T.C. SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ BAZI TIBBĠ VE BĠYOLOJĠK BĠLEġĠKLERDE IġINLAMAYLA OLUġAN HASARLAR Canan CAN YÜKSEK LĠSANS TEZĠ FĠZĠK ANABĠLĠM DALI Haziran KONYA Her Hakkı Saklıdır

2 TEZ BĠLDĠRĠMĠ Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. DECLARATION PAGE I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all materials and results that are not original to this work. Canan CAN Tarih: ii

3 iii

4 EK-4 ÖZET YÜKSEK LĠSANS TEZĠ BAZI TIBBĠ VE BĠYOLOJĠK BĠLEġĠKLERDE IġINLAMAYLA OLUġAN HASARLAR Canan CAN Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı DanıĢman: Prof. Dr. Hüseyin YÜKSEL 2011, Sayfa 73 Jüri Prof. Dr. Hüseyin YÜKSEL Prof. Dr. Ayhan ÖZMEN Yrd. Doç. Dr. Ercan TÜRKKAN Bu çalışmada, bazı tıbbi ve biyolojik bileşikler 60 Co-γ kaynağında radyasyona maruz bırakıldıktan sonra Elektron Spin Rezonans (ESR) ölçümleri, X-band ESR spektrometresi kullanılarak alındı. Seçilen tıbbi ve biyolojik öneme sahip olan bileşiklerin gama ışınlarına maruz bırakıldıktan sonra alınan ESR spektrumları incelendi. Spektrumu alınan bileşiklerden incelemeye değer olanları belirlenerek, bu numunelerin yapılarında oluşan radikallere ait ESR parametreleri tespit edildi. Ayrıca bileşiklerde bulunan paramanyetik merkezlerin ESR parametrelerinin sıcaklığa ve manyetik alanın yönüne bağlı olarak değişimi ESR spektrumları yardımıyla incelendi. Cholesteryl Heptanoate tek kristali için, spektroskopik yarılma faktörü ve aşırı ince-yapı sabitlerinin ortalama değerleri g ort = , (a CH ) ort = G, (a CH2 ) ort = G olarak bulunmuştur. Cholesteryl Heptanoate tek kristalinde oluşan paramanyetik merkezin olduğu gözlenmiştir. Dimethyl Isophthalate tek kristali için, spektroskopik yarılma faktörü ve aşırı ince-yapı sabitlerinin izotropik değerleri, g ort = , (a CH2 ) ort = G olarak bulunmuştur. Dimethyl Isophthalate tek kristalinde oluşan paramanyetik merkezin R C H 2 olduğu gözlenmiştir. Anizotropik etkileşme gösteren yukarıdaki radikallerin aşırı ince yapı etkileşme değerleri ve g değerleri ile bunlara ait doğrultu kosinüsleri bilgisayar programı yardımı ile hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Aşırı ince yapı sabiti, ESR, g-faktörü, Spektroskopik yarılma çarpanı iv

5 ABSTRACT MS THESIS IRRADIATION DAMAGES IN SOME MEDĠCAL AND BĠOLOGĠCAL COMPOUNDS Canan CAN Selcuk University Graduate Schooll of Natural and Aplied Sciences Department of Physics Supervisor: Prof. Dr. Hüseyin YÜKSEL 2011, Page 73 Jury Prof. Dr. Hüseyin YÜKSEL Prof. Dr. Ayhan ÖZMEN Yrd. Doç. Dr. Ercan TÜRKKAN In this study, ESR measurements of some medical and biological compounds irradiated by 60 Coγ radiation, were recorded using X-band ESR spectrometer. Some selected medical and biological structures were exposed to gamma rays and then ESR parameters of the sample which have valuable for searching were calculated from recorded ESR spectra. Also, depending on temperature and magnetic field direction of ESR parameters of paramagnetic centers were analyzed with the help of ESR spectra. The spectroscopic splitting factor and hyperfine coupling constant average values were found to be g ort = , (a CH ) ort = G, (a CH2 ) ort = G and determined radical for single crystal Cholesteryl Heptanoate. The spectroscopic splitting factor and hyperfine coupling constant values for Dimethyl Isophthalate were found to be average values g ort = , (a CH2 ) ort = G. It was observed that the paramagnetic center which radiation formed for Dimethyl Isophthalate single crystal is R C H 2 radical. The hyperfine interaction and g values of above radicals being found anisotropic features and the direction cosines belonging to them were calculated with the aid of a computer program. Keywords: ESR, g-factor, Hyperfine coupling constant, Spectorscopic splitting factor v

6 ÖNSÖZ Bu tez çalışması Selçuk Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Anabilim Dalı Öğretim Üyelerinden Prof. Dr. Hüseyin YÜKSEL yönetiminde hazırlanarak, S.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü ne yüksek lisans tezi olarak sunulmuştur. Tez konusu tıbbi konulara yönelik, insan sağlığına gerekli konularda yardımcı olacak organik bileşiklerden seçilerek belirlenmiştir. Seçilen örneklerin işe yarar olup olmadığı tespit edildikten sonra Selçuk Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü Atom ve Molekül Fiziği laboratuarında kristallendirilmiştir. Kristallenen maddeler Ankara Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi Elektron Spin Rezonans (ESR) laboratuarında 60 Co-γ ışınına maruz bırakılmıştır. Işınlanan numuneler Bruker EMX, ESR spektrometresinde spektrumları 125K- 330K aralığında alınmıştır. Deneylerde elde edilen tüm spektrumlar uygun modülasyon alan genliği tarama aralığı ve hızları seçilerek çekilmiştir ve g ile a değerlerinin esas eksen değerleri ile yön kosinüsleri bulunmuştur. Bu işlemlerden bilgisayar programları yardımı ile sonuca gidilmiştir. Çalışmanın bilime ve bu alanda çalışacak kişilere yardımcı olmasını umuyorum. Canan CAN KONYA-2011 vi

7 TEġEKKÜR Lisans ve yüksek lisans öğrenimim süresince, çalışmalarımın yürütülmesinde bilgi ve deneyimlerinden yararlandığım, her konuda gösterdiği hoşgörü ve destek için değerli hocam ve tez danışmanım Sayın Prof. Dr. Hüseyin YÜKSEL e çok teşekkür ederim ve saygılarımı sunarım. Çalışmalarım sırasında numunelerin kristallendirilmesine yardım eden, bilgisayar programlarında, sinyal şekillerinin doğrulanmasında ve tez yazımında yardımlarını esirgemeyen, her konuda destek veren Öğr. Gör. Dr. Ülkü SAYIN a teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca Yrd. Doç. Dr. Ercan TÜRKKAN ve Yrd. Doç. Dr. Ömer DERELİ ye teşekkür ederim ve saygılarımı sunarım. Ayrıca tüm eğitim hayatım boyunca maddi ve manevi her türlü desteği sağlayan ve bu çalışma esnasında beni yalnız bırakmayan aileme teşekkürlerimi sunarım. Canan CAN Konya 2011 vii

8 ĠÇĠNDEKĠLER TEZ BĠLDĠRĠMĠ... ii TEZ KABUL VE ONAYI... iii ÖZET... iv ABSTRACT... v ÖNSÖZ......vi TEġEKKÜR... vii ĠÇĠNDEKĠLER... viii SĠMGELER VE KISALTMALAR... x 1. GĠRĠġ ESR Spektroskopisi Yönteminin Tarihçesi ESR İle Yapılmış Olan Bazı Tıbbi Çalışmalar ESR TEORĠSĠ Elektron Spini ve Manyetik Moment Manyetik Alanda Serbest Elektronun Enerjisi Manyetik Rezonans Spin Hamiltoniyeni g Faktörü Aşırı İnce Yapı Etkileşmesi ESR DE DENEYSEL TEKNĠK ESR Spektrometresi Serbest Radikallerin Çalışılması İnorganik Bileşiklerin İncelenmesi Mikrodalga Sistemi Mikrodalga Kaynak Sistemi (Klaystron) Kristal Dedektör Sistemi (Modülasyon ve Dedeksiyon Sistemi) Elektromıknatıs Dalga Klavuz Sistemi Kavite Köprü Düzeneği ESR DE KRĠSTALĠN HAZIRLANMASI, SPEKTRUM ALINMASI VE ÖLÇÜMLER Kristalin Hazırlanması Deneysel Eksen Takımının Seçilmesi Spektrum Alınması, Ölçümler ve Hesaplamalar Tek Kristalin Ölçümlerinin Belirlenmesi viii

9 5. BULGULAR VE TARTIġMA CHOLESTERYL HEPTANOATE (C 34 H 58 O 2 ) Tek Kristallerinin ESR ileincelenmesi DIMETHYLY ISOPHTALATE (C 6 H 4 (CO 2 CH 3 ) 2 Tek Kristallerinin ESR ile İncelenmesi SONUÇLAR VE ÖNERĠLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMĠġ ix

10 SĠMGELER VE KISALTMALAR Simgeler A Aşırı-İnce Yapı Yarılma Sabiti g Spektroskopik Yarılma Faktörü ψ Dalga Fonksiyonu S Elektronun Spin Açısal Momentumu e Elektronun Yükü m e Elektronun Kütlesi μ Manyetik Moment β Bohr Magnetonu H Manyetik Alan E Enerji ϰ Hamiltoniyen ν Frekans ω 0 Larmor Frekansı λ Spin-Yörünge Etkileşim Sabiti L Elektronun Yörünge Açısal Momentumu I Çekirdeğin Açısal Momentumu Q Kuadropol Moment P Lineer Momentum μ e Elektronun Manyetik Dipol Momenti h Planck Sabiti μ s Spin Manyetik Momenti μ L Yörünge Manyetik momenti μ N Çekirdeğin Manyetik Momenti μ J Toplam Manyetik Momenti Kısaltmalar ESR Elektron Spin Rezonans EPR Elektron Paramanyetik Rezonans NMR Nükleer Manyetik Rezonans MD Mikrodalga ENDOR Elektron Nükleer Çift Rezonans x

11 1. GĠRĠġ Radyasyon, dalga veya foton olarak adlandırılan enerji paketleri ile yayılan enerjidir. Radyasyon, daima doğada var olan ve birlikte yaşadığımız bir olgudur. Radyo ve televizyon iletişimini olanaklı kılan radyo dalgaları; tıpta, endüstride kullanılan x- ışınları; güneş ışınları; günlük hayatımızda alışkın olduğumuz radyasyon çeşitleridir. İçinde yaşadığımız 21. yüzyılda gelişmekte olan teknoloji, çevre kirliliği, sera etkisi, petrokimya ürünleri, X-UV ışınları (fotokimyasal), ilaçlar, sigara gibi pek çok etken sürekli olarak çeşitli oksidatif stres (oksidan) oluşturan maddelerle karşı karşıya kalmamıza neden olmaktadır. Bu etkiler kendini serbest radikal oluşumuyla göstermektedir. Serbest radikaller hücrelere ve bağışıklık sistemine zarar veren moleküllerdir. Antioksidanlar ise serbest radikallerin yıkıcı etkilerini engelleyen, pek çok hastalığa ve erken yaşlanmaya neden olabilecek zincir reaksiyonları önleyen moleküllerdir. Radikallerin tespit edilmesinde tek dolayısıyla en önemli yöntem bir Manyetik Rezonans (MR) tekniği olan Elektron Spin Rezonans (ESR) tır. ESR; manyetik alan etkisindeki paramanyetik sistemler tarafından elektromanyetik radyasyonunun rezonans soğurumudur. Yani elektromanyetik spektrumun mikrodalga bölgesinde çalışan, çiftlenmemiş elektrona sahip kuantum sistemlerini tanımamıza yardımcı spektroskopik bir yöntemdir. Atom ve Molekül Fiziğinde atomun içyapısı hakkında bilgi edinmek için farklı spektroskopik yöntemler kullanılır. Spektroskopi, elektromagnetik dalgaların (EMD) elektrik alan ve manyetik alan bileşenlerinin elektriksel dipol ve manyetik dipoller ile etkileşmesine denir. Manyetik dipollerin manyetik alan ile etkileşmesi olayına manyetik rezonans spektroskopisi adı verilir. Manyetik Rezonans (MR) diye adlandırılan spektroskopiler üç ayrı şekilde sınıflandırılır. Bunlar, Nükleer Manyetik Rezonans (NMR), Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) ve Elektron Paramanyetik Rezonans (EPR) veya Elektron Spin Rezonans (ESR) şeklindedir. Elektron Spin Rezonans (ESR) diğer bir ismi ile Elektron Paramanyetik Rezonans (EPR) çiftlenmemiş elektronların, spinlerinin bir dış manyetik alanla etkileşmesini inceler ve bu tekniğe Elektron Spin Rezonans (ESR) Tekniği adı verilir. Çekirdeğin dipol momenti bir dış manyetik alanla etkileşmeye girerse bu yöntem Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) Yöntemi adını alır. Hem ESR hem NMR sistemini bir arada bulunduran sisteme ise 1

12 ENDOR (Electron Nuclear Double Resonance) adı verilir. ESR spektroskopisi elektromanyetik spektrumda mikrodalga bölgesindedir, rezonans frekansı GHz mertebesindedir. NMR spektroskopisi radyo frekansı bölgesindedir ve rezonans frekansı MHz bölgesindedir. Becquerel 1986 yılında X-ışınları ile fluoresans arasındaki bağıntıları incelerken rastlantı sonucu Uranyum bileşikleri yakınına bırakılan fotoğraf plakalarının kararmış olduklarını gördü. Bu olayın Uranyum radyoaktivitesinden ileri geldiği bilinmektedir. Uranyum kendi kendine ışınlar yayar, bu ışınların niteliğini Rutherford inceledi ve iki çeşit ışın mevcut olduğunu gösterdi. Bunlar, ince metal levhalar tarafından kolayca soğurulan ve çok iyonlaştırıcı olan alfa (α) ışınları ile daha girici fakat daha az iyonlaştırıcı olan beta (β) ışınları idiler. Daha sonra Villard çok daha girici üçüncü bir ışın çeşidi daha keşfetti ve gama (γ) ışınları adını verdi. X-ışınlarının keşfinden hemen sonra bu ışınların zararlı biyolojik etkiler meydana getirdiği görülmüştür. Bu zararlı etkiler daha çok cilt üzerinde yanıklar ve kıl dökülmesi şeklinde ortaya çıkmıştır yıllarının başında Curie tarafından radyoaktivitenin keşfinden sonra radyasyon, radyasyonun etkileri ve korunma konularına ilgi artmıştır. Genellersek 1896 yılında Henry Becquerel radyoaktiviteyi, 1898 de Marie ve Pierre Curie radyum elementini, 1911' de Ernest Rutherford atom çekirdeklerini, 1913'de Neils Bohr kendi adıyla anılan Bohr atom modeli tasarımını, 1932 Chadwick nötronu, Juilet Curie yapay radyoaktiviteyi bilime kazandırmıştır. Bu keşifler ile önemli sonuçlar ortaya çıkmıştır. ESR, elektromanyetik spektrumun mikrodalga bölgesinde çalışan, çiftlenmemiş elektrona sahip kuantum sistemlerini tanımamızı sağlayan spektroskopik bir yöntemdir. Şekil 1.1 de elektromanyetik spektrum gösterimi verilmiştir. 2

13 ġekil 1.1. Elektromanyetik spektrum gösterimi 1.1. ESR Spektroskopi Yönteminin Tarihçesi Elektron Spin Rezonans (ESR) spektrumu İkinci Dünya Savaşının hemen ardından Rus fizikçi E. Zavoisky tarafından 1945 de gözlenmiştir (Zavoisky, 1945). Daha önceki yıllarda da deneyler için bilimsel ortamlar bulunmaktaydı. Ancak mikrodalga tekniklerinin hızlı bir şekilde gelişmesi İkinci Dünya Savaşının sonraki yıllarına denk gelmiştir yıllarının ortalarında normalde çok kararsız olan radikallerin katı ortamlarda belli bir süre kararlı hale getirilebilir olmasının anlaşılması çok önemli gelişmeler yaratmıştır. Fizikçiler uzun yıllar boyunca doğal paramanyetik maddeler olan geçiş metal komplekslerinin çoğunu incelemeye almıştır (Fujimato ve ark. 1971, Waplak ve ark. 1985, Howard ve ark. 1988). Aynı zamanlar içerisinde NO 2 gibi inorganik radikaller de çalışılmıştır (Jen ve ark. 1958) li yıllarda ise organik π-radikallerinin çalışılmasına başlanmıştır (Matheson ve Smaller 1955, Ghosh ve ark. 1959). Daha sonra alkali metaller veya elektrokimyasal indirgemeyle hazırlanan radikal anyonları da kararlı radikallerin incelenmesinden sonra başlamıştır (Barton ve ark. 1964). Teorik olarak çalışanlar bu elde edilen deneysel sonuçları yorumlamıştır (Bruni ve Colonna 1973) yıllarında Fourier dönüşümlerinin uygulamaya girmesiyle bu konudaki çalışmalar gelişmeye devam etmiştir. 3

14 ESR nin Tarihi Gelişimi; 1897 Zeeman, dış magnetik alanda çizgi yarılması 1925 Uhlenbeck, Goldsmith, elektron spini-magnetik moment ilişkisi 1945 Zavoisky, ilk ESR Deneyi 1946 Block, Purcell, Pound, ilk NMR deneyi 1986 J. Fread, ilk iki boyutlu ESR deneyi 1994 Köhler ve ark., ilk tek molekül ESR deneyi Günümüzde ESR spektroskopisi yalnız fizik alanında değil, kimya, biyoloji, tıp elektrik mühendisliği gibi birçok alanda çalışma ve araştırma imkânı sunar. ESR nin çalışma konuları serbest radikaller, yüksek enerjili radyasyona maruz kalmış yapılar, geçiş metal iyonlarıyla katkılandırılmış bileşik veya kompleksler, nokta kusurları, renk merkezleri biradikaller ve triplet durumlar olabilir. Elektron spin rezonans (ESR) tekniği ile atom ya da molekülde eşlenmemiş bir elektronun manyetik momentinin doğrultu değiştirmesi ile bir madde incelenmesi gerçekleştirilir. Mikrodalganın frekansı ile rezonans frekansının birbirine eşit olduğu durumda rezonans oluşur. İşte bu eşit olma durumu rezonans koşulu olarak adlandırılır. Rezonans koşulu sağlandığında ESR uygun bir spin sisteminin soğurduğu enerjiyi gözlemlemiş olur. Yani manyetik momente sahip olan bir maddeyi manyetik alana maruz bırakırsak bir eşleşme enerjisi ortaya çıkar. Burada meydana gelen etki sonrasında elektronlara ait spinler yukarı veya aşağı doğru yön alırlar. Aşağı doğru yönelen spinleri elektromanyetik radyasyon ile yukarı yönlendirebiliriz. Yukarı yönelen bu spinler taban duruma dönme esnasında üzerinde bulundurdukları enerjiyi salarlar. Bu salınmış olan enerjiyi ESR cihazı bize spektrum olarak gösterir. ESR spektrometresi yalnızca elektron spin açısal momentuma sahip olan sistemlere uygulanan tekniktir. Bu şekildeki sistemler; 1) Katı, sıvı, gaz halindeki serbest radikaller; (çiftlenmemiş elektron içeren atom veya moleküller serbest radikallerdir. Bu tür maddelere paramanyetik madde denir.) 2) Katılarda bazı nokta etkileri (oluşturulan kristal kusurları); en sık kullanılan kusur oluşturma tekniği γ ışınları ile ışınlatarak kusur oluşturmaktır. 4

15 3) Biradikaller; bunlar biri diğerinden yeterince uzak etkileşmeleri zayıf olan, iki çiftlenmemiş elektron kapsayan moleküllerdir. 4) Triplet haldeki sistemler; (iki çiftlenmemiş elektron) 5) Üç ya da daha çok çiftlenmemiş elektronlu sistemler; 6) Geçiş elementleri; metal ve toprak iyonları; ESR sadece çiftlenmemiş elektrona sahip molekülleri tespit etmekle kalmaz, bazı metal iyonları için de ESR spektrumu gözlenebilir. Elektron Spin Rezonans ın uygulama alanları; Radikalik reaksiyonların kinetiğinde, Tek kristallerde kristal alanları incelenmesinde, Düşük sıcaklıklarda yeniden birleşimde, Canlı dokularda ve akışkanlardaki serbest radikallerde, Polimer özelliklerin belirlenmesinde, Serbest radikallerin korozyon sırasındaki davranışlarında, Arkeolojik yaş tayininde, Kaza dozimetresinde, Işınlanmış gıdaların tespitinde, Radyasyon etkilerinin ve zararlarının araştırmalarında kullanılır. ESR nin kullanım alanları sınıflandırılmış hali ise; Fizikte: Alınganlık, kusur merkezleri, geçiş metalleri lantanid ve aktinid iyonları, tek kristaller, yarı-iletkenler Kimyada: Polimer reaksiyonları, moleküllerde triplet durumlar, kataliz E-T(elektron transfer) reaksiyon kinetiği Radyasyon alanında: Alanın radyasyon dozimetresi, ışınlanmış gıdaların kontrol, arkeolojik yaş tayini, radyasyonla oluşturulan kısa ömürlü organik radikallerin dağılımı Materyal alanında: Camlar, yüksek sıcaklık, süper iletkenler, lazer materyaller 5

16 Biyolojide: Enzim reaksiyonları, E-T (elektron transfer) reaksiyonu, metal merkezlerinde ESR uygulama imkânları vardır. ESR ile incelenecek sistemler çiftlenmemiş elektrona sahip sistemler olup; bunlar serbest radikaller, anyon radikalleri, katyon radikalleri, triplet molekülleri veya nadir toprak iyonlarıdır. İncelenen örnekteki paramanyetik merkezlerin oluşumu, sınıflandırılması, yapısı ve kinetik özellikleri ESR spektrumlarının çeşitli parametrelerinin yorumlanması ile belirlenir. 6

17 1.2. ESR Ġle YapılmıĢ Olan Bazı Tıbbi ÇalıĢmalar Biyoteknolojide özellikle antioksidantlarda serbest radikallerin önemli rol oynadığı kanserli dokularda radikal konsantrasyonun yüksekliği, polietilen malzemelerde radikal oluşumunun zararları önemle araştırılmaktadır. Örneğin birçok hastalığın tetikçisi olarak bilinen süper oksit radikali ESR tekniği ile 4 farklı spin trap kullanılarak incelenmiştir (C. Frejawillen 1995, Olive ve ark. 2001, Zahng ve ark. 2000). ESR tekniği ile ayrıca antioksidantların radikali söndürme kapasitesi tespit edilir yılında yapılan böyle bir çalışmada aminoguanidine antioksidanının kronik diabetik komplikasyonlarda kullanılabileceği tespit edilmiştir (Dopsak ve ark. 2001). Yine aynı yıllarda yapılan bir çalışmada karotenoidlerin antioksidan etkileri ve farklı karotenoidlerin süper oksit radikalini söndürme etkinliği ESR tekniği ile incelenmiştir (Polyakov ve ark. 2001). C vitamini olarak bilinen ve gıdalarda yaygınca bulunan bir antioksidan olan askorbat radikalinin manyetik özellikleri 1993 yılında, glutadyon antioksidanının ise 1986 yılında ESR ile tespit edilmiştir. Çayın antioksidan etkisi ise 1998 yılında çalışılmıştır (Harmon ve ark. 1986). Bir kolesterol esteri olan kolesteril benzoat bileşiği ışınlanmış ve ışınlama sonucunda oluşan radyasyon kusur merkezlerini ifade eden radikaller ESR tekniği ile belirlenerek, spektroskopik yarılma çarpanı g ve aşırı ince yapı sabitleri hesaplanmıştır (Yiğit ve ark. 2002). Kafa derisi ile kafatası kemiği arasında yer alan ve sinyal üretiminde görev alan dimetil malonik asit oda sıcaklığında gama kaynağıyla ışınlayarak ESR tekniği ile incelenmiştir. ESR tekniği yüksek enerji radyasyonu ile oluşturulan kusur merkezini belirlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır (Aşık ve Birey 2004). Gama ışınları çok sayıda avantaj sunmaktadır. Bunlardan bir tanesi ambalajlardaki ilaçların sterilizasyonu imkânıdır. Nörolojik hastalıklar ve hipertansiyonda kullanılan bazı ilaçlar gama ışınına tutulmadan önce ve tutulduktan sonra ESR tekniği kullanılarak incelenmiştir. Sonuç olarak gama ışınlarının bazı 7

18 nörolojik ve antihipertensif ilaçlarda bazı çok kararlı alkil ve amin tipi serbest radikaller oluşturduğu tespit edilmiştir (Köseoğlu ve ark. 2003). Oksimler ve oksim tüpleri tıpta, fotoğrafçılıkta, tarımda, tekstilde, boya sanayisinde ve yarı iletkenlerin imalinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Birçok oksim bileşiğinin sentezlenmesinde giriş madde görevi gören klor-amfiglioksim bileşiği gama kaynağında ışınlanarak paramanyetik hale getirilmiş ve manyetik özellikleri ESR tekniği ile tespit edilmiştir (Yüksel ve ark. 2006). Sonuçta; ESR tekniği fizikte, kimyada, tıpta ve biyolojide önemli yere sahip kuantum sistemlerini incelemede kullanılan bir yöntemdir. Bizim bu çalışmamızda tıbbi ve biyolojik öneme sahip bazı maddeler seçilerek 60 Co-γ radyasyonuna maruz bırakılmıştır. Radyasyonun bu maddeler üzerinde oluşturduğu serbest radikallerin manyetik özelliklerini ve ömürlerini ESR (Elektron Spin Rezonans) ölçümleri, X-band ESR spektrometresi kullanılarak alınmıştır. Özetle; ESR tekniği özellikle tıpta ve biyolojide öneme sahip kuantum sistemlerini tanımamıza yardımcı önemli bir tekniktir. Çalışmamızda tıbbi ve biyolojik açıdan değerli bazı maddeleri seçerek radyasyona maruz bıraktıktan sonra radyasyonun bu maddeler üzerinde oluşturduğu serbest radikallerin manyetik özelliklerini ESR tekniği ile tespit ettik. Böylece radyasyonun bu numuneler üzerindeki etkisi araştırılmış olacak ve tespit edilen radikallere ait parametreler literatüre kazandırılmış olacaktır. Seçtiğimiz örneklerden Cholesteryl Heptanoate ve Dimethyl Isophthalate, araştırmaya değer sinyaller verdiğinden dolayı çalışmalarımızı bunların üzerinde yoğunlaştırdık ve sonuçlar elde ettik. Elde edilen sonuçların insan sağlığını tetikleyen kanser gibi yıpratıcı hastalıkların nedeni, tedavi yöntemi vb. sorunlara ışık tutacağını ümit ediyoruz. 8

19 2. ESR TEORĠSĠ 2.1. Elektron Spini ve Manyetik Moment Klasik mekaniğe göre bir cismin çizgisel momentum vektörünün her hangi bir noktaya göre dönmesine açısal momentum denir. Cismin çizgisel momentum vektörü P, bu vektörü dönme noktasına bağlayan konum vektörü r ise (r ve P bir birine diktir), cismin açısal momentum vektörü Denklem (2.1a) ve r P ise büyüklüğü Denklem(2.1b) olarak aşağıda verilmiştir; L = (r x P) (2.1a) L = mvr (2.1b) Açısal momentum vektörü dönme düzlemine dik olup, yönü sağ el kuralıyla bulunabilir. Başparmak çizgisel momentumun yönünü, ona dik işaret parmağı konum vektörünün yönünü gösterirse, avuç içinin yönü de açısal momentumun yönünü gösterir. Çizgisel momentum bileşenleri p x, p y, p z olan ve kartezyen koordinatları x, y, z olan bir parçacık için açısal momentumun üç bileşeni aşağıdaki gibi verilir; L x = yp z -zp y L y =zp x -xp z L z =xp y -yp x (2.2a) (2.2b) (2.2c) ġekil 2.1. q yüklü bir parçacığın r yarıçaplı bir yörüngede v çizgisel hızı ile dönmesi ile oluşan manyetik dipol momenti ve açısal momentumunun gösterimi 9

20 Kuantum mekaniksel olarak çizgisel momentum operatör bileşenleri aşağıdaki Denklem (2.3a), (2.3b), (2.3c) de verilmiştir. P x =(ħ/i) / x P y =(ħ/i) / y P z =(ħ/i) / z (2.3a) (2.3b) (2.3c) Parçacık yüke sahip olduğu için yörüngede dönerken bir elektrik akımı oluşturur. Birim zamanda birim kesitten akan yük miktarına akım denir. Bu akım I ile gösterilir. I = qv/2πr (2.4) Bu oluşturulan akım Denklem (2.4) ile verilmiştir. Dairesel dolanım sırasında bu I akımı klasik elektrodinamiğe göre bir manyetik dipol meydana getirir. Buna göre I akımı oluşturan ve A kapalı alanını çevreleyen yörüngede hareket eden bir parçacık için manyetik moment denklem aşağıda verilmiştir. μ = IA (2.5) A = πr 2 ve I = qv/2πr değerleri Denklem (2.5) de yerine konulursa manyetik moment Denklem (2. 6) daki gibi olur. μ = qvr/ 2 (2.6) Daha önceden lineer açısal momentum büyüklüğünü L=mvr şeklinde olduğunu söylemiştik. O halde Denklem (2.6) ifadesini m ile çarpar ve bölersek aşağıdaki forma çevirebiliriz. μ = (q/2m)l (2.7) β Bohr manyetonu, eħ/2mc=9, erg. gauss -1 değerindedir. Bu arada nükleer manyeton ise; β N = x erg G -1 (2.8) 10

21 olarak verilir. O halde Bohr manyetonunu manyetik moment ifadesinde yerleştirirsek sonuçta manyetik moment ifadesi Denklem (2.9) daki halini alır. μ = βl z / ħ (2.9) L z açısal momentum bileşeninin büyüklüğü m l ħ dır. m l yörünge manyetik açısal momentum kuantum sayısıdır ve değerleri +l ile -l arasında değişir. Buna göre Denklem (2.9) da m l yi kullanırsak (2.10) denklemine ulaşılır. μ z = gβm l (2.10) Buradaki g değeri spektroskopik yarılma faktörü olarak bilinir. Diğer bir ismi de Lande g-çarpanıdır. Yörünge manyetik momenti için g=1; spin manyetik momenti için g=2 değerini alır. Çekirdek etrafında yörüngesel hareket yapan elektronlar yörüngesel açısal momentumun yanında spin açısal momentuma da sahiptirler. Spin manyetik momenti de; (μ s ) z = -g s βs z / ħ (2.11) şeklinde gösterilir. Sz=msħ ile ifade edilir. ms, s den +s ye kadar değerler alır. Buna göre spin manyetik momentini Denklem (2.12) deki gibi yazabiliriz. (μ s ) z = -gβm s (2.12) Serbest elektron için spektroskopik yarılma çarpanının değeri 2,0023 tür Manyetik Alanda Serbest Elektronun Enerjisi Parçacığın spin manyetik momenti ile içinde bulunduğu manyetik alanın etkileşmesinden dolayı bir enerjiye sahiptir. Klasik olarak bir H alanındaki μ manyetik momentinin enerjisini Denklem (2.13) deki gibi verebiliriz. Ayrıca klasik manyetik bir dipolün enerjisi Şekil 2.2 de gösterilmiştir. ΔU = μ H (2.13) 11

22 ġekil Klasik manyetik bir dipolün enerjisi Kuantum mekaniksel hamiltoniyen elde edebilmek için μ =-g e βs ifadesini Denklem (2.13) de yerleştirince; ϰ = g e ΒS.H (2.14) ifadesine ulaşılır. Eğer alanı z yönünde seçersek bu sefer H x = H y = 0 sonucuna varılır. Buna göre hamiltoniyen ifadesi denklem aşağıdaki şekle dönüşür. ϰ = g e ΒS z.h z (2.15) Hamiltoniyen sadece spin operatörlerini içerir. Sz spin açısal momentumunun iki özdeğeri +1/2 ve -1/2 şeklindedir. Öz fonksiyonları ise α ve β olarak verilir. Buna göre Denklem (2.15) ifadesinin öz değerleri, Denklem (2.16a) ve Denklem (2.16b) olarak aşağıda verilmiştir. E α = 1/2g e βh z (2.16a) E β = -1/2g e βh z (2.16b) Bu enerji ifadelerinin en düşük değeri negatif işaretli olanıdır. Bu sonuç ise manyetik moment ile manyetik alan doğrultusunun aynı yönde paralel olarak yöneldiği zaman ortaya çıkar. Böyle durumda spin manyetik alan doğrultusuna antiparalel yönde şekil alır. 12

23 2.3. Manyetik Rezonans Atom çekirdeğinin temel yapıları olan proton ve nötronlar kendi eksenleri etrafında dönerler. Buna spin hareketi adı verilir. Bu özellikleri nedeniyle protonlar manyetik bir çubuk gibi davranırlar ve çevrelerinde doğal olarak bir manyetik alan meydana gelir. Hidrojen atomu, çekirdeğinin tek protondan ibaret olması nedeniyle güçlü manyetik alana sahiptir. Parçacık güçlü bir manyetik alan içerisine konduğunda, bu protonlar küçük demir çubukların manyetik alanda davrandıkları gibi, manyetik alan vektörüne paralel konuma geçerler. Ancak bu paralellik hareketsiz bir duruş değil, dış manyetik alan vektörü çevresinde topaç gibi bir dönüşle birliktedir. Bu dönüşe de presesyon adı verilir. Protonların presesyonlarının frekansı manyetik alanın büyüklüğü ile doğru orantılıdır. Presesyon hareketi manyetik rezonans olayının temelidir. Presesyon olmadan protonları etkilemek olanaksızdır. Protonları etkileyebilmek için önce onları manyetik alan içerisine koyarak presesyon yaptırmak gerekir. ġekil 2.3. Manyetik alanın etkisinde bulunan elektron spin vektörünün presesyon hareketi Madde üzerine gönderilen elektromanyetik dalga, mikrodalga bölgesinde bulunuyorsa kullanılan tekniğin adı Elektron Spin Rezonans (ESR) veya Elektron Paramanyetik Rezonans (EPR) tekniğidir. Eğer radyo frekans bölgesinde ise Nükleer Manyetik Rezonans tekniği adını alır. Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) atom çekirdeklerinin manyetik özelliklerine bağlı bir fiziksel olgudur. Tek sayılı nükleon içeren tüm çekirdekler ve çift sayılı olan bazı diğer çekirdeklerin bir manyetik momenti vardır. En yaygın kullanılan çekirdekler hidrojen-1 ve karbon-13'dür, ancak çoğu başka elementin de bazı izotopları da gözlemlenebilir. Manyetik rezonans, bir manyetik çekirdeği incelemek için onun manyetik momentini dışarıdan uygulanan kuvvetli bir manyetik alan ile aynı doğrultuya sokar, 13

24 sonra momentlerin yönlenmesi bir elektromanyetik dalganın etkisiyle ile bozulur. Manyetik alan tarafından yönlendirilmiş olan çekirdeğin momentinin yer alabileceği iki enerji seviyesi vardır, biri manyetik alanla aynı yönde olan düşük enerjili bir seviye, öbürü manyetik alana ters yönde olan, yüksek enerjili bir seviye. Bu iki seviye arasındaki enerji farkına karşılık gelen frekansta bir foton soğurulursa moment bir an için yön değiştirir, dolayıyla o frekansta bir rezonans gözlemlenir. Bu rezonans, nükleer manyetik rezonans spektroskopisi ve manyetik rezonans görüntülemede kullanılır. NMR spektroskopisi bir molekül hakkında fiziksel, kimyasal ve yapısal bilgi edinmek için kullanılan başlıca tekniklerden biridir. Biyolojik moleküllerin çözelti içinde üç boyutlu yapıları hakkında ayrıntılı bilgi veren tek yöntemdir. NMR yönteminin temeli çekirdeğin manyetik özelliğine dayanır (Anonim, a, ziyaret tarihi, ). Bir elementin NMR spektroskopisinin gözlenebilmesi için I>0 olması gerekmektedir. Bu nedenle 1. gruptaki izotoplar NMR da aktif değildir. Bir çekirdeğin açısal momentumu, o çekirdeğin manyetik kuantum sayılarına göre değişir. Manyetik kuantum sayısı (2I+1) adet değer alır.. Bu eşitliğe göre spin kuantum sayısı I= ½ olan olan bir çekirdeğin; (2 x 1/2 +1) = 2 adet manyetik kuantum sayısı vardır. Bu manyetik kuantum sayıları bize çekirdeğin bir manyetik alana girdiği zaman yarıldıkları enerji seviyelerini verir. Manyetik kuantum sayıları spin kuantum sayılarının (+) ve (-) değerleri arasında bulunan bütün değerleri alırlar. Ancak iki kuantum sayısı arasındaki fark m yalnız +1 ve -1 olabilir. Yukarıdaki örnekte I=1/2 olan çekirdeğin manyetik kuantum sayısının 2 adet değeri olduğu bulunmuştur. m = +I,..., -I Spin kuantum sayısı 2 olan bir çekirdeğin I= 2 ise manyetik kuantum sayısının; (2 x 2+1) =5 adet değeri vardır. Bunlar; m = +2, +1, 0, -1, -2 olarak verilir. Bir atomun çekirdeği manyetik bir alanda farklı enerji seviyelerine ayrılırlar. Protonun manyetik bir momentumu vardır ve bu momentum vektöreldir. Protonun manyetik momenti, manyetik alanın yönü ile paralel ve anti paralel olarak yönlenir. Böylece protonun iki farklı yönlenmesi olur. Eğer protonun manyetik 14

25 yönlenmesi dış manyetik alan ile paralel ise, protonun potansiyel enerjisi daha düşüktür (Anonim, a, ziyaret tarihi, ). Bu olayı bir 2 H(D) döteryum ile açıklarsak I= 1 olduğundan m= (2I+1) den m= 3 tür. m = +1, m=0, m =-1. dir. Şekil 2.4 de gösterilmiştir. ġekil 2.4. Döteryumun manyetik alana maruz bırakılması sonucunda enerji seviyesinin 3 e yarılması Nükleer Manyetik Rezonans deneyleri alt enerji seviyesinde bulunan bir çekirdeğin, manyetik alan içerisinde, dışarıdan verilen bir enerji ile üst enerji seviyesine geçmesi ile gerçekleşir. Protonun enerji seviyesi manyetik alan etkisi ile 2 farklı enerji seviyesine yarılır. Alt seviyede bulunan proton (manyetik momenti manyetik alan ile aynı yönde) enerji alarak üst seviyeye geçer. Yani manyetik moment manyetik alan ile zıt yönde olur. Bu olaya spin çevrilmesi veya rezonans olayı denir. Rezonans olayı için dışarıdan verilecek enerji iki seviye arasındaki enerji kadar olmalıdır. Burada manyetik moment ω=γh frekanslı Larmor presesyonu diye adlandırılan bir hareket yapar. Bu frekans Larmor frekansı olarak adlandırılır. Larmor frekansına aynı frekanslı bir elektromanyetik dalga uyguladığı zaman ortaya çıkan olaya rezonans denir ve bu sırada enerji soğrulur. Bu enerji soğrulması sonrasında elektron spini yönünü tersine çevirir ve alt seviyeden üst enerji seviyesine geçiş yapar. NMR ile ESR temel olarak aynı prensiptedir. Hamiltoniyen, elektromanyetik moment ile H alanı arası etkileşmeyi verir. Buna göre elektron spin dipol momenti için hamiltoniyen Denklem (2.17) de ifade edilmiştir. ϰ = μ s.h (2.17) 15

26 ġekil 2.5. μ manyetik momentli spinin manyetik rezonans yakınlarındaki hareketi Manyetik alanın yönü z olsun diyelim. Buna göre hamiltoniyen; ϰ = gβhm s (2.18) şeklinde verilir. Burada g spektroskopik yarılma çarpanıdır. Serbest elektron için değerindedir. β ise Bohr magnetonudur (β=9.274x10-24 J.T -1 ). Serbest elektron için spin yönelimleri ± ½ dir ve özvektörleri de α> ve β> dır. gβh 0 skaler bir nicelik olduğundan, S nin özvektörleri aynı zamanda ϰ hamiltoniyeninin de özvektörleri olurlar. Böylece serbest elektron için öz enerji ifadeleri, E α = +1/2gβH 0 (2.19) E β = -1/2gβH 0 (2.20) şeklinde verilir. Spini 1/2 olan bir elektron üzerine uygulanan dış manyetik alan uygulanmasını inceleyelim. Aralarında ΔE kadar enerji farkı olan enerji düzeyleri oluşturur. Bu enerji düzeyleri Şekil 2.6 da gösterilmiştir. 16

27 ġekil 2.6. Spin kuantum sayısı s=1/2 olan bir sistemde spinlerin enerji düzeyleri Şekilden de görüldüğü gibi iki seviye arasındaki enerji farkı ΔE=gβH 0 şeklindedir. Soğrulan enerji ile enerji farkı arasındaki bağıntı Denklem (2.21) de verilmiştir. hυ = ΔE (2.21) Yazılan bu (2.21) denklemi rezonans koşulu olarak verilir. h Planck sabiti olarak adlandırılır. υ ise mikrodalga frekansıdır. ġekil 2.7. (a)sabit manyetik alanda ½ spinli iki farklı çekirdek için enerji düzeylerinin yarılması. (b) İki farklı çekirdeğe örnek olarak HOCHCOOH radikalinin spektrumu. Büyük yarılma CH protonundan küçük yarılma OH protonundan gelir. 17

28 ESR spektrumu bir tek absorpsiyon çizgisinde oluşmaz. Çok çizgili spektrumların oluşması serbest elektronun gördüğü manyetik alanın; H = H o + H 1 (2.21) biçiminde olduğu sonucuna götürür. Burada H o spektrometrenin mıknatısının manyetik alanı, H 1 ise örneğin kendi içindeki manyetik alandır. Çoğu kez H 1 kristalin H o alanı içinde yönelime göre anizotropiktir (Güzel, 2008). ġekil 2.8. H o sabit bileşen ve ω frekansı ile değişen H 1 bileşeninden meydana gelmiş H manyetik alanının gösterimi 2.4. Spin Hamiltoniyeni Elektron spin rezonansı için; Elektromanyetik radyasyon (mikrodalga) ile çiftlenmemiş elektrona sahip olan maddenin etkileşmesini inceleyen spektroskopik bir tekniktir tanımı yapılabilir. Etkin spin hamiltoniyeni; elektron zeeman terimi, çekirdek zeeman terimi, aşırı ince yapı etkileşme terimi ve spin yörünge etkileşme teriminden oluşur. ESR de elektron zeeman terimi ve aşırı ince yapı terimi incelenir. Elektron zeeman terimi; uygulanan bir dış manyetik alanla elektron spininin etkileşmesinden kaynaklanır. Aşırı ince yapı etkileşme terimi ise elektron spini ile çekirdek spininin etkileşmesinden kaynaklanır. Hamiltoniyen ifadesi sadece kinetik enerji ile potansiyel enerjinin toplamı değildir. Daha üzerinde ekli birçok terimi vardır. Bu terimler tek tek veya toplu halde incelenecek olursa ve değerleri kinetik enerji ile potansiyel enerjiye göre küçükse bu terimlere pertürbasyon terimleri denir. Hamiltoniyen bu pertürbasyon 18

29 terimlerini içerek şekilde Denklem (2.23) de verilmiştir. O halde çiftlenmemiş elektrona sahip, sıfırdan farklı çekirdek spini olan atom veya molekül gruplarının en genel hamiltoniyeni; ϰ = ϰ el +ϰ CF +ϰ LS +ϰ ss +ϰ ez +ϰ HF (2.23) şeklinde verilir. Bu ifadede atomik hamiltoniyen ve elektron için spin hamiltoniyen kısmını ayrı ayrı yazacak olursak sonuçta Denklem (2.24) ve (2. 25) e ulaşırız. ϰ = ϰ el+ ϰ CF+ ϰ LS (2.24) Bu Denklem (2.24) ifadesi atomik hamiltoniyen sonuncunu verir. ϰ ss +ϰ ez +ϰ HF (2.25) Denklem (2.25) ifadesi de bize spin hamiltoniyen etkileşme terimlerini verir. ϰ el ; bu ifade spin hamiltoniyenin ilk terimidir ve Elektronik Hamiltoniyen operatörüdür. Bu ifade elektron kinetik enerjisi, her bir elektronun potansiyel enerjisi ve elektronlar arası itme enerjisinin toplamıdır. Burada elektronik enerjinin büyüklüğü cm -1 şeklindedir. Zeeman enerjilerinden geniş bir optiksel bölgeye düşecektir. ϰ cf, ise kristal alan terimi olarak bilinir. Bu terim elektrik enerjisini yayar ve değiştirir. Daha doğrusu bu terim elektronik enerjisinde kayma ve yarılmalara neden olur. Bu hamiltoniyenden gelen enerjinin büyüklüğü cm -1 şeklindedir. Bu enerji ile kızıl ötesi bölgede veya optik bölgede yer alır. ϰ LS, bu terim ise atomdaki spin yörünge etkileşmeleri terimidir. Bu terimin enerjisi 10 2 cm -1 civarındadır. Spin yörünge etkileşme terimini Denklem (2.26) da verecek olursak; ϰ LS = λl.s (2.26) şeklinde olacaktır. Burada λ spin yörünge çiftlenim sabitidir. L yörünge açısal momentumu, S ise spin açısal momentumu olarak etkileşmeye katılır. 19

30 Çekirdek spini etkileri de dikkate alındığında spin hamiltoniyeni; ϰ S = ϰ ss +ϰ ez +ϰ HF +ϰ nz +ϰ ıı +ϰ Q (2.27) şeklinde olur. Bu bağıntıda ϰ ıı teriminin ESR için çok önemi yoktur. Sebebi ise bu terim çekirdek spin-spin etkileşmelerini verir ve NMR için daha önemlidir. ϰ ss, bu terim spin-spin etkileşimini verir. Bu etkileşmenin enerjisi Zeeman enerjisi ile aynı seviyede olabilir. Böyle bir durumda spektrum radikalin manyetik alan içindeki yönelimine bağlı olarak şiddetli bir şekilde değişim gösterir. ϰ ez, bu terim elektronik Zeeman terimidir. Elektronik Zeeman teriminin bağıntısı Denklem (2.28) de verilmiştir. Bu terim elektronun spini ile manyetik alan etkileşmesini verir. Bu enerji 0-1 cm -1 bölgesindedir. ϰ ez = g e βh.s (2.28) ϰ nz, terimi, çekirdek zeeman terimi veya diğer bir adı ile nükleer zeeman terimi olarak bilinir. Bu terimin enerjisi cm -1 arasındadır. ϰ HF, terimi aşırı ince yapı etkileşme terimi adını alır. Bu terim çekirdeklerin manyetik momentleri ile elektronun manyetik momentleri arası etkileşmeleri temsil eder. ϰ Q, bu terim çekirdek kuadrupol terimidir. Bu terimin enerjisi cm -1 arasındadır. Sonuç itibari ile ESR de önemli olarak bizi ilgilendiren spin hamiltoniyen ifadesi Denklem (2.29) da verilmiştir. ϰ S= ϰ ez + [ϰ HF+ ϰ ss ] (2.29) Açık olarak yazılırsa elektron için genel spin hamiltoniyen; ϰ = β e H.g e.s + SaI +ξ(r)s.l+... (2.30) şeklindedir. 20

31 Bu ifadedeki terimler; β e H.g e.s: Elektron Zeeman yarılma terimi, SaI: Aşırı ince yapı terimi, ξ(r)s.l: İnce yapı yarılma terimi (yüksek alanda ihmal edilir) şeklinde verilir. Burada g spektroskopik yarılma çarpanı, β Bohr manyetonu, H manyetik alan, S spin açısal momentumu, I çekirdek spin açısal momentum, a aşırı ince yapı sabitti, ξ(r) ise ince yapı sabitidir g Faktörü Eğer bir paramagnetik molekülde her bir çiftlenmemiş elektrona karşılık gelen manyetik momentin büyüklüğü aynı olsaydı, bütün malzemeler için rezonans alan değerleri eşit olurdu. Bu nedenle g faktöründeki bu sapma, paramanyetik moleküllerde manyetik momentin sadece serbest elektron spin momentlerinden kaynaklanmadığını gösterir. Bir moleküldeki bu çelişkinin sebebi elektronik yörünge hareketinin spin hareketine katkısı ile açıklanabilir (Yerli ve ark. 2002). Atomlarda eşlenmemiş elektronun spini ile yörüngesel açısal momentum ortaya bir toplam açısal momentum oluşturacak şekilde etkileşim yapabilirler. Buna Russel-Saunders çiftlenimi denir. Toplam açısal momentum demek, tüm elektronların toplam spin açısal momentumu ile toplam yörüngesel açısal momentumlarının toplamıdır. Yani toplam açısal momentum J ile temsil edilir ve aşağıda ayrıntısı ile verilmiştir. S = i Si (2.31) Denklem (2.31), toplam spin açısal momentumdur. L = i Li (2.32) Denklem (2.32) toplam yörüngesel açısal momentumdur. Toplam açısal momentum ise Denklem (2.33) de verilmiştir. J = S+ L (2.33) Denklem (2.33) deki toplam açısal momentumun vektör uzunluğu [J(J+1)] 1/2 şeklindedir. 21

32 ġekil 2.9. L=1, S=1/2 olduğu haldeki toplam açısal momentum J açısal manyetik momentumuna uygun olan toplam μj manyetik momenti Denklem (2.34) ve (2.35) de verilmiştir. µ j =μ L cos(θ)+μ S cos(φ) (2.34) µ j = µ L cos( L, J ) + µ S cos( S, J) (2.35) ( L, J ) ifadesi L ile J arasındaki açı ve (S, J) ifadesi ise S ile J arasındaki açıdır. ġekil Bir elektron için H manyetik alanı içinde spin açısal momentumu, yörünge açısal momentumu ve toplam açısal momentumu ile bunlara karşılık gelen manyetik moment vektörlerinin gösterimi 22

33 Buna göre yörünge açısal momentumu için manyetik moment, serbest bir elektron için manyetik moment ve spin açısal momentuma ait manyetik moment aşağıda verilmiştir. μ L = - g l βl (2.36) μ S = - g s βs (2.37) μ J = - g j βj (2.38) sonucuna ulaşılır. Buna göre ifadeleri Denklem (2.35) de yerine koyarsak aşağıdaki sonucu elde ederiz. g j = [ L.cos(L,J)+2.cos(S,J)] / J (2.39) cos( L, J )= (J 2 + L 2 S 2 ) / 2L J (2.40) cos( S, J ) = (J 2 + S 2 L 2 ) / 2S J (2.41) Yukarıda verilen (2.40) ve (2.41) denklemlerini Şekil 2.6 dan elde ederiz. S 2 = s (s + 1) ħ L 2 = l(l + 1) ħ J 2 = j ( j + 1) ħ olduğuna göre bu ifadeleri Denklem (2.34) de kullanırsak sonuçta aşağıdaki ifadeyi elde ederiz. (2.42) Denklem (2.42) ifadesinde verilen sonuç isotropik durumlar için geçerlidir. Bu ifadede yer alan g J ; spektroskopik yarılma çarpanı olarak bilinir. Lange g faktörü olarak da adlandırılır (Atherton 1973, Weil ve ark. 1993). ϰ j H g J H (2.43a) Rezonans koşulunu yazalım. hυ = gβh (2.43b) 23

34 Bu verilen Denklem (2.43b) ifadesi rezonans koşulu olarak bilinir. Bu bağıntıdan g yi çekersek Denklem (2.44) de de görüldüğü gibi deneysel olarak elde edilen spektrumun g faktörü bulunur. g = hυ / βh (2.44) İzotropik simetriye sahip olmayan yapılarda yani anizotropik yapılar için, g spektroskopik yarılma çarpanı bir tensörle ifade edilir. Böyle yapılarda tensör bileşenleri sayesinde numunenin simetrisi belirlenir. Rombik simetriye sahip sistem için, herhangi bir yönelmedeki g Denklem (2.45) de verilmiştir. g(θ,φ)=(g 2 zz cos2θ+g 2 xx sin2θcos2φ+g 2 yy sin2θsin2φ) 1/2 (2.45) (2.45) ifadesinde θ, magnetik alan ile z ekseni arasındaki açı, φ ise magnetik alanın xy düzlemindeki izdüşümü ile x ekseni arasındaki açıyı verir. Eksenel simetriye sahip sistem için g faktörü Denklem (2.46) ile verilmiştir. g(θ)=(g 2 ıı cos2θ+g sin 2 θ) 1/2 (2.46) Üç farklı simetri durumu için ortaya çıkan ESR spektrumları Şekil 2.11 de verilmiştir. 24

35 ġekil Üç farklı simetri durumu için ortaya çıkan toz ESR spektrumları, a) ortorombik spektrumu b) eksenel spektrum c) kübik spektrum 2.6. AĢırı Ġnce Yapı EtkileĢmesi Aşırı ince yapı etkileşmesi; çiftlenimsiz elektronun üzerinde yerelleştiği çekirdek ve/veya komşu çekirdeklerle olan etkileşmeleri sonucu ortaya çıkar. Çiftlenimsiz elektronun bağlı bulunduğu çekirdek veya komşu çekirdeklerin spin kuantum sayılarının sıfırdan farklı olması durumunda, elektronun manyetik momenti, uygulanan dış manyetik alanın yanı sıra kendi çekirdeği ve komşu çekirdeklerin oluşturduğu manyetik alanlarında etkisinde kalır. Bu etkileşme sonucunda enerji düzeylerinde gözlenen yarılmalara, aģırı ince yapı yarılmaları denir. Aşırı ince yapı etkileşmesi, yönser (izotropik olmayan) ve yönsemez (izotropik) aşırı ince yapı etkileşmeleri olarak iki grupta incelenir ( Apaydın, 1991). Şekil 2.12 ile Şekil 2.13 te ilk yarılma Zeeman yarılması, ikinci yarılma ise aşırı ince yapı yarılmasıdır. 25

36 Elektron S (½) çekirdek I (½) Aşırı ince yapı etkileşmesi M s +½ M I +½ a M S =±½ -½ B -½ -½ +½ dublet Seçim kuralları M S = ±1 (elektron) M I = 0 (çekirdek) ġekil Çekirdek spin kuantum sayısı I= ½ için aşırı ince yapı etkileşmesi Electron S (½) Çekirdek I (1) M s +½ M I a M S =±½ E 1 E 2 E 3 -½ triplet B ġekil Çekirdek spin kuantum sayısı I= 1 için aşırı ince yapı etkileşmesi 26

37 ġekil Spin kuantum sayısı 2 olan bir manyetik çekirdek ile çiftlenmemiş bir elektronun etkileşimi sonucu enerji düzeylerindeki yarılma Açıya bağlı olarak aşırı ince yapı terimin Denklem (2.47) deki gibi verebiliriz. A=As + Ap (3cos 2 θ 1) (2.47) Bu ifade de verilen As terimi; yönsemez aşırı ince yapı sabiti olarak adlandırılır. Ap ise yönser aşırı ince yapı sabitidir. θ ise manyetik alanın yönü ile çiftlenimsiz elektronun üzerinde konumlandığı p orbitali arasındaki açıyı verir. Bu açıya göre aşırı ince yapı sabitini yorumlarız. Buna göre; olması halinde aşırı ince yapı sabiti Denklem (2.48) gibi olur. A = AS+2A P (2.48) Bu durumun anlamı manyetik alan p orbitaline paralel olması halindeki aşırı ince yapı Denklem (2.48) gibi olmalıdır. olması halinde ise aşırı ince sabiti; A = A S A P (2.49) Bu ifade manyetik alan p orbitaline diktir. Diğer hallerde ise dış manyetik alanın yönelimine bağlı olarak aşırı ince yapı sabiti A ile A arasında değişim gösterir. 27

38 A s, elektronun çekirdekteki bulunma olasılığına, A p ise elektron ve çekirdek spinleri arasındaki dipol-dipol etkileşmesine bağlı olduğundan aşağıdaki şekilde ifade edilebilirler ( Ikeya, 1993). A s = (2π/3)gnβn ѱ (0) 2 (2.50) A p = (2/5)gnβn r -3 3cos²( )-1 Bu Denklem (2.51) de verilen ψ(0) 2 ifadesi çekirdek merkezinde elektronun bulunma olasılığıdır. r ise çekirdek ile elektron arası uzaklığı verir. < r 3 > ve <3cos 2 θ 1> terimleri de uzaysal elektron yoğunluğu kullanılarak alınan ortalama değerlerini verir. 28

39 3. ESR DE DENEYSEL TEKNĠK 3.1. ESR Spektrometresi Manyetik rezonans spektroskopisi, manyetik alan içerisine yerleştirilmiş ve manyetik momenti sıfırdan farklı olan atom, iyon, molekül, molekül sistemleri veya molekül parçalarının uygun koşullar altında uygulanan elektromanyetik dalgadan enerji soğurmasından yararlanarak, maddenin özelliklerini inceleyen bir spektroskopi dalıdır. Atomun manyetik momenti çekirdek ve/veya elektronlardan kaynaklanır. Soğurmaya neden olan manyetik momentin kaynağına göre manyetik rezonans spektroskopisi, elektron kaynaklı olması durumunda Elektron Spin Rezonans (ESR), çekirdek kaynaklı olması durumunda ise Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektroskopisi olarak isimlendirilir. ESR spektrometresinde spin geçişlerin gözlenmesi için hv=gβh rezonans şartının sağlanması gerekmektedir. Bu rezonans şartının değişmesi de ifade de görüldüğü gibi mikrodalga frekansı ve manyetik alan değerinin değişim göstermesi ile mümkün olur. Fakat teknik sebeplerden dolayı ESR spektrometresi çalışmaları mikrodalga frekansı sabitken yani 3-40 GHz aralığında iken yapılmaktadır. Bu nedenle manyetik alanında bu aralık içinde olması gerekmektedir. ESR spektrometresi çalışmaları esnasında mikrodalga frekansını düzgün biçimde değiştirmek mümkünken, manyetik alan istenilen şekilde düzgün değişim gösteremez. Bu yüzden ESR spektrometresinde klaystron ve manyetik alan kaynağı kullanılır. Bu araçların kullanılma sebebi; klaystron sayesinde sabit frekanslı mikrodalga elde ederiz, manyetik alan kaynağı ile de istenilen hassaslıkta ayarlanabilen manyetik alan elde ederiz. ESR spektrometreleri için belirli band aralıkları gerekmektedir ve bu band aralıkları Çizelge 3.1 de verilmiştir. 29

40 Çizelge 3.1. ESR spektrometreleri için gerekli olan band aralıkları ESR spektrometresinin uygulandığı alanlar, sadece net spin açısal momentumu olan sistemlerdir. Eğer sistemlerde ortam paramanyetik değilse birtakım yöntemlerle ortam paramanyetik şekle getirilir. Bu yöntemler ise; γ ve x-ışınları ile ışınlama (radyoliz) UV ile ışınlama (fotoliz) e, p, n gibi yüksek enerjili parçacıklara tutma Gaz fazda elektrik boşalması Değişik sıcaklık ve basınç Spin tuzaklama Ortama geçiş metal iyonu sokulması Spin etiketleme. olarak sıralanabilir. Ayrıca ESR nin genel olarak en çok çalışıldığı alanları 2 gruba ayırabiliriz. Bunlar; - Serbest radikallerin çalışılması - İnorganik bileşiklerin incelenmesi şeklinde verilebilir Serbest Radikallerin ÇalıĢılması Serbest radikaller, zayıf bir spin-yörünge etkileşmesine sahip olmalarından dolayı, serbest elektronunkine yakın g-faktörü ile karakterize edilirler. Aynı zamanda, serbest radikallerin ESR spektrumları genellikle iyi çözülmüş aşırı ince yapı yarılmaları 30

41 gösterir. Bu yarılmalar, araştırılan radikallerin kimyasal yapılarını yansıtarak onların daha iyi tanınmasını imkân sağlar Ġnorganik BileĢiklerin Ġncelenmesi İnorganik bileşikler, canlıların kendi vücutlarında sentezleyemeyip, dışarıdan hazır aldıkları bileşiklerdir. Hem canlı vücudunda hem de cansız ortamda bulunurlar, inorganik bileşikler küçük moleküllü olup, ortamda devamlı ve yeterince bulunması gerekir. Canlılar bu bileşiklere gereksinim duyar. Besin olarak kullanılan inorganik maddeler mineraller ve su sindirilemezler, enerji vermezler. Bunlar düzenleyici maddelerdir. Karbon elementine sahip olmayan tüm moleküller inorganik bileşikler olarak adlandırılır. Organik bileşikler ise karbonhidratlar, yağlar, proteinler, enzimler, vitaminler ve nükleik asitlerdir. Sonuç olarak inorganik bileşikler su, mineraller, asit, baz, ve tuzdur. ESR inorganik bileşikleri çalışmada oldukça başarılı olmuştur. ESR eşleşmemiş elektronların incelenmesi konusunda çeşitli uygulamalarda önemli sonuçlar elde etmiştir. Bunlara örnek verecek olursak, spin etiketleri, yapısal kararlılık, reaksiyon mekanizması ve reaksiyon hızı gibi çalışmalar yapılmıştır. ESR spektroskopisinde çeşitli uygulamalar aşağıda iki kategoride sıralanır. -Analitik Uygulamalar -Biyolojik Uygulamalar Biyoteknoloji alanındaki uygulamalar üç ayrı alanda yapılabilir. Bunlar; Moleküler Biyoteknoloji, Tıbbi Biyoteknoloji, Klasik Biyoteknoloji olarak verilir. Modern biyoteknoloji çalışmalarında ESR de önemli özellikler, seçicilik, özgünlük, hassasiyet tir. Moleküler biyoteknoloji de ESR incelemeleri, DNA ve RNA alanında çalışma ortamı bulmaktadır. En yoğun araştırma ise, protein yapısı ve dinamiği, enzimlerin aktivitesi, membranlar ve glikobiyoloji alanlarında yapılmaktadır. Tıbbi biyoteknoloji de ESR incelemeleri, aktivasyon-ilaç taşıma ve görüntüleme alanlarında kullanılır. 31

42 Klasik biyoteknolojide ESR incelemeleri, bitki biyoteknolojisi, gıda üretim ve depolama alanında kullanılır. ESR spektrometresi başlıca aşağıda verilen kısımlardan oluşmaktadır. a) Mikro dalga kaynak sistemi b) Kavite-Kılavuz sistemi c) Mıknatıs sistemi d) Modülasyon ve algılama sistemi Genel olarak spektrometre çalışmalarında iki farklı yapıda spektrometre kullanılır. Bunlar Nükleer Manyetik Rezonans spektrometresi ve Elektron Spin Rezonans spektrometresi olarak verilir ve aşağıda Şekil 3.1 ve Şekil 3.2 de gösterilmiştir. ġekil 3.1. NMR spektrometresinin görünümü 32

43 ġekil 3.2: ESR spektrometresinin görünümü 3.4. Mikrodalga Sistemi ESR spektrometresinde mikrodalga sisteminde kullanılan parçalar 6 kısma ayrılır. Bu parçalar, klaystron, ayarlanabilir zayıflatıcı, dalga döndürücü (Sihirli T), dedektör, dalga klavuzu ve kavite dir. Şekil 3.3 ile ESR Spektrometresinde kullanılan mikrodalga köprüsü görünümü verilmiştir. 33

44 ġekil 3.3. ESR spektrometresinde kullanılan mikrodalga köprüsü görünümü Şekil 3.3 ile verilen mikrodalga köprüsünde bulunan araçları ve görevlerini açıklayalım; A) Kaynak, B) Zayıflatıcı, C) Çember, D) Kavite, E) Algılayıcı Diyot, F) Referans Kolu, G) Sinyal Çıkışı A noktası ESR spektroskopisinde mikrodalga kaynağı olarak bilinir. Burada kaynağın çıkış gücü genelde sabittir. B noktası ile verilen araç ise zayıflatıcı olarak adlandırılır. Görevi ise mikrodalga kaynağından gelen ışını zayıflatmak amaçlı kullanılmaktadır. Bu zayıflatıcı sayesinde mikrodalga olduğu gibi kontrol altında tutulabilir. D noktası ise kavitenin kendisidir. C noktası ise kaynaktan yansıyan ışınların miktarındaki değişimi ölçmek amaçlı kullanılmaktadır. Bu C noktasına düzenleyici çember denir. En önemli görevi gelen ışınların algılayıcıya birebir geçmesini engellemek için kullanılır. Şekil 3.4 de ESR spektrometresinin blok şeması verilmiştir. 34

45 ġekil 3.4. ESR spektrometresinin blok şeması gösterimi 35

46 Mikrodalga Kaynak Sistemi (Klaystron) Mikrodalga kaynak sisteminin temel elemanı klaystrondur. Klaystron katı hal diyotu olarak da bilinir. X-band ESR de spektrometre 9.8 GHz aralığında çalışır. Deney sistemindeki mikrodalga kaynağı çalışırken oluşan ısınmayı soğutmak için su kullanılır. Attenuatör kaviteye giden mikrodalganın gücünü ayarlamak için kullanılır. Mikrodalga gücü mw arasında değişmektedir. ġekil 3.5. Klaystron görünümü Klaystron düşük güçte ve dar bantta kararlı mikrodalga enerjisini üreten bir elektron tüpüdür. İvmeli hareket yapan elektronların elektromanyetik dalga yayması esasına göre çalışır. Bir potansiyel altında hızlandırılan elektronların hızlarının mikrodalga bölgesindeki bir frekansta modülasyonuna dayanır. Hızları artıp azalan elektronlar, bu frekansta bir elektromanyetik dalga yayarlar. Frekans, klaystronun kavite (rezonans oyuğu) boyutları değiştirilerek belirlenir (Çalışkan, 2006). Genelde ısıtıcı, katot, yansıtıcı ve elektrik titreşimlerinin oluştuğu rezonans oyuğundan oluşmaktadır. Flaman tarafından ısıtılan katottan, pozitif voltajdaki ızgara tarafından koparılan elektronlar odaklanarak, karşıda bulunan negatif voltaj uygulanmış olan yansıtma plakasına doğru gönderilir. Katoda göre rezonans kavitesi pozitif ve 36

47 yansıtıcı negatif voltaja sahiptir. Böylece elektronlar, katottan rezonans oyuğuna (kavite) geçer ve oyuk boyunca ilerleyerek yansıtıcıdan geri yansıtılırlar. Bu nedenle rezonans oyuğunun boyutları ile yansıtıcı voltajının uygun seçimi sonucu ilerleyen elektronlarla yansıtıcıdan gelen elektronların sistem içinde titreşim oluşturmasına (rezonansa gelmesine) neden olurlar. Hızlandırıcı ve yansıtıcı gerilimlerin değerlerini ayarlayarak, klaystronun değişik gerilim bölgelerinde salınımı sağlanabilir. Bu gerilimlerin biri veya her ikisi birden değiştiğinde salınım frekansı değişebilir. Kullanılan spektrometre de bu yolla frekans 8,86 GHz den 9,60 GHz e kadar ayarlanabilir. Bu frekans bandına X-bandı denilmektedir. Bir kangal yardımı ile oyuk dışına alınan bu titreşimler dalga kılavuzunda elektromanyetik dalga olarak yayılırlar ve kavitede 2H 1 cosωt biçiminde bir mikrodalga alanı olarak ortaya çıkarlar. Titreşimin ω frekansı genelde klaystron rezonans oyuğu boyutları ile voltajına bağlıdır. Bu nedenle ω nın değiştirilmesi için rezonans oyuğunun boyutlarının mekanik olarak değiştirilmesi ve yansıtıcı voltajının ayarlanması gerekir. Mikrodalga gücü, dalga kılavuzu üzerine yerleştirilen ayar düğmeleri ile yapılır ( Poole ve ark. 1967, Carrinton 1974) Kristal Dedektör Sistemi (Modülasyon ve Dedeksiyon Sistemi) Dedektör sistemi sayesinde kristal dedektör üzerine düşen mikrodalgayı akıma çevirir. Bu sistem katkılandırılmış yarı iletken kristalden yapılmıştır. Mikrodalga enerjisinin kaviteden yansıyarak kristal dedektörüne gitmesi, durgun manyetik alan ve mikrodalga frekans değerleri rezonans bölgesinin dışında iken gerçekleşir. Rezonans durumunda, yansıyarak dedektöre gelen güç azaldığından çıkış akımı değişir. Bu değişimden yararlanarak rezonans olayı gözlenir. Durgun manyetik alanı taramak, klaystronun ışıma frekansını taramaya göre daha kolaydır. Bu nedenle pratikte genellikle ikincisi seçilerek rezonansa ulaşılır. Kristal dedektörün gürültü düzeyini azaltmak için modülasyon frekansını yüksek tutmak akla gelen bir yoldur. Ancak, kavite içerisinde yüksek frekanslı modülasyon alanları oluşturmak kolay değildir. Bu ve benzeri teknik nedenlerden dolayı 100 khz lik optimum modülasyon frekans değeri yaygın biçimde kullanılır. Modülasyon sistemi 100 khz lik osilatörle beslenerek manyetik alanı modüle eden bobinlerden oluşur. Kavitenin iki yanındaki küçük bobinler homojen durgun manyetik alana paralel doğrultuda uygulanan küçük genlikli alternatif manyetik alanı sağlarlar. Böylece elektronik işlemler için gereken alternatif bir sinyal elde edilir ve kavitede örnek ile etkileştikten sonra yansıyan mikrodalganın modülasyon 37

48 frekansına modüleli olması sağlanır. Kullanılan spektrometrede bu bobinler ile kavitenin ortasında elde edilen modülasyon alanının genliği 50 mg dan 40 G a kadar değişebilmektedir. Rezonansa geçiş tek bir H 0 manyetik alan değerinde olmayıp H 0 ın etrafında ΔH karakteristik genişliğinde bir bölgede olur. Bunun başlıca nedenleri, klaystronca üretilen mikrodalganın tek frekansta olmaması, incelenen sistemin enerjisindeki belirsizlik, uygulanan durgun alanın tam olarak homojen olmamasıdır. Rezonans sinyali modüle edilirse, başka bir deyişle; durgun manyetik alana, genliği rezonans eğri genişliği yanında küçük bir alternatif alan bindirilirse, kristal dedektörün çıkışı modülasyon alanı ile aynı frekanslı ve genliği rezonans eğrisinin bulunulan noktasındaki eğimi ile orantılı bir sinüzoidal bir sinyal olur. Kristal dedektörün bu sinyali dar bantlı bir yükselteçten geçirildikten sonra, faz duyarlı bir dedektörde modülasyon sinyali ile karşılaştırılır. Faz duyarlı dedektörün çıkışı, şiddeti rezonans eğrisinin bulunulan noktadaki eğimi ile orantılı bir doğru gerilimdir. Bir filtreden geçirildikten sonra, bu doğru gerilim iki eksenli kaydedicinin düşey eksenine uygulanır. Kaydedicinin yatay eksenine ise, durgun manyetik alanın lineer değişimini sağlayan sistem mekanik olarak bağlanmıştır. Bu şekilde, kaydedicinin çizdiği eğri soğurma eğrisinin birinci türevidir (Çalışkan, 2006). Sistemin çalışma düzeni ise, kaviteye gönderilen mikrodalga alanın bir kısmı örnek tarafından soğrulur. Kaviteden yansıyan dalga sirkülatör sayesinde dedektöre ulaştırılır, dedektörde köprü sayesinde kaviteden gelen bu dalga ile orantılı elektrik akımı meydana getirir. Dolayısıyla yansıyan mikrodalga şiddeti rezonans durumunda azalacağından detektör akımında değişme meydana gelir. Böylece rezonans olayı gözlemiş olur. Bu sinyal de sinyal yükselticisi tarafından yükseltilir. Daha sonra bu sinyalin manyetik alana karşı değişimi kaydedilir veya bilgisayar yardımıyla görüntülenir. Detektörün yaydığı gürültü oranı algıladığı soğurma sinyalinin frekansıyla ters orantılı olacaktır. Buna göre sinyal-gürültü oranını değiştirmek için soğrulma sinyali, modülasyon bobinlerinden uygulanan 100 khz gibi düşük frekanslı başka bir alanla modüle edilir. Doğrusal olarak değişen statik manyetik alan üzerine genliği rezonans çizgi genişliğinden çok küçük olan sinüzoidal bir sinyal uygulanmış olur. Bu sinyal kavitenin dış çeperlerine yerleştirilmiş ve elektromanyetin kutuplarına paralel olacak şekilde yerleştirilmiş iki küçük bobin tarafından sağlanır. 38

49 Elektromıknatıs Elektromıknatıs statik manyetik alanın kaynağı olarak ESR spektrometresinde görev yapar. Bu sistem kutupları arasında homojen, çizgisel ve kararlı manyetik alan üretebilen ferromanyetik çekirdekler üzerine sarılmış bir çift bobinden oluşmuş bir sistemdir. Bu sistemde manyetik alan üretmek için yüksek akım kaynağı ile bu bobinlere değiştirilebilen akım sağlanarak istenilen değerde manyetik alan üretilebilir. Böylece rezonans olayı için gerekli olan manyetik alan elektomagnetler tarafından sağlanır. Doğru akım kaynağının beslediği bu elektromıknatısa uygun aparat yardımı ile 0-22 kg arasında değişen değerlerde manyetik alan oluşturulabiliyor. Bu oluşturulan manyetik alan mıknatısın kutuplarından biri üzerine konmuş Hall effect dedektörü ile kontrol edilir Dalga Klavuzu Sistemi Mikrodalga iletim elemanı olarak dalga klavuzları kullanılır. İhtiyaca göre farklı geometrik şekillerde olabilirler. Daha çok dikdörtgen kesitli olanlar kullanılır. İyi iletken metal ve alaşımlardan yapılırlar. Genelde dikdörtgen biçiminde bakır ya da pirinç borulardan oluşmaktadır. Yüksek derecede iletkenlik sağlamak için içleri altın ya da gümüş kaplama yapılır. X-band spektrometrelerde kullanılan dalga kılavuzlarının iç boyutları, 2,286x1,016 cm dir. Yayılan elektromanyetik dalganın elektrik alan bileşeni dalga kılavuzunun geniş yüzeyine dik, manyetik alan bileşenine paraleldir. Elektrik alan bileşeninin minimum olduğu yerde manyetik alan bileşeni maksimum olur. Elektrik alan her yarı dalga boyunda en büyük ve en küçük değeri alır (Güzel, 2008). Mikrodalga frekansının çok yüksek olmasından dolayı normal iletkenlerde kayıp çok fazladır. İşte bu yüzden mikrodalga iletim elemanı olarak dalga kılavuzu kullanılır. Dalga kılavuzları iyi iletken metal veya alaşımlardan, gereken geometrik şekillerde yapılmış tüpler oldukları için en iyi iletim elemanı görevini yerine getirirler Kavite İncelenecek örneğin içine konulduğu ve mikrodalga ile etkileşmesini sağladığı dikdörtgenler prizması şeklinde olan bir elemandır. Kavite, sıcağa ve soğuğa dayanıklı iyi bir iletkenden yapılmalıdır. Rezonans kavitesi dalga kılavuzu boyunca taşınan mikrodalga enerjisini incelenecek örnek üzerinde yoğunlaştırır. 39

50 X-band spektrometrelerde genelde kullanılan kavitenin dalga boyu 2λg=4,4 cm dir. Elektromanyetik dalga, ayarlama deliğinin bulunduğu yüzeyden oyuk içine girer ve karşı yüzey kapalı olduğu için kavite içinde yansıyarak bir kararlı dalga deseni oluşturur. Bu durumda elektromanyetik dalganın manyetik alan bileşeni kavitenin ortasında en büyük değerini alır. Böylece mikrodalga enerjisi incelenecek örnek üzerinde yoğunlaştırılmış olur. Kaviteye gelen ve çıkan mikrodalga enerjisi a deliği yardımıyla gerçekleşir. Bunun büyüklüğü ise b vidası ile kontrol edilir. Kavite dalga klavuzuna tam ayarlanır ise kaviteden yansıyan enerji sıfırdır. Örnek ile gelen dalga arasındaki uygun eşleşmeyi sağlamak için dizayn edilmiş kavite ESR spektrometresinin kalbini oluşturur. Kaynağın frekansı kavitenin uygun rezonans frekansına uyarlanır. Uygun rezonans dalga boyları kavitenin boyutları ile alakalıdır. İlerleyen dalgaya eşlik eden enerji yoğunluğu genellikle küçüktür, fakat, kayda değer akustiksel enerji bir rezonans kavitenin durgun dalgasında depo edilebilir. Mikrodalgalar için dalga boyu santimetre mertebesindedir. Bundan dolayı rezonans mikrodalga kavitenin boyutları uygun şekilde geniş olacaktır. Elektron spin rezonansta kullanışlı olması için kavite modu bir takım özelliklere sahip olması gerekir ve yüksek enerji yoğunluğuna müsaade etmelidir. Çünkü resonatorda bulunan enerji yoğunluğu, guide daki enerji yoğunluğunun binlerce katı olabilmektedir ki bu durum örnekteki rezonans soğurulmasının tespit edilme fırsatını maksimize eder. Bunun yanında manyetik alanın maksimumunda örneğin yerleşimine izin vermelidir ve manyetik alan vektörü statik manyetik alana dik olmalıdır (Açıkgöz, 2007). Şekil 3.6 da ESR spektrometresinde bulunan kavite, dalga klavuzu ve iris görünümü gösterilmiştir. 40

51 ġekil 3.6. ESR spektrometresinde kavite, dalga klavuzu ve iris görünümü Kullanışlı bir ESR kavitesi, Q değeri yüksek, mikrodalga manyetik alan bileşeni B o a dik ve numune yerleşimi olan yerde, B o en yüksek değerde, elektrik alan E ise en düşük değerde olmalıdır. Rezonans durumunda kavite duvarlarında duran dalgalar oluşur. Duran dalgalar B ve E bileşenlerinin çıkış fazlarına sahiptirler (Bruker, 2001). Kavitenin kalite faktörünü Q ile gösterecek olursak bu değeri Denklem (3.1) ile bulabiliriz. Q = ω 0 (Kavitede depolanan mikrodalga enerjisi) / Kaybolan enerji (3.1) Bu ifade Q kavite kalite faktörü, ω 0 ise rezonans frekansını temsil eder. İris ise dalga klavuzu ile kavite arasındaki empedans uyumu görevini üstlenir. İletken bir vidanın klavuz ile kavite arasında bulunan boşluğa daldırılması ile bu uyum gerçekleşmiş olur. Bu olay Şekil 3.7 de verilmiştir. 41

52 ġekil 3.7. Bir mikrodalga eşleşmesinin gösterimi Köprü Düzeneği (Sihirli T, Dalga Döndürücü, Sirkülatör) Sihirli T denilen ESR spektrometre elemanı, klaystrondan gelen mikrodalganın rezonans kavitesine yönelmesi ve kavitede numune ile etiketledikten sonra aynı yoldan geri gelen mikrodalganın kristal dedektöre dönmesini sağlayan elemandır. Şekil 3.8 de gösterilmiştir. Şekil üzerinde 1 koluna klaystron, 2 koluna enerji soğurucu, 3 koluna kavite oyuğu ve 4 koluna da algılanma düzeni yerleştirilmiştir. Köprü alçak frekans köprü devresi özelliklerini taşımaktadır. Giriş 3 de kaynaktan gelen dalga 1 ve 2 ye gelen iki dalgayı eşit bir şekilde ayırır. Kısım 4 ortogonal olur, kısım 3 den kısım 4 e geçiş izni yoktur. Yani bu sistem ayarına göre 1 kolundan gelen mikrodalga enerjisi 2 ve 3 kolu arasında paylaştırılır ve böylece 4 koluna hiçbir şekilde mikrodalga enerjisi ulaşmaz. Bu durumda algılayıcı sistemi üzerine enerji düşmediği için akım sıfır olacaktır ve böylece bu durum köprünün dengede olduğu anlamına gelir. Kavitedeki spinlerin rezonans durumunda enerji soğurmaları köprüdeki dengeyi bozacak ve 4 koluna sıfırdan farklı bir güç ulaşacaktır. Yani algılayıcı akımı sıfırdan farklı bir değer alacaktır. 42

53 ġekil 3.8. ESR spektrometresinde sihirli T ve dalga dönüştürücü görüntüsü. ( Dr. B.Simoviç, 2004) Kaynak ve detektörün varlığından dolayı kısım 3 ve kısım 4 de herhangi bir etki meydana gelmez. Bu durum sonucunda dalgalar sadece 1 ve 2 kısımlarından yansıtılır. Burada Δφ iki dalga arasındaki fark olsun. Eğer Δφ =0 olursa o zaman kısım 1 ve kısım 2, kısım 3 de yeniden düzenlenir. Eğer Δφ = π, iki kısımda kısım 4 de yeniden düzenlenir. ESR deneyinde, Giriş 1 ve 2 nin bağlı faz ve genliği alternatör ve hibritin sağ kolu üzerinde yerleşen iris ile kontrol edilebilir. ESR spektrometresinde etkileşim manyetik alan ile olduğu için; mikrodalganın manyetik alan bileşeninin maksimum, elektrik alanın minimum olması istenilmektedir. Mikrodalga enerjisini ayarlamak için kullanılan iletken vida olan iris, dalga kılavuzu ile kavitenin empedans uyumunu sağlayarak yansımaları önler ve kaviteye maksimum güç akışını sağlar. İris denilen eleman vida klavuzu olarak da isimlendirilir. 43

54 4. ESR DE KRĠSTALĠN HAZIRLANMASI, SPEKTRUMUN ALINMASI VE ÖLÇÜMLER 4.1. Kristalin hazırlanması ESR spektrometresinde numunenin tek kristal spektrumunun alınabilmesi için; numunenin tek kristalinin büyütülmesi sağlanmalıdır. Yapmış olduğumuz bu çalışmada kristaller yavaş buharlaştırma yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Bu yöntemde öncelikle numunenin çözücüsü bulunur. Çözücü ile numunenin doymamış çözeltisi hazırlanıp ortam uygun hale getirilip buharlaşmaya bırakılır ve çözelti doygun olmaya başladığında numune kristellenmeye başlar. Çözelti içerisinde büyümeye başlayan kristallerden uygun büyüklük ve geometride olanlar seçilir ve güneş görmeyecek şekilde, temiz ve ağzı kapalı nem almayan uygun kaplar içinde koruma altına alınır. 3 boyutlu olarak görülebilen, kavite içine yerleştirilirken kavite kenarlarına değmeyecek büyüklükte olan tek kristaller seçilir ve ESR spektrumu alınmak üzere deneysel eksen takımı belirlenir Deneysel Eksen Takımını Seçilmesi Deneysel inceleme yapılırken kristalin sabit ve dik bir eksen takımı seçilmelidir. Bu seçim yapılırken kristalin simetrisi dikkate alınmalıdır. ESR spektroskopisinde kullanılan kristal simetrileri Şekil 4.1 de verilmiştir (Marton ve Preston, 1983). İncelenecek olan kristal ortorombik, tetragonal veya kübik ise deneysel eksen takımı tamamen (a,b,c) eksen takımıdır. Bunun sebebi ise bu kristal sistemlerinde eksen takımları birbirine dik olmasından dolayıdır. Kristal, monoklinik veya triklinik gibi birbirine dik üç kristal eksenine sahip değil ise, kristalin birim hücre eksenleri doğrudan deneysel eksenler olarak kullanılamaz. Çünkü ESR çalışmaları dik eksenleri zorunlu tuttuğundan dolayıdır. Monoklinik kristal simetrisine sahip bir sistemde b ve c kristal eksenleri birbirine diktir. Bu eksenler deneysel eksen takımının iki eksenini oluşturur ve üçüncü eksen olarak da (bc) düzlemine dik doğrultu seçilir. Bu doğrultuda a* olarak tanımlanırsa deneysel eksen takımı (a*,b,c) olur. Triklinik kristal sisteminde eksenler birbirine dik değildir. Bu yüzden hiçbiri deneysel eksen takımı olarak seçilemez. Bu durumda kristalin b eksenini içeren düzlemde b ye dik doğrultu a* ekseni olarak seçilir. Bu düzleme dik doğrultulu olarak c* alınır. Sonuçta triklinik bir sistemde de deneysel eksen takımı (ba*c*) şeklinde olacaktır. 44

55 Paramanyetik iyon içeren numunelerde ESR spektrumlarının alınmasındaki amaç g ve A tensörlerinin belirlenmesidir. Deneysel eksen takımı seçildikten sonra g ve A tensör elemanları bulunur, bu tensör elemanları köşegenleştirilerek g ve A tensörlerinin esas değerleri belirlenir. Bu değerlere karşılık gelen esas eksenlerin deneysel eksen takımı ve kristale göre yön kosinüsleri belirlenir. Şekil 4.1 de çeşitli kristal sistemlerinde rastgele yönelimlerde, birim hücre eksen doğrultulu ve düzlemlerinde beklenen site sayılarının gösterimi verilmiştir. Ayrıca Şekil 4.2. ile ESR çalışmaları sırasında birbirine dik üç eksen seçiminin gösterimi verilmiştir. 45

56 Örgü sistemi (en azdan en fazla simetriğe doğru) ve Bravais Örgüleri 1. Triklinik a b c Basit 2. Monoklinik a b c Basit Taban merkezli 3. Ortorombik α=β=γ=90 o Basit Taban merkezli Cisim merkezli Yüzey merkezli 2. Rombohedral a=b=c Basit 5. Tetragonal α=β=γ=90 o Basit Cisim merkezli 6. Hekzagonal a=b c; α=β=90 o γ=120 o Basit 7. Kubik a=b=c; α=β=γ=90 o Basit Cisim merkezli Yüzey merkezli ġekil 4.1. Çeşitli kristal sistemlerinde rastgele yönelimlerde, birim hücre eksen doğrultulu ve düzlemlerinde beklenen site sayılarının gösterimi 46