Ek-2 BĠLĠMSEL ARAġTIRMA PROJESĠ SONUÇ RAPORU PROJE BAġLIĞI Nevşehir İli Sınırlarında Kalan Kızılırmak Nehri ndeki Su, Bitki ve Çevre Örneklerinde Bulunan Bazı Ağır Metallerin Zenginleştirme Metodu ile FAAS Kullanılarak Tayin Edilmesi Proje No:2011/3 Proje Yürütücüsü: Yrd. Doç. Dr. Sıtkı BAYTAK Kimya Bölümü AraĢtırmacılar: Yrd. Doç. Dr. Ramazan MERT Biyoloji Bölümü NEÜ BAP Nevşehir, 2012 1
ÖNSÖZ Bu çalışmada, ilk defa Rhizopus oryzae doğal selüloz (Badem kabuğu) üzerine immobilize edilerek Fe(III), Mn(II) ve Zn(II) iyonlarının katı faz özütleme yöntemi ile zenginleştirme şartları araştırılmıştır. Geliştirilen yöntem ile Nevşehir ili sınırlarında kalan Kızılırmak suyu, balık ve bazı bitki örneklerinin analizinde kullanılmıştır. Bu çalışmanın gerçekleşmesinde finansman ve alt yapı desteği sağlayan Nevşehir Üniversitesi BAP birimine ve analizlerin bir kısmının yapılmasında yardımcı olan Ahi Evran Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü Öğretim Üyesi Sayın Doç. Dr. Harun Çiftçi ye teşekkürlerimi sunarım. 2
ÖZET Bu çalışmada, Rhizopus oryzae (mantar) tutturulmuş doğal selüloz üzerine, Fe(III), Mn(II) ve Zn(II) iyonlarının katı faz özütleme yöntemi ile zenginleştirme şartları araştırıldı. Elementlerin tayinleri alevli atomik absorpsiyon spektrometrik yöntemle yapıldı. Çalışılan iyonların geri kazanma verimine ph nın, örnek çözeltisi akış hızının ve çözelti hacminin etkisi incelendi. Belirlenen en uygun deneysel şartlarda Fe(III), Mn(II) ve Zn(II) iyonlarının geri kazanma verimi %95 güven seviyesi ile sırasıyla, %96±3, %98±3 ve %94±2 olarak, bulundu. Yöntemin kesinliği, çalışılan iyonlar için gözlenebilme sınırı ve bilinen miktarda madde ekleme yöntemi, standart referans maddeler kullanılarak yöntemin doğruluğu belirlendi. Geliştirilen yöntem Kızılırmak suyu, domates yaprağı, fasulye yaprağı, taze fasulye ve kadife balığı (Tinca tinca) örneklerinde, çalışılan elementlerin tayinine uygulandı. Gerçek örnekler için bağıl hata değerleri yaklaşık olarak -%7 bulundu. Anahtar Kelimeler: Zenginleştirme, Katı faz özütleme, Rhizopus oryzae, Doğal Selüloz, Atomik absorpsiyon spektrometrisi, Eser Element, Çevre örnekleri 3
INVESTIGATION OF THE PRECONCENTRATION CONDITIONS OF Fe(III), Mn(II) AND Zn(II) IONS WITH SOLID PHASE EXTRACTION BY USING MICROORGANISMS IMMOBILIZED ON NATURAL CELLULOSE AND THEIR DETERMINATIONS AND APPLĠED KIZILIRMAK WATER SAMPLES ABSTRACT In this study, preconcentration conditions of Fe(III), Mn(II) and Zn(II) ions for microorganisms immobilized on natural cellulose by solid phase extraction method were investigated. Rhizopus oryzae was studied as microorganisms. The determination of the elements was carried out by flame atomic absorbtion spectrometry. The effect of ph, flow rate and volume of sample solution on the recocery of the studied ions was investigated. The recoveries Fe(III), Mn(II) and Zn(II) ions were found as 96±3%, 98±3%, and 94±2%, respectively for Rhizopus oryzae immobilized on natural cellulose, under the optimum conditions determined. The accurracy of the method by using addition samples, precision of the method and limit of dedection for the studied ions were determined. The proposed method was applied to Kızılırmak river water, tomato leaves, beams leaves, green beams and fish samples (Tinca tinca) for the determination of the analytes. Relative standard deviation and relative error were found as about -7%, respectively for real samples. Keywords: Preconcentration, Trace metals, Rhizopus oryzae, Natural cellulose, flame AAS, Environmental samples 4
AMAÇ VE KAPSAM Kızılırmak nehrinde alınan su, balık ve nehir çevresinde yetişen sebze örneklerindeki ağır metallerin derişimleri oldukça düşüktür. Analitik yöntemlerin pek çoğu ile bunların tayini mümkün değildir. Mümkün olan yöntemlerin de maliyeti yüksektir. Bu örneklerdeki ağır metallerin tayinin yapılabilmesi için bir ön işleme (zenginleştirme) tabi tutulması gerekir. Zenginleştirme işlemleri sıvı-sıvı özütleme, birlikte çöktürme, elektrolizle biriktirme, iyon değiştirme ve katı faz özütleme (adsorpsiyon) gibi teknikler kullanılmaktadır. Son yıllarda katı faz özütleme tekniği oldukça yaygındır. Katı faz özütleme tekniğinde çeşitli doğal ve sentetik polimerler kullanılmıştır. Bu çalışmada, doğal polimerler (selüloz, silikatlar, keratin gibi) veya sentetik polimerler (Amberlit, ambersorb gibi) modifiye edilerek, ağır metallerin katı faz özütleme tekniği ile zenginleştirme şartlarının araştırılması ve alevli atomik absorbsiyon spektroskopisinde bu metallerin tayinlerinin yapılması amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında 15-20 yıldan beri yaygın olarak kullanılan katı faz özütleme tekniği ile yeni bir yöntem geliştirildi. Ağır metallerin zenginleştirilmesinde, komlepleksleştirici ligandlar yerine, mikroorganizmaların ve doğal selülozun kullanılmasıyla çevrenin daha az zarar görmesi sağlanması düşünüldü. Ayrıca kullanılan biyokütle, kolonda katı faz olarak başka kimyasal kullanılmadan defalarca kullanılmıştır. Böylece, daha ekonomik ve çevreyi daha az kirleten yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Alevli AAS ve ICP-AES gibi cihazlarla doğrudan analizi mümkün olmayan çevre örneklerindeki Fe(III), Mn(II) ve Zn(II) metal iyonları geliştirilen bu yöntem ile Kızılırmak suyu, yeşil fasülye, fasülye yaprağı, domates yaprağı ve balık örneklerindeki bu metallerin analizlerinde kullanılmıştır. 5
1. GĠRĠġ Çevre örneklerinde bulunan eser elementler, çeşitli biyolojik tepkimelerde gösterdikleri katalitik ve toksik etkileri nedeniyle günümüzde birinci derecede kirleticiler arasında yer almaktadır. Diğer yandan Fe(III), Cu(II), Mn(II), Zn(II), Cr(III) gibi elementler ise, canlıların yaşamında önemli görevler yerine getirmektedir. Bu elementler, gereğinden az alındığında işlevini yeterince yerine getirememekte, fazla alındığında ise zehirlenmelere neden olmaktadır [1]. Hg, Cd, Pb, Cr(VI) gibi elementler ise toksik etki göstermektedirler [2]. Bütün bu elementler çeşitli yollarla çevreye yayılmakta ve farklı yollarla canlılar üzerinde olumsuz etkiler gösterebilmektedir [3]. Bu elementlerin çevredeki derişimlerinin bilinmesi ve bunların sürekli kontrol edilmesi önemlidir. Çevre örneklerinde bu elementlerin derişimleri düşük olduğundan ve ortamdaki diğer türlerin girişim etkilerinden dolayı bu elementlerin bazı analitik yöntemlerle doğrudan tayini mümkün değildir. Eser elementlerin alevli AAS ve ICP-AES gibi doğrudan tayini mümkün olmadığı için örneklerin analizden önce bir ön işleme tabi tutularak eser elementlerin ortamdan ayrılması ve zenginleştirilmesi gerekmektedir [4]. Ön işlemler sırasında eser elementlerin bir ortamdan alınarak daha küçük bir hacme toplanmasına Zenginleştirme denir. Eser elementlerin zenginleştirmesinde sıvı-sıvı özütleme (DLLME) [5], flotasyon [6], birlikte çöktürme [7], elektrolizle biriktirme [8], iyon değiştirme [9,10] ve katı faz özütleme (adsorpsiyon) gibi teknikler kullanılmaktadır [11-20]. Bu zenginleştirme teknikleri içinde son yıllarda en çok tercih edileni adsorpsiyona dayalı zenginleştirme tekniğidir [11-14]. Eser elementlerin adsorpsiyonla zenginleştirilmesinde, çeşitli sentetik [14] ve doğal [15, 16] polimerler kullanıldığı bilinmektedir. Son yıllarda katı faz olarak kullanılan reçineler arasında selülozun da olduğu bilinmektedir [15]. Eser elementlerin adsorbsiyonla zenginleştirilmesinde tutunmayı artırmak için ya elementin uygun bir kompleksi oluşturulmakta [12] ya da uygun kompleksleştirici ligant kolon üzerinde önceden tutturulmaktadır [18, 19]. Son yıllarda, ligant yerine önceden katı faz üzerine tutturulmuş maya, bakteri ve mantar gibi mikroorganizmalar, eser elementleri ortamdan ayırmak ve zenginleştirmek için geniş çapta kullanılmıştır [18, 19]. Destek maddesi üzerine tutturulmuş mikroorganizmaların kullanım sayısı, serbest hücrelere göre daha fazladır. Bunların aktivitesi ve seçiciliği de serbest hücrelere göre daha fazladır. Bu nedenle, eser element tayinlerinde katı bir destek maddesi üzerinde mikroorganizma tutturularak yapılan eser element zenginleştirme çalışmalarında artış görülmektedir. 6
Bu çalışmada, ilk defa Rhizopus oryzae mantarı doğal selüloz (Badem kabuğu) üzerine tutturulmuş ve eser elementlerin zenginleştirmesinde kullanılmıştır. Rhizopus oryzae tutturulmuş selüloz kolonlara yerleştirilmiş ve Fe(III), Mn(II) ve Zn(II) nın zenginleştirme şartları araştırılmıştır. Çalışmada örnek çözeltinin ph sı, örnek çözeltinin akış hızı ve hacmi gibi parametrelerin çalışılan metal iyonların geri kazanma verimine etkisi incelenmiştir. Geliştirilen bu yöntemin, en uygun şartlarda yöntemin kesinliği ve elementlerin gözlenebilme sınırları belirlenmiştir. Geliştirilen yöntem, Kızılırmak suyuna, bitki ve balık örneklerine uygulanmıştır. Yöntemin doğruluğu ise standart referans maddelere ve bilinen miktarda ekleme ile tayin etme yöntemi kullanılarak araştırılmıştır. Tüm tayin basamaklarında alevli AAS kullanılmıştır. Bir kısım çevre örneklerindeki metal iyonların derişimi ICP-AES ile yapılmıştır. 7
2. GENEL BĠLGĠLER 2.1. Eser Elementlerin Önemi ZenginleĢtirme Yöntemleri ve Tayini Günümüzde hızla ilerleyen çevre kirliliği büyük bir problem olmaktadır. Hava, su, toprak kirliliğindeki anormal artış, gıda, ilaç ve çevre kimyası açısından eser elementlerin tayini daha da önem kazanmıştır. Özellikle atmosferde gerçekleşen reaksiyonlarda bulunan eser elementler toksik olmaları sebebiyle birinci derecede kirleticiler arasında yer almaktadır. Hg, Cd, Pb, Cr(VI) gibi elementler çevreye yayılmakta ve canlılar üzerinde toksik etkiler göstermektedir. Bu maddelerin derişimleri düşük olduğundan bazı analitik yöntemlerle doğrudan tayini mümkün değildir. Eser element analizi, organik ve inorganik örneklerdeki mg/l, µg/l veya ng/l seviyedeki derişimlerin tayini olarak bilinir. Eser element analizinde kullanılan yöntemlerde standart ile örneğin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin birbirine yakın olması gerekmektedir. Bu yüzden standart hazırlama eser element analizinde önemli sorunlardan birisidir. Bu sorun analiz elementini uygun bir ortama alarak ve deriştirme işlemi yapılarak ortadan kaldırılabilir. Bu işlemlere ayırma zenginleştirme işlemleri denir. 2.2. ZenginleĢtirilen Elementlerin Genel Özellikleri Zenginleştirilen elementler hakkında; doğada bulunuşu, kullanım alanları, su ve bazı örneklerdeki derişimi hakkında genel bilgi verilmiştir. 2.2. 1. Demir Doğada %4,7 oranında bulunur. Filizlerinde oksit, kükürt ve silisyum bileşikleri şeklinde bulunur. Fe(II) sulu çözeltilerinde açık yeşil renkli Fe(III) ise kahve renklidir. Demir, hemoglobinin yapısında bulunur. Kandaki demir derişimi 0,9 µg/l ile 1,4 µg/l arasındadır. Nehir sularında 1-215 µg/l arasında, çeşme suyunda 32 µg/l, göl sularında 4 µg/l, denizlerde 0,2-81µg/L derişiminde demir bulunur. 2.2. 2. Mangan Mangan, atom numarası 25 kütle numarası 55 olan 7B grubu elementidir. Birçok yükseltgenme basamağına sahiptir. Elementel haldeki mangan, beyaz-gri renklidir. Mangan doğada %0,08 oranında bulunur. Yer altı kaynaklarından çıkartılan manganın çoğu çelik üretiminde ve diğer sanayi dallarında kullanılır. 8
2.2. 3. Çinko Çinko, mavimsi açık gri renkte, kırılgan bir metaldir. Elementlerin periyodik tablosunda geçiş elementleri grubunda yer alır. Düşük kaynama sıcaklığı dikkat çekicidir. Bu değer özellikle pirometalurjik metal üretiminde çok belirleyici bir etmendir. Dökülmüş halde sert ve kırılgandır. 120 C'de şekillendirilebilir. Elektrokimyasal potansiyel dizisinde demirden daha negatif değerdedir. Böylece çinko anot olarak katodik korozyon korumada önemli bir kullanım bulur. Galvanizleme bu tür uygulamalardan biridir. Çinko, yerkabuğunda en çok bulunan elementler arasında 23. sıradadır. En çok kullanılan cevheri sfalerit (ZnS) olup %40-50 çinko ve yaklaşık %10 demir içerir. Çinkonun ayrıştırıldığı diğer mineraller smitsonit (çinko karbonat), hemimorfit (çinko silikat) ve franklinit (Fe,Mn,Zn)(Fe,Mn) 2 O 4 ) dir. Çinko korozyondan korunma amacıyla pillerin gövdelerinin yapımında ve genellikle otomotiv endüstrisinde döküm kalıplarında kullanılır. 2. 3. Ayırma ve ZenginleĢtirme Yöntemleri Ayırma yöntemleri genel olarak bir karışımdaki bileşenlerin iki faz arasında dağılma katsayısının farklı olmasından yararlanılarak yapılır. Ayırma üç temel yönteme dayanır. Bu yöntemler aşağıdaki gibi sıralanır: I. Ana bileşen örnekten uzaklaştırılırken, eser bileşenler çözeltide kalır. II. Eser bileşenler katı ya da çözünmüş örnekten uzaklaştırılırken ana bileşenler çözeltide kalır. III. Eser bileşenler, diğer eser bileşenlerden ayrılır. Birinci madde uygulanmaz. Çünkü ana madde ayrıldığında ana maddeyle beraber eser bileşenler de gelebilir. Eser element analizlerinde daha çok II. ve III. maddeler uygulanır. Analizde tam bir ayırma istenildiğinde maskeleme kullanılır. Maskeleme, bileşen ortadan kaldırılmadan uygun bir reaktif ilavesiyle girişim etkisi olan maddenin etkisinin yok edilmesidir. Maskelemede kullanılan bileşen, çözeltideki bir bileşen ile seçici olarak tepkimeye giren ve böylece bu bileşenin analizi bozmasını önleyen kompleksleştirici bir maddedir. 2.3.1. ZenginleĢtirme yöntemlerindeki sınırlamalar Teorik olarak sonsuz küçük derişimlerdeki eser elementlerin deriştirilmesi düşünülebilir. Ancak pratikte aşağıda açıklanan nedenlerden dolayı bir takım sınırlamalar getirilmiştir. 9
2.3.1.1. Element kaybı Eser elementlerin, zenginleştirilmesinde geri kazanma değeri, ayırma basamaklarında meydana gelen eser element kaybı nedeniyle genellikle % 100 den daha azdır. Bu kayıplar, uygulanan zenginleştirme yöntemleri boyunca meydana gelen buharlaşma, tam olamayan ayırma, araştırıcının dikkatsiz çalışması ve çalışmada kullanılan cam malzemelerin çeperlerindeki adsorpsiyon sonucu olur. Genelde çok düşük derişimlerdeki eser elementlerin kaybı bağıl olarak daha fazla olur. Bu kayıplar, radyoaktif eser tekniklerin kullanımı ile araştırılabilmektedir. 2.3.1.2. Kirlenme Ayırma sırasında örneğe, değişik kaynaklardan analit içeren yabancı maddeler girebilir. Basitçe kirlenme olarak adlandırılan bu olay, eser analizde karşılaşılan önemli problemlerden biridir. Bu problem, reaktiflerden, kullanılan kaplardan, ayırma için kullanılan diğer cihazlardan, hatta laboratuvar atmosferinden dahi gelebilir. Kirlenmeyi belirlemek amacı ile örnek olmaksızın ayırmanın bütün adımları gerçekleştirilerek kör deneme yapılır. 2.3.1.3. Tekniğin basitliği ve hızı Analit derişimi ne kadar düşük olursa, gerek tayin gerekse ön işlemlerin uygulanmasında çeşitli güçlüklerle karşılaşılır. Ayrıca, uygulanacak işlemlerin artan sayısı zaman kayıplarını ve daha fazla reaktife olan ihtiyacı artırır. Fazla reaktif kullanımı ise kirlenme riskini artırır. Yöntemin yavaş yürüyen basamaklar içermesi, kap çeperi ile çözeltilerin etkileşimlerine yol açar. 2.3.1.4. Örnek miktarı Uygulamada alınan örneğin maksimum miktarı, örnekleme güçlükleri yüzünden sınırlıdır. Ultra saf metaller ve bileşiklerle, diğer nadir bulunan doğal ve yapay maddeler gibi bazı örnek türleri yalnız küçük miktarlarda mevcut olup çok pahalıdır. Gerekli olan örnek büyüklüğü kullanılacak olan yöntem kadar, istenilen eser elementlerin derişimlerine de bağımlıdır. ppm veya ppb düzeyindeki eser elementlerin tayini için kullanılan örnek miktarı 0,1-0,5 gramdır. Bu miktar sıvı örnek için genelde 10-100 ml dir. Ancak bugün akışa enjeksiyon ve probe tekniklerinde örnek miktarı mikrolitre mertebesine kadar düşürülmüştür. Artan örnek miktarı, daha fazla reaktif gerektirdiğinden kontaminasyon riskini artırır. Eser elementlerin ayrılması ve zenginleştirilmesi: Sıvı-sıvı özütleme 10
Elektroliz İyon değiştirme Uçuculaştırma Birlikte çöktürme Katı faz özütleme gibi yöntemlerle yapılabilir. 2.3.2. Sıvı-sıvı özütleme yöntemi ile zenginleģtirme Bu yöntemde organik ve su fazı vardır. Sulu fazdaki eser bileşenler organik faza iyonik kompleks ve şelatları şeklinde geçer. Bu yöntemdeki dağılma katsayısına etki eden faktörler ise metal iyonunun türü, ph, sulu fazdaki tepkimeler, ligant, çözücü türü ve sıcaklıktır. Seçimlilik bu kriterlere dayanılarak elde edilir. Yöntem basit hızlı olduğundan dolayı oldukça önemlidir. Bu yöntemde, genellikle ayırma hunisi kullanıldığı için büyük hacimlerle çalışmak zordur. 2.3.3. Elektroliz yöntemi ile zenginleģtirme Çeşitli elektrolit çözeltilerden eser elementleri uygun bir çalışma elektrodu üzerine topladıktan sonra küçük bir hacim içerisine almak mümkündür. Elektrolit ve örneğin bileşimi, elektrolit türü ve şekli, elektroliz hücresi ve diğer bazı deneysel parametreler analiz edilecek elementin elektrolizle toplanmasına etki eder. Bu tür çalışmalar genellikle potansiyel kontrollü yapılır. 2.3.4. Ġyon değiģtirme yöntemi ile zenginleģtirme İyon değiştirme ile yapılan zenginleştirmede, katı maddenin yapısında bulunan iyonlar, çözelti içindeki aynı cinsten yüklü başka iyonlarla yer değiştirirler. İyon değiştirme tekniği ile büyük hacimli çözeltiler daha küçük hacimden geçirilirken, eser elementlerin seçimli olarak tutunmaları sağlanır. Tutulan eser elementler küçük hacimli bir elüent ile ikinci bir faza alınarak zenginleştirilir. İyon değiştiriciler değişebilir anyon ve katyonları taşıyan çözünür olmayan katı maddelerdir. Bu amaçla kullanılan katı maddeler, çözelti ortamında çözünmeyen büyük moleküllü doğal ve yapay maddelerdir. Bunlar organik ve inorganik olarak ikiye ayrılırlar. Anorganik olanlar çok eskiden beri bilinen kil ve zeolitlerdir. Organik iyon değiştiriciler katyonik ve anyonik iyon değiştiriciler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Bu sentetik reçineler, yapı olarak iki kısımdan oluşur. Birinci kısmını reçinenin üç boyutlu iyon hidrokarbon ağı oluşturur. Diğer kısmını ise hidrokarbona kimyasal bağlarla bağlanmış asidik 11
ya da bazik, iyonlaşabilen gruplar oluşturur. Organik ağ sabittir ve kullanılan çözücülerde çözünmezler. Bir iyon değiştirici reçinenin kimyasal tepkimeleri, hidrokarbon iskeletine bağlı olan fonksiyonel gruplar dolaylı bir şekilde belirlenir. Belli başlı iki iyon değiştirici grup vardır. Bunlar fonksiyonel grupları sulu ortamların katyonlarıyla reaksiyona girebilen katyon değiştiriciler ve fonkiyonel grupları sulu ortamların anyonlarıyla reaksiyona girebilen anyon değiştiricilerdir. Bazı maddeler de hem anyon hem katyon değişimi yeteneğine sahip olup amfoterik iyon değiştiriciler adını alır. Katyon değiştiriciler yapılarında SO 3 H, -COOH ve OH gibi fonksiyonel grupları içerir. Anyon değiştiriciler ise NR +, -NR 2, -NHR, -NH 2 gibi gruplar bulundurur. İyon değiştirme tekniği kullanılarak yapılan zenginleştirme işlemlerinde genelde iyon değiştirici reçine kolona yerleştirilir. Eser elementleri içeren çözelti kolondan geçirilerek, metal iyonlarının kolonda tutunması sağlanır. Çözelti içinde bulunan iyonlar temas ettikleri katı maddenin yapısında bulunan aynı yüklü iyonlarla yer değiştirir. Reçineye tutunan metaller elüe edilerek eser elementler tayin edilir. İyon değiştirici seçiminde fonksiyonel grupların seçimliliği, değiştirme kapasitesi, değiştirme hızı, iyon değiştiricinin rejenerasyonu ve uygun elüentin kullanılması önemli parametrelerdir. 2.3.5. UçuculaĢtırma yöntemi ile zenginleģtirme Yöntem kolay uçucu ve kolaylıkla uçucu bileşiklerine dönüştürülebilen bazı elementler için son derece önemlidir. Ancak inorganik eser analizde, metallerin uçurma ile zenginleştirilmeleri yaygın değildir. Bu zenginleştirme yönteminde matriks ile eser element arasında uçuculuk farkının büyük olması gerekir. AAS, AES ve AFS (Atomik Floresans Spektroskopisi) de kullanılan hidrürüne dönüştürme (As, Se, Sb, Te gibi elementler için), dc ark AES de kullanılan taşıyıcı destilasyonu uçuculuk farkından yararlanılarak yapılan ayırma yöntemlerindendir. Ayrıca seçimli buharlaştırma ile elektrotermal atomlaşmalı atomik absorpsiyon spektrometresi (ETA-AAS) de matriks ayrılması yaygındır. 2.3.6. Birlikte çöktürme yöntemi ile zenginleģtirme Bir sulu çözeltide 1 mg/l'den daha düşük derişimlerde bulunan eser elementlerin geleneksel çöktürme teknikleriyle kantitatif olarak çöktürülmesi genellikle zor veya mümkün değildir. Çöktürücü reaktif ile eser elementlerin oluşturacağı bileşiğin çözünürlük çarpımı çok küçük olsa dahi, çözeltide kolloidal çökeleklerin oluşumu veya küçük miktarlı çökelekler, geleneksel çöktürme tekniklerinin kullanılmasını engeller. Bu nedenle genellikle eser elementlerin zenginleştirilmesinde birlikte çöktürme yöntemi kullanılmaktadır. Birlikte çöktürme yöntemi, çözeltideki eser elementlerin toplayıcı veya taşıyıcı çökelek olarak adlandırılan miligram 12
düzeyindeki inorganik veya organik karakterli bir çökelek üzerinde, meydana gelen çeşitli mekanizmalar sonucu toplanmasıdır. Bu yöntemin temelini oluşturan birlikte çöktürme olayı, çökeleğin çok saf elde edilmesi istendiği zaman istenmeyen bir durumken, eser elementlerin zenginleştirilmesinde tercih edilen bir olaydır. 2.3.7. Adsorpsiyon (katı-faz özütleme) yöntemi ile zenginleģtirme Kimyasal analizi yapılacak olan plazma, serum, idrar gibi biyolojik; su toprak hava gibi çevresel ve gıda, farmasotik ürünler gibi çeşitli numuneler, genellikle aranan maddenin dışında birçok bileşenin yer aldığı karışık bir matriks içerirler. Bu nedenle kompleks matrikslerdeki eser elementlerin bu ortamlardan ayrılması ve deriştirilmesi çok önemli bir basamaktır. Ayırma işlemi ile analitin analizine bozucu etki yapabilecek veya analiz cihazlarının kirlenmesine neden olabilecek kirliliklerin uzaklaştırılması sağlanır. İşte bu sebeple çeşitli kimyasal yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlar arasında adsorpsiyona dayalı katı faz özütleme metodu en çok tercih edilen zenginleştirme metodlarından biridir. Katı faz özütleme metodunda, analit iyonları kolondan geçerken adsorban ile arasında kimyasal bir etkileşim meydana gelir. Bu etkileşim iki şekilde gerçekleşebilir. Birinci yöntemde analiz edilecek bileşen adsorbana bağlanarak kolon içinde tutunurken, çözelti ve istenmeyen bileşenler bu madde ile herhangi bir etkileşime girmezler. Daha sonra istenmeyen bileşenler uygun yıkama çözeltisi ile yıkanarak uzaklaştırılırken, adsorbana tutunmuş analit iyonları uygun bir çözelti yardımıyla çözülerek alınır. Daha sonra analit iyonları uygun bir elüent ile elüe edilerek, hem daha uygun bir ortam içine alınmış, hem de deriştirilmiş olurlar. Daha az tercih edilen ikinci yöntemde ise, istenmeyen madde adsorban ile etkileşerek kolonda tutunur. Özellikle atık yağlar gibi matriksten ayrılması zor olan maddelerin analizinde kullanılan bu yöntemde, matriksteki istenmeyen bileşenler adsorban tarafından tutulur. Asıl aranan madde ise adsorban ile herhangi bir etkileşime girmez. Daha sonra uygun bir çözelti yardımıyla çözülerek toplanır. Burada adsorban filtre görevi görür. Sıvı örneğin kolondan geçirilmesi, yer çekimi ya da vakum vasıtasıyla gerçekleştirilir. 2.3.7.1. Yapısal özelliklerin adsorpsiyona etkisi Katı faz özütleme metodunda maddelerin birbirinden ayrılması, analizi yapılacak maddenin molekülleri ile adsorban maddedeki etkin grupların etkileşimine dayanmaktadır. Analizi yapılacak madde molekülleri adsorban maddedeki etkin gruba iyonik, hidrojen, dipol-dipol, dipol-indüklenmiş dipol ve indüklenmiş dipole indüklenmiş dipol (van der waals) bağları ile bağlanır. Bu şekilde analit iyonları, matrikste girişim yapabilecek istenmeyen bileşenlerinden 13
ayrılmış olur. Katı faz özütleme mekanizmaları, analiz edilecek madde çözücü ve adsorbanın özelliklerine göre gerçekleşir. Belli bağlı ayırma mekanizmaları olarak normal faz, ters faz, iyon değişimi (anyonik ve katyonik) ve moleküler eleme sayılabilir. Normal faz; polar bileşiklerin polar olmayan matrikslerden ayrılması işlemidir. Bu yöntemde en fazla kullanılan tutucu madde silikadır. Florosil ya da silica ve aluminaya çeşitli grupların eklenmesiyle elde edilen siyano, diol ve amino grubu adsorbanlar örnek olarak verilebilir. Ters faz, tutucu maddenin polaritesinin örnek çözeltisinin polaritesinden daha düşük olduğu durumlarda gerçekleşen mekanizmadır. 2.3.7.2. Adsorbsiyon mekanizması Katı faz özütleme yöntemi dört basamaktan oluşmaktadır. İlk basamakta; katı faz uygun bir çözücü ile yıkanarak hem istenmeyen safsızlıklar giderilmiş olur, hem de dolgu maddesinin ıslanması sağlanır. Şartlandırma işlemi, kolondan uygun madde geçirilerek tutucu maddenin aktif hale getirilmesi ve matriksteki maddeler ile tekrarlanabilir etkileşim için gerekli ortamın sağlanabilmesi amacıyla yapılmaktadır. Polar olmayan tutucu maddeler, kolon hacminin 2-3 katı miktarda suyla karışabilen metanol, tetrahidrofuran ve izopropanol gibi polar çözücüler ile polar tutucu maddeler ise polar olmayan çözücülerle şartlandırılmaktadır. Bu amaçla genel olarak metil alkol, su ve ardından örnekle aynı ph daki tampon çözeltiler kullanılır. İkinci basamakta; örnek yer çekimi kuvvetiyle ya da peristaltik pompa vasıtasıyla kolondan geçirilir. Örneğin kolondan akış hızının, analitlerin etkin olarak tutunmasını sağlayacak kadar yavaş, zaman kaybına neden olmayacak kadar hızlı olmalıdır. 14
ġekil 2.1. Katı faz özütleme kolonu Üçüncü basamakta, zayıf bir elüsyon özelliği gösteren uygun bir çözücü ile katı faz yıkanarak, katı faz üzerinde olabilecek matriks iyonları uzaklaştırılmış olur. Dördüncü basamakta; kolondan uygun bir elüent ile geçirilerek, analit iyonları elüe edilir. Elüsyon için genelde şelatın yapısını bozan ve eser elementi serbest hale getiren bir asit kullanılmaktadır. Eğer ortamda, katı faz üzerinde analitten daha kuvvetli bir şekilde tutunabilecek türler varsa, elüsyondan önce uygun bir çözücü ile yıkanarak uzaklaştırılır. Katı faz özütleme tekniğinde katı faz olarak adsorblama kapasitesi yüksek adsorbanlar kullanılır. Adsorblama kapasitesi yüksek olan doğal katılara örnek olarak kömür, kil, zeolit ve çeşitli metal filizleri verilebilir. Kullanılan adsorbanlar, inorganik (inorganik oksitler) ve organik (doğal ve sentetik polimerler) bazlı olmak üzere iki sınıfa ayrılabilirler. En önemli inorganik bazlı adsorbanlar; silika jel, gözenekli cam, C18 bağlı silikajel, floorisil alumina ve diğer inorganik oksitlerdir. İnorganik bazlı adsorbanlarda istenmeyen yapılar oluşabildiği için organik bazlı adsorbanlar daha yaygın olarak kullanılır. Organik bazlı olanlar polimerik olan ve polimerik olmayan adsorbanlar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Polimerik olanlar eser element çalışmalarında daha çok kullanılmaktadır. Polimerik olmayan organik bazlı adsorbanlara örnek olarak, aktif karbon, naftalin ve grafit örnek olarak verilebilir. 15
Polimerik olan organik esaslı adsorbanlara ise, polistiren divinilbenzen, polimetilmetakrilat divinilbenzenvinilprolidin ve poliüretan polimerleri örnek olarak verilebilir. Bunlar eser analizlerde yaygın olarak kullanılan polimerik adsorbanlardandır. 2.3.7.3. Katı faz özütleme teknikleri Bir katı faz üzerinde uygun bir forma dönüştürülen analitlerin adsorpsiyonu ve sonra uygun eluasyon çözeltisi ile katı faz üzerinden desorpsiyonunu esas alan zenginleştirme yöntemleridir. Batch tekniği ve kolon tekniği olmak üzere iki guruba yarılır. Bu çalışmada kolon tekniği kullanılmıştır. Kolon tekniği; Katı faz özütleme yöntemlerinden kolon yöntemi, batch yöntemine göre daha yaygın olarak kullanılır. Bu yöntemde genellikle 0.5, 0.8 ve 1,0 cm çapında, 10-15 cm uzunluğunda musluklu mini kolonlar kullanılır. Eser metalleri tutacak olan adsorban kromatografik kolona doldurulur. Örnek çözeltisi kolondan geçirilmeden önce, yaklaşık 5-10 ml örnek çözücüsüne benzer bir çözeltinin geçirilmesi ile şartlandırılır. Hazırlanan kolondan örnek çözeltisi geçirilerek eser elementlerin kolonda tutunması sağlanır. Eser elementi içeren çözeltinin ph ayarlaması, uygun şelatlaştırıcının eklemesi vb. gibi gerekli ön işlemleri yapıldıktan sonra kolondan geçirilerek metal iyonlarının adsorban üzerinde tutunmaları sağlanır. Adsorban üzerinde tutunmuş istenmeyen maddeler varsa uygun bir çözelti kullanılarak yıkanarak uzaklaştırılır. Burada kullanılan çözücü, analiti etkilemeden sadece matriks bileşenlerini önemli ölçüde desorbe edebilmelidir. Katı faz üzerinde adsorblanan analit iyonları, kolondan elüent denilen uygun bir çözücünün geçirilmesi ile daha küçük bir hacme alındıktan sonra analit derişimi tayin edilir. 2.4. Adsorpsiyonla Yapılan ZenginleĢtirme ÇalıĢmaları Son yıllarda organik ve inorganik karakterli pek çok doğal ve sentetik polimerler adsorpsiyonla zenginleştirme yönteminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmalardan bazıları aşağıda verilmiştir. Kendüzler ve Türker, Ambersorb-572 polimeri üzerine Fe(III), Mn(II) ve Zn(II) zenginleştirme şartlarını araştırmışlardır. Fe(III) iyonunu etilendiamintetraasetikasit (EDTA) ile Mn(II) ve Zn(II) ise 1,10-fenontrolin ile kompleksleri haline getirilerek katı fazdan tutturmuşlardır. Bu çalışmada, çözelti ph sı, çözelti akış hızı ve hacmi, katı faz miktarı, geri alma çözeltisinin türü, hacmi ve derişimlerinin, çalışılan metallerin geri kazanma verimine etkisi araştırılmıştır. Geliştirilen yöntem, çeşitli suyu örneklerine uygulanmıştır [22]. 16
Karatepe ve arkadaşları, Cu(II), Fe(III), Pb(II), Ni(II) ve Cd(II) iyonlarının tayininde, çift duvarlı nano karbon katı fazını adsorben olarak bu iyonların zenginleştirmesinde kullanmışlardır. Bu amaç için sözü geçen iyonlar 4-(2-Thiazolylazo) resorcinol ile şelatlarına dönüştürmüşler ve nano karbon ile zenginleştirmişlerdir. Çalışmada çözeltinin iyonların geri kazanma verimine ph nın, çözelti hacminin ve çözeltinin akış hızı gibi parametrelerin etkisi incelenmiştir. Eluent olarak 2 M HNO 3 kullanılmıştır. Yöntemin tayin sınırı da 0,7-4,4 µg/ml olarak bulunmuştur [23]. Chen ve arkadaşları, selüloz kullanılarak Cd elementinin zenginleştirme şartlarını araştırmışlardır. Çalışmalarında atomik floresans spektroskopisi kullanmışlardır. Geliştirdikleri yöntemi, standart referans suya, nehir suyu ve deniz suyuna uygulamışlardır. Yöntemin zenginleştirme faktörü 19,5 tayin sınırı ise 3 ng/l olarak bulunmuştur [17]. Tsukinoki ve arkadaşları, EDTA ile selüloz kompleksi oluşturarak Cu, Ni ve Co ın sulu çözeltideki derişimlerinin tayininde adsorben olarak kullanmışlardır. Bu yöntemde hem çalkalama hem de kolon tekniği kullanılmıştır. Zenginleştirme faktörü bütün elementler için 200, 10 ml 1 M HNO 3 eluent olarak kullanılmıştır. Adsorbenin kapasitesi de Cu için, 0.25 mmol/g Co için, 0.30 mmol/g ve Ni için de 0.29 mmol/g bulunmuştur [24]. Literatürlerde verilen çalışmaların çoğunda eser metal iyonları, ya komplekslerine dönüştürüldükten sonra katı faz yüzeyinde, ya da şelatlaştırıcı reaktif tutturulmuş katı fazda zenginleştirilmişlerdir. Kompleksleştirici reaktifler kullanılarak yapılan zenginleştirme çalışmalarından bazıları şunlardır. Marahel ve arkadaşları, yeni bir shiff baz 2-(2,4-dichlorobenzylideneamino)benzenethiol sentezleyerek Duolite XAD 761 katı fazı üzerinden Cr 3+, Co 2+, Cu 2+, Fe 3+, Ni 2+ ve Zn 2+ metal iyonlarının zenginleştirmesinde kullanmışlardır. Bu çalışmada metal iyonların geri kazanmasında ortamın ph sı, ligantın miktarı, adsorbenin miktarı ve eluent miktarı gibi parametreler incelenmiştir. Bunun için 6 ml 4 M HNO 3 çözelti eluent olarak kullanmışlardır. Genel olarak metallerin geri kazanma verimi %94 ün üzerindedir. RSD değerleri de %1.5 ile 2.2 arasında değişmektedir [25]. Zang ve arkadaşları, ethilendiamini çok duvarlı karbon nano tüp üzerine modifiye edilerek Cr(III), Fe(III) ve Pb(II) metal iyonların zenginleştirmesinde adsorben olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada metal iyonlarının geri kazanmasında ph nın etkisi çalkalama süresi akış hızı, çözelti hacmi, eluent türü ve miktarı gibi parametreler incelenmiştir. Adsorbenin kapasitesi sırasıyla Cr(III) için, 39.58 Fe(III) için, 28.69 ve Pb(II) için 54.48 mg g 1 bulunmuştur. Yöntemin tayin sınırı 0.35 ng ml 1 nın altında ve 11 ölçüm için bağıl standart sapma da %3,5 17
olarak bulunmuştur. Yöntemin doğruluğunu standart referans maddelere, biyolojik ve doğal sulara uygulamıştır. Analizlerinde ICP-OES cihazı kullanmıştır [26]. Mendil ve arkadaşları, Bacillus thuringiensis var. israelensis mikroorganizmasını Chromosorb 101 üzerine immobilize ederek Cd(II), Pb(II), Mn(II), Cr(III), Ni(II) ve Co(II) metal iyonlarının zenginleştirmesinde kullanmışlardır. Yöntemin geliştirmesinde iyonların geri kazanmasında çözeltinin ph sının, çözelti hacmi ve akış hızının, adsorben miktarının etkisi incelenmiştir. Yöntemin tayin sınırı 3σ için 0.37 2.85 µgl 1 aralığında bulunmuştur. Yöntemin doğruluğu için standart referans maddelere (IAEA 336 Lichen and NIST SRM 1573a Tomato leaves) uygulanmıştır. Pirinç, konserve balık gibi örnekler mikrodalga fırında çözünerek ayrıca kırmızı şarap, deniz suyu, doğal su ve idrarda çalışılan metal iyonlarının analizi yapılmıştır. Analizlerin tamamı alevli atomik absorpsiyon spektrofotometresi ile yapılmıştır [27]. Kocaoba ve Arısoy, Pleurotus ostreatus (fungus) u Amberlite XAD-4 polimeri üzerine immobilize ederek Cr(III), Cd(II) ve Cu(II) metal iyonlarının zenginleştirmesinde katı faz olarak kullanmışlardır. Cr(III), Cd(II) and Cu(II) metal iyonları ph 4 5 arasında en iyi tutunmayı sağlamıştır. Bu metal iyonlar 1 M HCl, 200 mg adsorben ve 2.5 ml min -1 akış hızı ile %95 100 arasında geri kazanılmıştır. Kolondaki adsorben 10 defa kullanılabilmiştir [27]. Baytak ve arkadaşları, Aspergillus niger (mantar)ı biyokütlesini silika gel üzerine immobilize ederek, sulu çözeltiden Cr(III), Cu(II), Zn(II) ve Cd(II) iyonlarını sırasıyla %98±2, %98±3, %99±2 ve %100±2, adsorpsiyonla ayırmada kullanmıştır. Geliştirilen yöntemi çeşitli sulara uygulamış ve - %8 dan daha düşük hata ile sonuçlar bulmuşlardır. Analizlerinde alevli AAS kullanmışlardır [28]. Baytak ve arkadaşları, Yamadazyma spartinae (maya) nin biyokütlesini nano TiO 2 üzerine immobilize ederek, sulu çözeltiden Cr(III), Cu(II), Fe(III), Mn(II), Ni(II) and Zn(II) iyonlarını sırasıyla %98±2, %99±2, %100±2, %99±2, %99±4 ve %100±4 katı faz özütleme tekniği ile ayırmada kullanmıştır. Geliştirilen yöntemi çeşitli su örneklerine ve standar referans su örneğine uygulamış ve - %7 dan daha düşük hata ile sonuçlar bulmuştur. Analizlerin tamamı ICP-AES ile yapılmıştır [18]. Baytak ve Türker, Penicillium digitatum u pomza taşına (Isparta) immobilize ederek, sulu çözeltiden Co(II), Fe(III) and Ni(II) iyonlarını sırasıyla %100±2, %98±2, %99±2, katı faz özütleme tekniği ile ayırmada kullanmıştır. Geliştirilen yöntemi çeşitli çevre örneklerine ve standart referans maddeye uygulamış ve -%8 dan daha düşük hata ile sonuçlar bulmuştur. Analizlerin tamamı alevli AAS ile yapılmıştır [29]. 18
3. ATOMĠK SPEKTROSKOPĠSĠ Gaz halindeki atomların veya gaz halindeki tek atomlu iyonların absorpsiyon, emisyon ve floresans özellikleri üzerine kurulmuş olan spektroskopi dalına atomik spektroskopisi denir. Atomik spektroskopisiyle gaz halindeki atomların ve iyonların ultraviyole, görünür alan ve X- ışınları spektrumları incelenir. 3.1. Atomik Absorpsiyon Spektroskopisi (AAS) Atomik absorpsiyon spektroskopisi, ışın enerjisinin temel halde bulunan serbest haldeki atomlar tarafından absorplanmasını inceler. Bir atomun temel haliyle uyarılmış halleri arasındaki enerji farkları başka bir atominkinden farklı olduğundan, her atomun kendine özgü bir absorpsiyon spektrumu vardır. Absorbe edilen ışık miktarı ölçülerek, örnekte bulunan elementin konsantrasyonu tayin edilir. Atomik absorpsiyon spektroskopisi, bir analitik yöntem olarak 1960 larda geliştirilmiştir. Çok yakın geçmişte, atomik emisyon spektroskopisi (AES) ve AAS nin bir tamamlayıcısı olarak da plazma emisyon spektroskopisi birçok analizler için yeni olanaklar sağlamıştır. Atomik absorpsiyon spektrometreleri (AAS), analitik kimya laboratuvarlarında çok yaygın olarak kullanılan bir cihazdır. AAS olayları iki ana prosese ayrılır: Örnekten serbest atomların oluşturulması, Dış kaynaktan gelen ışının oluşturulan serbest atomlar tarafından absorbe edilmesidir. 3.1.1. Sistemin temel bileģenleri Atomik absorpsiyon spektrometrelerinin en önemli kısımları; analite özgü dalga boyunda ışık yayan bir ışık kaynağı (OKL), örnek çözeltisinin atomik buhar haline getirildiği atomlaştırıcı, çalışılan dalga boyunu diğer dalga boylarından ayıran monokromatör ve ışık şiddetinin ölçüldüğü dedektördür. 19
ġekil 3.1. Atomik Absorbsiyon Spektrometresi Blok Diyagramı AAS yönteminde ilk olarak, atomlaştırıcı ile örneğe ait serbest atomlar oluşturulur. Daha sonra oluşturulan bu serbest atomlar üzerine ışık kaynağından ışık gönderilerek, ışık kaynağından gelen ışının bu atomlar tarafından absorplanması sağlanır. Alevde, örneğin atomlaştırılabilmesi için ilk olarak örnek çözeltisinin aleve püskürtülmesi gerekir. Sıvı örnek, sisleştirici vasıtasıyla yüksek basınçlı bir gazla karıştırılıp ince damlacıklar şeklinde sise dönüştürüldükten sonra, aerosolleri şeklinde aleve püskürtülür. Örnek, yakıt ile birlikte aerosolleri halinde aleve girdikten sonra, çözücüsü buharlaştırılır. Çözücüsü uçurulduktan sonra geriye kalan katı madde buharlaştırılır ve atomlarına dönüştürülür. Atomlaştırma, aerosol içindeki analizlenecek maddenin temel haldeki serbest atomlarına dönüştürülmesi işlemidir. Örneğin atomlaştırılması için alevli ve alevsiz atomlaştırıcılar kullanılmaktadır. Alevli atomlaştırıcılarda, alev içine püskürtülen örnek çözeltisinin önce çözücüsü buharlaştırılır ve geriye kalan katının gaz halinde atomlarına ayrışarak atomlaşması sağlanır. Bu atomlar AAS de absorbsiyon yapan türlerdir. Alev sıcaklığı AAS de önemlidir. Tam istenen sıcaklık yanıcı/yakıcı gaz oranına bağlıdır. Alevde atomlaşma verimi bu orana bağlı olarak değişir. Her elementin atomlaşması için gerekli olan yanıcı ve yakıcı gaz türleri farklıdır. Alevli AAS de bu gaz oranı ayarlanarak, temel düzeyde bulunabilecek serbest atomların sayısı yükseltilerek, emisyon ya da iyonlaşma gibi bozucu etkiler minimuma indirilebilir. AAS de en yaygın olarak kullanılan alev hava/asetilen alevidir. Sağlanan sıcaklık birçok elementin atomlaşması için yeterlidir. Ancak aluminyum, bor, baryum, molibden, skandiyum, berilyum, 20
silisyum, talyum, vanadyum, zirkonyum, lantanid ve aktinidler gibi alevde çok kararlı ve parçalanması güç oksitlerine dönüşen elementlerin atomlaşması için, hava/asetilen yerine daha yüksek sıcaklık sağlayan azotprotoksit/asetilen alevi kullanılır. Bu yanıcı-yakıcı gaz karışımları tayin edilecek elemente bağlı olarak belirlenir ve 5 ya da 10 cm uzunluğundaki burner (alev başlığı) a gönderilerek, elemetlerin gaz halindeki atomlarına dönüştürülmesi sağlanır. 3.1.2. IĢın kaynakları AAS de dar hatlı ışın kaynakları kullanılmaktadır. Işın kaynakları olarak oyuk katot lambası (OKL), elektrotsuz boşalım lambaları (EBL) ve buhar boşalım lambalarıdır. En yaygın kullanılanı ise OKL lambalarıdır. Oyuk katot lambaları, düşük basınçta neon ya da argon gibi bir asal gazla doldurulmuş silindir biçiminde lambalardır. Katot, oyuk bir silindir şeklindedir ve analiz edilecek metal yada onun alaşımından yapılmıştır. Anot ise tungsten veya nikelden yapılmış bir teldir. Lambanın gövde kısmi pyreks, pencere kısmı kuartzdır. Lamba 30 ma akım (dc) ve 400 V gerilimde çalışır. Anot ile katot arasına gerilim uygulandığında lamba içindeki asal gaz atomları anotta iyonlaşır. Oluşan iyonlar katota çarparak yüzeydeki metal atomlarını koparır ve uyarırlar. Uyarılan atomlar temel enerji düzeyine dönerken katot elementine özgü dalga boyunca ışıma yaparlar. AAS de dar emisyon hattına sahip ışın kaynakları kullanılır. AAS ile tayinlerde primer ışın kaynağının yaydığı ışının şiddeti önemlidir. Ca-Mg, Fe-Ni-Cr gibi çoklu element oyuk katot lambaları da bulunmaktadır. Örneğin Ca ve Mg, ya da Fe, Ni ve Cr metalleri tek bir lamba ile tayin edilebilir. Genelde çoklu element lambaları, tekli element lambaları ile karşılaştırıldığında daha hassastır. Diğer metallerin spektral girişimlerini önlemek için emisyon hatlarının seçiminde dikkat etmek gerekir. OKL kadar yaygın olmasa da elektrotsuz boşalım lambaları (EBL) da AAS de bazı elementlerin tayinlerinde kullanılmaktadır. Bu lamba, düşük basınçta argon gibi inert bir gaz ile incelenen metal ya da metalin tuzunu bulunduran kapalı kuvartz bir borudan oluşmuştur. Radyo frekans uygulanarak, inert gazın iyonlaşması ve katoda çarptırılarak serbest atomların oluşturulması sağlanır. Bu atomlar lamba içinde hızlı hareket eden dolgu gazı iyonları ile çarpışarak enerji absorbe eder ve uyarılırlar. Uyarılan atomlar temel hale dönerken katot metaline özgü ışın yayarlar. Bu lambalar daha çok As, Se ve Sb gibi uçucu ve küçük dalga boylarında absorbsiyon yapabilen elementler için geliştirilmişlerdir. EBL lambalarının ışın şiddetleri OKL lambalarına göre 50-100 kat daha fazla olsa da, OKL lambaları kadar kararlı ve güvenilir değildir. 21
3.1.3. Monokramatörler AAS de monokromatör, analitin rezonans hattını, alevden veya dağınık ışıktan ayırmak amacıyla kullanılır. Genel olarak ışığın girdiği bir yarık, toplayıcı mercek ve aynalar, dalga boylarını ayıran prizma ya da şebekeler (optik ağ), odaklayıcı mercek veya aynalar ve bir çıkış yarığına (odaklama düzlemi) sahiptirler. AAS de genellikle kullanılan monokromatörler şebekeler ve optik ağ (grating) monokromatörleridir. 3.1.4. Dedektörler AAS de ışık sinyalinin elektriksel sinyallere dönüştürülmesi için dedektörler kullanılır. Dedektör olarak ışığa duyarlı bir katot, ard arda dizilmiş bir seri dinot ve en sonda yer alan bir anottan meydana gelen fotoçoğaltıcılar kullanılır. Fotoçoğaltıcılar UV ve görünür bölgenin kısa dalga boylarında Cs-Sb, görünür bölge için ise Se katot olarak kullanılır. Monokromatörden gelen bir foton katot yüzeyine çarparak elektron koparır ve bu elektron birinci dinoda çarparak buradan elektron koparır. Bu işlem diğer dinodlar üzerinde elektron sayısı katlanarak devam eder ve 12 dinot için ~2x10 7 elektron açığa çıkar. Sonuçta foton sinyali genliği oldukça yüksek olan elektronik sinyale çevrilmiş olur. 3.1.5. Atomik absorbsiyon spektrometresinde görülen giriģimler AAS de, nicel tayinlerde, örneğin derişimi standartlarla karşılaştırılarak bulunduğundan bağıl bir yöntemdir. Bu nedenle örneğin standarttan farklı olması girişimlere yol açar. Girişimler kaynaklarına göre; kimyasal, fiziksel, iyonlaşma, spektral ve zemin olmak üzere 5 kısma ayrılır. Fiziksel ve kimyasal girişimler birim hacimde oluşan temel düzeydeki atom sayısını etkiler. Zemin ve spektral girişimler ise doğrudan sinyale etki eder. 3.1.6. Alevli AAS nin diğer spektroskopik tekniklerle karģılaģtırılması Alevli AAS (FAAS) hızlı, çalışma şartları kolay ve maliyeti düşük analiz tekniklerinden biridir. Ancak tekniğin uygulamasında bazı kısıtlamalar bulunmaktadır. Örneğin analiz edilecek her element için farklı oyuk katot lambasının kullanılması en önemli dezavantajıdır. Ancak, son 1-2 yıldan beri tek lambalı analiz edilecek atomun dalga boyu ayarlanacak şekilde yeni cihazlar üretilmiştir. Ayrıca, FAAS de metalin parçalanması ve atomlaştırılması için alev kullanıldığından dolayı tayin limiti yüksek ve hassasiyeti düşüktür. Organik çözücülerin kullanımı sınırlıdır. Çünkü organik çözücüler alevde ışık yayarak, incelenen spektral hattın maskelenmesine sebep olurlar. FAAS de her bir elementin karakteristik dalga boylarını içeren 22
çoklu element lambalarına ihtiyaç duyulur. Ayrıca FAAS nin tayin limiti ICP-OES ya yakın ama ICP-MS e göre çok yüksek, dinamik aralığı ise çok düşüktür. 3.2. AAS nin Analitik Performansı ile Ġlgili Terimler IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ve ISO nun (The International Organization for Standardization) önerilerine göre bütün analitik spektroskopik yöntemlerde (alev emisyon, atomik absorpsiyon ve atomik floresans) kullanılan analitik performansla ilgili terimler ve tanımlar aşağıda özetlenmiştir. A Cx Eklenen derişim ġekil 3.2. Standart Katma Kalibrasyon Eğrisi Cx: Bilinmeyen örneğin derişimi 3.2.1. Duyarlık Standart çözeltiler için okunan absorbans değerlerinin, derişime karşı grafiğe geçirilmesiyle elde edilen kalibrasyon eğrisinin eğimi, duyarlık (S) olarak tanımlanır. A S (3.1) C Bu bağıntı, Lambert-Beer yasasına uyulduğu sürece geçerlidir ve derişimden bağımsızdır. Doğrusal olmayan kalibrasyon fonksiyonlarında, duyarlık derişimine bağlıdır. Atomik absorpsiyonda duyarlık, özel olarak analiz elementinin net %1 lik absorpsiyonuna veya 0,0044 lük absorbans değerine karşılık gelen derişim olarak tanımlanır. Bu büyüklüğe 23
karakteristik derişim de denir. Karakteristik derişim, ışın kaynağına, atomlaşma verimine ve alev sistemi gibi faktörlere bağlıdır ve aletin performansı hakkında bilgi verir. Bir cihazın veya bir yöntemin duyarlılığı, bir analit derişimindeki küçük farkları ayırdedebilme kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Duyarlığı, kalibrasyon eğrisinin eğimi ve ölçüm aracının kesinliği veya tekrarlanabilirliği sınırlar. IUPAC tarafından kabul edilen duyarlığın kantitatif tanımı kalibrasyon duyarlığı olarak yapılır. Kalibrasyon duyarlığı, ölçümün yapıldığı derişime karşı gelen noktada kalibrasyon eğrisinin eğimidir. Analitik kimyada kullanılan kalibrasyon eğrilerinin birçoğu doğrusaldır ve aşağıdaki eşitlik ile gösterilebir. Burada, S: Ölçülen sinyal C: Analitin derişimi S = mc + S bl (3.2) S bl : Doğrunun y eksenini kestiği nokta m: Doğrunun eğimi dır. Bu tür eğrilerde kalibrasyon duyarlığı derişime bağlı değildir ve m ye eşittir. 3.2.2. Doğruluk Ölçülen sonuçlar, doğal olarak gerçek kabul edilen değerlerle aynı olmalıdır. Ancak, analitik işlemlerde çeşitli hataların olması nedeniyle, gerçek kabul edilen değere ulaşmak her zaman mümkün değildir. Doğruluk, analitik işlemin, çok sayıda tekrarlanmasıyla bulunan ortalama değerin gerçek kabul edilen değere yakınlığı olarak tanımlanır ve hata ile belirtilir. Ölçümün doğruluğu, analiz elementinin referans maddeleri kullanılarak veya bağımsız ve farklı analitik yöntemin uygulanmasıyla elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak belirlenir. 3.2.3. Kesinlik Kesinlik, sonucun tekrarlanabilirliğinin bir ölçüsüdür. Çalışma şartlarında, uygulanan analitik işlemlerin tekrarlanması ile elde edilen sonuçların birbirine yakınlığı, kesinliği belirler. Kesinliğin en yaygın kullanılan ölçüsü standart sapma veya bağıl standart sapmadır. 3.2.4. Gözlenebilme sınırı (LOD) %95 güvenle gözlenebilecek en küçük derişim veya miktar olarak tanımlanan gözlenebilme sınırı, aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır. 24
C C L k (3.3) A Burada; ( C / A) : Yöntemin duyarlığının tersi, : Tanık deney ölçümlerinden elde edilen absorbans değerinin mutlak standart sapması, k : Bir katsayı dır. k, genellikle istatistiksel kesinliğe bağlı olarak %95 veya %99,7 güvenle sırasıyla 2 veya 3 olarak alınır. Derişim elde edilen sinyal büyüklüğünün bir ölçüsü olduğundan gözlenebilme sınırı doğal olarak duyarlığa bağlıdır. Ayrıca, gürültü olarak tanımlanan zemindeki değişmelere de bağlıdır. Gürültünün sebebi genellikle düşük enerjidir. Örneğin, kaynağın ışık şiddetinin analiz yapılan dalga boyunda zayıf olması ve alevin absorpsiyon yapması veya ışığı saçması sonucu ışık şiddetindeki dalgalanmalar gürültü sebebidir. Bir de elektriksel ölçüm sistemlerinden kaynaklanan gürültü vardır, fakat bu iyi tasarımlanmış cihazlarda çok düşüktür ve diğer gürültü kaynakları yanında ihmal edilebilir. 3.2.5. Tayin sınırı (LOQ) Gözlenebilme sınırından başka son yıllarda önem kazanan bir tanım da tayin sınırıdır. Normal olarak gözlenebilme sınırı yakınlarında tayin yapılamaz. Tayinin yapılabildiği derişim LOD değerinin 3-5 katıdır. Bu değere tayin sınırı denir. Tayin sınırı, tanık çözelti için ölçülen absorbans değerinin standart sapmasının yaklaşık 10 katına karşılık gelen derişim veya kütlesine karşılık gelir. 25
4. DENEYSEL KISIM 4.1. Kullanılan Aletler Bu çalışmada, ContraAA 300 model alevli AAS (Ahi Evran Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü), WTW Series İnoLab 720 model ph metre, YSI-Professional plus portatif multiparametre cihazı kullanıldı. Ayrıca örneklerin bir kısmı da Nevşehir Ticaret Borsası laboratuvarındaki ICP-AES cihaz kullanıldı. 4.2. Doğal selülozun deneye hazırlanması Kolonlarda kullanmak üzere yaklaşık 50 g doğal selüloz (Badem kabuğu) alınarak önce çelik bilyelerle öğütüldü daha sonra ölçülü eleklerde elendi. 40-100 mesh arasındaki büyüklüğe sahip selüloz, önce sırasına göre 1 M HCl, 1 M HNO 3, saf su, içinde 30 dakika sürelerle bekletildi. Sonra tekrar saf su ile yıkanıp 80 C da kuruyana kadar etüvde bekletildi. Kurutulan katı madde daha sonraki çalışmalarda kullanılmak üzere muhafaza altına alındı. 4.3. Rhizopus oryzae nın doğal selüloz üzerine tutturulması Madde 4.2 de anlatıldığı gibi hazırlanan katı maddeden 3 g alınarak, 300 mg ölü ve toz halindeki Rhizopus oryzae beher içinde 3-4 ml saf su ile cam baget yardımıyla iyice ıslatılarak karıştırıldı. Karışım 105 C da yaklaşık 60 dakika süreyle kurumaya bırakıldı. Bu işlem birkaç kez tekrarlandı ve sabit tartıma getirildi. Elde edilen Rhizopus oryzae tutturulmuş doğal selüloz, Fe(III), Mn(II) ve Zn(II) iyonlarının zenginleştirilmesinde katı faz olarak kullanıldı. 4.4. Adsorbsiyon kolonunun hazırlanması Deney sırasında üst kısımda yaklaşık 500 ml çözelti alabilen 15-20 cm boyunda 0,8 çapındaki cam büret, kolon olarak kullanıldı. Kolonlar yıkanıp temizledikten sonra kurutuldu ve alt kısma bir parça cam pamuğu yerleştirildi. Cam pamuğun üzerine Rhizopus oryzae tutturulmuş doğal selüloz katı fazından 300 mg yerleştirildi. Katı faz üzerine de bir miktar cam pamuğu yerleştirildi. Kolondan önce su, sonra 10 ml 1 M HCl çözeltisi sonra birkaç kez su geçirilerek kolon yıkandı. Her çalışmadan önce kolon, çalışılan ph da su çözeltisi geçirilerek şartlandırıldı. 26
4.5. Kimyasal Maddeler ve Çözeltiler Demir tozu, MnSO 4.H 2 O ve Zn(NO 3 ) 2.4H 2 O katı maddesinden önce 10.000 µg/ml çözeltiler uygun şekilde hazırlandı [4]. Daha sonra bu çözeltilerden sırasıyla 1000 µg/ml ve 100 µg/ml çözeltiler hazırlandı. Bütün çalışmalar bu 100 µg/ml çözeltilerden alınarak çalışıldı. Hidroklorik asit çözeltisi de, yoğunluğu 1,19 g/ml ve %37 lik derişik HCI çözeltisinden 20,7 ml alınıp 1 M lık 250 ml ye tamamlandı. Nitrik asit çözeltisi, yoğunluğu 1,14 g/ml ve %65 lik derişik HNO 3 çözeltisinden 1 M ve 2 M lık çözeltiler hazırlandı. Sözü geçen mantarın biyokütlesi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Biyoloji Bölümü nden temin edildi. Badem kabuğu (Doğal selüloz) Isparta bölgesinden toplanıp Süleyman Demirel Üniversitesi İnşaat Bölümünde çelik bilyelerle öğütüldükten sonra elendi ve kullanıma hazır hale getirildi. 4.6. ZenginleĢtirme ĠĢlemi ve Hesaplama Yöntemi En uygun deneysel şartların belirlenebilmesi için hazırlanan stok çözeltiden ph sı 2 ile 10 arasında sentetik numuneler hazırlandı. Çalışıldığı ph da kolondaki katı faz ayni ph ya şartlandırıldı. Çalışılan analitleri içeren 30 µg Fe(III) ve Mn(II) ile 10 µg Zn(II) içeren 50 ml lik sentetik çözeltiler kolondan geçirildi. Daha sonra katı faza tutunan analitler 10 ml 1 M HCI çözeltisi ile kolondan geri alındı. Kolondan tekrar 10 ml 1 M HCI geçirildikten sonra saf suyla ortam nötürleştirildi. Yukarıda açıklanan işlemler sırasıyla her ph değeri için ayrı ayrı uygulandı. Geri alınan çözeltideki metal iyonları alevli atomik absorpsiyon spektrofotometrisi ile tayin edildi. Alevli AAS ile yapılan tayinlerde kalibrasyon grafiklerinden yararlanıldı. Metal iyonların geri kazanma verimi aşağıdaki gibi hesaplandı: % Geri Kazanma Verimi: [AAS ile bulunan metal iyon derişimi (µg/ml)] / [teorik olarak bulunması gereken derişim (µg/ml)] X 100 4.7. ZenginleĢtirme Ġçin En Uygun ġartların Belirlenmesi Bu çalışmada, önce her bir metal iyonu için ayrı ayrı en yüksek geri kazanma veriminin sağlandığı ph lar belirlendi. Sonra, en yüksek geri kazanma veriminin sağlandığı ph lar ve uygun adsorben miktarı belirledikten sonra, geri kazanma verimini etkileyebilecek diğer faktörlerin araştırılmasına geçildi. Sırasıyla çözelti hacminin etkisi ve akış hızının etkisi incelendi. Daha sonra, belirlenen en uygun şartlarda sonuçların tekrarlanabilirliği de araştırıldı. 27