ULTRAVİYOLE (UV) VE GÖRÜNÜR BÖLGE MOLEKÜLER ABSORPSİYON SPEKTROSKOPİSİ

ULTRAVİYOLE (UV) VE GÖRÜNÜR BÖLGE MOLEKÜLER ABSORPSİYON SPEKTROSKOPİSİ



01. Giriş
02. UV ve Görünür Bölge Absorpsiyon Spektrofotometreleri
03. Uygulamalar


01. Giriş

UV ve görünür bölgede spektrofotometrik ölçümler nitel ve nicel analizde en çok kullanılan yöntemlerden birisidir.

Ultraviolet ( morötesi ) ışınları elektromanyetik spektrumda X-Ray ile Görünür Bölge arasında yer alır. UV ışınlarının dalga boyları 100 ile 400 nm aralığındadır.
UV ışınlarının soğurulması maddede elekronik geçişlere sebep olur. (elektronik geçiş: Elektronların düşük enerjili temel hal orbitallerinden yüksek enerjili uyarılmış hal orbitallerine geçmesidir.) Soğurulan bu enerji daha sonra ısı , ışın , kimyasal tepkime olarak geri verilir.

Genellikle UV spektrofotometreler görünür bölge ile birleşik haldedir ve UV-visible olarak adlandırılırlar.
Bu tür spektrofotometreler dalga boyları 100 ile 800 nm arasında değişen ışınlarla tarama yapar. UV ve Görünür Bölge ışık kaynakları aynı sistem içinde kullanılır. Software sayesinde 100 – 400 nm arasında UV ,400 – 800 nm arasında Görünür Bölge ışık kaynağı kullanılır. Ayrıca UV-Visible spektrofotometrelerde derişimleri arasında ölçüm yapılmaktadır.
Bu sistemde ışık kaynağından çıkan ışık önce slitten geçerek ışık bölücüye kadar gelir. Burada ışık iki eşit parçaya bölünerek uygun optik sistem yardımıyla referans ve örnek küvetine ayrı ayrı gönderilirler. Küvetlerden çıkan ışık dedektörlere gelir ve burada bu ışık şiddetleri ölçülür ve kaydedilir. Daha sonra elde edilen datalar Absorbansa karşı dalga boyu grafiğine geçirilir ve gerekli hesaplamalar grafik yardımı ile yapılır.





Nitel analiz: Saf maddelerin yapılarının saptanmasında, fonksiyonel grubun bulunup bulunmadığının incelenmesinde, bir fonksiyonel grubun bileşikteki yerinin saptanmasında kullanılır.

Nicel analiz: Saf bir maddenin ya da bir karışımdaki bileşenlerin derişimlerinin saptanmasında kullanılır.

Maddenin ışığı soğurma (absorplama) derecesini ölçmek ve bundan yararlanarak derişimi saptamak için, soğurma ile derişim arasındaki ilişki bilinmelidir. Monokromatik (tek dalgaboylu ışıma) ve Io şiddetindeki bir ışık demeti, kalınlığı b cm olan bir tüpte bulunan çözeltideki herhangi bir molekül tarafından absorplandığında şiddeti azalır ve tüpü I şiddetinde terkeder. Moleküllerin seçilen dalgaboyundaki ışımayı absorplaması sonucu ortaya çıkan azalma Beer- Lambert eşitliği ile verilir.

log Io/I = εbc = A

I0: Örnek kabına giren ışık şiddeti
I : Örnek kabını terkeden ışık şiddeti
ε : Molar absorpsiyon katsayısı (L / mol.cm)
b: Örnek kabının kalınlığı (cm)
c: Derişim (mol / L )
A: Absorbans


Örnek kabını terkeden ve kaba giren ışık şiddetleri arasındaki orana geçirgenlik (T) denir.

I / Io = T = 10 -εbc

Absorbans ile geçirgenlik arasında ,

A = - log T = 2 – log % T

İlişkisi vardır ve %T , yüzde geçirgenlik adını alır.

Çözeltide, uygulanan dalgaboyundaki ışığı absaorplayacak birden fazla molekül varsa, A toplamsal olduğundan,

A = A1 + A2 + .................= ε1bc1 + ε2bc2 +............. eşitliği geçerlidir.

Beer- Lambert eşitliğinin geçerli olması için; uygulanan ışık monokromatik olmalıdır, örnek homojen olmalıdır ( absorpsiyonun örneğin her yerinde eşit olması) ve birden fazla bileşen varsa, her bir bileşen diğerlerinin absorpsiyonunu etkilememelidir.

02. UV ve Görünür Bölge Absorpsiyon Spektrofotometreleri

Maddenin ışığı absorplamasını incelemek için spektrofotometre adı verilen bir düzenek kullanılır ve başlıca ışık kaynağı, monokromatör, örnek kabı, dedektörden oluşur. Optik sinyal, dedektörde elektrik sinyaline çevrilir ve bir kaydedicide ölçülür.



Işık kaynakları:UV ve görünür bölgede D2, W, H2 ve Xe gibi sürekli ışık kaynakları kullanılır.

Monokromatör: (Dalgaboyu Seçicileri) Işık kaynağından gelen polikromatik ışıktan (birden fazla dalgaboyundaki ışık), monokromatik ışık (tek bir dalgaboyunda olan ışık) elde etmek için kullanılan düzenektir. UV ve görünür bölgede prizmalar veya optik ağ adını alan parçalar kullanılır.

Örnek kabı: Eğer 200 ile 320 nm arasındaki bir dalgaboyunda çalışılacaksa örnek kabının kuartzdan yapılmış olması gereklidir. Çünkü bu dalgaboyu aralığında kuartz, ultraviyole ışığı geçirebilir. 320-700 nm arasında bir bölgede çalışılacaksa, örnek kabının camdan yapılmış olması yeterlidir.

Dedektör: Örneğin ışığı absorplayıp absorplamadığını anlamak için, ışık kaynağından gelen ışığın şiddeti dedektör ile ölçülür. UV ve görünür bölgede fotovoltaik veya fotoiletken dedektörler, fototüpler ve fotoçoğaltıcı tüpler dedektör olarak kullanılmaktadırlar.

Spektrofotometrelerde bu ana bileşenlerden başka ışığı toplamak, yansıtmak, bölmek amacıyla mercekler, aynalar, ışık bölücüleri de kullanılır.

03. Uygulamalar
Çeşitli kromofor grupların (bir molekülde belli bir dalgaboyu aralığındaki ışığın absorpsiyonundan sorumlu olan fonksiyonel gruplar) absorpsiyon bantları geniş oldukları için birbirleriyle örtüşürler ve bu nedenle UV ve görünür bölge spektroskopisi ile nitel analiz çok yapılmaz. Diğer taraftan bu yöntem nicel analiz için oldukça uygundur.
Bazı maddelerin absorpsiyon pikleri ve molar absorptivite değerleri
Madde Absorpsiyon Dalga Boyu (nm) Molar absorptivite (εmak)
H2O(b) 167 1480
CH3NH2(b) 215 600
CH3OCH3(b) 184 2520
CH3SCH3(Etanolde) 229 140
(CH3)3N(b) 227 900
CH3Cl(b) 173 200
CH3I(b) 258 365
CH3OH(b) 184 150
CH2=CHCH=CH2(b) 217 21000
C4H4O(FURAN) (b) 207 9100

b: Buhar Fazında

UV ve Görünür alanda kullanılan başlıca çözücüler

Su 190 nm den sonra absorplama yapmaz.
Heksan 200 nm den sonra absorplama yapmaz.
Sikloheksan 200 nm den sonra absorplama yapmaz.
Kloroform 300 nm den sonra absorplama yapmaz.
Karbontetraklorür 260 nm den sonra absorplama yapmaz.
Metanol 290 nm den sonra absorplama yapmaz.
Etanol 210 nm den sonra absorplama yapmaz.
Propan-2-ol 245 nm den sonra absorplama yapmaz.
Asetonitril 255 nm den sonra absorplama yapmaz.
Dimetilsülfoksit 300 nm den sonra absorplama yapmaz.
Dioksan 290 nm den sonra absorplama yapmaz.
Etil asetat 310 nm den sonra absorplama yapmaz.
Aseton 330 nm den sonra absorplama yapmaz.
Benzen 280 nm den sonra absorplama yapmaz.


Nicel analiz için öncelikle çalışılacak dalgaboyunun ve kullanılacak çözücünün belirlenmesi gerekir. Bunun için belirli bir dalgaboyu aralığında incelenecek örneğin absorpsiyon taraması yapılarak absorbans değerleri dalgaboyuna karşı grafiğe geçirilir. Böylece maddenin absorpsiyon spektrumu çıkarılmış olur. Bu spektrum incelenerek Beer- Lambert eşitliğine uyulan ve maksimum absorbans veren bir dalgaboyu seçilir. Çözeltide analizi yapılacak maddeden başka maddeler de bulunuyorsa bunların ve aynı zamanda çözücünün de absorpsiyon yapmayacağı bir dalgaboyu seçilmelidir. Bu değer saptandıktan sonra analizi yapılacak maddeyi içeren ve derişimleri bilinen bir dizi standart çözelti hazırlanır ve seçilen dalgaboyunda absorbans değerleri ölçülür. Absorbans değerleri, standart çözeltilerin bilinen derişimlerine karşı grafiğe geçirilir ve böylece bir kalibrasyon doğrusu elde edilir. Bundan sonra, bilinmeyen örneğin absorbans değeri ölçülür ve kalibrasyon doğrusunda bu değere karşı gelen derişim saptanır.

Diğer bir yöntem de standart ekleme yöntemidir. Bu yöntemde ilk olarak örneğin absorbansı ölçülür ve bu değer grafiğin y-eksenine yerleştirilir. Daha sonra derişimi bilinen ve aynı maddeyi içeren bir çözeltiden belirli hacimlerde örneğe eklenir ve her defasında absorbans değeri ölçülür. Okunan absorbans değerleri eklenen madde hacmine veya mol sayısına karşı grafiğe geçirilerek y-eksenini kesen bir doğru elde edilir. Bu doğru sola uzatılarak x-eksenini kestiği değer bulunur ve bu değerin işaretinin (-), ters çevrilmesi ile bilinmeyen derişim saptanmış olur.

Absorbans değerlerinin toplamsallığından yararlanarak karışım halinde bulunan ve ışığı absorplayan iki bileşenin de analizleri yapılabilir. Öncelikle yine bileşenlerin absorpsiyon spektrumları incelenerek, birinci bileşenin ışığı çok absorpladığı ve ikinci bileşenin az absorpladığı bir dalgaboyu (λ1) seçilir. Bu dalgaboyunda her iki bileşen için derişimi bilinen çözeltiler kullanılarak absorbans ölçülür ve Beer- Lambert eşitliğine göre molar absorpsiyon katsayıları 1ελ1ve 2ελ1 bulunur. Daha sonra ikinci bileşenin ışığı çok absorpladığı ve birinci bileşenin az absorpladığı bir dalgaboyu (λ2) seçilir ve bu dalgaboyunda da derişimi bilinen çözeltiler kullanılarak her iki bileşen için absorbans değerleri ölçülür ve 1ελ2ve 2ελ2 bulunur. En son olarak da, C1 ve C2 derişimlerinde karışım halinde bulunan örneğin absorbansı λ1 ve λ2 dalgaboylarında okunarak iki absorbans değeri, Aλ1 ve Aλ2 bulunur.
Ölçülen bu absorbans değerleri ve hesaplanan ε değerlerinden yararlanarak,
Aλ1 = 1ελ1bc1 + 2ελ1bc2
Aλ2 = 1ελ2bc1 + 2ελ2bc2
Eşitlikleri yardımıyla C1 ve C2 hesaplanır.