde bir çok bileşik ayırma metodlarında diğerlerinden ayrılabilmektedir. Bu özellik ilk defa 1906 da Michael Tswett in klorofil ve diğer bitki özlerini, kalsiyum karbonat partikülleri içeren cam kolondan petrol eteri ile geçirmesiyle ortaya konmuştur. Petrol eteri mobil (hareketli) faz ve kalsiyum karbonat immobil (hareketsiz/sabit) fazı oluşturmaktaydı. Her iki faz için de farklı affiniteye sahip pigmentler kolondan farklı hızlarda çıkmışlardır. Bu ayırma, pigmentlerin farklı renklerinden dolayı gözle izlenebilmiş ve oluşan renk yoğunluğundan da miktarları belirlenebilmiştir.

26 Kromatografik Metodlar Günümüz kromatografi metodları da biri hareketli diğeri sabit iki faz kullanmaktadır. Hareketli faz sıvı veya gaz, sabit faz ise sıvı veya katı olmaktadır. Kromatografik metodlar, Çevre Mühendisliğinde geniş bir alanda kullanılmaktadır. Kompleks karışımlardaki kimyasal bileşikleri hızlı miktarsal ölçümlerle ppb veya mg/l ölçeğinde belirleyebilmektedir. Endüstrileşme ile ortaya çıkan çok farklı yapıdaki kimyasalların tanısı ve ölçümü bu metodlarla mümkün olmaktadır.

27 Kromatografi

28 Gaz Kromatografi Gaz kromatografide hareketli faz gazdır. Uçucu özellikteki bütün organik maddeler bu yöntemle belirlenebilmektedir. Mikrolitre ölçeğindeki sıvı numune cihazda buharlaştırılır ve taşıyıcı gaz ile cam veya metal kolondan geçirilir. Kolonda tutulan kimyasal bileşikler cihazın ısınma programı ile tekrar gaz fazına geçerek detektöre ulaşır ve burada fiziksel veya kimyasal reaksiyonlarla cihaza kaydedilir.

29

30 Oluşan kromatogramda her bileşik için bir pik kaydedilir ve bu pikin alanı kimyasalın miktarı ile doğru orantılıdır. Ölçülmek istenen bileşik veya bileşiklerin standart konsantrasyonları da cihazda okunmak suretiyle konsantrasyonları belirlenir. Klor veya bromür içeren organik bileşikler Electron Capture Detector (ECD) ile analiz edilir.

31 Pestisitler, klor ve bromür bağı içerdiklerinden bu gruba girmektedirler. Su numunelerinden solventle ekstraksiyon metodlarının kullanılması gerekmektedir. Cihazla analiz kısa süreli ve seri olmasına karşılık numune hazırlama işlemleri uzun ve kademeli olmaktadır.

32 Organik maddeler için kullanılan diğer bir dedektör FID (Flame İonization Detector) dir. Çok geniş aralıkta organik bileşikler bu dedektörle analiz edilebilmektedir ve en yaygın olarak kullanılan detektördür. Bu dedektör su buharına etkisiz olduğu için su numuneleri doğrudan analiz edilebilmektedir.

33 Kütle Spektrometresi (MS) Kütle spektrometresi, gaz kromatografi ile (GC/MS) olarak, likit kromatografi ile (LC/MS) olarak kombine kullanılmakta ve geniş bir aralıkta, suda, atıksuda, toprakta veya havada bulunan organik ve inorganik bileşiklerin tanımını ve miktarsal ölçümünü yapabilmektedir. Cihaz, yüklü gaz moleküllerini veya iyonlarını kütle ağırlıklarına göre sınıflandırıp tanıyan esasa göre çalışır. Numune buharlaştırılıp, hızlı hareket eden elektronlarla bombardıman edilerek pozitif iyonlara dönüştürülür. Oluşan iyonlar, gaz akımından bir elektrik alanı ile tutulur ve kütle/yük oranına göre ayrılırlar. Uygun bir dedektör, farklı kütledeki partikülleri, niteliksel, niceliksel veya her iki şekilde tanımlar.

34 GC/MS Gaz Kromatografisi (GC) - Kütle Spektrometresi (MS) birlikte çalışan iki üniteden oluşan kombine bir cihazdır. Biyolojik ve doğal ürünlerdeki birçok maddenin kalitatif ve kantitatif analizinde kullanılır. Gaz kromotografisi kısmı ayırmada Kütle Spektrometresi kısmı ise tanımlama görevini yapar. Tıbbi teşhislerde, bitki ve gıda analizlerinde, ilaç ve uyuşturucu metabolitlerin incelenmesinde, çevre ve pestisit analizlerinde kullanılmaktadır.

35 GC-MS

36 GC/MS Bu sistem (Micromass Quadropole) bileşik tanımlamasında ve bileşiklerin köken çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sistemdeki analizler fosil yakıtların köken tespiti ve korelasyonları ile çevre kirliliğinin kaynaklarının tespitinde önemli ipuçları elde etme doğrultusunda yapılmaktadır.

37 Likit Kromatografi Likit kromatografide hareketli faz sıvıdır. Uçucu olmayan ve sıcaklıkla kararlılığını kaybeden bileşiklerin analizinde kullanılır. Bu metodla analiz edilen bileşikler; amino asitler, proteinler, nükleik asitler, hidrokarbonlar, yağ asitleri, karbonhidratlar, fenoller, pestisitler, antibiyotikler, metalorganik bileşikler, ve bir çok inorganik maddelerdir.

38 Numune, sisteme şırınga ile verilir ve analitik kolondan solvent ile geçirilir. Dedektörün cevabı kaydedilir, integre edilir ve saklanır. Atık solvent güvenli uzaklaştırma için saklanır. Analizi yapılacak bileşik türüne göre uygun solvent, kolon maddesi ve dedektör seçilir. Cihazda sabit sıcaklık için kontrol ünitesi bulunmalıdır.

39

40 İyon Kromatografi İyon kromatograf, likit kromatografın iyon değiştirici reçineden oluşan kolon içeren türüdür. Sentetik reçineler de geliştirilmekte ve bir çok iyonun cihazla analizi mümkün olmaktadır. İyonize olabilen bütün bileşikler iyon kromatograf ile ölçülebilmektedir.

41 ICP/MS - İNDÜKTİF OLARAK EŞLEŞTİRİLMİŞ PLAZMA-KÜTLE SPEKTROMETRESİ Analitik bir cihaz olarak ICP-MS iki üniteden oluşmaktadır: 1) İndüktif olarak eşleştirilmiş plazma (ICP) ve 2) Kütle spektrometresi (MS). Analiz edilmek istenen örnekteki elementler ICP de iyonlaştırıldıktan sonra kütle spektroskopisine gönderilirler ve burada kütle/yük (m/z) oranlarına göre ayrılarak ölçülürler. ICP-MS teki plazma optik emisyon spektrometresinde kullanılan Argon (Ar) plazması ile aynıdır. Periyodik tablodaki birçok elementin birinci iyonlaşma enerjileri Argonun iyonlaşma enerjisinden küçük olduğu için elementler plazma içerisinde pozitif iyonlara dönüşürler.

42 Bir ICP-MS cihazında esas olarak şu bölümler bulunmaktadır: Örnek gönderici sistem, ICP, Aktarıcı koniler (interface cones), İyon lens sistemi, Kütle seçici (mass filter), Dedektör (electron multiplier tube) ve Vakum sistemi.

43 ICP-MS direk olarak çözeltide iz element derişimlerinin belirlenmesinde uygundur. Birçok element için gözlenebilme sınırı ng/l nin (ppb ve daha düşük derişimler) altındadır. Çok sayıda elementi aynı anda analiz edebilme özelliği sayesinde nitel analizlerde ve izotop oranlarının belirlenmesinde olduğu gibi, başta metalik elementler olmak üzere periyodik tablodaki elementlerin büyük çoğunluğunun nicel ve yarınitel tayinlerinde de yaygın olarak kullanılmaktadır. ICP-MS in çalışma aralığı diğer yöntemlere oranla oldukça geniştir.

44 Birçok element için pg-mg/l arasında kalibrasyon grafikleri çizilebilmektedir ve bu farklı derişime sahip birçok elementin aynı anda analizine olanak sağlamaktadır. Değişik örnek göndericilerle eşleştirildiğinde ICP-MS, sıvı örnekler dışında katı örneklerin analizinde de sıklıkla kullanılmaya başlanmıştır. Diğer tekniklerle de eşleştirilebilen örnek gönderme sistemleri (hidrür oluşturma, elektrotermal ısıtma, lazerle parçalama, akışa enjeksiyon sistemi, çeşitli sisleştiriciler, vb.) aynı şekilde ICP-MS ile de kullanılabilir. ICP-MS e likit kromatografisi (LC), iyon kromatografisi (IC) ve gaz kromatografisi (GC) gibi kromotografik sistemler de eklenerek elementlerin türleri oldukça hassas bir şekilde belirlenebilmektedir.

45

46 Rock-Eval Piroliz (RE) Bu sistemde (Vinci Rock Eval 6 - Standard) piroliz ve oksidasyon fırınları bulunmaktadır. Rock Eval piroliz analizinde örnekteki organik maddenin bolluğu, türü ve olgunluğu tespit edilir. Bu analiz; petrol aramacılığında ve çevre araştırmalarında hızlı ve güvenilir sonuçlar sağladığından, detaylı organik jeokimyasal analizler öncesi bir tarama analizi olarak tercih edilmektedir.