ÖZEL EGE LİSESİ ÇEVRESEL BOR KİRLİLİĞİNİN MİSELLİ ORTAMDA AZOMETİN-H İLE FLORİMETRİK TAYİNİ Erinç MERDİVAN Yalım BENİBOL İZMİR-2006
İÇİNDEKİLER Giriş... 2 Projenin Amacı... 2 Yöntem... 3 Doğal sularda,vişne ve portakal suyunda bor tayini... 4 Tartışma ve sonuç... 4 Floresans ve soğurma spektrumlarının karakterizasyonu... 4 Sulu ortamda misel etkisi... 5 Kalibrasyon doğrusu... 6 Soljel matriksinde misel etkisi... 7 Uygulamalar ve doğruluk... 8 Değerlendirme... 8 Kaynaklar... 10 1
ÇEVRESEL BOR KİRLİLİĞİNİN MİSELLİ ORTAMDA AZOMETİN-H İLE FLORİMETRİK TAYİNİ Yerkabuğunun yaygın elementlerinden olan bor insan, hayvan ve bitki için önemli bir elementtir. Yeterli görülen derişim aralığının üstündeki değerlerde ise bor zehir etkisi göstermektedir. Bor, insan ve hayvan dokularında düşük derişimlerde bulunur. Hayvan hücresinde bulunan miktarı yaklaşık 1 mg B/L kadardır (Barr ve ark., 1993). İçme suyu 1 mg/l den fazla bor miktarını nadiren içerir ve genelde 0,1 mg/l den az bor bulundurur (Rajakovic & Ristic, 1996). Dünya Sağlık Örgütü insanın alması gereken bor miktarını uzun yıllar gün başına 1-3 mg/kg ile sınırlamıştır, ancak son zamanlardaki araştırmalarda bu miktar gün başına 1-13 mg/kg olarak belirtilmektedir. Bor elementi çelik ve cam sanayi için önemlidir. Ayrıca, bor nükleer reaksiyonlarda termal reaktif olarak da yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Sah & Brown, 1997). Bor çeşitli spektrofotometrik yöntemler ile tayin edilmektedir. Pek çok spektrofotometrik yöntem, borun spesifik bir reaktif ile renkli bir kompleks oluşturmasına dayanmaktadır. Bu amaçla spesifik reaktif olarak kurkumin ( Thangavel ve ark., 2004)), karmin (Pan&Zheng, 2000), azometin-h (Rump ve Krist, 1992), kuinalizarin, arsenazo, kristal moru (Garcia ve ark., 1985) kullanılmaktadır. Kurkimin yönteminde çeşitli elementler ve yükseltgeyiciler girişimde bulunduğundan boronun damıtma ile matriksten ayrılması gerekir. Karmin yönteminde boron ile reaktif arasındaki reaksiyon yavaşlığı ve ortamda yükseltgeyicilerin bulunması girişime neden olur. Diğer reaktiflerin ise duyarlılıkları düşüktür. Azometin-H yöntemi ise borun spektrofotometrik tayininde kolay, basit, hassas, girişimlerin az olması nedeni ile yaygın olarak kullanılanıdır. Kolorimetrik yöntemlerin yanı sıra florimetrik (Economou ve ark., 2004), atomik absorpsiyon (Burguera ve ark., 2001) ve atomik emisyon (Okamato ve ark., 2005) ve kütle spektrometrisi (Manoravi ve ark., 2005) yöntemleri de kullanılmaktadır. Bor derişiminin belirlenmesine yönelik spektrofotometrik çok sayıda çalışma bulunmasına karşın, florimetrik yöntemle yapılmış çalışma sayısı oldukça sınırlıdır. Bu nedenle bor tayininde, spektroflorimetrik azometin-h yönteminin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Geliştirilen yöntem ile miselli ortamda hem sıvı fazda (sulu ortam) hem de katı fazda (sol jel matriksi) çalışılarak çok düşük bor derişimleri belirlenebilecektir. Ayrıca, bor tayini için azometin-h ın kemosensör olarak kullanılabilecek özellikte olması çalışmanın önemini arttırmaktadır. PROJENİN AMACI Çeşitli bor madenlerinden ya da endüstrilerinden, yıkama sularından ve sulama sularından yüksek derişimde bor, toprağa ve yeraltı sularına karışmaktadır. Yüksek derişimdeki bor insan sağlığını tehdit etmektedir. Bu yüzden sularda ve çeşitli yiyeceklerdeki bor miktarının tayini önemlidir. Borun spektrofotometrik tayininde yaygın olarak kullanılan azometin-h yönteminde, azometin-h ile bor arasındaki kompleks oluşumunun yaklaşık 180-210 dakikada gerçekleştiği bilinmektedir. Bu çalışmadaki amacımız ise, sulu çözeltide bor tayinini, floresans özelliğe sahip olan azometin- H ile spektroflorimetrik olarak gerçekleştirmek, çeşitli yüzey aktif maddeler (miseller) kullanarak kompleks oluşum süresini kısaltmak ve eser düzeyde bor derişimini tayin edebilmektir. Ayrıca bor tayinini, sulu ortamın yanı sıra azometin-h ın fotokararlılığını arttırmak için immobilize faz olan sol-gel matriks ile de gerçekleştirerek sıvı ve katı faz ortamını karşılaştırmak ve böylece azometin-h ın kimyasal algılayıcı (kemosensör) olarak kullanılabilirliğini göstermektir. 2
YÖNTEM Reaktif ve Çözeltiler Bor stok çözeltisi: Stok borik asit (H 3 BO 3, Fluka) çözeltisi, 71,50 mg H 3 BO 3 250 ml saf suda çözülerek 50 mg/l olarak hazırlanmıştır. Çalışma çözeltileri stoktan yararlanılarak hazırlanmıştır. Azometin-H çözeltisi: 0,05 g azometin-h sodyum tuzu (C 17 H 12 NNaO 8 S 2, Fluka) ve 0,15 g L(+) askorbik asit (Merck) 5 ml saf suda çözülerek plastik kapta taze hazırlanmıştır. Tampon çözelti (ph 5,9): 0,002 M sitrik asit (Fluka) 0,01 M sodyum sitrat (Merck) karıştırılarak 100 ml ye saf suyla tamamlanmıştır. Reaktif çözeltisi: Eşit hacimde azomethin-h çözeltisi ve tampon çözeltisi analizden hemen önce karıştırılarak hazırlanmıştır. Misel Çözeltileri Sodyum dodesil sülfat (SDS)çözeltisi: 3,60 g SDS (Merck) tartılarak 250 ml ye saf su ile tamamlanarak 5x10-2 M lık stok çözeltisi hazırlanmıştır. Setiltrimetil amonyum bromür (STAB) : 0,91 g STAB (Fluka) tartılarak 250 ml ye saf su ile tamamlanarak 1x10-2 M lık stok çözeltisi hazırlanmıştır. TritonX-100: Hacimce %5 lik 100 ml lik TritonX-100 (Fluka) stok çözeltisi hazırlanmıştır. Polietilen glikol dodesil eter (Brij-35) : 5 g Brij-35 (Fluka) 100 ml saf suda çözülerek %5 lik stok çözeltisi hazırlanmıştır. Sol jel matriksi ve ince filmin hazırlanışı: 2 şer ml tetraetoksiortosilan (TEOS) ve etanol karıştırıldıktan sonra 1,5 M HCl çözeltisinden 0,5 ml eklenerek oluşan çözelti 2 saat karıştırıldı. Daha sonra 0,5 ml tritonx-100 eklendi. Azometin-H reaktif çözeltisinden 1 hacim ve hazırlanan karışımdan 3 hacim alınarak karıştırıldı. Derişik nitrik asit ile aktive edilmiş, yıkanmış, kurutulmuş cam plakalar üzerine hazırlanan karışım ile ince film çekildi ve jel üzerinde çatlaklar oluşmaması için desikatör içerisinde kuruyuncaya kadar bekletildi. Kullanılan Aletler ph metre: Çözeltilerin ph değerleri WTW InoLab ph metresi ile ölçülmüştür. ph metre asidik ortam ölçümleri için ph 4 ve ph 7 standart tampon çözeltileri ile ayarlanmıştır. Floresans spektrofotometresi: Floresans spektrumları ve şiddet ölçümleri Varian marka Cary Eclipse model floresans spektrofotometresi ile 1,0 cm lik kuartz hücre kullanılarak yapılmıştır. Yöntem A- Sulu ortam: 2 ml azometin-h lı reaktif çözeltisine 0,1-10 mg/l bor çözeltisi ve uygun hacimde misel çözeltisi eklenerek çözelti hacmi saf suyla 10 ml ye tamamlanmıştır. Karışım 416 nm de uyarıldıktan sonra 486 nm de floresansı ölçülmüştür. B- Sol jel matriksi: 0,1-10 mg/l bor çözeltisi içeren floresans hücreye azometin-h ve misel içeren sol jel filmi yerleştirilerek A yönteminde belirtildiği şekilde spektroflorimetrik ölçümler yapılmıştır. Tüm çalışmalar ikişer paralel yürütülmüştür. 3
Doğal sularda, vişne ve portakal suyunda bor tayini Jeotermal su örnekleri, İzmir Balçova Jeotermal Isı Merkezi ve Dikili Belediyesi Kaynarca Jeotermal Isı Merkezi nden, musluk suyu, Dokuz Eylül Üniversitesi Kimya Bölümü Laboratuvarları ndan, vişne ve portakal örnekleri marketlerden sağlanmıştır. Su örnekleri gerektiğinde saf su ile seyreltilerek herhangi bir ön işlem yapılmaksızın kullanılmıştır. 2 ml su veya meyve suyu örneği üzerine 2 ml azometin-h reaktif çözeltisi ve 1 ml 1x10-2 M SDS çözeltisi eklenerek karışım saf suyla 10 ml ye tamamlanarak florimetrik ölçümleri alınmıştır. TARTIŞMA VE SONUÇ Floresans ve soğurma spektrumlarının karakterizasyonu Azometin-H reaktif çözeltisinin floresans uyarma ve emisyon spektrumları Grafik 1 de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi reaktif, 416 nm de uyarma ve 483 nm de kuvvetli floresansa sahiptir. Azometin-H çözeltisinin bor çözeltisi ile oluşturduğu kompleksin floresansında belirgin bir düşme olmuştur ve emisyon dalgaboyu 486 nm ye kaymıştır. Azometin-H ve bor kompleksinin zamana karşı floresans şiddetindeki değişimi Grafik 2 de verilmiştir. Azometin-H ve bor kompleksinin 180 dakikada kararlı hale geldiği görülmüştür. Azometin-H ile borun oluşturduğu kompleksin mekanizması için, çalışmalarda çeşitli önerilerde bulunulmuştur, bunlardan en olası mekanizma Şekil 1 de verilmiştir. Borik asit, azometin-h ile reaksiyona girdiğinde, bor azometin-h ın N atomu ve iki hidroksil atomunun oksijenleri ile bağ oluşturmaktadır (Matsuo ve ark., 2004). Grafik 1. Azometin-H reaktif çözeltisinin (5,61 x 10-4 M) sulu ortamda floresans uyarma (a) ve emisyon (b) spektrumları λ uyarma = 416 nm, λ emisyon = 483 nm 4
Grafik 2. Sulu ortamda azometin-h-bor kompleks oluşum zamanının emisyon spektrumunda gösterimi. λ uyarma = 416 nm, λ emisyon = 486 nm, B: 0,5 mg/l ; a) 30, b) 60, c) 90, d) 120, e) 150, f)180 dak SO 3 - SO 3 - OH N HO + B(OH) 3 O HO B N O SO 3 - SO 3 - Azometin-H Borik asit Azometin H - Bor kompleksi Şekil 1. Azometin-H ve Bor arasındaki kompleksleşme (Matsuo ve ark., 2004) Sulu ortamda misel etkisi Sulu ortamda azometin-h ile borun kompleks oluşum süresine ve azometin-h ın floresans şiddetine misel etkisi incelenmiştir. Çalışılan miseller; (anyonik) sodyum dodesil sülfat (SDS), (nötral) tritonx-100 ve polietilen glikol dodesil eter (Brij-35) ve (katyonik) setiltrimetil amonyum bromür (STAB) dür. 5x10-4 -1x10-2 M derişim aralığındaki SDS çözeltilerinden 1-5 ml, %5 lik Brij-35 ve TritonX-100 çözeltilerinden 1-5 ml, 5x10-3 -1x10-2 M derişim aralığındaki STAB çözeltilerinden 1-5 ml arasında çalışılarak her misel için en kısa oluşum süresini ve yüksek floresans şiddetini veren en iyi derişim ve hacimleri belirlenmiştir. Kullanılan miseller ile elde edilen en uygun şartlar Tablo 1 de verilmiştir. 5
Tablo 1. Sulu ortamda azometin-h - bor kompleksine misel etkisi Misel adı Misel derişimi Misel hacmi (ml) Azometin-H-bor oluşum süresi (dak) Oluşum sırasında floresans şiddeti Foto kararlılık süresi (dak) - - - 180 190 180 STAB 5x10-3 M 1 60 350 180 Brij 35 % 5 2,5 45 225 180 TritonX -100 % 5 2,5 40 260 180 SDS 1x10-2 M 1 10 465 180 Tablo 1 de görüldüğü gibi misel kullanımı kompleksleşme süresini kısaltmış, floresans şiddetini arttırmış, foto kararlılık süresine ise etkisi olmamıştır. Ortamda misel olmadığında, kararlılık sırasında kompleksin floresans şiddeti 190 iken ortama misel ilave edildiğinde bu değerde artış görülmüştür. Nötral misellerdeki artış en az orandadır. Misel nötral olduğu için azometin-h veya bor ile etkileşimi çok düşüktür. Azometin-H ve bor bileşiklerinin birbirlerini bulma olasılıkları, ortamda büyük moleküllerin olması nedeni ile azalmış olabilir. Katyonik misel STAB, sahip olduğu bağlanma grupları nedeni ile azometin-h boyar maddesi ile elektrostatik etkileşir ve azometin-h-bor kompleksi kısmi olarak ayrışır, bu da floresans şiddetinin artmasına neden olur. Anyonik misel SDS de floresans şiddetindeki artış en yüksektir. Azometin-H SDS ile yarışarak bor ile elektrostatik etkileşime girer ve azometin-h-bor kompleksinde kısmi ayrışma olur. Buradaki ayrışma daha fazla olduğu için floresans şiddetindeki artış da daha fazla olmuştur ( Yang ve ark., 2003). Kompleksleşme STAB ile en uzun sürede (60 dak) gerçekleşmiştir. Brij-35 ve TritonX-100 ile hemen hemen aynı sürede (40-45 dak) ve SDS ile 10 dak gibi kısa bir sürede azometin-h-bor kompleksi kararlı hale gelmiştir. Yüksek floresans şiddeti ile en kısa sürede kompleks oluşumu SDS ile sağlandığı için sulu ortam çalışmalarında misel olarak SDS kullanılmıştır. Kalibrasyon doğrusu Sulu ortamda geliştirilen yöntem için borun çalışılabilecek en düşük ve en yüksek derişim aralığı 0,1-10 mg/l olarak bulunmuştur. Ancak 0,1 ve 0,25 mg/l bor derişimlerinde kompleksin oluşum süresi 30 dak, 0,5 ile 10 mg/l aralığındaki bor derişimleri için Tablo 1 de verildiği gibi 10 dak yeterli olmuştur. Elde edilen kalibrasyon doğrusu Grafik 3 de verilmiştir. Elde edilen kalibrasyon eşitliği y = -40,448 x + 486,16, regrasyon katsayısı r = 0,987 olarak bulunmuştur. 6
Floresans şiddeti 600 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 Bor derişimi (mg/l) Grafik 3. Bor kalibrasyon doğrusu Sol jel matriksinde misel etkisi Sulu ortam ile katı fazı karşılaştırmak için borun, azometin-h ile spektroflorimetrik olarak tayini sol-gel tekniği ile de gerçekleştirilmiştir. Sol jel tekniği ile gerçekleştirilen azometin-h ve bor kompleksinin zamana karşı floresans şiddetindeki değişim Grafik 4 te verilmiştir. Grafik 4. Sol jel tekniğinde azometin-h-bor kompleks oluşum zamanının emisyon spektrumunda gösterimi. λ uyarma = 416 nm, λ emisyon = 486 nm, B: 0,5 mg/l ; a) 30, b) 50, c) 60, d) 70, e) 80, f) 90 dak 7
Sol jel tekniği ile kompleksin floresans şiddetindeki değişim incelendikten sonra miselli ortamda azometin-h ile borun kompleks oluşum süresi incelenmiştir. Sol jel matriksi hazırlama tekniğinde tritonx-100 nötral yüzey aktif maddesi kullanıldığından, diğer nötral yüzey aktif maddesi Brij-35 ile çalışılmamıştır. SDS ve STAB için de sulu ortamda çalışılan derişim ve hacimler kullanılmıştır. Elde edilen en iyi şartlar Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Sol jel tekniğinde azometin-h ve bor kompleksine misel etkisi Misel adı Misel derişimi Misel hacmi (ml) Azometin-H-bor oluşum süresi (dak) Oluşum sırasında floresans şiddeti Foto kararlılık süresi (dak) - - - 90 405 330 Setiltrimetil amonyum bromür (STAB) Sodyum Dodesil Sülfat (SDS) 5x10-3 M 1 105 380 330 1x10-2 M 1 20 410 330 Azometin-H ile bor tayini sol jel tekniği ile gerçekleştirildiğinde, kompleksin kararlılığa ulaşma süresi (90 dakika) sulu ortama göre (180 dakika) daha kısadır. Kompleks kararlılığa ulaştığı andaki floresans şiddeti de daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca sulu ortamda gerçekleştirilen azometin-h-bor kompleksi 180 dakika sonra başlangıç haline geri dönerken sol jel tekniğinde bu süre 330 dakikaya yükselmiştir. Bu da sol jel in tekrar kullanılabilirliği açısından çok önem taşımaktadır. Sol jel matriks ile azometin-h ın titreşim ve dönme hareketleri engellenmekte dolayısıyla foto kararlılığı artmaktadır. Bu özellikler, azometin-h ın kemosensör olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Uygulamalar ve Doğruluk Önerilen yöntem ile çeşitli su ve gıda örneklerinde de bor tayini yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar Tablo 3 te verilmiştir. Yöntemin doğruluğu için florimetrik yöntem ile elde edilen su örneklerinin sonuçları, spektrofotometrik azometin-h yöntemi ile de bulduğumuz sonuçlarla karşılaştırılmıştır (Tablo 4) ve her iki yöntemin uyum içinde olduğu görülmüştür. Değerlendirme Borun spektrofotometrik tayininde en çok kullanılan reaktif azometin-h dır. Azometin-H bor ile 180-210 dakikada kararlı kompleks oluşturmaktadır. Azometin-H boyar bir madde olduğu için floresans özellik göstermektedir, bu nedenle çalışmada azometin-h-bor kompleksi florimetrik olarak incelenmiştir. Ancak bu yöntemde spektrofotometrik yöntemde olduğu gibi kompleks oluşum süresi 180 dakika olarak bulunduğu için yöntem misel kullanılarak geliştirilmiştir. Geliştirilen florimetrik yöntemi sıvı ve katı fazlarda denemek için hem sulu ortam hem de sol jel matriks ortamı kullanılmıştır. SDS çözeltisi ile (1x10-2 M, 1 ml) sulu ortamda kompleks oluşum süresi 10 dakika, sol jel tekniğinde ise 20 dakika olarak belirlenmiştir. Foto kararlılık sol jel tekniğinde daha yüksek bulunmuştur. Misel kullanımı floresans şiddetini arttırdığı için bor için geniş bir çalışma aralığı elde edilmiştir. Bu da çevresel su örneklerinde ve gıda örneklerindeki borun direkt analizini mümkün olabileceğini göstermektedir. 8
Tablo 3. Su ve gıda örneklerinde geliştirilen yöntem ile bor tayini Örnekler Eklenen Bor (mg/l) Bulunan Bor (mg/l) Balçova Jeotermal suyu (çıkış) - 7,95 0,05 8,01 Balçova Jeotermal suyu (geridönen) - 6,99 0,05 7,05 Dikili Jeotermal suyu 1-18,63* 0,05 4,70** Dikili Jeotermal suyu 2-20,12* 0,05 5,11** Musluk suyu - 0,16 0,05 0,22 Vişne suyu - 0,46 0,05 0,50 Portakal suyu (Kipa, Muğla yöresi) - 0,34 0,05 0,38 * örnekler 1:4 oranında seyreltilmiştir ** 1:4 oranında seyreltilmiş örneğe ekleme yapılmıştır. Tablo 4. Sularda bor tayini sonuçlarının karşılaştırılması Örnekler Florimetrik Spektrofotometrik yöntem yöntem Bağıl hata** Balçova Jeotermal suyu (çıkış) 7,95 7,65 3,92 Balçova Jeotermal suyu (geri 6,99 6,72 4,02 dönen) Dikili jeotermal suyu 1 18,63 18,02 3,38 Dikili jeotermal suyu 2 20,12 19,58 2,76 Musluk suyu 0,16 - -* Vişne suyu 0,46 0,45 2,22 Portakal suyu 0,34 - - * yöntemin tayin sınırının altında ** bağıl hata = ((x deneysel -x gerçek )/x gerçek )x 100 9
KAYNAKLAR Barr, R.D., Clarke, W.B., Clarke, R.M., Venturelli, J., Norman, G.R.,Dowing, R.G., (1993), Regulation of lithium and boron levels in normal human blood: Environmental and genetic fctors, J. Lab. Clin. Med. 121, sayfa 614-619 Burguera, M., Burguera, j.l., Rondon, C., Carrero, P., (2001), Determination of boron in blood, urine and bone by electrothermal AAS using Zr and citric acid as modifiers, Spectrochim. Acta B 56(10), sayfa 1845-1857 Economou A, Themelis DG, Bikou H, Tzanavaras PD, Rigas PG, (2004), Determination of boron in water and pharmaceuticals by sequential-injection analysis and fluorimetric detection, Analytica Chimica Acta 510 (2), sayfa 219-224 Garcia, I.L., Cordoba, M.H., Sanchez-Pedrone, C., Sensitive method for the spectrophotometric determination of boron in plants and waters using crystal violet, Analyst 110, sayfa 1435-1438 Manoravi, P., Joseph, M., Sivakumar, N., Balasubramanian, R., (2005), Determination of isotopic ratio of boron in boric acid using laser MS, Analytical Sciences 21(12), sayfa 1453-1455 Matsuo, H., Miyazaki, Y., Takemura, H., Matsuoka, S., Sakashita, H., Yoshimura, K., (2004), B NMR study on the interaction of boric acid with Azomethine H, Polyhedron 23, sayfa 955-961 Okamato, Y., Kataoka, H., Tsukahara, S., Fujimora, T., (2005), Sequential determiation of boric acid and boron nitride by electrothermal vaporisation ICP-OES, J. Analytical Atomic Spectrometry 20(5), sayfa 383-384 Pan, H., Zheng, X., (2000), To determine boron in wastewater with carminic acid spectrophotometry, Chinese Journal of Administration and Technology of Environmental Monitor 12(5), sayfa 30-32 Rajakovic, L.V., Ristic, M.D., (1996), Sorption of boric acid and borax by activated carbon impregnated with various compounds, Carbon 34, sayfa 769-774 Rump, H.H., Krist, H., (1992), Laboratory manual for the examination of water, wastewater and soil, VCH Publishers Inc., New York, sayfa 92-93 Sah, R.N., Brown, P.H., (1997), Boron determination-a review of analytical methods, Microchemical Journal 56, sayfa 285-304 Thangavel, S., Dhavile, S.M., Dash, K., Chaurasia, S.C., (2004), Spectrophotometric determination of boron in complex matrices by isothermal distillation of borate ester into curcumin, Analytica Chimica Acta 502, sayfa 265-270 Yang, R., Fu, Y., Li, L.D., Liu, J.M., (2003), Medium effects on fluorescence of ciprofloxacinhydrochloride, Spectrochim. Acta A 59, sayfa 2723-2732 10