Slayt 1

1. Moleküler Lüminesans Spektroskopisi
Bu bölümde, moleküler floresans, fosforesans ve kemilüminesans gibi optik
yöntemlerin birbiriyle ilişkili üç tipi üzerinde durulacaktır. Bu yöntemlerin her
birinde analit molekülleri emisyon spektrumları vermek üzere uyarılırlar. Bu
yöntemler, topluca moleküler lüminesans (Işıldama veya lüminesans, bazı
maddelerin, ısısı değişmeksizin elektromanyetik ışınım yaymasıdır.) işlemleri olarak
bilinirler. Emisyon (ışıma gücü) ise, bir molekülün yüzeyinin nispi olarak
radyasyon ile enerji yayma yeteneğidir.
Işıldamaya yol açan enerji kaynakları, elektron akışı, elektrik ya da manyetik alan,
morötesi ışınım, alfa parçacıkları salınımı şeklindedir. Bu yolla uyarılmış atomlar,
kararlı hallerine dönerken dışarıya ısı ya da elektromanyetik ışınım -ya da her ikisi
birden- yoluyla enerji verirler. Atomdaki bu uyarılma en dıştaki elektron kabuğunda
oluşur. Belirtilen şekilde uyarılan atomun en dış elektron kabuğundaki elektron
(valans ya da değerlilik elektronu), bir üst enerji düzeyine yükselir. Ancak bu enerji
düzeyi kararsız olduğundan tekrar eski enerji düzeyine düşecektir. Bu, elektronun
aldığı enerjiyi geri vermesidir ve bir foton salınımı olarak gerçekleşir.
Herhangi bir atom tarafından yayınlanan ışımanın frekansı, elektronun çekirdek
çevresindeki dönüş frekansına bağlıdır. Farklı atomların dış elektron kabuğu farklı
olduğu için salınan ışınımın frekansı da değişik olacaktır. Elektron çekirdeğe yakınsa
dönüş frekansı artacaktır. Bunun sonucunda da yayınlanan ışımanın frekansı da yüksek
olacaktır.
Uyarılmış molekülün temel enerji düzeyine dönerken ışık yaymasına genel olarak
fotolüminesans denir. Uyarılma enerjisi bir kimyasal tepkimeden karşılanırsa buna da
kemilüminesans denir.
Işıldama ile görünür ışık yayılması (fotolüminesans) olayının gerçekleşme süresine göre
(yani elektronun temel enerji düzeyine geri dönmesi için geçen süre) sınıflandırılması
ise aşağıdaki gibidir :
Flüro ışıldama (Fluoresans) : t < 10-8sn
Fosfor ışıldama (Fosforesans) : t > 10-8sn
Floresansı, fosforesanstan ayıran floresanstan sorumlu elektronik enerji aktarımının
elektronun spininde bir değişiklik oluşturmamasıdır. Bu yüzden floresans hemen yok
olan bir lüminesans iken (<10-5 s), fosforesans birkaç saniye gibi oldukça uzun
sürelerde olur.
Birçok durumda, fotolüminesans emisyonu, onu uyarmak için kullanılan
ışımanınkinden daha uzun dalga boyundadır.
Elektron Spini
Pauli dışarlama prensibine göre, bir orbitalde iki elektrondan daha fazla elektron
bulunamaz ve bu iki elektron da zıt spinli olmak zorundadır. Bu şartlar altında,
moleküllerin çoğu, durgun manyetik alan tarafından ne çekilir ne de itilirler
(diamanyetik). Buna karşılık, eşleşmemiş elektronlar içeren serbest radikallerin bir
manyetik momenti vardır ve bunun sonucu olarak bir manyetik alan tarafından
çekilirler. Bu yüzden serbest radikaller paramanyetik olarak adlandırılır.
Singlet/ Triplet Uyarılmış Haller
Bütün elektron spinlerinin eşleşmiş olduğu bir moleküler elektronik hal; temel
singlet hal olarak adlandırılır ve molekül bir manyetik alana maruz bırakıldığında
elektronik enerji seviyelerinde hiçbir yarılma meydana gelmez.
Bir molekülün bir çift elektronundan biri daha yüksek bir enerji seviyesine uyarılırsa
ya uyarılmış singlet hal ya da uyarılmış triplet hal meydana gelir. Uyarılmış
singlet halde, uyarılmış elektronun spini hala temel haldeki elektron ile eşleşmiş
durumda, bununla beraber, triplet halde, iki elektronun spinleri eşleşmemiş durumda
ve böylece birbirlerine paralel durumdadırlar.
Bir molekülün uyarılması, biri l1 dalga boyunda (S0 → S1) ve ikincisi de daha kısa
dalga boyunda, l2 (S0 → S2) civarında merkezileşmiş iki ışın bandının absorpsiyonu
ile meydana gelebilir.
Temel hale dönüş floresans ve fosforesans ile olabildiği gibi, ışımasız da (dalgalı
oklar) olabilir.
----------------------------------------------------
Sönüm (durulma) işlemleri
Uyarılmış molekülün temel hale geçişi ışımalı (fotolüminesans) ya da ışımasız
olabilir. Temel hale geçişte en tercih edilen yol, uyarılmış halin ömrünü en az yapan
yoldur. Işımasız sönümler, titreşimsel durulma, iç dönüşüm, dış dönüşüm ve
sistemler arası geçişler şeklinde gerçekleşir. Işımalı geçiş gösteren molekül sayısı,
ışımasız geçiş gösteren moleküllere göre oldukça azdır.
Floresans ve fosforesansı Etkileyen Değişkenler:
1. Kuvantum Verimi
Lüminesans yapan moleküllerin sayısının toplam uyarılmış molekül sayısına
oranıdır. Floresein gibi oldukça floresans bir molekül için bazı şartlar altındaki
kuvantum verimi bire yaklaşır. Önemli derecede, floresans yapmayan kimyasal türler
ise sıfıra yakın verimlere sahiptir.
kf = floresans bağıl hız sabiti
ks = sistemler arası geçiş bağıl hız sabiti
kf

kf  ks  kdd  kid  köa  ka
kdd = dış dönüşüm bağıl hız sabiti
kid = iç dönüşüm bağıl hız sabiti
köa = ön ayrışma bağıl hız sabiti
ka = ayrışma bağıl hız sabiti
2. Kuvantum Verimi ve Geçiş Tipi
s  s* geçişleri, genelde 250 nm’nin altında nadiren gözlenir. Çünkü bu enerji,
molekülün ayrışma ve ön ayrışmasına sebep olur.
Genelde gözlenen geçişler; p  p* ve p  n* geçişleridir.
p  p* geçişinin kuvantum verimi, p  n* geçişinin kuantum veriminden daha
büyüktür. Çünkü;
1. p  p* geçişlerinde e, 10-1000 kat daha büyüktür.
2. p  p* geçişi p  n* geçişine göre daha kısa sürede olur.
3. Floresans ve Yapı
En şiddetli ve en faydalı floresans, düşük enerjili
geçişlere sahip aromatik fonksiyonel gruplar içeren
bileşiklerde görülür. Alifatik ve alisiklik karbonil
grupların veya çok sayıda konjüge çift bağlı yapılar
içeren bileşikler de floresans gösterir.
piridin
pirol
Piridin ve pirol gibi heterosiklik bileşikler ise
floresans göstermezler. Ancak bunların benzen ile
kondanse olmuş türevleri (kinolin ve indol gibi)
floresans gösterirler.
kinolin
indol
4. Yapısal Rijitliğin Etkisi
Rijit yapılara sahip moleküllerde floresans daha fazladır. Çünkü rijit olmayan bir
molekülün bir kısmının yapacağı titreşim hareketi şüphesiz bazı enerji kayıplarına
sebep olur.
Floren Φ=1.0
Bifenil Φ=0.2
5. Sıcaklık ve Çözücünün Etkisi
Kuvantum verimi sıcaklık artmasıyla azalır. Çünkü sıcaklık arttıkça çarpışmalar artar.
Sonuçta dış dönüşüm ihtimali artar ve floresans ihtimali azalır. Benzer şekilde vizkoz
çözücülerde ise floresans verimi yüksektir.
6. pH’nın Etkisi
Asidik veya bazik fonksiyonel grup ihtiva eden bir aromatik bileşiğin iyonlaşmış ve
iyonlaşmamış halleri için, dalga boyu ve emisyon şiddetinin her ikisi de farklıdır.
7. Derişimin Etkisi
Floresans şiddeti (F), düşük derişimlerde derişim ile orantılıdır.
Floresans ve Fosforesans Ölçümü için Cihazlar
Fotolüminesans ölçülmesi için kullanılan cihazların çeşitli bileşenleri, UV-GB için
kullanılanlarla benzerdir. Numuneden gelen ışın bütün yönlere doğru olur. Fakat en
uygun şekilde floresans, uyarma ışınına dik açıdan gözlenir; diğer açılarda çözeltiden
ve hücre duvarlarından oluşan saçılma, şiddet ölçümünde büyük hatalara sebep
olabilir. Yayılan ışın, ölçme için floresansı ayıran bir filtreden veya monokromatörden
geçtikten sonra dedektöre ulaşır. Referans ve numune fotoçoğaltıcı tüplerden gelen
sinyaller bir fark yükselticisine gönderilir.
Kaynak
filtre
numune
Işın şiddetini
azaltıcı
filtre
dedektör
dedektör
yükseltici
Bir alan florometresi. Su içindeki klorofil
için dedeksiyon limiti ppb, sudaki ham
petrol için ise ppm seviyelerindedir.
(Klorofil A: C55H72O5N4Mg)
Fotolüminesans Uygulamaları
Floresans ve fosforesans yöntemleri absorbansa dayalı spektrofotometrik ölçümlerden
daha düşük derişim aralıklarına uygulanabilir ve en duyarlı analiz tekniklerinden
biridir. Floresans emisyonunun gücü (F), sistem tarafından absorplanan uyarıcı demetin
ışın gücü ile orantılıdır.
F = K’(P0 - P)
Sabit P0’da ise,
F = 2,3K’ebcP0
F = Kc
olur.
P0: çözeltiye gelen ışının gücü
P: b uzunluğundaki bir ortamdan geçtikten sonraki ışının gücü
K’: Floresans olayının kuvantum verimine bağlı bir sabit
Görüldüğü gibi kaynağın gücü sabit iken ya da kaynağın gücünden bağımsız olarak
fotolüminesans ölçülebilir. Bir florometrik yöntemin duyarlılığı P0 artırılarak
artırılabilir.
Buna karşılık, bir absorbans ölçümü P0 ve P’nin her ikisinin de değerlendirilmesini
gerektirir. Çünkü derişime bağlı olan absorbans bu iki büyüklük arasındaki orana
bağlıdır. Buna göre spektrofotometride, P0’daki artış P’de orantılı bir değişme yapar ve
absorbansı etkilemez.
Ancak fotolüminesans yöntemlerinin kesinlik ve doğruluğu, absorpsiyona dayalı
spektrofotometrik yöntemlerden daha düşüktür.
Hem kalitatif hem de kantitatif analizde fotolüminesans uygulamaları vardır. Ancak
fotolüminesans yöntemleri, kantitatif analizde UV-GB absorpsiyon yöntemlerinden
daha az uygulanır. Çünkü UV-GB ışını absorplayan türler, fotolüminesans
gösterenlerden çok daha fazladır.
Kemilüminesans
Kemilüminesansın analitik kimyaya uygulanması bağıl olarak son yıllarda gelişmiştir.
Kemilüminesans oluşturan kimyasal reaksiyonların sayısı azdır ve bu yüzden işlem
bağıl olarak az sayıdaki tür ile sınırlıdır. Ancak gözlenebilme sınırı ise milyarda birdir.
Bir kimyasal reaksiyon, temel hale dönerken, ışık yayan veya enerjisini daha sonra
emisyon yapacak başka bir türe aktaran, elektronik olarak uyarılmış bir tür verdiği
zaman kemilüminesans meydana gelir.
Azot monoksit tayini:
NO + O3  NO2* + O2
NO2*  NO2 + h l (600 - 2800 nm)
Dipol moment yük merkezleri arasındaki uzaklık ve yük farkının büyüklüğündeki
farka bağlıdır. Genelde titreşimsel ve dönmesel dipol momentinde net bir değişiklik
olmayan O2, N2 ve Cl2 gibi homonükleer türler IR radyasyonunu absorplamazlar.
IR ışınları UV, GB ve X-ışınları ile ilgili incelenen elektronik geçişlerin hepsini
oluşturacak kadar enerjili değildir. Bu nedenle, IR ışınının absorpsiyonu, çeşitli
titreşim ve dönme halleri arasındaki enerji farklarının küçük olması yüzünden daha
çok moleküler yapılarla sınırlıdır.
Dönmesel geçişler daha az enerji gerektirdiği için bu geçişler 100 mm’den büyük
dalga boylarında olur. Katı ve sıvıları oluşturan moleküllerde dönme olmadığından bu
hallerde alınan spektrumlar sadece titreşimsel geçişleri yansıtır.
Moleküllerde Titreşim Tipleri
Moleküller iki tür titreşim yapar:
1. Gerilme (atomlar arasındaki uzaklığın değişmesi)
Simetrik
H
Asimetrik
H
C
H
C
H
2. Eğilme (iki bağ arasındaki açının değişmesi)
Makaslama
H
Sallanma
H
C
C
H
H
Düzlem içi
Burkulma
Salınma
H
H
C
C
H
H
Düzlem dışı
Formaldehitteki CH2’nin hesaplanmış IR absorpsiyon bantları
Görüldüğü gibi gerilme titreşimlerine karşılık gelen absorpsiyon bantları, eğilme
titreşimlerine karşılık gelen absorpsiyon bantlarından daha yüksek frekansta çıkmıştır.
Bir molekülde N tane atom varsa 3N tane hareket yapar. Bu hareketler şunlardır:
1. Molekülün uzayda bir bütün olarak hareketi (ağırlık merkezinin ötelenmesi)
2. Ağırlık merkezi etrafında molekülün bir bütün halinde hareketi
3. Moleküldeki her bir atomun diğer atomlara göre bağıl hareketi yani moleküldeki
atomların bireysel titreşimleri
Bütün moleküller için 3 tane öteleme vardır.
Doğrusal moleküller 2 tane dönme yapar.
Açısal moleküller ise 3 tane dönme yapar.
Öteleme ve dönme hareketleri 3N’den çıkarılırsa titreşim sayısı bulunabilir:
Doğrusal molekül, 3N-5 titreşim yapar.
Açısal molekül ise, 3N-6 titreşim yapar.
Kuantum teorisine göre titreşimsel geçiş kuantlaşmıştır. Yani titreşimsel geçiş Dn =
±1 durumunda gerçekleşir. Ancak yüksek titreşim enerji düzeyinde bulunan
moleküller için Dn = ±2 veya ±3 geçişleri gözlenebilir. Bu da pik sayısının
beklenenden fazla olmasına sebep olur.
Optikçe aktif maddeler (enantiyomerler) hariç iki farklı molekül aynı IR spektrumu
vermez.
Üç atomlu doğrusal moleküllerin yapabileceği titreşim hareketleri:
CO2’in Titreşimi
Dipol moment değişmez
Dipol moment değişir
Dipol moment değişir
Üç atomlu açısal moleküllerin yapabileceği titreşim hareketleri:
H2O’nun Titreşimi
IR Uygulamaları
1. Kalitatif Uygulamalar
Erime noktası, kaynama noktası elementel analiz sonuçları ve kırılma indisi gibi
bilgilerle birlikte kullanıldığı zaman infrared spektrumları maddenin nitel analizi
açısından vazgeçilmez bir bilgi kaynağıdır.
a) Grup frekans bölgesi:
C=O, C=C, C-H, C≡C veya O-H
gibi grupların IR absorpsiyon
frekansları nerdeyse değişmez.
Bilinmeyen maddelerin infrared
spektrumları şüphelenilen
maddelerin aynı koşullarda
çekilen spektrumları ile veya
kataloglarda bulunan
spektrumlarla karşılaştırılır.
Titreşim frekansını moleküldeki
hidrojen bağları, konjugasyon
(çift bağlar) ve rezonans etkiler.
b) Parmak izi bölgesi:
IR bölgesinin 1200 cm-1 – 700 cm-1 dalga sayısı aralığı tamamen moleküle özgü
molekül yapısından etkilendiğinden bu aralığa parmak izi bölgesi denir.
Bu IR spektrumu butanole (CH3CH2CH2CH2OH) aittir.
Saf sıvının spektrumunda 3350 cm-1 de gözlenen bant hidrojen bağı yapmış O-H
gerilme titreşimine aittir.
Ayrıca spektrumdaki 1380 cm-1 ve 1480 cm-1 deki bantlar, C-H eğilme, 2900 cm-1
deki bant C-H gerilme ve 1180 cm-1 ile 1120 cm-1 deki bantlar C-O gerilme ve O-H
eğilme bantlarıdır.
2. Kantitatif Uygulama
IR spektroskopisi ile kantitatif analiz yapmak UV-Görünür bölgeye göre
zordur. Çünkü,
• Oluşan bantların dar olması
• Spektrumların kompleks oluşu
• Düşük giriş sinyali
• Dedektörlerin hassasiyetinin düşük oluşu
• Çözücü absorpsiyonu
gibi etkenler Beer kanunundan sapmalara sebep olur.
İnfrared Cihazları
Işık Kaynakları:
İnfrared ışın kaynakları, elektrikle 1500 ile 2000 K'e kadar ısıtılabilen inert
katılardır. Bir siyah cisminkine yakın sürekli bir ışıma oluşur. Bu sıcaklıklardaki
maksimum ışın şiddeti 5000 ile 5900 cm-1 (2 ile 1,7 mm) arasında olur. Uzun dalga
boylarında şiddet, 670 cm-1(15 mm)'de maksimum değerinin yaklaşık % 1 ine kadar
düzenli olarak düşer. Kısa dalga boylu kısımda ise, düşüş daha hızlıdır ve şiddetteki
benzer bir azalma 10000 cm-1 (1 mm) civarında gözlenir.
1. Nernst Çubuğu
1-2 mm çaplı ve 20 mm uzunluğunda silindir halde nadir toprak elementlerinin
oksitleridir. Sistemden akım geçince 1200-2200 K arası sıcaklık meydana gelir.
2. Globar Kaynağı
50 mm uzunluğunda 5 mm çapında olan ve elektrik arkını engellemek için su
soğutmasına sahip silikon karbür teldir. Elektrik akımı ile 1300-1500 K arası
sıcaklık meydana gelir.
3. Nikron Tel
Nikel –krom alaşımı teldir. Elektrik ile 1100 K’e kadar sıcaklık oluşturulabilir.
Ayrıca cıva ark lambası (uzak IR, λ>50 mm) ve tungsten telli lamba da (yakın IR,
4000-12800 cm-1) ışık kaynağı olarak kullanılır.
İnfrared Dedektörleri:
IR’de genellikle zamana bağlı olarak, sıcaklıktaki değişimi tespit eden termal
dedektör sistemleri (termoçiftler, bolometreler, piroelektrik transduserler) ve ayrıca
fotoiletken dedektörler kullanılır.
1. Termal dedektörler
Işının ısıtma etkisine bağlı olan bu dedektörler en kısa dalga boylu infrared dalga
boyları hariç, infrared dalga boylarının hepsini tayin etmek için kullanılırlar.
Bu düzeneklerde ışın küçük bir siyah cisim tarafından absorplanır ve oluşan sıcaklık
yükselmesi ölçülür. En iyi şartlar altında, sıcaklık değişmeleri binde birkaç Kelvin
aralığındadır.
2. Fotoiletken dedektörler
Yakın IR bölgedeki (0.75-3 mm) ışınların taranmasında kullanılan en duyarlı
dedektörler bu bölgedeki ışınları absorpladığında direnci düşen yarıiletkenlerdir.
İnfrared fotoiletken dedektör, iletken olmayan bir cam üzerine PbS ve HgCdTe
yarıiletken maddelerin ince bir film halinde kaplanmasıyla hazırlanmıştır.
Işının bu malzemeler tarafından absorpsiyonu iletken olmayan değerlik
elektronlarını yüksek enerjili iletken seviyeye çıkarır ve böylece yarıiletkenin
elektriksel direnci azalır.
Monokromatörler:
Optik ağ veya prizmalar kullanılır. İyi bir ayırma için 2 optik ağ birlikte
kullanılmalıdır. Bunların birinde mm’de 300 çıkıntı vardır ve 2 μm ile 5 μm
arasındaki dalga boylarını ayırır. Uzun dalga boylarında mm’deki çıkıntı sayısı azalır.
Fourier dönüşümlü (FT) IR spektroskopisinde
monokromatör yoktur. Monokromatörün
yerine interferometre denilen aynalar
kullanılır.
FT-IR’de tüm frekansların aynı anda numune
ile etkileşmesi sağlanır ve tüm frekansları
kapsayan bu bilgilerin zamanla değişimi
izlenir. Zaman ölçeğindeki spektrum birçok
kez elde edilir ve bu bilgi depolanarak toplam
sinyal elde edilir. Başka bir deyişle klasik IR
spektroskopisi frekans bağımlı iken FT-IR
spektroskopisi zaman bağımlıdır. Zaman
ölçeğinde alınan data, daha sonra frekans
ölçeğine çevrilir.
FT-IR’nin en önemli avantajı, optik elemanı
az olduğu için sinyal/gürültü oranı (S/N) daha
büyüktür.
Numune Hazırlama:
İnfrared spektroskopisi ile gaz, sıvı ve katı numuneler incelenebilir. Numune kabı
penceresi olarak infrared bölgesinde geçirgen olduğu bilinen alkali halojenürler
(NaCl, KBr) kullanılır.
Numune katı halde ise, çok ince toz haline getirilmiş birkaç mg ağırlığındaki katı
numune birkaç yüz mg kuru KBr ile iyice karıştırılır ve bir preste birkaç tonluk
basınç uygulanarak 0,5 mm kalınlığında ve 1 cm çapında bir tablet haline getirilir.
Bazı katıların infrared spektrumları kırılma indisi yüksek bir malzeme içinde ışığın
tam yansımasından yararlanılarak değişik bir biçimde elde edilebilir. Bu uygulamada
genellikle ZnSe kristali kullanılır.
Çözelti hazırlanacaksa, çözücü seçimi önemlidir. İnfrared bölgesinde ışığı
absorplamayan çözücü olmadığı için çözücü seçiminde dikkatli olmak gerekir. Bu
bölgede en uygun çözücüler, polar olmayan ve hidrojen içermeyen CS2 ve CCl4 gibi
çözücülerdir. CS2 1350 cm-1 - 400 cm-1 arasında CCl4 ise 4000 cm-1 ile 1335 cm-1
arasında geçirgendir. Su, infrared spektroskopisinde kullanılması uygun olmayan bir
çözücüdür.
Numune sıvı halde ise, numune bir KBr tabletinin üzerine damlatılır. Bunun üzerine
de başka bir KBr kapatılarak sıvı film haline getirilir.
Gazların infrared ölçümleri ise, pencereleri uygun malzemeden yapılmış ve uzun
silindir biçimindeki kaplarda gerçekleştirilir.