Atomik Floresans Spektroskopisi ve Uygulamaları

    Sürekli veya kesikli bir ışık kaynağı tarafından yayılan ışımanın absorblanması ile uyarılan atomların uyarılmış enerji düzeyinden temel enerji düzeyine dönerken yaydıkları ışımanın ölçülmesi ilkesine dayanan yönteme atomik floresans spektroskopisi denir.

    1960’lı yıllardan itibaren atomik floresansa dayanan analitik metotlar üzerinde çalışılmaya başlanmıştır. Bu çalışmalardan atomik floresans tekniğinin elementlerin kantitatif tayini için uygun olduğu görülmüştür. Fakat atomik floresans spektroskopisi atomik absorbsiyon ve atomik emisyon kadar yaygınlaşmamıştır. Bunun nedeni bu tekniklerin atomik floresans spektroskopisi tekniğinden çok daha önce bulunup yaygınlaşması ve atomik floresans cihazlarının daha pahalı ve kullanımlarının güç oluşudur.

    Floresans Çeşitleri:

    Atomik floresansın beş önemli türü vardır. Bunlar:

  1. Rezonans floresans
  2. Direkhat floresans
  3. Basamaklı floresans
  4. Isısal destekli floresans
  5. Multifoton floresans

Yayılan ışımanın absorblanan ışıma ile aynı dalga boyunda olduğu floresans türüne rezonans floresans denir (Şekil-1a). Uyarılmış enerji düzeyindeki atomun ışıma yaparak ilk uyarıldığı enerji düzeyinden daha yüksek enerjili bir düzeye dönmesi sonucu ise direk hat floresans gerçekleşir. Bu durumda yayılan floresans ışımanın dalga boyu, absorblanan ışımanın dalga boyundan daha büyüktür. Floresansın bu türüne Stokes floresansı adı verilir. (Şekil (1-b)’de uyarılmış durum rezonans floresansı, şekil (1-c)’de stokes direk hat floresansı ve şekil (1-)’de uyarılmış stokes direk hat floresansı görülmektedir.

Atomların temel düzeye dönüşü başka bir foton yayılması veya ışımasız bir prosesle gerçekleşir. Basamaklı floresans olarak adlandırılan üçüncü floresans türünde uyarılmış enerji düzeyindeki atomun ışımasız yoldan daha düşük bir enerji düzeyine geçişi ve bu yüzden temel düzeye dönerken yaydığı floresans ışıması söz konusudur. Şekil (2-a)’da stokes basamaklı floresans, şekil 2b’de uyarılmış stokes basamaklı floresans görülmektedir.

Bazı durumlarda uyarılmış enerji düzeyine çıkarılan atom, yüksek enerjili taneciklerle yaptığı çarpışmalarla daha yüksek enerjili bir uyarılmış düzeye çıkabilir. Floresans ışıması atomun ya bu uyarılmış düzeyden temel düzeye yada temel düzeyin üstünde bir enerji düzeyine dönmesi sırasında yayılır. Her iki durumda da yayılan ışımaya ısısal destekli floresans adı verilir. Yayılan ışımanın dalga boyu abdorblanan ışımanın dalga boyundan büyük veya küçük olabilir. yayılan ışımanın, absorblanan ışımadan daha küçük dalga boyunda olması anti-stokes floresans türüdür. Şekil 3a ve 3b’de ısısal destekli floresans türü görülmektedir.

Multifoton floresans türünde ise iki yada daha fazla foton tarafından uyarılmış düzeye geçen atom daha sonra foton yayarak temel düzeye geçer. Şekil 4’te multifoton floresans türü görülmektedir.

Atomik floresans spektroskopisi yönteminde nicel analiz için genellikle rezonans floresans türü kullanılır.

Atomik floresans spektroskopisi yönteminde, yayılan floresans ışımasının şiddetini tanımlayan eşitliklerin türetilmesinde, uyarmayı sağlayan ışık kaynağının türü ve atomlaştırıcı içindeki analiz elementi atomlarının derişimi önemlidir. Eğer sürekli ışık kaynağı kullanılıyorsa, atomlar aynı anda birden fazla uyarılmış enerji düzeyinde bulunabilirler ve birden fazla floresans hattı gözlenir. Birçok atomlaştırıcıda, atomlar temel enerji düzeyinden uyarılmış enerji düzeylerine çıkarlar, fakat başka enerji düzeylerinden başlayan geçişlerin de gerçekleşme olasılığı vardır. Ayrıca, uyarılmış düzeye çıkan atomlar, enerjilerini ışımasız yollardan da kaybedebilirler. Bütün bu faktörler, atomik floresans spektroskopisi yönteminde floresans şiddeti ile ilgili eşitliklerin türetilmesini güçleştirir. Bu nedenle eşitliklerin türetilmesinde bazı varsayımların yapılması gerekir. Bunlar, atomun tek bir uyarılmış enerji düzeyine uyarıldığı, uyarılmanın sadece temel düzeyden olduğu ve floresans ışımasının bu uyarılmış düzeyden temel düzeye geçiş sırasında yayıldığı, yani ışımasız geçişlerin olmadığı ve sadece rezonans floresans türünün gerçekleştiğidir. Ayrıca, atomların örnek hücresinde homojen olarak dağıldığı, hücrenin her yerinde sıcaklığın aynı olduğu ve hücre içinde termodinamik dengenin kurulduğu kabul edilir.

Floresansın gerçekleşebilmesi için, elementin ışık kaynağından enerji absorplaması gerekir. Sonuç olarak, floresans ışıması şiddeti, F, atomlaştırıcı hücre içindeki atomların absorpladıgı toplam güç, P. ile doğru orantılıdır. Absorpsiyonun gerçekleşmesinden sonra, uyarılmış enerji düzeyine çıkan atomların tümü floresans ışıması yapmaz, bunların bir kısmı ışımasız yollarla temel enerji düzeyine dönerler. Floresans güç verimi, Y, atomların uyarılmış enerji düzeyinden, temel enerji düzeyine geçişlerinde yayılan floresans ışıması gücünün (watt). absorplanan ışıma gücüne oranı olarak tanımlanır. Floresans güç verimi, kuantum verimi olarak da adlandırılır. Böylece floresans ışıması şiddeti için,

F µ YP

yazılabilir. Atomlar tarafından absorplanan güç, ışık kaynağından yayılan ışıma gücünün ve absorpsiyon hattının genişliği boyunca toplam absorpsiyon katsayısının fonksiyonudur :

Bu eşitlikte I absorpsiyon frekansında kaynaktan yayılan ışıma şiddeti olup birimi watt/m2Hz dir. ku ise, u frekansındaki absorpsiyon katsayısıdır. Toplam absorpsiyon katsayısının değeri, atomların hücre içindeki derişimi ile orantılı olduğundan, floresans ışımasının şiddeti de derişimle orantılı olarak artar.

Atomik Floresans Spektrometreleri:

Atomik floresans spektrometreleri ışık kaynağı, atomlaştırıcı, monotrokamtör yada inter referans filtreleri, dedektör, sinyal işlemcisi (şiddetlendiricisi) ve yazıcıdan oluşur.

Genel olarak iki tip atomik floresans spektroskopisi cihazı geliştirilmiştir. Bunlar dispersif ve dispersif olmayan cihazlardır.

Dispersif Cihazlar:

Dispersif bir atomik floresans cihazı başlıca şu kısımlardan oluşur.

  1. Module ışın kaynağı
  2. Atomlaştırıcı
  3. Monokromatör veya inter referans filtresi
  4. Dedektör
  5. Sinyal işlemcisi ve yazıcı

Şekil 5’te dispersif bir atomik floresans spektrometresinin şematik görünümü verilmiştir.

Atomik floresans spektroskopisi tekniğinde yayılan floresans ısımasının şiddeti uyarmayı sağlayan ışık kaynağına dik bir açıda ölçülür. Bunun nedeni, yayılan rezonans floresans ışımasının, ışık kaynağının ısıması ile aynı dalga boyunda oluşudur. Floresans sinyalinin, ısısal olarak oluşan emisyon hatlarından ayrılmasını sağlamak için, ışık örneğe bir ışık bölücü yardımıyla belirli bir frekansla gönderilir ve bu dedektör bu frekansa cevap şekilde ayarlanır.

Işık Kaynakları:

Atomik floresans spektroskopisinde düşük gözlenebilme sınırlarına inebilmek için kullanılan ışın kaynağının çok yoğun olması gereklidir. AFS’de AAS’den farklı olarak sürekli ışık kaynağı kullanılır. Çünkü yöntemin duyarlığı ışık kaynağının şiddeti ile doğru orantılıdır. en çok kullanılan ışık kaynakları ksenon ark lambasıdır. Fakat bu lambalar atomik floresans metodunun gerektirdiği kadar dar çizgi vermezler. Dolayısıyla metodun hassaslığını büyük ölçüde düşürürler.

Hg, Na, Cd, Ga, Tl ve Zn gibi uçucu elementlerin analizlerinde buhar boşalım lambaları kullanılır.

Eskiden uyarı ışın kaynağı olarak oyuk katot lambaları kullanılmaktaydı. Lambaya zarar vermeden lamba ışının akış şiddetini artırmak için lambaya akım pulslu olarak gönderilmekteydi. Bu akım şiddeti lamba devamlı olarak çalıştığı zaman verilmesi gereken akım şiddetinin üstünde bir şiddetle, dedektörde sadece pulslar esnasında sinyal vermekteydi.

AFS’de kullanılan bir diğer ışık kaynağı elektrotsuz boşalım lambalarıdır. Bu lambaların verdiği ışın demetinin şiddeti, oyuk katot lambasının verdiği ışın şiddetinden çok fazladır. Elektrotsuz boşalım lambalarının ucuz olması ve kolay yapılabilmesi nedeniyle geniş bir kullanım alanı vardır. Ancak her element için bu lambanın imal edilmemesi dezavantajdır.

AFS’de kullanılan en iyi ışık kaynağı lazerdir. Son yıllarda lazer kaynaklı atomik floresans spektrometreleri geliştirilmiştir. Ancak lazer kaynakları oldukça pahalıdır.

Atomlaştırıcılar ve örneğin cihaza verilmesi:

Atomik floresans spektroskopisinde atomlaştırıcı olarak alev yada elektrotermal atomlaştırıcılar kullanılır. AFS’de alev yada elektrotermal atomlaştırıcıların görevi analiz örneğindeki elementleri atomlaştırmak ve oluşan atomları ışın kaynağından yayılan ışımayı absorblayabilmeleri için ışık yolunda tutmaktır. Atomların ısısal uyarılmaları istenmediği için atomlaştırıcının sıcaklığı atomlaşmayı sağlayacak değerden fazla olmamalıdır. Atomlaştırma işlemi için hava-asetilen alevi veya nitroksit-asetilen alevi kullanılır.

Diğer atomik spektrometrik tekniklerde olduğu gibi ideal bir atomlaştırıcının büyük ve kararlı atomlaştırma verimliliği olmalıdır ki absorblanan ışın kısmı küçük analit derişimlerinde bile çok belirgin olsun. Bunun için atomlaştırıcı gazın içindeki atomik buharın çok seyreltik olması istenmez. Atomlaşırma verimliliği (ea) hr zaman tek olmalı ve örnek matriksinden analitteki engellemeleri önlemek için bağımsız olmalıdır. Gürültüyü azaltmak için atomlaştırıcının termal emisyonu düşük olmalıdır.

Son yıllarda ICP AFS için atomlaştırıcı olarak kullanılmaktadır. Bunun nedeni plazmanın daha iyi buharlaşma ve atomlaştırma verimliliği sağlamasıdır. Yaygın olarak çoklu element analizlerinde kullanılan nondispersif Af sisteminde atomlaştırıcı ICP’dir. Şekil 6’da ICP’nin atomlaştırıcı olarak kullanıldığı bir sistem görülmektedir. Sistem bir oyuk katot lambası, interferans filtresi ve foto çoğaltıcı tüpten oluşmaktadır. Plazma etrafına 12’den fazla bu modülden yerleştirilebilir ve oyuk katot lambalarına aynı anda pulslar gönderilir ve her bir element için ayrı bir senkronize sinyal işleyicisi bulunur.

Arsenik, solanyum gibi maddeler AFS’de hidritlerine dönüştürülerek soğuk aleve ve ısıtılmış hücrelere verilir. Analiz soğuk buharda yapılır.

AFS’nin çoklu analiz yapabilmesi her zaman için onu dikkat çekici bir teknik yapmıştır. Tek bir sürekli ışık kaynağına birçok uyarılma dalga boyu sağlar. Birden fazla ticari ışın kaynakları atomlaştırıcı etrafına yerleştirilir yada renkli lazerler kullanılarak farklı dalga boyları ayarlanır. Şekil 7’de çoklu element analizi yapabilen bir AF spektrometresinin şematik görümü verilmiştir.

Monokromatör ve Dedektör:

Hat spektrumu veren lambaların (oyuk katot lambaları, elektrotsuz boşalım lambaları ve lazerler) ışık kaynağı olarak kullanıldığı uygulamalarda, aletin monokromatörün ayırma gücünün çok büyük olması gereksizdir. Sürekli ışık kaynağının kullanılması durumunda monokromatör büyük ayırma gücüne sahip olmalıdır. AFS’de kullanılan alev atomlaşırıcıların zemin engellemelerini önlemek için ışın kaynağı ile dedektör arasına bir interferans filtresi konulur.

AFS’de dedektör olarak foto çoğaltıcı tüpler ve silisyum katı hal dedektörleri kullanılır.

Dispersif Olmayan Cihazlar:

AFS’de elektrodsuz boşalım lambası veya oyuk katot lambası uyarma kaynağı olarak kullanıldığı zaman monokromatör veya filtre gerekmez. Bunun nedeni ışının prensip olarak tek element atomları tarafından yayılmasıdır, yani ışın o elemente sahiptir. Buna göre dispersif olmayan cihazlarda bulunması gereken kısımlar sadece

  1. Işın kaynağı
  2. Atomlaştırıcı
  3. Dedektör’dür.

Böyle bir cihazın bir takım üstünlükleri vardır. Bunlar

  1. Basit ve ucuzdur.
  2. Çoklu analize uyarlanabilir.
  3. Enerji çıkışları yüksek, alınan sinyaller şiddetlidir.
  4. Kullanılan ışın demetinde başka elementlerden gelen yabancı ışınlar bulunmaz.

Engellemeler:

    Atomik floresans spektroskopisi yönteminde karşılaşılan kimyasal ve iyonlaşma engellemeleri atomik absorbsiyon spektroskopisi yöntemindeki engellemelerle aynıdır. Sürekli ışık kaynağının kullanıldığı uygulamalarda spektral engellemelerle çok daha sık karşılaşılır. Hat spektrumu veren levhaların kullanılması durumunda ise spektral engelleme, ortamda analiz edilecek elementten başka bulunabilecek bir elementin absorbsiyon hattının analiz elementlerinin hattı ile çakışması durumunda ortaya çıkar.

    Atomlaştırıcı hücre içindeki parçacıkların neden olduğu ışık saçılması atomik floresans yönteminde karşılaşılan en önemli engelleme türüdür. Özellikle grafit fırınların atomlaştırıcı olarak kullanıldığı aletlerde saçılma analizde ciddi sorunlar yaratır. Bunun önüne geçilmesi için uygulanan yöntemler örnek çözeltisinin içerdiği bileşenlerin standart çözeltilere de eklenmesi, analiz için saçılmanın daha az olduğu farklı bir spektral hat kullanılması ve zaman etkisinden yararlanılmasıdır.


    Analitik Uygulamalar:

    Atomik floresans spektroskopi yöntemi ile hem nitel hem de nicel analiz yapılır. Nicel analiz kalibrasyon doğrusu oluşturularak gerçekleştirilir. Rezonans floresans türünün kullanılması ile analizi yapılabilen çeşitli elementler ve analizin yapıldığı dalga boyu değerleri tablo 1’de verilmiştir.

    Tabloda görüldüğü gibi AFS tekniği bazı elementler için atomik absorbsiyon ve atomik emisyon spektrıskopisi yöntemi ile rekabet edebilecek duyarlıktadır.

    Atomik floresans spektroskopisi daha çok yağlama yağları, deniz suyu, biyolojik maddeler, grafit ve tarımsal numunelerdeki element analizlerinde kullanılır.

    Dispersif olmayan cihazlarda yapılan en önemli uygulamalardan biri toprakta ve havada civa analizidir. Civa tuzları elemantel hale getirilir ve organ buharından geçirildikten sonra gümüş ile amalgan oluşturulur. Analiz amalgamın ısıtılıp geriye kalan elemantel civa buharının cihaza verilmesi ile yapılır. 253,7 nm’de civaya ait floresans söz konusudur. Bu yöntemde civa analizinde organik maddelerin neden olduğu girişimler bakımından atomik absorbsiyon metodundan daha güvenilirdir.


Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir