enstrümental yöntemler

Analitik Kimya
Ulrich J. Krull
Michael Thopson
University of Toronto
I.
II.
III.
IV.
Klasik Yöntemler
Enstrümental Yöntemler
Analitik Kimyada Bilgisayar
Gelecekte Beklentiler
SÖZLÜK
Doğruluk Bir ölçümün, o niceliğin kabul edilen değerine yakınlığı.
Analit Bir örnekte bulunan, hakkında kimyasal bilgiler aranan tür(ler).
Standartlaştırma (Belli bir koşullar dizisinde) Bir kimyasal türün derişimiyle o türün bir
fiziksel özelliği arasındaki kesin nicel ilişkinin belirlenmesi işlemi.
Girişimler Analitle benzer özelliklere sahip, onun doğrudan ölçülmesini önleyen elementler
ya da bileşikler.
Seçme sınırı Boş deneme sinyali standart sapmasının iki katı analitik sinyal veren (kimyasal
tür) analit derişimi.
Ortam Belirlenecek türün içinde bulunduğu madde.
Gürültü Analitik sinyalin zamanla rasgele değişmesi.
Kesinlik Aynı analitik tayinlerin ortalama değeri çevresinde, analitik tayinler dizisi
dağılımının istatistiksel ölçüsü.
Nitel analiz Madde örneğindeki bir ya da daha fazla bileşenin tanı işlemleri.
Nicel analiz Madde örneğindeki bir ya da daha fazla bileşenin bağıl miktarlarının tayini
işlemleri.
Ayırma gücü Bir analitik değişkenin ortalama büyüklüğünün, istatistiksel anlamda
belirgin/ayrı analitik sinyal olarak değerlendirilebilecek bir diğeriyle arasındaki en küçük
farka bölünmesiyle elde edilen oran.
Seçicilik Analitik kimyada bir grup kimyasal türe yanıt veren yöntem.
Duyarlık Bir kimyasal türün derişim değişmesine karşılık aygıt yanıtının değişme oranı.
Özgül Sadece bir kimyasal türe yanıt veren yöntem.
Standart Kanıtlanmış ve sabit fiziksel özellikleriyle analitik işlemleri ayarlamakta kullanılan
kimyasal türler.
ANALİTİK KİMYA madde örneğinin kimyasal ve yapısal bileşimi hakkında nitel ve nicel
veriler sağlanmasıyla uğraşır. Analizci, çelik alaşımındaki yüksek derişimli elementten,
biyokimyasal dokudaki milyarda birler düzeyindeki ilaç etkin maddesine kadar muazzam
çeşitlilikte örnekler üzerinde çalışır. Bu bilim dalı, ölçülen bir fiziksel özelliğin incelen tür
için kullanılabilir bir sinyale dönüştürülmesi temeli üzerine kurulmuştur. Tarihsel açıdan
geleneksel ve enstrümantal olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Genel strateji, doğru bir örnek
hazırlama, özel bir analiz yöntemi seçme ve sonuçları, istatistiksel değerlendirmeyi de
kapsayacak anlamlı biçimde rapor etmektir.
I.
GELENEKSEL YÖNTEMLER
A. Yarımikro Nitel Analiz
Tam nicel analiz sistemi çoğunlukla inorganik katyon ve anyonların karmaşık algılanma
düzeneğini ifade eder. İlke olarak renyum ve tellurat gibi çok yaygın olmayan türleri de
kapsayan şemalar geliştirilmiştir ama bunlar üzerinde Na+ ve Cu2+ gibi katyonlar
SO 24  ve NO3- gibi oksi anyonlar ölçüsünde durulmaz. İnorganik türlerin tanısı, bunların
fiziksel ve kimyasal davranışlarına dayanır. Örneğin, renkli çözelti ya da çökelek oluşumu,
kolay gözlenebilir gaz açığa çıkması ve daha önce çözünmeyen bir maddenin çözünmesi gibi
ayrıksı kimyasal etkiler yaratan reaktifler kullanılır. Tipik bir analizde, üç beş türün tanısı
gerekebilir ve böyle durumlarda sistemdeki her bir bileşen için seçici tepkimeler kullanılması
istenebilir.
Bu işlemde, özel bir örnek üzerine birçok reaktif eklenerek çok karmaşık bir sistem
oluşturmaktan kaçınmak için, özgün karışımın birkaç parçaya ayrılması stratejisi güdülür.
Daha sonra her bir bölüm üzerinde daha sınırlı sayıda türün analizi gerçekleştirilir. Özetle
analiz bir dizi ardışık ayırma ve tanı işlemlerini kapsar.
2
2
Pb2+, Ag+, Hg2 , Bi3+, Cu2+, Cd2+, As5+, Sb3+, Sn2+, Ba2+, Ca2+
Sn4+, Fe2+, Fe3+, Al3+, Cr3+, Mn2+, Zn2+, Ni2+, Co2+, Mg2+, Na+, K+
Soğuk HCl
Birinci grup katyonlar
çökeleği
AgCl, Hg2Cl2, PbCl2
Diğer katyonları içeren
çözelti
H2S
Fe2+,Fe3+,Al3+,Cr3+,Mn2+,Zn2+,Ni2+Co2+,
Ba2+,Ca2+Mg2+,Na+, K+ iyonları çözeltisi
İkinci grup katyonlar çökeleği HgS,
PbS, Bi2S3, CuS, As2S5, Sb2S3, SnS2
NH4OH, (NH4)2S
Ba2+,Ca2+Mg2+,Na+, K+ iyonları çözeltisi
Üçüncü grup katyonlar çökeleği
Al(OH)3, Cr(OH)3,Fe(OH)3, MnS,
NiS, CoS, FeS, ZnS
Katyonlar için bu strateji, özel seçici reaktiflerle muamele edilerek bir dizi gruplara ayırma
sürecini kapsar. Bilinmeyen örnek suda çözüldükten sonra, belli bir gruptaki tüm katyonların
çöküp diğerlerinin çözeltide kalmasını sağlayacak bir reaktif kullanılır. Tam (basitleştirilmiş)
bir şema Şekil 1 de gösterilmiştir. Ayrılan çökelek özel katyonlar için yeniden analiz edilir.
Örnek olarak gümüş grubunu (1. grup) ele alalım. Hg2Cl2, AgCl ve PbCl2 beyaz çökeleğinin
sıcak su ile muamelesi, kurşun bileşiğinin renksiz çözeltiye dönüşmesine yol açar. Ortamda
Pb2+ varlığı, sarı PbCrO4 çökeleği veren K2CrO4 eklenmesiyle doğrulanır. Hg2Cl2 ve AgCl
üzerine NH4OH eklenmesi sonucu gri renkli cıva ve HgNH2Cl karışımının oluşması Hg22 
varlığını ve/ ya da renksiz çözelti oluşumu Ag(NH3) 2 Cl- gösterir. bu renksiz çözeltinin
asitlendirilmesi AgCl çökelmesiyle Ag+ varlığını kanıtlar.
Özgün örnekte anyonların tanısında, materyal bir takım ön testlere uğratılır ve işlemler
katyon analizi gibi yürümez. Ayrıca, yukarıda açıklanan katyon analizi, sıklıkla belirli
anyonların bulunmasına göre yorumlanabilir. Bir örnek çözeltisi AgNO3 ve BaCl2 ile ayrı ayrı
muamele edilir ve gümüş ve baryumun çeşitli çökelekleri anyonik bileşenlerin ortamdaki
varlıklarının kanıtı olarak değerlendirilir. Daha sonra bilinmeyen çökeleğe, karakteristik gaz
3
çıkışlarına yol açacak, soğuk derişik H2SO4 eklenir (bu durumda örneğin I-, H2S kokusu ve
viyole renkte I2 dumanına yol açar). Daha sonra da her anyon için doğrulayıcı bir dizi test
yapılır.
Uygulamada tüm analiz yarımikro düzeyde yapılır. Bu örnek miktarının 10 mg ve
çözeltilerin 1-2 mL dolayında olması anlamına gelmektedir. Düşük hacimli reaktif
çözeltileriyle çalışmak, ayırma ve aktarım işlemlerinde ciddi kayıplardan kaçınmak için özel
donanım kullanılması gerekmektedir. Çökeleklerin ayrılması, santrifüjleme ve oturtma ile;
ısıtma özel tasarlanmış tüp ısıtma düzenekleriyle gerçekleştirilir.
B. Gravimetrik Analiz
Gravimetrik nicel analiz, analitle kimyasal ilişkisi olan ve bileşimi doğru olarak bilinen bir
maddenin tartılması işlemine dayanır. Çoğunlukla analit çözeltiden bir reaktif yardımıyla
çöktürülür, ayırma ve kurutma işlemlerinden sonra tartılır. Daha seyrek olarak da tayin
edilecek tür uçuculaştırılır, yoğunlaştırılan/tuzaklanan gaz ya da katı kalıntı tartılır. Çökelek,
kayıpları en az düzeyde tutmak için suda (ya da çözücüde) çözünmemeli, kolay süzülüp
yıkanmalı ve kurutma ya da kızdırma sonunda kararlı ve stokiyometrik bir yapıda olmalıdır.
Düşük çözünürlük açısından, analitten oluşan çökeleğin çözünürlük çarpımı önemli bir nicel
parametredir. Örneğin SO 24  ın Ba2+ ile çöktürülmesinde BaSO4 doygun çözeltisi için
çözünürlük çarpımı (Ksp),
biçiminde tanımlanır. Bu değerin, çöktürme işlemindeki analit kaybını (çözeltide kalan
analit), dolayısıyla hatayı hesaplamakta kullanılabileceği açıktır. Çözeltiden çökeleğin
kolaylıkla ayrılması, çökeleğin oluşturulması aşamasındaki koşullarca yönetilen, katı fazın
tanecik boyutuyla ilişkilidir. Bu süreçte göz önüne alınacaklar, çökeleğin çözünürlüğü,
sıcaklık, tepken derişimleri ve karıştırma olgularıdır. Bu parametreler, özel bir zaman
kesitinde çözeltideki mevcut aşırı doygunluğu tayin eder. Normalde kolay işlenecek kristal
çökelekler amaçlansa da kimi zaman koloidal çökelekler de (10-6 – 10-4 mm boyutlu) oluşur.
Böyle durumlarda koloidal tanecikler ısıtma, karıştırma ve yardımcı elektrolitler eklemek gibi
deneysel işlemlerle topaklandırılmalı/pıhtılaştırılmalıdır. Bu işlemlerin arkasındaki
mekanizma, koloidal tanecikler üzerindeki itici elektriksel kuvvetlerin düşürülmesi/bastırılmasıdır. Reaktifin çözeltide üretildiği homojen çözeltiden çöktürme işlemiyle, çoğu durumda
daha saf, yoğun çökelekler, elde edilebilir. Sonuçta, gravimetrik çökelek süzüldükten sonra
sabit tartıma gelinceye dek ısıtılır. Bu amaç için çok geniş bir sıcaklık aralığı (110 – 1200 0C
kullanılır. En önemli koşul, özel bir sıcaklıkta, ağırlığın sabitliği ve çökelek bileşiminin
netliğidir.
İnorganik analitler için bazı inorganik ve organik çöktürücü reaktifler Çizelge I de
verilmiştir. Organik bileşikler için de özel işlevli gruplar üzerinden yürüyen tepkimelere
dayanan yöntemler vardır. Örneğin karbonil bileşikleri 2,4-dinitrofenilhidrazinle aşağıdaki
tepkimeye göre çöktürülebilirler:
Özetle gravimetrik yöntem, çoğu analitik yöntemlerin aksine standartlaştırma
gerektirmez. Bu nedenle hala enstrümantal yöntemlerin “standartlaştırılmasında” sıklıkla
kullanılır. Bununla birlikte özellikle çok sayıda örneğin analiz edileceği durumlarda
gravimetri çok zaman alıcıdır.
4
C. Titrimetrik (Hacimsel) Analiz
Çoğu zaman hacimsel analiz ifade edilen titrimetrik analizde analiti tam olarak tüketen
standart reaktifin hacmi ölçülür. Uygulamada, derişimi doğru olarak bilinen standart reaktif
çözeltisi bir büretten, analitin tükendiğine karar verilinceye kadar, analit çözeltisine eklenir.
Analitin tükenme noktasına eşdeğerlik noktası denir. Bu noktayı deneysel olarak gözlemek
mümkün olmadığından, bu nokta yerine eşdeğerlik noktası dolayında fark edilebilir bir
fiziksel değişimin olduğu dönüm noktası izlenir. Genel yaklaşım, standart çözeltilerin, yüksek
saflıkta ve kararlı karşılaştırma maddesi olan, birincil standart maddelerle ayarlanmasıdır.
Burada dört tip hacimsel analiz üzerinde durulacaktır. Birincisi asit ya da bazın
nötralleşmesini kapsar, ikincisi çöktürmeyle ilgilidir, üçüncüsü kompleks oluşturma ve
sonuncusu yükseltgenme-indirgenme tepkimelerine dayanır. Bu titrasyonlara geçmeden önce
birkaç tanım yapılmalıdır. Bir maddenin eşdeğer ağırlığı genellikle o maddenin standart
miktardaki bir tepkenle birleşen miktarıdır. Bu parametre tümüyle özel bir tepkimenin
doğasına bağlıdır ve dolayısıyla bu aşamada (özel tepkimelere girmeden) daha net bir tanım
veremeyiz. Titrasyon, standart reaktifin aşamalı eklenmesini ifade eder. Titer, titrasyon
çözeltisinin 1 mL sine kimyasal eşdeğer olan madde (analit) ağırlığıdır. Sıklıkla karşılaşılan
normalite ise 1 mL çözeltinin içerdiği çözünenin mili eşdeğer gram sayısıdır.
Titrimetrik yöntemlerde dönüm noktası çoğunlukla analit ya da reaktifin derişiminin
bir biçimde dinamik tayinine dayanır. En çok kullanılan yöntem reaktif, analit ya da belirtecin
renk değiştirmesidir ama elektriksel potansiyel, akım, bulanıklık izlenmesi de kimi zaman
kullanılır.
1. Nötralleşme Titrasyonları
Bu teknikte, titrasyon dönüm noktasındaki hızlı pH değişimiyle asit ya da baz derişimi
belirlenir. Burada bir asit ya da bazın eşdeğer ağırlığı, özel bir tepkimede 1 mol hidrojen
iyonu veren ya da alan miktarıdır. Analitler zayıf asit ya da baz olabilirken, titrasyonda her
zaman reaktif olarak kuvvetli asit ya da bazlar kullanılır. Standart bir asit çözeltisinin
derişimi, bir asitin söz gelişi HCl in, bilinen miktarda Na2CO3 içeren bir çözeltinin
titrasyonuyla belirlenebilir. Benzer biçimde bazlar potasyum hidrojen ftalata (KHC8H4O4)
karşı ayarlanabilir. Bir kuvvetli asit-kuvvetli baz titrasyonun dönüm noktası çoğunlukla,
çözeltiye katılan ve kimyasal tepkime sonucu renk değişimi sergileyen bir zayıf asit ya da baz
olan belirtecin davranışıyla, yerinde belirlenir. Örneğin asit tipi bir belirteç, Hın için,
5
yazabiliriz.
Bu durumda renk 1 den renk 2 ye geçişin gözlenebileceği pH aralığını bilmek çok
önemlidir. Genellikle bu belirtecin pKa değerinin yaklaşık  pH birimi dolaylarında olur.
Bir kuvvetli asit üzerine büretten kuvvetli baz eklenerek gerçekleştirilen bir titrasyonu
kuramsal olarak Şekil 2 deki alt grafiği (titrasyon eğrisi) verir. Buna göre pH 3 – 10
aralığındaki dik değişime yanıt veren bir belirteç eklenmesi gerekir. Bu durumda renksizden
pembe renge dönüşümü gözle izlenebilecek fenolftalein uygun olacaktır. Bir zayıf asitin
(kuvvetli bazla) titrasyon eğrisi, asitin ayrışma sabitine şiddetle bağlıdır. Esas olarak baz
eklenmesi Şekil 2 deki eğride (üst eğri) görüldüğü gibi bir tampon kurulmasına yol açar.
Böyle bir titrasyonda belirteç seçimi, kuvvetli asit titrasyonuna göre oldukça sınırlıdır, çünkü
burada (keskin) pH değişimi çok büyük değildir. Doğal olarak çok protonlu asitlerin titrasyon
eğrilerinin daha karmaşık olması beklenmelidir.
Nötralleşme titrasyonları, asidik ya da bazik gruplara sahip inorganik ve organik maddeler
için kullanılır. Önemli bir uygulama, organik ya da biyolojik sistemlerde elementlerin asit-baz
niteliğine dönüştürülmesidir. Örneğin Kjeldahl yönteminde organik azot NH4 iyonuna
dönüştürülür ve açığa çıkan NH3 ın nötralleştirilmesiyle tayin edilir.
2. Çöktürme titrasyonları
Bu yöntemde reaktif çözeltisi büretten eklenerek analitle çökelek oluşturması sağlanır ve
reaktif türün derişimindeki keskin değişim dönüm noktasını ortaya çıkarır. Çöktürme
titrasyonunda bir türün eşdeğer ağırlığı, tepken katyon birim yüke sahipse formül ağırlığıyla
(2 birim yüke sahipse formül ağırlığının yarısıyla, 3 birim yüke sahipse FA/3 ile vb) ile
birleşen, ya da bunu sağlayan ağırlıktır. Teknik, uzun yıllardır kullanılan halojenür
anyonlarının, özellikle Cl- ün gümüş iyonuyla tayini işlemi (kimi zaman arjantometrik
titrasyon da denir) örneğiyle en iyi açıklanabilir. Çeşitli halojenürlerin tipik titrasyon eğrileri
şekil 3 te gösterilmiştir. Titrasyonun özel bir noktasındaki serbest reaktif katyon derişiminin,
6
pH a benzer biçimde pAg , (-log Ag ) ile ifade edildiğine dikkat ediniz. (Keskin pAg
değişimiyle ortaya çıkan) eşdeğerlik noktası öncesinde Ag+ derişimi ilgilenilen gümüş
halojenür çözünürlük çarpımıyla belirlenir. Eşdeğerlik noktasından sonra basitçe aşırı reaktif
derişimi söz konusu olur. Dönüm noktasını algılamak için, Şekil 3 teki belli bir pAg aralığı
değişimlerine yanıt veren bir belirteç gerekir. Cl- ve Br- durumunda yaygın olarak, CrO24  ın
belirteç olarak kullanıldığı ve dönüm noktasının tuğla kırmızısı renginde AgCr2O4 ile ortaya
çıktığı Mohr yöntemi kullanılır. Buradaki ilkenin özü gümüş kromat çözünürlüğünün gümüş
halojenürlerden çok büyük olmasıdır. Buna göre titrasyon koşulları, sadece dönüm noktası
dolaylarında gümüş kromat oluşumunu sağlayacak biçimde ayarlanabilir. Volhard
yönteminde Ag+, standart SCN- çözeltisiyle, Fe3+ belirteci varlığında titre edilir ve dönüm
noktası Fe(SCN)2+ ın kırmızı rengiyle gözlenir. Bu yöntemin önemli bir uygulaması Cl- iyonu
için “gerititrasyon” işlemidir. Burada bilinmeyen Cl- üzerine aşırı standart gümüş nitrat
eklenir ve Volhard yöntemiyle artık Ag+ titre edilir. Adsorpsiyon belirteçleri (Fajans yöntemi)
ise, çökelek üzerinde sadece dönüm noktası dolayında gözlenen organik boya adsorpsiyonuna
dayanır.
7
3. Kompleksometrik Titrasyonlar
Metallerin bir koordinasyon türüyle (ligand) tepkimesine dayanan titrimetrik yöntemler çok
eskidir. Eğer ligand metale birden fazla işlevli grup üzerinden bağlanırsa bu tür ligandlara çok
dişli ligand, oluşan bileşiğe de şelat denir. Bu alanda en yaygın kullanılan ligand olan, altı
dişli etilendiamintetraasetik asit (EDTA) 1945 te Schwartzenbach tarafından belirlenmiştir ve
H karboksilik hidrojen atomlarını göstermek üzere H4Y biçiminde formüllendirilir.
EDTT-metal kompleksleri 1:1 oranında ve çok kararlı olduklarından bu bileşik önemlidir.
EDTA metale bağlanabilecek çok sayıda (6) nokta ( 4  COO  2  N ) sunduğuna dikkat
ediniz.
Burada da büretten metal iyonu çözeltisine EDTA eklenmesi, yukarıda açıklandığı
gibi keskin -log M n  ya da pM değişimiyle nitelenen bir titrasyon eğrisi verir. Bu eğrinin
gidişi metal-EDTA oluşum sabitine bağlıdır:
Durumun yukarıda değinilen çözünürlük çarpımı etkisine benzerliğine dikkat ediniz.
Metal iyonu/EDTA titrasyonları belirteç olarak için pek çok bileşik önerilmiştir. Bunlar,
genellikle katyon ve boya için niteleyici olan, belli bir pM aralığında metal iyonlarıyla renkli
şelatlar oluşturan organik bileşiklerdir. Bunlara bir örnek olarak pH = 7.00 de mavi ve birçok
metalle kompleksleştiğinde kırmızı olan Eriochrome Black T verilebilir.
Çok sayıda metal katyonu için geçerli tayin sağladığında EDTA titrasyonları
günümüzde de yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca pH ayarlanarak ya da girişimci
katyonları etkin biçimde giderecek bileşikler kullanılarak (maskeleme) teknik daha da seçici
hale getirilebilir. Yöntem ekonomik ve oldukça doğrudur.
4. Yükseltgenme-İndirgenme Titrasyonları
Burada yükseltgen (indirgen) bir reaktifin titrant olarak indirgen (yükseltgen) bir analitle
tepkimesi söz konusudur. Bu sistemde eşdeğer ağırlık 1 mol elektron alan ya da veren tür
ağırlığıdır. Buna göre okzalatın yükseltgenmesi tepkimesinde permanganatın eşdeğer ağırlığı
molekül ağırlığının beşte biridir.
Hem indirgen hem de yükseltgen reaktifler bu titrasyonda yaygın biçimde
kullanılmaktadır ve bunlardan önemlileri Çizelge II de gösterilmiştir. Yükseltgenme –
indirgenme tepkimesi eşdeğerlik noktası, çözelti derişimleri ve elektriksel potansiyel
verilerinden hesaplanabilir. Örneğin demir(II)/ MnO4 titrasyonu için,
her iki redoks çifti için Nernst denklemlerini
8
biçiminde yazabiliriz. EN da Eeq denilen bu iki potansiyelin eşit olduğunu biliyoruz; bu
nedenle bunları toplayarak,
çıkarılabilir.
Yukarıda değinilen diğer tip titrasyonlardakine çok benzer biçimde elektror
potansiyelleri de reaktif eklenmesiyle keskin bir değişim sergiler. Buna göre bu keskin
elektrot potansiyeli değişimiyle renk değiştiren (yani kendileri de yükseltgenme-indirgenme
davranışları sergileyen) belirteçlere gereksinim vardır. İki belirteç örneği, +1.11 V ( 1 M
H2SO4 te) açık maviden kırmızıya dönen 1,10-fenantrolin-demir(II) kompleksi ve 0,85 V
dolayında renksizden viyole rengine dönen difenilaminsülfonik asittir.
9
ENSTRÜMENTAL YÖNTEMLER
A. Elektromagnetik Işınım Soğurumu
Madde, üzerine düşen ışınımla; maddi ortamdan geçme, saçılma ve soğurulma gibi üç farklı
biçimde etkileşir. Bu etkileşimlerin doğası enerji, faz, polarizasyon gibi elektromagnetik
ışınımın özelliklerine ve incelenen maddenin kimyasal özelliklerine bağlıdır. Enerji, geçensaçılan-soğurulan ışınım şiddeti ya da çıplak gözle görünmeyen ışınım yayımı ölçülerek
madde ışınım etkileşimi gözleminden kimyasal değerlendirmeler yapılır.
Işınım madde içinden geçerek maddeyi oluşturan atom, iyon ya da moleküllere enerji
aktararak onları kuantlı düşük enerji hallerinden kuantlı yüksek enerji hallerine getirecek
biçimde etkileştiği zaman soğurma oluştuğu söylenir.
Şekil 1 Elektromagnetik spektrum boyunca soğurma spektroskopisi potansiyelleri.
Analitik olarak bu olay, madde örneği üzerinden geçtikten sonra ışınım şiddetinde düşme
olarak gözlenir. İki ayrı parametre incelenebilir. Bu ışınım şiddeti düşmesi, ışınımın uygun bir
analit tür ile etkileşim olasılığının fonksiyonudur ve analit derişimini gösterir. Keza soğurulan
bu enerji, depolandığı kuantlı enerji düzeyini (Şekil 1) gösterir ve bu nedenle analitin tanısına
yardımcı olur. Monokromatik ışık kullanıldığında ve düşük derişilmende tüm soğurma
olaylarına Lambert-Beer yasası uygulanır. Bu yasa geleneksel olarak,
biçiminde yazılır, P0 gelen ışınım gücü, P geçen (soğurma nedeniyle azalan) ışınım gücü;
belli bir ortamda, belli bir dalgaboyunda belli bir tür için beklenen soğurmanın büyüklüğünü
gösteren niteleyici bir değer; b örnek içinde ışınımın kat ettiği yol ve c analit derişimi ve A
absorbansı gösterir.
1. Atomik Soğurma
Buhar halinde atomik tanecik örnekleri tarafından ışınımın soğurulması, elementel tanı ve
derişim tayini açısından pratik önem taşıyan yalın bir spektrum verir. Polikromatik ışınım ile
gözlenen soğurma spektrumu, sadece sınırlı sayıda birkaç alanda ve atomların az sayıdaki
enerji hallerine karşılık gelen kesin tanımlanmış frekanslarda ışınım siddeti azalması sergiler.
Bu tür soğurma spektrumu çizgilerinin doğal genişliği 10-4 nm ye kadar düşebilir ama
Doppler etkisi ve örnek ortamındaki çarpışma etkileriyle genişler. Bu olayın gözlenebileceği,
10
elektronik kökenli atomik soğurmadan sorumlu kuantlı enerji geçişleri, X-ışınları bölgesinden
ultraviyole-görünür bölgeye kadar mümkündür.
Dar soğurma bandlarından ileri gelen duyarlık ve seçicilik potansiyeli nedeniyle
metallerin belirlenmesinde özel bir öneme sahip olan bu teknik atomik absorpsiyon
spektroskopisi olarak bilinir. Sepektrometrenin akım şeması Şekil 2 de gösterilmiştir.
Seçicilik avantajının kullanılabilmesi için, atomik örneğin soğurma bandından çok daha dar
ışınım bandı sağlayan özel bir ışınım kaynağı bulunmalıdır. Böyle bir kaynakta çoğunlukla,
plazma boşalımıyla uyarılan ve kendisi için niteleyici yayım spektrumunu veren, analiz
edilecek element kullanılır. Yaygın olarak kullanılan kaynaklar, oyuk katot lambası,
elektrotsuz boşalım lambası ve gaz boşalım lambalarıdır. Atomik örneğin aynı dalga
boyundaki yayımına göre bağıl soğurmasını belirlemek için bu kaynaklar modüle edilir ve bir
lock-in yükselticisiyle birlikte kullanılır. Zemin düzeltiminin diğer yöntemleri; farklı bir
spektral çizgi, sürekli kaynak ya da Zeeman etkisi (kuvvetli bir magnetik alan kullanarak
atomun dejenere enerji düzeylerinin ayrılması; polarize ışınıma duyarlı yakın enerji düzeyleri
sağlar) kullanarak -atomik tür tarafından- soğurulmayan ışınımın izlenmesini kapsar. Atomik
örnek alevde ve grafit fırında çözelti ya da katının buharlaştırılmasıyla oluşturulur. Alev
yöntemleri genel olarak yaklaşık % 1-2 bağıl hata gösterirken, eşdeğer fırın yöntemlerinde
bağıl hata % 5-10 dur fakat fırın yöntemleri de aleve göre 1000 katı kadar duyarlı
olabilmektedir. Atomik analitin içinde bulunduğu atmosferden ve diğer örnek ortamı
bileşenlerinden kimyasal girişim olabilir. Alevde oksitlerin oluşumu atomlaştırmayı düşürür
ve uygun yakıt-yakıcı ile örnek bölümleri aleve beslenerek denetim altına alınabilir. Fırında
bu problem sürekli inert gaz akımıyla önlenir. Analit örnek ortamındaki bir anyonla bileşik
oluşturduğunda düşük buharlaşma ve atomlaşma oluşur. Bu girişim, tercihli olarak girişimci
analiti bağlayan kurtarıcı reaktifler ya da ilgilenilen analitle kararlı ama uçucu bileşikler
oluşturan şelatlar gibi koruyucu reaktifler kullanılarak bastırılır. Girişimci ve analitin spektral
bandlarının örtüşmesi nadir olmakla birlikte spektral girişimler de söz konusudur. Bu
girişimler, yüksek sıcaklık kullanımıyla giderilebilen moleküler yanma ürünlerinden ya da
yüksek sıcaklıklarda iyonlaşmalardan ileri gelir. Bu kimyasal olayların çoğu atomik
atmosferin belirli bölgelerinde yaklaşık denge durumunda oluştukları için, analitin tersi
yönünde iyonlaşarak, iyon-elektron birleşimiyle istenen analitin atomik bolluğunu sağlayacak
ışıma tamponları eklenerek bastırılabilir. Çizelge I de AAS ile yaygın olarak incelenen bazı
analitler verilmiştir.
Element
Çizelge I Bazı Analitlerin AAS Seçme Sınırları
Analitik dalgaboyu
Seçme Sınırı (ppm)
nm
FAAS
ETA-AAs
11
2. Moleküler Soğurma
Moleküllerde enerji alabilecek enerji düzeylerinin çokluğu yüzünden, moleküllerce sergilenen
soğurma spektrumları atomlarınkine oranla çok daha karmaşıktır. Molekülün toplam enerjisi,
(bağ ve karşıbağ orbitallerindeki elektronlar, atomlar arası sayısız titreşim ve ağırlık merkezi
çevresinde dönmeyle ilgili enerji düzeylerinin enerjileri) sırasıyla verilen geçiş hızına sahip
değildir. Bu üç enerji tipi arasındaki muazzam enerji farkları, bunların elektromagnetik
ışınımın farklı bölümleriyle ayrı ayrı incelenebileceği anlamına gelmektedir.
Optik Polarizasyon. 1800 lü yılların başlarından beri, nitel yapısal tayin ve nicel derişim
analizi için uygun birçok tekniğin geliştirilmesini yönlendiren, bazı moleküllerin düzlempolarize ışığı çevirme kapasitesine sahip olduğu fark edilmiştir. Tüm bu teknikler
elektromagnetik ışınımın dalga benzeri özelliklere sahip olması ve elektriksel vektörler
bileşkesi olarak gösterilebilmesi gerçeğine dayanmaktadır. Bu elektrik vektörü, maddenin
elektronlarıyla 10-14-10-15 s aralıklarında gerçekleşen soğurma-yeniden yayım olaylarıyla
etkileşir. Bu olay ışınım enerjisini değiştirmemekle birlikte hızında bir yavaşlama oluşturur.
Monokromatik bir ışın anizotropik katı bir maddeden geçtiğinde, daha büyük tanecik
yoğunluğuna rastlayan elektriksel vektörler, daha az yoğun alanlardan geçenlere göre daha
çok yavaşlayacaklardır. Düzlem polarize ışık, sonuç vektörü her zaman bir düzlemde olacak
biçimde, girişim yapan iki vektör olarak gösterilir. Aralarındaki faz ilişkisi değişmeyen
(coherent) iki bileşen vektörlü bir monokromatik ışık durumunda, bu bileşenler maddeden eşit
ertelenmeyle geçmezler ve çıkışta yeniden birleştiklerinde, özgün gözlenenden belli bir faz
farkıyla yapıcı (destekleyici) girişim oluşur. Bu polarizasyon düzleminin dönmesine ve
polarize ışık ailesinin 0, 12 , 14 ve bu sayıların bileşik katları kadar faz ayrılmalarıyla dairesel ya
da eliptik olarak ilerlemesine yol açar.
Polarimetri, yapı tayini ve derişim analizi için elverişli bir tekniktir ve basit olarak
geçirgen maddelerden geçen düzlem polarize monokromatik ışınımın yönünün ve dönme
derecesinin incelenmesine dayanır. Aygıtlarda genellikle yalıtık sodyum D çizgisi ya da cıva
546 çizgisini veren bu elementlerin buhar lambaları kullanılır. Işık önce bir Nicol prizmalar
toplamından, sonra (en küçük optik şiddetin algılanmasına yardımcı olmak için) yarı
gölgelenmiş bir Lippich prizmasından ve saydam termostatik örnek hücresinden geçirildikten
sonra analizör denilen ikinci bir Nicol prizmasından geçtikten sonra sonra göz ya da
fotoelektrik dedektöre yönlendirilir. Analizörün döndürülmesi bölünmüş-alanlardaki
görüntülerin eşitlenmesine olanak verir. Aygıt, bilinen derişimde standart çözeltinin
döndürme gücünün analiziyle ayarlanır ve fotoelektrik dedektör kullanılması halinde 0,0010
kesinliğe sahiptir.
Geniş uygulamalar bulan diğer teknikler, optik dönme dağılımı (optical rotary dispersionORD) ve sirküler dikroizmdir (CD). Bunlar sırayla, dairesel polarize ışının belli yönündeki (d
ya da l), kırma indisinin ve molar soğurganlığın dalgaboyuna bağlılığına dayanan birbiriyle
yakın ilişkili yöntemlerdir. ORD deneyleri, dalgaboyunun fonksiyonu olarak moleküler
çevirme ölçümleri sağlar. CD sonuçları, dalgaboyu/  grafikleridir, moleküler eliptiklik
ölçüsü olan  , geçen ışın ile özgün düzlem polarize ışın arasındaki fark olarak ölçülen  ’nın
düzeltilmiş değeridir. Bu teknikler karmaşık organik, biyolojik ve metal-ligand
komplekslerinin yapı aydınlatılması için önemli araçlardır.
Eliptik polarize ışık kullanımı kırma indisi ve ultra ince film kalınlıklarının
belirlenmesinde de uygulama alanları bulur. Dairesel ya da eliptik polarize ışık örnekle
kaplanmış yüzeyden yansıtılır. Bu yansıma polarizasyonu değiştirir ve bu değişme 0,1 nm
12
kesinlikte film kalınlığı verileri sağlar. Bu aygıtlar yarı iletken endüstrisinde ve tek tabakalı
organik film kalınlıklarının ölçülmesinde yaygın olarak kullanılır.
Ultraviyole-Görünür (Işınım Soğurumu) Elektromagnetik ışınımın bu bölgesindeki ışınlar,
molekül içinde elektronların temel hallerden uyarılmış hallere elektronik soğurma geçişlerine
yol açmaya yetecek enerjilere sahiptir. Atomik elektronik keskin soğurumların aksine,
moleküler soğurumlar, birincil elektronik düzeylerin titreşim ve dönme düzeylerinin
örtüşmesi sonucu, onlarca nanometre genişlikte geniş bandlar gösterirler. Bu örtüşen enerji
düzeylerini sadece yüksek ayırmalı spektrometreler net olarak ayırabilirler.
Bağıl zemin düzeltmesi sağlayan tipik çift yollu bir aygıtın şeması Şekil 6 da
gösterilmiştir. Bu sistem, UV bölge için döteryum lambası ve görünür bölge için tungsten
lamba gibi bir ışınım kaynağı; dalgaboyu seçimi için bir filtre ya da (ağ ya da prizmalı)
monokromatör ve dedeksiyon için sıklıkla bir fotoçoğaltıcının eşlik ettiği bir foto katottan
oluşur. En önemli elektronik geçiş tipleri şunlardır:
 Kovalent bileşiklerin n,
ve geçişleri
 Yük aktarım elektronları
 Ligand alan elektronları
 Lantanid ve aktinidler için f elektronları
Bağ elektronlarını kapsayan bu geçişlerin özel önemi, özel soğurma enerjileri belirli
işlevsel grupları nitelediklerinden, kimyasal tanı ve derişim verileri (bilgileri) sağlamalarıdır.
Bağ elektronlarının ve bağ yapmamış elektronların yaklaşık elektronik enerji geçişleri Şekil 7
de özetlenmiştir. Bu yaklaşık enerji geçişleri, Çizelge IV te listelenmiş tipik kromoforların
(işlevli grup) soğurma maksimumlarıyla bağdaştırılabilir. Özel bir kromofor için dalgaboyu
kaymaları, konjügasyon ve yapısal deformosyondan etkilendiği sürece, bunlardan bazı
durumlarda yapısal bilgiler elde edilebilir. Kovalent bağlı tüm elektronlar yüksek enerji
hallerine uyarılabilmelerine karşın, uyarılma enerjileri vakum ultra viyole bölgesine düşen
tekli bağ soğurmaları, teknik güçlükler nedeniyle analitik amaçla kullanılamaz. Bu durum,
doymamış ve aromatik bileşik (UV-G ışınım soğurumuyla) analizinin yaygınlığını
açıklayabilir.
13
Geniş bandlardan oluşan elektronik soğurma nitel bilgi sağlamaya elverişli olmamakla
birlikte doğru nicel analiz için kusursuzdur. Analizin doğruluğunu maksimum hale
getirmek için, soğurucu tür derişimine ve sağlanabilen standartlara bağlı olarak seçilen üç
yöntem kullanılır. Bu yöntemler Şekil 8 de şematize edilmiştir.
14
IR Soğurumu Şekil 4 ten görülebileceği gibi IR ışınımı bir elektronik düzey içindeki
titreşimsel soğurumları kamçılamaya uygundur. Gaz haldeki örnekler için, bu titreşimsel
bandlar, moleküler dönme enerji düzeylerinin karşılığı olan yakın istiflenmiş bir dizi dönme
bandlarına ayrılabilir; ancak çoğunlukla bunlar gözlenmez. Buna rağmen çoğu katı ve
sıvıların IR spektrumları karmaşıktır ve iyi bilinen titreşimsel enerji düzeylerine karşılık olar
maksimum ve minimumlar içerirler. Titreşim, atomların birbirine göre konumlarının
değişmesidir ama bu yer değiştirmelerin hepsi IR soğurumu yapmaz. Sadece moleküler net
dipolü değiştiren titreşimler ve dönmeler, madde ile etkileşen IR ışınımının elektriksel alanını
değiştirebilirler. Bu durumda soğurma, titreşim ya da dönme hareketlerinin genliğinin
artmasına yol açar.
Titreşimler, biri bağ uzunluğunun değiştiği gerilme titreşimi ve diğeri bağlar arası açıların
değiştiği bükülme titreşimi olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Kuramsal ve genel olarak
titreşim türleri ve genlikleri, klasik ve kuantum mekaniksel ele alışlarda, düşük potansiyel
enerjili uyumlu titreşiciye (harmonik ossilatör) benzetilebilir. Belli bir atomun uzaydaki
konumunu betimlemek için üç koordinat gerekir ve N atom içeren bir molekülü(n
hareketlerini) tanımlamak için “serbestlik derecesi” (yapabileceği toplam hareket sayısı) 3N
dir. Moleküler hareketler ötelenme, dönme ve titreşim hareketlerinden oluştuğundan ve
ötelenme ve dönme hareketleri için tanımlamak için üçer koordinat gerektiğinden, olası
“normal” titreşimleri betimlemek için 3N-6 serbestlik derecesi kalır. Bu normal titreşim
sayısının, gözlenen titreşimsel absorpsiyonlarla (band sayıları) birebir örtüşmesi gerekmez.
Çünkü üst ton ve kombinasyon frekanslarında fazladan titreşim sinyalleri gözlenebilirken;
15
dipol (inaktiflik) değişimine yol açmamak, aygıt frekans aralığının dışında kalmak, örtüşmek
ya da çok düşük şiddetlere sahip olmak gibi nedenlerle birtakım titreşim sinyalleri
gözlenemez.
Tipik çift yollu bir IR spektrometresinin şeması Şekil 9 da gösterilmiştir. Tipik ışınım
kaynağı olarak, elektrik akımıyla akkor haline gelen metal tel ya da seramik çubuklar
kullanılır. Işın demeti öncelikle örnek ve karşılaştırma hücrelerine gönderilmek üzere iki ye
bölünür. Örnek ve karşılaştırma hücrelerinin arkasına, bu hücrelerden geçen ışınımın
dönüşümlü olarak monokromatör ya da ısıl dedektöre gönderilmesi sağlayacak, bir ışın
demeti kesme düzeneği yerleştirilmiştir. Bu sistem, dedektörde, daha sonra eşsüremli
(senkronik) doğrultucuya gidecek bir alternatif akım çıktısına yol açar. Bu doğrultucu
aracılığıyla örnek ve karşılaştırma hücresi demetlerinin karşılaştırılması sağlanır; eğer iki
aynıysa doğrultucudan sürekli düz bir akım (dc) geçecektir. Eğer iki demetin gücü farklıysa,
doğrultucu çıktısı bir alternatif akım (ac) olacaktır ve yükseltilen bu akım bir eşsürem
motorunu çalıştırmakta kullanılabilecektir. Bu motor, söndürücü iki demeti aynı güce getirip
sinyal sıfırlanıncaya kadar, eş zamanlı olarak bir kaydedici kalemi ve bir söndürücüyü
yürütür.
Nicel çalışmalar için de sayısız aygıt ve yöntem tasarlanmış olmasına karşın, çok sayıda
dar ve niteleyici IR soğurum piki bu tekniği nitel analiz (bileşik tanısı) için çok elverişli
kılmaktadır. Bu söylenilenler özellikle “parmak izi” aralığı denilen 2000 - 750 cm-1 bölgesi
için geçerlidir. IR analizi katı, sıvı ve gaz haldeki örneklere uygulanabilir ve kimyasal tanı
için yaygın olarak kullanılan bandlar Çizelge V de özetlenmiştir.
16
Elektron Spin Rezonans.
 12 elektron spin kuantum numarasıyla gösterilen dejenere enerji düzeyleri, kuvvetli bir
magnetik alanda gerçekten farklı enerji düzeylerine ayrılırlar. Bu düzeyler arasındaki
enerji farkı, E
ile tanımlanır. Burada  magnetik moment,  N Bohr magnetonu, H0 magnetik alan şiddeti
ve I spin kuantum sayısıdır. 3400 G luk bir magnetik alan etkisinde, iki hal arasındaki bu
enerji farkı, elektromagnetik spektrumun mikrodalga bölgesindeki 9500 MHz frekanslı bir
fotonun enerjisine eşittir. Mikrodalga bölgesinde bir foton yakalamak suretiyle, enerji
soğurarak bir elektronun düşük enerji halinden yüksek enerji haline itilmesi mümkündür.
Tüm elektronları çiftlenmiş ve iki enerji halinde eşit sayıda elektron bulunduğundan
moleküllerin büyük çoğunluğu bir soğurma spektrumu veremez. Serbest radikaller gibi
paramagnetik moleküller magnetik alandan şiddetle etkilenirler. Magnetik alan
maruziyetine bağlı olarak enerji yarılmasının kanıtı, elektron spini-çekirdek spini
etkileşimlerinin yarattığı hiper ince yarılmalarla karmaşık hale gelen soğurma bandlarıdır.
Tipik ESR aygıtı, metalik klavuz vasıtasıyla mıknatıs kutupları arasına yerleştirilmiş
kuvars örnek hücresine elektromagnetik ışınım sağlayan, klyston tüpü olarak bilinen bir
MW kaynağından oluşur. Analiz, ikincil bir sarım vasıtasıyla değişen magnetik alan
şiddetleri yaratarak, rezonansı doğuran alan şiddeti saptamaktan ibarettir. Oluşan soğurma
sinyali işlenerek, duyarlığı ve ayırma gücünü artırmak için birinci türev eğrisi olarak
alınır. Tekniğin fazla uygulaması olmamakla birlikte, biyolojik sıvıların spin-etiketleyici
reaktiflerle (soğurma kimyasal çevre tarafından etkilendiğinden) vizkozite, tepkenlik
düzenlenmesinde ve serbest radikal ara ürünleri üzerinden yürüyen kimyasal tepkimelerin
incelenmesinde önemli rol oynamayı sürdürmektedir.
17
3. Nükleer Soğurum
Nükleer Magnetik Rezonans Belirli atom çekirdekleri, kuvvetli magnetik alan etkisine
bırakıldıklarında enerjilerinin kuantlı enerji hallerine yarılmasına yol açan spin ve magnetik
momente sahiptirler. Bu enerji hallerinden düşük olanından yüksek olanına geçişler, 0,1 – 100
MHz radyofrekans aralığında elektromagnetik ışınım soğurumuyla gerçekleşebilir. Bu tür
ışınım soğurumları, sadece ışınım enerjisi magnetik olarak yarılan iki düzey arasındaki enerji
farkına eşit olduğunda ve rezonans koşulları sağlandığında oluşur. Bu soğurumu oluşturan
frekansların ölçülmesi işlemlerine NMR spektroskopisi denir. Bu teknik yukarıda açıklanan
ESR tekniğine benzer.
I çekirdek spin kuantum sayısına sahip bir çekirdek için, magnetik alanda 2I + 1 ayrık
enerji hali vardır. Yüklü çekirdeğin spininin yol açtığı magnetik dipol u ile gösterilirse, iki hal
arasındaki enerji farkı, H0 magnetik alan şiddeti ve
nükleer magneton denilen bir sabit
olmak üzere
genel denklemiyle gösterilebilir. Bir çekirdek için niteleyici olan
bilinir (h Planck sabitidir):
Bu değer soğurulan ışınım frekansını,
magnetojirik oran olarak
, magnetik alan şiddetiyle
denklemine göre doğrudan ilişkilendirmekte kullanılabilir. NMR ile yaygın olarak gözlenen
bazı çekirdekler önemli fiziksel sabitleriyle birlikte Çizelge VI da verilmişlerdir. Magnetik
alanda yarılan iki enerji halinde bulunan çekirdekler arasındaki fark (sadece birkaç ppm düşük
enerji halindekilerin lehine olmak üzere) çok küçüktür. Eğer bu hallerde eşit sayılarda
çekirdekler olsa toplam soğurum toplam yayıma eşit olur ve soğurum gözlenemezdi. Bu
nedenle soğurum sinyalini korumak için yüksek enerji halinden düşük enerji haline ışımasız
(yayım olmadan) geçişler temel öneme sahiptirler. Ayrıca bu yatışma mekanizmaları,
çekirdeksel çevreye ve diğer çekirdeklerin yakınlığına bağlıdır bu nedenle bu yatışmalar
(çekirdeksel çevre hakkında) kimyasal veriler sağlar.
İki tür yatışma yolu vardır. Bunlardan biri spin-örgü yatışması ya da boyuna yatışma denir
ve soğurma yapan çekirdek ile, normal sıvı fazda şiddetli titreşim ve dönme hareketlerinin
sürdüğü, örneğin geri kalan bölümünün (örgü) etkileşmesinin sonucudur. Bu örgü içinde çok
sayıda her türden magnetik bileşen bulunması nedeniyle, bu faz ile örgüdeki çekirdeklerden
bazılarının yüksek enerji halindeki presizyon frekanslarının, dolayısıyla enerjilerinin
eş(it)lenebilmesi olasılığı bir hayli yüksektir. Spin-örgü yatışma süresi, T1 yüksek enerji
18
halindeki çekirdeğin ortalama ömrü olarak tanımlanır. Bu ömür örgü hareketliliğinin
fonksiyonudur ve örgü mikro yapısı ve viskozitenin göstergesi (sondası) olarak kullanılabilir.
Bu örgüde magnetik molekül ve iyon bulunması, etkiyen magnetik alan kaynağında, T1 i
çarpıcı biçimde kısaltan, şiddetli dalgalanmalar yaratır. İkinci tür yatışmaya spin-spin
yatışması ya da çapraz yatışma denir ve (süresi) T2 ile gösterilir. Bu değer gerçekte T2 nin
azalmasıyla soğurma band genişliğini artıran birçok olayın toplamıdır. Bu olaylardan biri,
yüksek ve düşük enerji hallerindeki birbirine yakın eş (aynı atoma ait) çekirdekler arasında,
herhangi bir enerji halinin ömrünü kısaltan enerji aktarımıdır. Bir diğeri, spinleri uygulanan
dış magnetik alanla aynı ya da zıt yönlü yerel magnetik alanlar, dolayısıyla bir soğurma
frekansı aralığı yaratan, diğer magnetik çekirdeklerin etkisidir.
Ölçülen soğurma sinyallerinin enerji temelinde ölçülen konum ve ince yapılarından da
kimyasal veriler türetilebilir. Soğurma bandlarının konumuna kimyasal kayma denir ve bir
standart maddeye göre bağıl olarak ölçülür. Bu etki, soğurma yapan çekirdeği içeren
molekülün elektronların hareketlerinden ileri gelir. Yüklü taneciklerin hareketi, belli bir
bölgede uygulanan dış alanı güçlendiren ya da zayıflatan bir magnetik alan yaratır ve böylece,
H0 etkiyen nihai magnetik alanı, uygulanan HA özgün magnetik alanın
perdeleme
faktörüyle düzeltilmesiyle elde edilir:
Ayar standardı olarak perdelenme değeri, yaygın analit çekirdeklerin perdelenme
değerlerlerinden büyük olan bir bileşik kullanılır (örneğin proton NMR spektroskopisinde
tetrametilsilan). Kimyasal kaymanın yapı ile bağdaşımı grup tanısı için yarar sağlar. Çok
yaygın protonların kimyasal kaymaları, Href ve Hsam sırayla tetrametilsilan ve örnekte
rezonans için gereken alan şiddetleri olmak üzere,
ya da ölçeğiyle verilir:
Bazı yaygın protonların kimyasal kayma değerleri Çizelge VII de verilmiştir. Daha fazla bilgi,
spin-spin yarılması diye bilinen soğurma bandları ince yapısından elde edilebilir. Bir çekirdek
çevresindeki magnetik alan bitişik alana bağlı bir başka çekirdek tarafından etkilendiğinde, bu
ince yapı (band yarılmaları) ortaya çıkar. Frekans farkı olarak ortaya çıkan bu yarılma ve her
sinyalin altındaki bağıl alan, çekirdeğin kimyasal çevresi hakkında bilgiler sağlar.
NMR spektrometresinde yüksek güçte ve kalitede bir mıknatıs (sabit, elektro ya da
süper iletkenlik mıknatısı olabilir) bulunur. Mıknatısın alan şiddeti arttıkça spektrometrenin
ayırma gücü artar ve günümüzde 600 MHz lik proton NMR spektrometreleri vardır. Küçük
aralıklarda alan şiddeti ayarlaması yapmak için, bu yüksek alan şiddetli mıknatısın kollarına
paralel ikincil alan sarımları vardır. Magnetik alan yönüne dik olarak Osilatör sarımlarından
ibaret ve düzlem polarize ışınım sağlayan bir radyofrekans kaynağı monte edilmiştir.
Rezonansa gelen çekirdek tarafından oluşturulan sinyal, söz konusu RF-kaynağına dik olarak
monte edilmiş ve örneği kuşatan bir ikinci sarım tarafından algılanır. Örnekler genellikle sıvı
haldedir ve magnetik alan etki heterojenliğinin kolayca bertaraf edileceği ince cam tüplere
yerleştirilir. Örneği magnetik alana göre “sihirli açı” ile yönlendirecek ve hızla (>2kHz)
döndürecek bir donanımla katı örnek analizi yapabilen spektrometreler de vardır. Geometrik
kısıtlılıklara bağlı olan bu açı 54,70 dir. Fourier dönüşümlü aygıtların kullanılması, NMR
sinyallerinin şiddetlenmesini sağlayarak bir çok duyarlı olmayan çekirdeğin günümüzde rutin
olarak incelenmesi olanağını sağlamıştır (Çizelge 6). FT-NMR spektroskopisinde örnekler
geniş bir RF spektrumuyla kısa süre ışınlanır. Bu enerji pulsu uygulandıktan sonra, uyarılan
çekirdekler düşük enerji hallerine yatışırlar ve zaman eksenli bir serbest indüksiyon sönüm
spektrumu verirler. Bu spektrum farklı rezonans frekanslarının örtüşmesini temsil eder ve
19
zamana bağlı karakteristik bir titreşim zarfı verir. Bu zaman eksenli spektrum, makul bir
sürede spektrumun yüzlerce tekrarını sağlayacak biçimde birkaç saniye içinde alınabilir.
Yinelene bu spektrumlar toplanır, bilgisayarlarla ortalamaları alınarak muazzam bir
sinyal/gürültü oranı zenginleştirmesi sağlanarak bilinen frekans eksenli spektruma
dönüştürülür (Fourier dönüşümü). Çağdaş teknikler, farklı frekans aralıklarının, uyarım
taramasının eş anlı analiziyle çekirdekler arası etkileşim (kapling) verileri sağlayan iki
boyutlu analize olanak vermektedir.
Nükleer  – Işını Rezonans Spektroskopisi. Bu teknik  ışınlarının rezonans soğurumuna
dayanır ve Mössbauer spektroskopisi olarak bilinir. Işın kaynağı, Debye sıcaklığının altında
tutulan nüklit yerleştirilmiş kristal örgüsüdür. Bu koşullarda enerji kayıpsız olarak yayımlanan
 ışınlarının enerjisi Kev in altındadır. Bu kuantlı fotonlar, katı örnek ortamında bulunun eş
nüklitler tarafından rezonans soğurumuna uğratılırlar. Eğer soğurucu nüklit ortamının
kimyasal çevresi, yayıcı nüklitinkinden farklıysa rezonansa getirmek için kaynaktan gelen
ışına enerji eklenmeli ya da çıkarılmalıdır. Bu, kaynak ya da soğurucuyu, Doppler hareket
enerji terimi kazandırmak için hareketlendirilerek sağlanır.
Kimyasal analiz için aranan özellik izomer kayması denilen, rezonans için sıfır (kabul
edilen) Doppler hızından kaymayı gösteren iki tip yarılma çizgisidir. Yarılma, uyarılmış
çekirdeğin elektriksel momentiyle bu çekirdek çevresindeki elektriksel alan gradientiyle
yaratılabilir ve yine nüklit magnetik momentiyle iç ya da dış magnetik alan etkileşimleriyle
hiper ince yapı yarılmaları gösterebilir. Aygıt,  kaynağı, Doppler haraket aracı, bir enerji
oransal  dedektörlü çok kanallı analizöre dayanır. Mössbauer spektrumlarından,
yükseltgenme basamağı, mineral yapısına göre örnek tanısı ve nicel örnek mineral bileşimi
verileri elde edilir. 50 Dolayında çekirdek Mössbauer etkisi göstermekle birlikte teknik en çok
demir ve kobalt analizinde kullanılır.
B. Elektromagnetik Işınım Yayımı
Fiziksel olarak uyarılmış enerji halinde bulunan madde, aradaki enerji farkını serbest
bırakarak temel hale yatışır. Bu tür yatışma mekanizmalarından biri elektromagnetik ışınım
yayımıyla olur. Isıl olarak uyarılan katılarda, atom ve moleküllerin karmaşık titreşimlerinden
kaynaklanan, sürekli geniş band yayımları gözlenir. Eğer bu molekül ve atomlar bağımsız
halde ışıma yaparlarsa, o zaman ayrık band ya da çizgilerden oluşan kesikli spektrumlar
gözlenebilir. Bu kesikli yayımların yapısı daha önce değinilen molekül ve atomlardaki
elektronların kuantlı enerji halleriyle doğrudan ilişkilidir ve buradaki enerji yayımı soğurma
olayının tersidir. Bu söylenenler atomik örnekler için kesinlikle doğru olmakla birlikte,
moleküler örneklerde ışımalı yatışmayı önleyen ya da ışımalı yatışmadan önce gelen ışımasız
yatışmalar ilginç kimyasal veriler sağlar.
1. Atomik Yayım
Yayım Spektroskopisi Plazma, elektriksel boşalım ya da alev gibi yüksek enerji kaynakları
kullanılarak atomik ya da iyonik kitleler oluşturulabilir. Eğer bu kaynaklarda enerji yeterliyse
çarpışmalar sonucu elektronik uyarılma oluşur ve yatışma sonucu ayrık dar yayım çizgileri
gözlenebilir. Bu tür yayımların dalgaboyu, kuantlı enerji düzeyi dağılımları arasındaki enerji
farklarını yansıttığından, bu yayım dalgaboyları elementler için karakteristiktir ve
elementlerin tanısı amacıyla kullanılabilir. Yayım çizgilerinin şiddeti, fotoğraf filmi üzerine
kaydedilmiş ya da fotoelektrik dedektörleriyle elde edilmiş, ayar standardı sinyallerinin
şiddetleriyle karşılaştırılarak nicel amaçlar için kullanılabilir. Bu teknik tüm uygun türlerden
eş anlı olarak alınan bu karakteristik yayım çizgileri yardımıyla eş anlı çoklu element tayinine
olanak verir. Basit bir atomik yayım aygıtının şematik gösterimi, oyuk katot lambası ve
modülasyon düzeneği dışında Şekil 5 te gösterilen aygıta benzer. Çoğunlukla indüksiyon
eşlemeli plazma (çok sabit bir çalışma sıcaklığı, yüksek örnek kalma süresi ve yükseltgen
20
olmayan bir ortam sağlayan, argon gibi yüksek enerjili bir iyonik gaz atmosferi) daha yüksek
enerjili bir atomlaştırıcı kullanılır. İki teknik birbirinin tamamlayıcısı olup, belirli türlerin
analizinde birbirine üstünlük sağlasa da, seçme sınırları genellikle AAS de gözlenen
aralıklardadır.
Atomik Floresans Spektroskopisi Floresans, ışınımın soğurulma ve (yeniden) yayımı
olaylarının birbirini izlemesine denir. Bir atomik kitleyi belli bir rezonans frekansında
uyarmak için, lazer, elektrotsuz boşalım lambası, gaz boşalım lambası ya da özel olarak
uyarlanmış oyuk katot lambası gibi, alev dışında şiddetli bir puls kaynağı kullanılır. Yayım
her yönde oluşabilir ve yaygın olarak standart AAS aygıtlarına göre, uyarıcı demete 900 açıyla
yayımlanan ışınlar incelenir. Bu düzeneğin AAS ve AES ye göre 10 kadar element için seçme
sınırlarını iyileştirdiği gösterilmiştir.
X-Işını Floresans Spektroskopisi Bu teknik atom numarası 8 den büyük olan elementler için
en yaygın olarak kullanılan nitel ve nicel elementel belirleme tekniğidir. Coolidge tüpü ya da
radyoaktif madde gibi bir kaynaktan elde edilen X-ışını demeti örnek üzerine gönderilir. Şekil
4 böyle bir ışınımın, örnek atomlarındaki iç kabuk elektronlarının iyonlaşması için yeterli
olduğunu göstermektedir. Genişletilmiş X-ışını Soğurumu İnce Yapı Spektroskopisi (EXAFS)
denilen teknikle, atomların üç boyutlu konumu hakkında veriler elde etmek için X-ışını
soğurumu kullanılabilir. Bu yolla uyarılmış elementler, iç kabuğu boşaltan elektronun yerine
üst enerji düzeylerinden bir elektronun geçmesiyle yatışma olur. Bu iki düzey arasındaki
enerji farkı, kuantlı X-ışını floresansı olarak yayımlanır. Tek bir örnekten çok sayıda X-ışını
enerjisi yayılabilmesi, (belli bir frekanstakilerin izlenebilmesi için) enerji- ya da dalgaboyu
ayırmalı spektrometrelerin kullanılmasını gerektirir. Dalgaboyu ayırma işlemi ağ
monokromatörlerdekine benzer bir yolla yapılır fakat burada X-ışını floresans demetinin,
Bragg denklemini sağlayacak biçimde bir gonyometre üzerine monte edilmiş, kristal örgü
aralığı d kesin bilinen bir kristale (örneğin NaF, NaCl, topaz) düşürülmesi gerekir. (Bragg
denklemi,
 , destekleyici girişimi sağlayan geliş açısı, dalgaboyu ve n tamsayılardır). Enerji ayırmalı
cihazlar, belli bir açıda farklı n değerlerinden ileri gelen iki ya da daha çok fotonun enerjisini
ayırt etmek için dalgaboyu ayırmalı aygıtlarla bağlantılı ya da bağımsız çok kanallı bir
analizör olarak farklı enerjileri ölçmekte kullanılmak üzere, enerji pulsu analizini
kullanabilirler. Dalgaboyu- ve enerji ayırmalı bileşik bir aygıt şeması Şekil 10 da
gösterilmiştir.
2. Moleküler yayım
Floresans Spektroskopi UV-G ışınımın moleküler soğurumu, gelen foton ile kromofor
elektronlarının rezonansı sonucu değerlik elektronlarının yüksek enerji hallerine uyarılmasına
21
yol açar. Floresansın, 10-6 saniye süren soğurma olayının ardından 10-8 saniye içinde ışınım
yayarak sistemin düşük enerji haline yatışması olduğu söylenir. Soğurulan ışınımın aynı
dalgaboyunda yeniden yayımlanması rezonans floresansıdır. Çok atomlu moleküller
çoğunlukla Stokes kayması diye bilinen bir spektral özellik olan daha büyük dalgaboylu
floresans ışıması yaparlar. Bunun nedeni elektronik uyarılmış hal içinde, moleküler titreşimler
nedeniyle ışımasız enerji kayıplarıdır. Bu Şekil 11 de özetlenen floresans ve Fosforesans
olgusuyla yakından ilişkilidir. Fosforesans, yasaklı triplet uyarılmış hale sistem içi
çaprazlanmasıyla uyarılan elektronların birkaç saniye içinde bu halden ışımalı yatışmasıdır.
Fosforesans olgusu çok düşük şiddettedir ve bu nedenle analitik potansiyeli oldukça sınırlıdır.
Işımasız yatışma ve floresans arasındaki rekabet, ışımalı yatışmanın toplam enerji
soğurumuna oranı olarak tanımlanan kuantum veriminin düşmesine yol açar. İdeal olarak
kuantum verimi bire eşit olmalıdır ama örnek ortamında moleküller arası çarpışma ve dönme
etkileşimleri kuantum verimini belirgin biçimde düşürürler. Bu nedenlerle floresans şiddeti, F
kromofor kimyasal yapısı ile moleküller arası etkileşimin fonksiyonudur ve de seyreltik
çözeltiler için A Absorbans, A < 0,05; K kuantum verimine bağlı bir sabit; P0 uyarıcı demet
gücü olmak üzere,
yazılabilir. Floresans spektrometresinin aygıtsal bileşenleri daha önce söz edilen moleküler
soğurma tekniğindekilere çok benzer. Karanlık bir zemin üzerindeki küçük floresans
sinyallerinin elektronik olarak yükseltilmesi, soğurma olgusunda karşılaşılan parlak bir zemin
üzerindeki küçük ışınım gücü farklarının ölçülmesinden çok daha kolay olduğundan, floresans
spektrometreleri doğaları gereği, (düşük derişimler söz konusu olduğunda) soğurma temelli
cihazlardan çok duyarlıdır. Pek çok kromoforun floresans yatışmasına uğramaması nedeniyle
uygulanırlığı sınırlı da olsa, floresans sistemleri
soğurma temelli tekniklerden 4 kat daha duyarlıdır. Uyarıcı dalgaboyunun 250 nm ya da
büyük olduğu durumlarda florimetri düşük derişimlerde moleküler nicel analiz için
başvurulacak yegâne yöntemdir. Teknik organik kimya, doğal ürünler kimyası ve florimetrik
reaktif analizinde önemli uygulama alanları bulur.
22
Raman Spektroskopisi Raman etkisi UV-G bölge ışınımlarının moleküler saçılmasına dayanır.
Saçılan ışınımlar moleküler titreşim düzeyleriyle etkileşimin sonucu olarak kuantlıdır ve bu
nedenle gelen ve saçılan ışınımlar arasındaki enerji farkı IR bölgeye düşer. Bu dalgaboyu
farkı molekülün kutuplanmasına (polarizasyon) bağlı olması ve IR soğurumundaki dipol
değişimiyle ters yönde olması, Raman spektroskopisi ve IR soğurma spektroskopisi
tekniklerini birbirinin tamamlayıcısı teknikler haline getirir. Spektral analizler, uyarıcı
monokromatik ışınım dalgaboyunun altındaki ve üstündeki titreşim bandlarının Şekil 12 de
gösterilen fiziksel olaylarca yaratıldığını göstermektedir. Soğurulan enerji molekülü,
kutuplanarak yamulmuş molekül hali olarak nitelenen sözde uyarılmış hale çıkarır. 10-15-10-14
s içinde temel hale ya da temel halin bir üst titreşimsel haline yatışma olur. Spektrumlarda
kaynak dalgaboyundan Stokes ve genel olarak daha zayıf anti-Stokes kaymalarının dalga
sayıları gösterilir. Bu çizgiler IR aktif ve IR aktif olmayan geçişlerin IR soğurmalarına
karşılıktır ve Raman tekniği dipol momentiyle ilgili titreşim frekanslarıyla, bağdaki
elektronların olağan yerlerinin yamulmasından kaynaklanan soğurmaların (frekans) ayırt
edilmesini sağlar.
Günümüz Raman spektrometreleri, örneği uyarmak için şiddetli bir G-UV kaynak ile
standart fotoçoğaltıcı dedeksiyon ilkesiyle çalışın monokromatör temelli spektrofoto-metrik
sistemlerdir. Spektroflorometri cihazlarındaki gibi uyarıcı kaynak ışık yolu dedekte edilen ışık
yoluyla 900 açı yapar. En iyi aygıtlarla 0,2 cm-1 ayırma sağlanması olanaklıdır ve Raman
sinyalleri aktif tür derişimleriyle doğru orantılıdır. (Geri) soğurum yokluğuda sinyal şiddeti
kaynak kaynak frekansının dördüncü kuvvetiyle orantılıdır, buna rağmen 450 nm den daha
kısa dalgaboyları (yüksek frekanslar), hızlı örnek bozunmasına yol açtıklarından genelde
kullanılmazlar. Çok çeşitli yüzeyler Yüzey-Zenginleştirilmiş Raman Spektroskopisiyle
(SERS) incelenebilir. Gelen ışınım gücü ve Raman saçılma kesitinin artırılmasıyla,
pürüzlendirilmiş (örneğin Au, Ag, Cu) iletken yüzeylerde Raman sinyallerinin 106 kata kadar
zenginleştirilebilmesi, tek tabaka altı karakterizasyon ve dedeksiyon bile işten değildir.
3. Nükleer Yayım
Aktivasyon Analizi. Bu teknik, termal nötronlar gibi nükleer taneciklerle, ya da yüksek enerjili
 ya da X-ışınlarıyla ışınlandıktan sonra örneğin radyoaktifliğinin ölçümüne dayanır.
Aktivasyon analizi yöntemleri arasında dört ana ayrım yapılabilir. Bunlar, uyarımda
kullanılan tanecik ya da ışınım tipini, son yayım olayında gözlenen ışınım tipini, analitin
23
yalıtılmasıyla örnek hazırlama türünü ya da enerji ayırt edici  ışını spektrometresi gibi bir
aygıtla ayırma yapmaksızın doğrudan örnek izlenmesini kapsar.
Nötron aktivasyon analizi günümüzde en yaygın kullanılan nükleer yayım tekniğidir.
Bir örnekteki aktiflik, A, nötron akımı,  ve örnek yarı ömrüyle ilişkilendirilebilir,
Burada N nüklit sayısı,  örnek nötron yakalama kesri ve t ışınlama süresidir. Bu denklemden
görülebileceği gibi, belli bir ışınlama süresi için aktiflik, aktif türün oluşum ve bozunma
hızlarının eşit olduğu, doygunluk düzeyine ulaşacaktır. Belli bir nötron akımı için bu
doygunluk düzeyi, örneğin yarı ömrü tarafından belirlenir ve sonuçta maksimum duyarlık için
gereken analiz süresini saptamakta kullanılır.
Aktivasyon analizinin en önemli özelliği doğal duyarlığıdır. Bazı türler için 10-12 g
kadar inebilen duyarlık eser analizine uygundur. Bununla birlikte böyle duyarlıklara sadece
bazı elementler için ulaşılırken diğerlerinin algılanabilmesi için 10-4 g kütle gerekir.
 Işını Spektroskopisi. Elektromagnetik spektrumun bu bölgesinde foton enerjisinin doğru
biçimde ölçülebilmesi, doğal ve yapay radyoaktif türlerin tanısı, ayırt edilmesi ve
nicelenmesinde büyük avantaj sağlar. İşlem ilkesi üç evrede yürür. Birinci evrede, yüksek
enerjili foton, elektriksel sinyal üretmek için foto-katot ışıldama düzeneği ya da yarı iletken
materyalle etkileşir. Bu elektriksel sinyal, bilinen elektronik düzeneklerle çıkış sinyali enerjisi
özgün fotonun enerjisine orantılı olacak biçimde yükseltilir. İkinci evre bu çıkış sinyali
enerjisinin, önceden belli enerji düzeyleri ya da ‘kanal’ lar olarak adlandırılan düzeylere
tasnifini kapsar. Son evrede, nicel analiz için her bir düzeydeki enerjinin sayımı ve görsel hale
getirilmesi gerçekleştirilir. Tek kanallı ve çok kanallı aygıtlar mevcuttur ve gereksinim ve
olanaklara göre bunlar seçilir. Çok kanallı sistemler yüzlerce ayrı dalgaboyunu eş anlı olarak
izleyebilir ve NAA gibi tekniklerle birlikte çoklu element analizinde kullanılır.
C Ayırma Yöntemleri
Ayırma yöntemleri, bir karışımdan bir ya da daha çok türü ayırmak için kullanılan fiziksel
ve/veya kimyasal işlemleri içeren geniş kapsamlı bir terimdir. Bu yöntemler çözücü
özütlemesi, damıtma, seçimli çöktürme, kristallendirme ve kromatografiyi içerir.
1.Kromatografinin İlkeleri
Kromatografi, karmaşık bir karışımdan kimyasal olarak birbirine benzer maddelerin etkin
olarak ayrılabileceği, çok özel ve en yaygın kullanılan ayırma tekniğidir. Ayırma yapabilmek
için, şimdilik durgun ve hareketli fazın yaygın uygulamalarına göre nitelenen, üç farklı
fiziksel yöntem vardır. Durgun faz, ayrılacak karışımın bileşenleriyle etkileşen bir kimyasal
yüzey sağlar. Karışımdaki bileşenlerin kimyalarının farklı olması, durgun faz ile farklı
derecelerde moleküler bağlanma ya durgun faz tarafından farklı yakalanma düzeneklerine yol
açar. Eğer karışım bir durgun faza yatağı üzerinden bir hareketli faz yardımıyla geçirilirse,
durgun faz ile etkileşmelerde en az vakit harcayan moleküller, bu yatak üzerinde kuvvetli
etkileşimlerle zaman harcayan moleküllere göre daha hızlı hareket edecektir. Bu, durgun faz
üzerinde göçme hızları farkı, benzer türlerin ayrılması sonucunu verir. Üç farklı ayırma
stratejisi aşağıda özetlenmiştir ve hepsi bir durgun fazı öngörür.
1. Cephe kromatografisi. Hareketli faz örnek karışımıdır ve örnek ayırma yatağında
ilerledikçe ileri uçta en az alıkonan türler derişir.
2. Yer değiştirme kromatografisi. Örnek karışımı durgun fazın bir ucuna uygulanır ve
daha sonra hareketli faz verilir. Hareketli faz örneğin bağlanma yerleriyle rekabet
edecek biçimde, durgun faza seçimli olarak bağlanır. Durgun faz ile örnek ve hareketli
faz türlerinin etkileşimlerinin bağıl fonksiyonu olarak ayrılma gerçekleşir.
24
3. Elüsyon kromatografisi. Örnek karışımı, başlangıçta hareketli fazı da içerebilen
durgun fazın bir ucuna uygulanır. Bu hareketli faz durgun fazla kayda değer ölçüde
etkileşmemekte ama sadece örnek karışımını durgun faz boyunca sürüklemektedir.
Örnek bileşenlerinin durgun faz seçimli bağlanma farkları, bazı türlerin göçünü
yavaşlatır ve ayrılma sağlanır. Kromatografi biçimi, muazzam ayırma gücü nedeniyle
çok benzeyen türlerin ayrılmasında en yararlı kromatografi türüdür.
Durgun fazlar katı ve sıvı ile kaplanmış katı yüzeyler olabilirken, hareketli fazlar sıvı ve
gaz olabilir. Durgun fazların standart biçimi, cam ya da polimer destek üzerine düzgün olarak
sürülmüş (ince tabaka kromatografisi) ya da bir kolona doldurulmuş çok ince katı
taneciklerdir. Keza durgun faz olarak, çoğunlukla mikro su kaplaması (sıvı durgun faz) içeren
polimerik katılar ve iç cidarı sıvı durgun fazla kaplı kılcal tüpler de yaygındır.
“Kinetik” ya da “hız” kuramı olarak; durgun faz üzerinde ayrılan bileşenlerin bölge ya da
bantlarınının genişlemesini, bu bantların herhangi bir noktada ortaya çıkış zamanın, açıklayan
ve kullanılan özel bir sistemin ayırmasını ya da ayırma gücünün dayandığı ayrıntıları
açıklayan iyi bir kromatografi kuramı oluşturulmuştur. Bölge/bant genişlemesini açıklayan, ve
genel hali gaz kromatografi için türetilen van Deemter denklemi
olan sayısız denklem geliştirilmiştir, burada A, B ve C sırayla girdap difüzyonu, boyuna
difüzyon ve dengesiz kütle aktarımı diye bilinen üç kinetik denetimli olayı göstermektedir. v
terimi hareketli faz akış hızını, ve H, kuramsal plakaya eşdeğer yüksekliği gösterir. Bu terim,
damıtma kolonunun bir dizi denge basamaklarına ya da plakalara ayrıldığı damıtma
kuramından alınmıştır. Kromatografi bağlamında, böyle bir basamağın eşdeğer yüksekliği,
basitçe ayırma yatağı uzunluğunun, bu yataktaki basamak sayısına, N (ayırma veriminden
hesaplanır) bölümüne eşittir.
Band genişlemesinden sorumlu üç kinetik etkenin, H değerinin en aza indirilmesi demek olan,
ayırma verimini iyileştirme çözümlemesi kolayca yapılabilir. Burgaç difüzyonu, örnek
türlerinin durgun faz dolgu tanecikleri arasında kat etmek zorunda olduğu yolu ifade eder.
Farklı moleküllerin izleyeceği yolların farklı olma olasılılıkları çok yüksek olduğundan, kat
edecekleri yollar da farklı olacaktır. Bu, ortalama tanecik çapı ve dağılımına kritik biçimde
bağlı olarak, bantların genişlemesine yol açar. Boyuna genişleme (difüzyon), her iki uçta
moleküllerin bant bölgesinden düşük derişim bölgelerine doğal difüzyonu demektir. En
önemli parametreler, durgun faz ve hareketli faz içinde molekül hızlarını denetleyen
parametrelerdir. Dengesiz kütle aktarımı, hareketli fazın iki faz arasında denge kurulmasına
elvermeyecek kadar hızlı hareket etmesi gerçeğinden kaynaklanır. Dengeye ulaşılmasını
kontrol eden etkenler; sıvı durgun faz kalınlığı ve hacmi, difüzyon katsayıları, durgun ve
hareketli fazın bağıl derişim oranlarıdır.
Herhangi bir kromatografik çalışmada temel ilgi konusu, tekniğin ayırması (ayırma gücü
= resolution, R) ya da ayırma yeteneğidir. R için yararlı ve nicel bir denklem, W 1 ve W2
ayrılan iki pikin taban genişlikleri ve Z iki pikin Elüsyon maksimimları arasındaki fark
olmak üzere,
biçiminde yazılabilir.
2. Gaz Kromatografi
Çok karmaşık organik ve inorganik gaz örneklerin ayrılmasına elverişli olan bu teknik
kromatografik analizin köşe taşıdır. Mobil faz, van Deemter denklemi başına ayırma verimini
ve aynı zamanda dedektör verimini en çoklaştırmak üzere seçilen bir taşıyıcı gazdır. Durgun
faz; katı ya da katı destek üzerine kaplanmış akıcılığı düşük bir sıvı (yüzlercesi vardır) ya da
25
iç yüzeyi üzerine akıcılığı düşük bir sıvı kaplanmış kılcal tüptür (çok yüksek verimli
ayırmalar için).
Gaz kromatografi Şekil 13 te şematik olarak gösterilmiştir ve bu şema örneğin önce bir
ısıtma girişine verilerek buharlaştırıldığını, daha sonra ayırma kolonundan geçirildiğini ve
nihayet algılandığı (dedeksiyon) göstermektedir. Kılcal ayırma kolonuna az miktarda örnek
sevki için giriş bölümünde özel bölücülere gereksinim vardır. Bu bölücüler, standart
injeksiyon şırıngasıyla giriş kamarasına verilen örnekten küçük ve yinelenebilir bir bölümü
doğru olarak kolona aktarmalıdır. Yaygın kullanılanları Çizelg VIII de özetlenmiş olan çok
sayıda dedektör vardır. Elüsyon süreleri, sıcaklık programlaması denilen bir teknikle
değiştirilen kolon sıcaklığıyla denetlenir.
3.Yüksek Edimli Sıvı Kromatografisi
Kromatografinin bu türü, organik karışımla için çok elverişlidir ve organik türlerin bir çoğu
uçucu olmadığı için bu alanda gaz kromatografinin tamamlayıcısıdır. Ayırma edimi dolgulu
gaz kromatografisindeki duruma benzer ve genellikli mikrometre çapındaki katı tanecikler
üzerine kaplanmış aşırı ince durgun faz üzerinde gerçekleştirilir. Dolgu materyalinin küçük
boyutlu ve ileri derecede düzenli oluşu çözelti akışına karşı büyük direnç oluşturur ve bu
nedenle bu kolonlardan hareketli fazın geçirmek için büyük ölçekli basınç kuvvetine
gereksinim vardır. Ayırma gücü üzerinde çarpıcı etkisi olan hareketli fazın kolayca
değiştirilebilir olması, bu tekniğin gaz kromatografisine göre esnekliği önemli ölçüde artırır.
Şekil 14 te gösterilen böyle bir kromatografi sisteminde, hareketli faz olarak (farklı) sıvıların
(seçenekli) kullanımı görülmektedir. Çözücü programlaması, kromatografik Elüsyon sırasında
hareketli faz değişimini sağlar ve bir anlamda GC deki sıcaklık programlamasına benzer. Çok
kullanılan dedektörler Çizelge IX da özetlenmiştir.
26
4. İyon Kromatografisi
İyon kromatografisi uzun yıllardır bilinmektedir ve belki de laboratuarlardaki genel cam
kolon ayırmalarında en çok kullanılan durgun faz iyon-değiştirme reçineleridir. Bununla
birlikte 1970 yılların ortalarında, tek değerli ve çok değerli inorganik ve organik iyonları
dakikalar mertebesinde ve eş anlı olarak ayırma kapasitesindeki iyon kromatografi
sistemlerinin evrimleştirilmesiyle, müthiş ilerlemeler sağlanmıştır. Böyle bir cihazın şeması
Şekil 15 te gösterilmiştir. Bu aygıtlardaki yenilikler, yeni yüksek verimli reçine ayırma
kolonlarının ve aynı zamanda hareketli fazda analit dışındaki tüm iyonları gideren fibertemelli baskı kolonlarının geliştirilmesidir. Analit dışı iyonların giderilmesi, sadece bir tür
yüklü iyonları geçirebilen yarı geçirgen zar kullanımıyla sağlanır. Bu zarın dışında bir baskı
çözeltisi bulunur; bu çözeltiyle mobil fazla arasında, yük dengesinin korunması ve iyonların
iletken olmayan çözünür bileşiklere çevrilmesiyle sonuçlanan iyon değişimi sağlanır. Örneğin
hareketli fazdaki 2Na+/ CO32  tuzunun sodyum iyonları, baskı çözeltisindeki 2H3O+/ SO 24  ın
hidronyum iyonlarıyla değişerek, hareketli fazda iletken olmayan H2CO3 bileşiğini bırakır. Bir
iletkenlik dedektörüyle, büyük boyutlu zemin sinyali yokluğunda analit iyonları algılanır ve
bu yolla 10-10 M veya daha düşük seçme sınırları sağlanır.
27
5. Süperkritik Akışkan Kromatografisi
Süperkritik akışkanlar, bir bileşiğin Süperkritik noktasının üstündeki sıcaklık ve basınçlar-da
bulunurlar. Kromatografik hareketli faz olarak Süperkritik akışkanlar, sıvı ve gaz
kromatografisi arasında bir özellik sergilerler. Çözme gücü yoğunlukla yakından ilişkilidir ve
basınç-yoğunluk programlaması biçiminde bir başka işlem parametresi sağlar. Gazların düşük
yoğunluğu ve yüksek difüzlenebilirliği, gaz kromatografinin, sıvı ya da Süperkritik akışkan
komatografisine göre birim zamanda daha iyi ayırma sağlamasına yol açar fakat GC düşük
molekül ağırlığına sahip, uçucu ve ısıl olarak dayanıklı bileşiklerle sınırlıdır. Sıvı
kromatografide yüksek sıvı yoğunlukları, mükemmel çözme gücü aralığı sağlar ama bu teknik
göreli olarak yavaştır ve evrensel duyarlı dedektörlere sahip olma bakımından sorunludur.
Hareketli faz olarak süperkritik akışkanların yoğunluklarının denetimiyle, düşük sıcaklıkta
bileşikleri çözündürebilme yeteneği, ısıl olarak dayanıksız ve uçucu olmayan bileşiklerin
kolay analiz edilebilmesini sağlar. Hareketli faz, sıvı olarak pompalanır ve kolona verilmeden
önce, ön kamarada kritik sıcaklığın üstüne ısıtılır. Kolonda Süperkritik koşulları korumak için
kolon sonuna bir basınç düzenleyici yerleştirilmiştir. Bu teknikte ya dolgulu sıvı kromatografi
kolonları ya da bir dizi apolar, polar, ya da yeni kiral-bağlı durgun faz içeren açık tüp kolonlar
kullanılır.
Kullanım kolaylığı sağlayan kritik sıcaklığı (Tc) 31,050C ve basıncı (Pc) 72,9 atm, zehirsiz
oluşu, yanıcı olmaması ve uygun fiyatla sağlanabilirliği nedenleriyle en çok kullanılan
hareketli faz karbon dioksittir (CO2). Kimi zaman çözünen Elüsyon niteliklerini değiştirmek
için metanol gibi düzenleyiciler katılır.
6. Biyokimyada Kromatografik Yöntemler
Biyokimyacılar, organik kimyanın kimyasal olarak sınırlı ama bir o kadar da karmaşık bir
alanıyla ilgilenirler. Bu karmaşıklık, GC ve HPLC sistemleriyle tayini güç olan
makromoleküller için özel ayırma teknikleri geliştirilmesine yol açmıştır. Biyokimyacılar
tarafından birçok özel ayırma teknikleri kullanılmakla birlikte, bunlardan ikisi kimyanın diğer
alanlarında da uygulamalar bulmaktadır.
Jel geçirgenlik (ya da boyut dışarlama-exclusion) kromatografisi moleküler ayırmanın
durgun fazla etkileşim yerine boyut temelinde gerçekleştiği bir kromatografi tekniğidir. Suda
şişen ve belirli gözenek ve oyuklar dağılımı içerecek biçimde polimerik çapraz bağlama ile
tasarlanmış bir polimerik jel durgun faz görevini yürütür. Su temelli bir hareketli faz ile bir
örnek bu molekül eleğinden geçirildiğinde, küçük moleküller büyüklere oranla daha kolay
biçimde gözeneklere difüzlenir, böylece büyük moleküller daha önce kolondan çıkar ve
moleküllerin boyutları küçüldükçe kolondan çıkmaları gecikir. Bu tip ayırma için en bilinen
polimer, dekstran polisakkaritiyle çapraz bağlanmış epiklorohidrindir.
28
Uygulanan bir elektrik alanında iyonik moleküller ya da iyonik molekül kümelerinin
göçmesinin analiz amacıyla kullanıldığı elektroforez bir diğer özel tekniktir. Yaygın olarak,
elektrolitle doyurulmuş suda şişen jel gibi bir durgun faz, iki yüksek voltaj (yüz/bin volt
düzeyinde) elektrodu arasına yerleştirilir. Örnek bu jel üzerinden, yük kütle oranının olduğu
kadar Kesim II.C de açıklanan etkenlerin de fonksiyonu olarak ilerler. Belli bir süre voltaj
uygulandıktan sonra, örnek türlerinin görselleştirilmesi için jel boyanır. Örnek çıktılarının
analizi ve ardışık olarak çıkan türlerin toplanması için standart HPLC dedektörü donanımlı
aygıtların kullanılması da mümkündür.
D. Analitik Elektrokimya/Elektroanalitik Kimya
Elektroanalitik kimya, analitin galvanik ya da elektrolitik bir hücre paydaşı olması ortak
noktasına sahip birçok tekniği kapsar. Tüm Elektroanalitik teknikler şu üç ana gruptan birine
dahil edilebilir: hücrenin elektriksel özelliklerinin ölçüldüğü teknikler, elektrolit içindeki bir
kimyasal tepkimenin fonksiyonu olarak hücrenin elektriksel özelliklerinin ölçüldüğü teknikler
ve daha sonraki analizler için analitin bir elektrotta fiziksel olarak toplandığı teknikler.
1. İletkenlik Ölçümü (kondüktometri)
Bir elektrolite daldırılmış iki elektrot arasına bir potansiyel uygulandığı zaman iyonlar zıt
yüklü elektrotlara göçerler. İyon göç hızı; çözeltinin uyguladığı sürtünme kuvveti,
elektroforetik kuvvetler ve çözeltinin iyonu yatıştırıcı etkilerine karşı yürütücü kuvvet olarak
görev yapan, uygulanan potansiyelin fonksiyonudur. İletkenlik direncin tersidir ve iletkenlik
çözeltisinin uzunluğu ile kesit alanına göre (özgül iletkenlik) ya da 1 eşdeğer çözünenin özgül
iletkenliği (eşdeğer iletkenlik) olarak ifade edilebilir. Kuvvetli elektrotların eşdeğer iletkenliği
ile derişiminin karekökü doğru orantılıdır. Çözelti iletkenliği her ne kadar belli bir tür için
seçici olmasa da, oldukça duyarlı biçimde ölçülür. İletkenlik ölçme aygıtı, doğası gereği seçici
olan iyon kromatografisinde dedektör olarak uygulama alanı bulur. İletkenlik, iyon üreten ya
da tüketen, nötralleşme, çökme ve kompleksleşme titrasyonlarını izlemek için bir parametre
olarak kullanılabilir.
İletkenlik deneylerinde faradaik akımlardan kaçınmak için 60-1000 Hz arasında
frekansa sahip bir ac akım kaynağı kullanılır. İletkenliğin doğrudan aygıtsal ölçümü için
başka elektronik donanımlar kullanılmasına karşın, eğer elektrokimyasal hücre bir
Wheatstone köprüsünün kollarından bir olarak çalışıyorsa iletkenliği ölçmek için, bir
Wheatstone köprüsü donanımı kullanılabilir. İletkenlik ölçüm hücrelerinde, geniş alanlı iki
platinlenmiş platin elektrot belli bir uzaklık ve yönelimde yerleştirilir.
2. Potansiyometri
İki elektrot arasındaki elektromotor kuvvetin ölçülmesi, analit çözeltisindeki bir iyonun
derişimi ya da aktifliği hakkında bilgi sağlayabilir. Bir elektrodun potansiyeli (E), herhangi
bir türün yükseltgenmiş ve indirgenmiş formlarının aktiflikleriyle (aox, ared) Nernst
denkleminin genel biçimiyle ilişkilendirilebilir.
Burada E0, standart elektrot potansiyeli, R gaz sabiti, T mutlak sıcaklık, n redoks tepkimesine
eşlik eden elektron sayısı ve F faraday (1 mol elektronun yükü).
Çalışma (indikatör) ve karşılaştırma (referans) elektrotları. Tam bir Elektroanalitik
hücre çalışma ve karşılaştırma elektrotları bileşkesinden oluşur. Bu elektrotların her biri yarıtepkime kimyasına katılır; bu yarı tepkimelerin bileşimi tam redoks tepkimesini oluşturur.
Çalışma elektrodu analit aktifliğini algılama elemanıdır ve örnek çözeltisi bileşiminden
bağımsız sabit bir potansiyele, Eref sahip çalışma elektroduna karşı, Eind potansiyeli gösterir.
Ejunc, örnek çözeltisindeki elektrotların arayüzünde, iyonların eşit olmayan göç hızlarının
29
sonucu olarak eşitsiz dağılımından ileri gelen sıvı değme potansiyelini göstermek üzere,
ölçülen hücre potansiyel,
biçiminde yazılabilir. İdeal durumda karşılaştırma elektrodu potansiyeli sabit ve değme
potansiyeli sabit ya da ihmal edilebilir düzeydedir. Piyasada, en bilinenleri gümüş/gümüş
klorür, kalomel ve hidrojen gaz elektrotları olmak üzere birçok karşılaştırma elektrodu vardır.
Çalışma elektrotları genel olarak, bir kimyasal tepkimede iyonlar üretildikçe ya da
tüketildikçe hücre potansiyelinin değiştiği titrasyon analizlerinde kullanılır. En az dört önemli
tipte çalışma elektrodundan söz edilebilir. En yalın sistem, bir takım türlerin hem indirgenmiş
hem de yükseltgenmiş formlarını içeren bir çözeltiye daldırıldığında, elektron vermeye ya da
almaya elverişli ve bu yolla onların redoks potansiyellerinin ölçülebilmesine olanak sağlayan,
altın, platin ya da karbon gibi bir materyal şerididir. Bir diğer durumda, analit iyonlarına karşı
tersinir olan bir metalin kullanımı gerekir ve burada söz konusu metal elektrot sadece yük
dengesine değil aynı zamanda kütle dengesine de (çözeltiye iyonlar verebilir ya da çözelti
iyonları metal elektrot üzerinde toplanır) katılır. Üçüncü tip elektrotlarda, metalin az çözünür
bir tuzla kaplandığı, gümüş/gümüş klorür sisteminde olduğu gibi iki arayüz vardır ve metal ya
da kaplama tuzunun anyonunun aktifliğinde kullanılabildiği gibi titrasyon analizinde de
kullanılabilir. Bir başka elektrot türü, aşağıdaki kesimlerde açıklandığı gibi belirli iyonları
seçici olarak izlemek için tasarlanmış zar-temelli özel bir sınıfı temsil eder.
Cam elektrotlar. Cam elektrotlar belli bir bileşime sahip cam zarların kimyasal
özelliklerine dayanan iyon-seçici elektrotlardır. İçeriğindeki Na2O, CaO, SiO2 ve Al2O3
miktarlarının değişmesiyle, cam kimyasının değişimi cama hidronyum, sodyum ya da basit
katyonların seçimli olarak bağlanabileceği aktif merkezler oluşturur. Bir cam elektroda dayalı
tipik elektrokimyasal hücresinin kurulumu, seçici zar fiziksel özelliklerini de gösterecek
biçimde Şekil 16 da gösterilmiştir. İç çözelti, sabit derişimde analit katyon içerir ve bu
nedenle iç elektrot yüzey potansiyeli sabit kalırken, dış çözelti analit derişimi değişkendir.
Sadece jel tabakasında iyon değişim ilkesine dayalı bir elekriksel potansiyelin gelişmesi, bir
faz sınırı potansiyeli yaratır. Tüm cam zar 50-100 m toplam kalınlığa sahiptir ama hidratize
cam bunun da küçük bir bölümü olarak sadece 5-100 nm kalınlıktadır. (Hidratize olmayan)
Kuru cam içinde iletkenlik, en küçük yüklü katyon sayesindedir vebüyük miktarda katyon
geçişiyle ilişkili değildir.
30
İyon-seçici elektrotlar.Yukarıda açıklanan cam elektrot bir iyon-seçici elektrot tipidir;
zar kurulumuyla tanımlanan üç tür iyon-seçici elektrot daha vardır. Bunlar Çizelge 10 da
özetlenmiştir. Tüm bu aygıtlar, 250C ta florür için aşağıda gösterilene benzer, düzenlenmiş
Nernst denklemlerine göre işler:
burada Ecel hücre potansiyeli, iç ve dış karşılaştırma elektrotları potansiyellerini içeren bir
sabit; analit iyon aktifliği, a1 ve sinyale katkısı, K1,2= k1/k2 biçiminde tanımlanan seçicilik
katsayısına göre değişen, Z yüklü girişimci iyon aktifliğine, a2 bağlıdır. Tüm iyon-seçici
elektrotlar analitin rakiplerinin girişimi söz konusudur ve bunlar belirlenmeli ve bir nicel
ölçütle kontrol edilmelidir.
31
Belirli gaz ve organik moleküllerin algılanması ve ölçülmesi için melez
potansiyometrik elektrotlar üretilmesi mümkündür. Bir iyon-seçici elektrot, bir enzim-substrat
tepkimesinin yol açtığı iyon aktifliğini ya da bu seçici elektrotun yüzeyinde tuzaklanmış
küçük hacimli sulu faz içinde çözünen gazları ölçmekte kullanılabilir. Örneğin suda şişen
hidrofilik bir jel içinde tuzaklanan bir enzim cam elektrot yüzeyine bağlanabilir. Bu sistem
substrat içeren bir çözeltiye daldırıldığında, bu enzim-substrat tepkimesi, cam elektrotla nicel
olarak ölçülebilecek yerel bir pH değişimi yaratan belirli miktar hidronyum üretebilir. Bu
teknolojinin biraz daha ilerisi, enzim bağlı-bağışıklık muayeneleridir. Bir enzime bağlı
antikor, yarışmalı bağlanma ya da sandviç muayene stratejisinde immunekimyasal seçicilik
sağlarken enzim de işlenecek elektrokimyasal sinyali üretir.
3. Voltametri ve Polarografi
Voltametri, çalışma elektroduyla karşılaştırma elektrodu arasındaki akım-voltaj ilişkilerinin
karşılaştırıldığı birçok tekniği kapsar. Bunlardan en bilineni, elektrot yüzeyine analit
drifüzyonu ile kontrol edilen bir tepkime hızıyla, mikro çalışma elektrodunda analitin
elektrolitik yükselgenmesi ya da indirgenmesine dayanan, polarografidir. Standart çalışma
elektrotları, cıva damlası, döner platin, camsı karbon ve mum kaplı karbon gibi kolayca
polarize olan mikroelektrotlardır. Geleneksel elektrokimyasal hücreler, yüksek dirençli
çözücülerle çalışma olanağı veren potansiyostatik denetimli üç elektrot (çalışma, karşılaştırma
elektrotları ve karşı elekrot) temelinde tasarlanmıştır.
Polarografide çalışma elektroduna sürekli, pulslu, titreşimli potansiyel programları
uygulanır ve uygulanan potansiyelin fonksiyonu olarak oluşan redoks akımı izlenir. Çalışma
elktrodu yüzeyine analitin ulaşması üç kütle aktarımı olayıyla denetlenebilir: örnek
çözeltisinde konveksiyon, uygulanan elektrostatik alan etkisinde yüklü iyonların göçü ve
derişim derecelenmesi (gradient) nedeniyle difüzyon. İlk iki olayı bertaraf etmek için deneyler
çözelti karıştırılmadan ve 100-kat aşırı elektrokimyasal açıdan inaktif elektrolit derişiminde
yapılır. Çalışma elektrodu potansiyeli, ilgilenilen yarı-hücre potansiyeline bağlı bir eşik
değerine ulaştığında, elektrot yüzeyinde analit yükseltgenmeye ya da indirgenmeye başlar.
Yığınsal çözeltiden, elektrot yüzeyine difüzyon başlar ve sonunda deneysel olarak grafikteki
artışla gösterilen ve sonuçta sabit redoks akımına varan bir yatışkın hale ulaşılır (Şekil 17).
Polarografik basamağın orta noktasındaki potansiyel yarı-dalga potansiyeli, E1/2 olarak bilinir
32
ve söz konusu yarı-tepkime için uygulanan potansiyel, Eappl; ölçülen akım, i ve difüzyondenetimli akım ile orantılıdır.
Difüzyonla sınırlanan bu akım, cıva damla elektrodunun kullanıldığı geleneksel Polarografi
deneyi için basit biçimi verilen İlkovic denkleminde gösterildiği gibi, diğer parametrelerin
yanı sıra elektrot geometrisinin de bir fonksiyonudur.
burada id her damla için mikroamper biriminde ortalama difüzyon akımı, n aktarılan elektron
sayısı, D saniyede santimetrekare başına analit difüzyon katsayısı, C litrede mili mol
biriminde analit derişimi, m saniyede miligram biriminde cıva akış hızı ve t saniye cinsinden
damla ömrüdür. Bu denklem difüzyon sınırlı akımın analit derişimiyle doğru orantılı
olduğunu göstermektedir.
Polarografik yöntemin duyarlığını artırmak için sayısız elektriksel potansiyel
uygulama işlemi geliştirilmiştir. Bu işlemlerden en duyarlısı, kısa (mili saniye) voltaj pulsları
uygulanması ve puls rejiminin fonksiyonu olarak akımın örneklenmesidir. Bu işlemler,
faradaik olmayan olaylardan ileri gelen zemin sinyalleri minimumlaştırılırken, istenen
faradaik akımın maksimumlaştırılmasına odaklanmıştır. Bu işlemlerin özeti uygulanan
potansiyel yöntemlerine göre Çizelge XI de özetlenmiştir. Kare dalga voltametrisi gibi
tekniklerin hızı, pek çok analitik durumlarda bu yöntemleri tercih edilir kılar. Polarografik
teknikler toksik metallerin analizinde sıklıkla kullanılır ve periyodik çizelgedeki hemen her
element için uygulanabilir. Belirli organik işlevsel grupların tepkime mekanizmaları ve
derişim yönünden analizleri de önemlidir.
33
4. Amperometrik Titrasyon
Polarografi yöntemleri bazı elektroaktif türleri tüketen ya da üreten titrasyonların gidişinin
izlenmesinde kullanılabilir. Çalışma elektroduna sabit ve analitin gözlenebilirliğini sağlayacak
difüzyon akımı için yeterli voltaj uygulanır. Akım eklenen titrant hacminin fonksiyonu olarak
kaydedilir. Çalışma elektrodu birkaç milimetre kare boyutlarında bir mikro elektrot
olduğundan ve geçen akım mikroamper düzeyinde ya da daha az olduğundan çözeltideki
analitin sadece önemsiz bir bölümü tepkimeye girer. Bu çalışma elektrodundaki redoks
tepkimesinin, kimyasal titrasyon yanında ihmal edilebileceği ve çoğu zaman bu elektrot
tepkimesinden dolayı kayda değer bir hata gelmeyeceği anlamına gelir.
5. Kulometri ve Elektrogravimetri
Bu teknikler belli bir örnek hacmindeki analit türün tümüyle yükseltgenmesi ya da
indirgenmesine girişen elektroliz teknikleridir. Bu yöntemlerin belirgin avantajı, toplam analit
miktarıyla nicel olarak ilişkili toplam elektron aktarımına dayandıklarından dolayı ayar
(kalibrasyon/standardizasyon) işlemi gerektirmemeleridir. Kulometri, sabit voltaj ya da sabit
akım koşullarında elektroliz süresince elektrik akımının integrasyonu demektir. Sabit voltaj ya
da sabit akım parametreleri analiz süresi ile girişim önlenmesini en uygun hale getirmek için
seçilir. Sabit akım koşullarında tüketilen ya da üretilen elektronların yükü, zaman ve akımla
orantılıdır.
Sabit voltaj (değişken akım) koşullarında bu bağıntı,
biçimine gelir. Tipik elektrokimyasal düzenek platin çalışma elektrotlu üç elektrot
potansiyastatıdır. Çoğu durumda deneyi, analitin çalışma elektrodunda nicel olarak
toplanacağı biçimde düzenlemek mümkündür. Çalışma elektrodunun kütle değişimi, eşedeğer
ağırlığı hesaplamaya yarayacak yük miktarıyla ilişkilendirilebilir. Bu teknikler orta duyarlıkta
ama binde düzeyinde doğruluk ve kesinlik sağlayan tekniklerdir.
E. Kütle Spektrometrisi
Kütle spektrometrisinde moleküller maruz bırakıldıkları koşullara göre hem iyonlaştırılır
(pozitif ya da ya da) hem de fraksiyonlanır. Tanecikler kütle-yük oranlarına göre hizaya
sokulur. İyonların sayısına karşı kütlelerinin grafiğine kütle spektrumu denir. Her bir kimyasal
bileşik için karakteristik olan bu spektrumlar analitik açıdan çok değerlidir. Bu iş için
kullanılan cihazlar birkaç ana birime ayrılabilir: (1) örnek giriş sistemi, (2) iyon kaynağı, (3)
iyonları ayırmak için spektrometre ya da analizör, (4) iyon dedektörü, (5) kayıt sistemi, (6)
34
vakum sistemi ve (7) veri işleme kadar tüm süreç için toplam kontrol sistemi. Bu aygıtların,
iyonlaştırma ya da iyon analiz yöntemlerine göre sınıflandırılabilen birçok çeşidi vardır.
Burada biz belirli alanlara yöneleceğiz.
1. İyon Kaynakları
Tüm iyon kaynaklarının ortak yönü, hepsinin iyon oluşturma ve iyonlara kinetik enerji
(iyonların ivmelendirilmesi onların spektrometreye girmesi için gerekmektedir) kazandırma
tekniklerini birleştirmesidir. Elektron tepme kaynakları (Şekil 18) en çok kullanılır. Bu
aygıtta, örnek giriş biriminden elde edilen gaz halindeki örnek hızlı elektron akımına (genelde
70 V luk potansiyelde) maruz bırakılır ve tanecikler (elektron-molekül) arası çarpışmalar
iyonlaşma ve bölünmelere yol açar. Daha sonra bu türler hızlandırıcı slitlerle spektrometreye
gönderilir. Bir diğer kaynak kimyasal iyonlaştırıcılardır. Burada analit molekülleri, yukarıdaki
gibi doğrudan elektronlarla değil, iyon-molekül tepkimeleriyle iyonlaştırılır. Reaktif gaz,
örneğin metan başta elektronlarla iyonlaştırılır.
ek tepkimeler
Bu tanecikler örnek molekülleriyle birçok biçimde tepkimelere girerler:
Kimyasal iyonlaştırma tekniğinin avantajı analit molekülünü daha az enerji aktarılması bunun
sonucunda da molekülün daha az bölünmesi ve bölünme derecesinin reaktif gaz seçimiyle
denetlenebilmesidir.
(Elektriksel) Alan iyonlaştırma tekniği, molekül üzerinde yüksek elektriksel alan (107
– 108 V cm-1) oluşturulması etkisini kullanır. Uygun bir elektrot tasarımında bu alan
ilgilenilen molekülden elektronu koparmaya yeterlidir. Diğer kaynaklar, alan desorpsiyonu,
kıvılcım kaynakları, ısıl iyonlaştırma, hızlı atom bombardımanı ve ikincil iyon kütle
spektrometrisidir (bkz SIMS, Kesim G-4, Yüzey Analizi).
2. Spektrometre
35
Spektrometrenin amacı iyon kaynağından gelen iyonları olabildiğince etkin biçimde
ayırmaktır. Bu, nicel anlamda aygıtın ayırma gücü olarak ifade edilir ve M ve M +  M eşit
şiddetteki iki komşu pikin kütle numaraları olmak üzere M M biçiminde tanımlanır. Burada
anahtar faktör, M ve M +  M piklerini ayırt etme yeteneğidir ve iki pik arasındaki “vadi” pik
şiddetlerinin % 10 undan fazla olmadığı zaman bu piklerin ayırt edildiği söylenir. Ayırma
gücü, iyon ayırma yöntemini de kapsayan bir dizi aygıtsal faktör tarafından tayin edilir.
Yaygın kullanılan ayırma sistemlerinden biri magnetik saptırma aygıtıdır. Bu sistemde
kontrol edilebilen bir magnetik alanla iyonlar kütle-yük oranlarına göre eğri bir yol üzerinde
saptırılırlar. Aygıt, söz konusu magnetik alanda, sadece kapalı ucu iyon dedektörüne
odaklanmış analizör tüpünün (Şekil 19a) kavisine uyan iyonlara izin verilecek biçimde
tasarlanmıştır. Buna göre, M iyon kütlesi, e yük, H magnetik alan şiddeti, r analizör tüpü
eğrilik yarıçapı ve V iyon kaynağında kullanılan hızlandırma potansiyeli olmak üzere, bu
analizör iyonları M/e oranlarına göre farklı akımlara ayırır,
Kütle spektrumunu elde etmek için çoğunlukla V taranır. Uçuş-zamanlı kütle
spektrometresinde, iyon kaynağında elektron demeti pulsuyla üretilen farklı kütledeki
iyonlara eş kinetik enerji kazandırılır. Daha sonra bu iyonlar, dedeksiyon öncesi belli
uzunlukta bir tüpte (Şekil 19b) uçmaya bırakılır. İyonlar farklı hızlarda olduğunda tüpü kat
ediş süreleri
36
denklemine göre değişir. Bu cihaz hızlı tepkimelerin incelenmesi için elverişlidir. Bir diğer
kütle spektrometresi, alternatif akım voltajı uygulanan dört kısa paralel metal çubuk arasında
iyonların geçirilmesi ilkesine dayanan ve düşük ayırma gücüne sahip, dört kutuplu
spektrometre olarak bilinen sistemdir. Dayandığı fiziksel ilkeler çok karmaşık olmasına
karşın, basitliği nedeniyle bu cihaz çok yaygın kullanılmaktadır.
Buraya kadar sözü edilen spektrometrelerin hepsi tek odaklamalı sistemler olarak
adlandırılırlar. İyon kaynaklarında iyonların kazandığı kinetik enerjiler değişken olduğundan,
bu aygıtların ayırma güçleri düşüktür. Çift odaklamalı bir spektrometrede (Şekil 19c), iyon
kaynağı ile magnetik saptırıcı analizör arasına bir elektrostatik alan yerleştirilir. Bu
elektrostatik analizör, magnetik analizöre geçmeden önce iyonların kinetik enerjilerini
birörnek hale getirir. Böyle bir cihazın ayırma gücü 50 000 dolayındadır.
Göreli olarak daha yeni bir aygıt iyon siklotron sistemi olarak bilinir, 100 000 in
üzerinde ayırma gücü sağlayan ve Fourier dönüşümü modunda çalışan hızlı ve duyarlı bir
sistemdir.
3. Diğer Bileşenler
Tipik bir MS örnek giriş sistemi gaz, sıvı ve katı örnek girişine uygundur. Giriş sistemi
çoğunlukla  2000C ve 0,02 tor basınçta tutulur. Buna göre, spektrumu alınabilmesi için
herhangi bir katının bu koşullarda iyon kaynağına yeterince buhar sağlaması gerekir. Yeni
aygıtlarda dedeksiyon sisteminde bir elektron çoğaltıcı ya da elektron çoğaltıcı düzeneği
bulunur. Bu sistemlerin ikisi de, iyon çarpan bir materyalden elektron sökülmesi ilkesine
dayanır. Daha sonra akım ölçülmeden önce bu elektronlar (ardışık dinotlarda) çoğaltılır.
Bütün kütle spektrometrelerin döner yağ pompası destekli difüzyon pompalarıyla yüksek
vakum altında tutulduğunu söylemek bile gereksizdir. Eğer spektrometre bir gaz kromatografi
cihazına bağlanmışsa (GC-MS), giriş sistemi ve kromatografi arasına, örnek geçişine olanak
verip taşıyıcı gaz geçişini engelleyen bir sistem yerleştirilir. Bu amaç için, taşırıcı, zar ve jet
ayırıcı kullanılır. Son olarak günümüz aygıtlarında sadece veri işlemek için değil toplam cihaz
denetimini de yapmak için bilgisayarlar kullanılmaktadır. Bilgisayar denetimli kütle
spektrometrelerinde, örneğin binlerce bileşiğin kayıtlı spektrumları “arşiviyle” (anında)
karşılaştırma yapılması gibi pek çok olanaklar sunulur.
4. Uygulamalar
Kimyasal bileşiklerin yapı aydınlatılmasında kütle spektrometrisinin büyük önemi tartışılmaz.
Bu önem, bileşiklerin MS de iyonlaştırılmasının eşsiz bölünme desenleri sergilemesinden ileri
gelir. Bu nedenle kütle spektrumlarının molekül yapısıyla bağdaştırılması analiz için güzel bir
temel oluşturur. Alt düzeyde yapı aydınlatma işlemlerinde kütle spektrumu iki biçimde
kullanılır. Birincisi, en yüksek kütleli pik spektrumu (Şekil 20) çoğunlukla molekülün
moleküler pikine aittir ve tanıya başlangıç verisi olarak çok değerlidir. Ayrıca bu pikten 1 ve
2 büyük kütle numarasına sahip pikler yardımıyla, daha ağır izotopların doğal bolluğunun
etkisini ortaya çıkarabiliriz. Bu, birkaç seçenek içinden özel bir molekül ağırlığının
(dolayısıyla elementel bileşimin) seçilmesinde bize katkı sağlar. İkinci olarak, bölünme, her
bir bileşik için niteleyici kütle pikleri dizisi üretir. Moleküler yıkımın özel bir iyonu
oluşturması için, bağın kopmasının yanı sıra elektronun kopmasına yetecek kadar enerji
gerekir. Bağ kopması için uygulanabilen bir dizi kural, özel bir türün özgün yapısı hakkında
kestirimlerde bulunabilmemize olanak vermektedir. Örneğin halkalı bileşikler çoğunlukla bu
halkaları (halkanın doğal kararlılığı nedeniyle) niteleyen kütle numaralarına sahip pikler verir.
37
Söylenebileceği gibi, kütle spektrumundan hiç bilinmeyen bir yapının çıkarılmasının
arkasındaki mantık, bir bozyap tablosunun yapılmasına benzer. Bu işlem, bilgisayar destekli,
bilinmeyenin hafızadaki spektrumlarla eşlenmesi işleminden oldukça farklıdır. Bu
karşılaştırma işleminde “parmak izi” yaklaşımı kullanılır.
F. Isıl Yöntemler
Isıl yöntemler, örneğin bir fiziksel özelliğinin denetlenen sıcaklığın fonksiyonu olarak
ölçülmesini gerektirir. Sıcaklığın değişimi, enerji değişimi, ağırlık kaybı, boyut değişimi,
esneklik ve eklenen reaktif hacmine karşı çözelti sıcaklığının grafiğini çizen donanımlar
uygulama bulmaktadır.
1. Termogravimetri
Termogravimetride (TGA) sıcaklığın fonksiyonu olarak değişen örnek ağırlığı ölçülür.
Örneğin hidratize su molekülleri ısıl olarak giderilebilirse, bu işlem TGA cihazıyla
algılanabilir. Uygulamada örnek, otomatik kaydedicili bir analitik terazinin kolundaki bir
krozeye alınır. Bu sistem daha sonra sıcaklığı (oda sıcaklığından  12000C ta)duyarlı olarak
ölçülen bir fırına yerleştirilir: Fırının sıcaklığı 5-100C/dk hızla aşamalı artırılırken ağırlık
kayıpları kaydedilir. Ağırlık kaybı-sıcaklık grafiklerinden, örnek bileşenlerinin kaba yapısı ve
tepkime mekanizması hakkında bilgiler elde edilebilir. Bu teknik sıklıkla DTA ve DSC ile
birlikte kullanılır.
2. Diferansiyel Termal Analiz (DTA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC)
DTA’da örnek sıcaklığı bir karşılaştırma maddesinin sıcaklığı ile karşılaştırılarak, çeşitli
örnek dönüşümlerine karşılık gelen enerji soğurumu ya da açığa çıkması, iki sıcaklık (örnek
ve karşılaştırma maddesi sıcaklıkları) değeriyle bağdaştırılır. TGA da olduğu gibi sıcaklık bir
program dahilinde artırılır. Sonuçlar analizciye eksotermik ya da endotermik tepkime
oluşumları hakkında bilgi sağlar. Cihaz, örnek ve karşılaştırma materyalini farklı bölümlerde
ısıtacak bir ısıtma donanımına sahip bir fırından ibarettir (Şekil 21). Isıtıcı sıcaklığı 5-100C/dk
hızla artırılır ve sıcaklık farkı, örnek ve karşılaştırma materyaliyle yakın temasta olan bir
ısılçift yardımıyla ölçülür. Tüm fırın sıcaklığı da kaydedilir. Daha doğrusu, DSC örnek ve
38
karşılaştırma materyalini aynı sıcaklıkta tutmak için ısı enerjisi eklenmesi ya da çıkarılmasını
kapsar.
Isı enerjisi çıkması ya da alınması olayları örnek ağırlığının değişmesiyle paralel
yürüdüğünden, yukarıda açıklanan üç teknik birbiriyle bağdaşmaktadır. DTA ya da DSC de
bir endotermik değişim oluştuğunda, sıcaklık karşılaştırma sıcaklığının altında kalır;
eksotermik olayda ise bunun tersi olur. Bir inorganik materyalin, Ca(CH3COO)2.H2O tipik
TGA ve DTA grafikleri Şekil 22 de gösterilmiştir. Argon atmosferinde ilk endotermik sinyal,
suyun buharlaşmasına tekabül etmektedir. İkinci ve üçüncü endotermik pikler CO kaybıyla
CaCO3 ve CO2 kaybıyla CaO oluşumu olaylarıyla bağdaşmaktadır.
Polimerik materyallerin ısıl analizi, analizciler açısından verimli/bereketli bir işlemdir.
Erime noktası, faz değişimleri, ısıl bozunma ve kurutma (kür) koşullarının hepsi, sadece DTA
(DSC) sıcaklık konumlarından değil endotermik ve eksotermik pik genişliklerinden de
çıkarılabilir. Ayrıca açığa çıkan gazların GC ya da GC-MS ile analizi de olanaklıdır.
3. Termometrik Titrasyon
39
Bu teknikte örnek titrasyonu (kapalı bir Dewar kabında), aynı anda örnek sıcaklığı ölçülerek,
motorlu bir büretle gerçekleştirilir. Sıcaklık değişimleri çok küçük (0,001-020C düzeyinde)
olduğundan çok doğru ölçülmesi zorunludur. Yöntem, özel bir kimyasal sistemin tepkime ısısı
hakkında bilgi sağlar. Bu yöntemin uygulamaları içinde bilinmeyen derişiminin tayini,
tepkime stokiyometrisinin ve termodinamik parametrelerin belirlenmesi vardır. Bunlar susuz
ortam çözeltilerinde ve erimiş tuz ortamlarında gerçekleştirilebilir.
G. Elektron Spektroskopisi
Bir örnek yeterince kısa dalgaboylu elektromagnetik ışınıma ya da kinetik enerjileri yeterince
yüksek bir elektron demetine maruz bırakılırsa elektron yayımı gözlenebilir. Elektromagnetik
ışınım etkisiyle elektron fırlatılmasına fotoiyonlaşma derken, elektron demeti etkisiyle olan
olayda elektron tepme iyonlaşmasından söz ederiz. Son yıllarda fırlatılan elektronların sayı ve
enerjilerinin ölçümüne dayanan analiz teknikleri ailesinin geliştiği görülmektedir. Tipik
olarak bu yöntemler elektron spektroskopisi olarak sınıflandırılmaktadır. Elektron
spektrometresi; örnek giriş sistemi, iyonlaşma odası, iyonlaştırıcı tanecik ya da ışınım
kaynağı, kinetik enerji analizörü, kontrol ve kayıt sistemi ve vakum sisteminden oluşur.
Kütle spektrometrisinde olduğu gibi, belli enerjiye sahip elektronları sayılmak (ya da algı)
için bir çıkışa odaklamakta bir elektrostatik alan kullanılabilir. Deneysel olarak elde edilen
elektron sayısına – kinetik enerji grafiğine elektron enerji spektrumu denir. Elektron
spektroskopisi ailesi kapsamındaki teknikler ya iyonlaştırma yöntemine göre ya da elektron
yayımına eşlik eden olayların doğasına göre sınıflandırılırlar.
40
(a) Tipik vakum UV fotoelektron, (b) geniş-taramalı X-ışını fotoelektrın ve (c) dartaramalı X-ışın fotoelektron spektrumları
1. Vakum UV Fotoelektron Spektroskopisi
Vakum UV fotoelektron spektroskopisinde (UPS) örnek atom ya da molekülleri vakum UV
bölge elektromagnetik ışınımına maruz bırakılır. Kolay sağlanır ışınım kaynağı, 21,2 eV ta
keskin HeI çizgisi yayan helyum boşalım lambasıdır. Değerlik elektronlarının fotoiyonlaşması
için gereken enerji 6 eV dolaylarında olduğundan, bu enerjiyle Einstein bağıntısına
göre çoklu enerjiye sahip elektron yayımı elde ederiz. Burada In ninci tür elektronunun
iyonlaşma enerjisi, En ise h  enerjili fotonlarca yayılan elektron buketinin kinetik enerjisidir.
h  bilindiğinden genellikle deneysel olarak bir elektron sayısı-iyonlaşma potansiyeli grafiği
(fotoelektron spektrumu) elde ederiz ve In değerini bilmek isteriz.
41
UPS ile gaz fazı molekülleri üzerinde ayrıntılı araştırmalar yapılmıştır. Özellikle
elektronik enerji düzeyleri titreşimsel ince yapı verileri elde edilebilir. Tipik bir UV foto
elektron spektrumu Şekilde gösterilmiştir.
Bağ yapmamış elektronların iyonlaşmasında moleküler çekirdekler arasında fazla
değişiklik olmadığından keskin pikler elde edilirken, bağ elektronlarının iyonlaşmasında bağ
uzunluklarının ve titreşimsel geçiş dağılımlarının değişmesi sonucu yayvan pikler oluşur. Bu
tür titreşimsel yapılar iyonlarda titreşim frekanslarının incelenmesinde, elektron
bağlanmasının doğasının ayırt edilmesinde ve Jahn-Teller kuramının sonuçlarının
araştırılmasında kullanılır. Bu spektrumlarda, orbital olarak dejenere olmuş molekül
oluşumuyla sonuçlanan, spin-orbital etkileşiminin sonuçları da bulunur. Hidrojen halojenür
molekülleri, halojen orbitallerinin yarılmasında beklenen, yalıtık-çift karakteri (?!!) ardışık
artışı gösterir ( HF, 0,033,; HCl, 0,073; HBr, 0,32 ve HI, 0,66 eV). UPS, analitik kimyada
‘parmak izi’ tanısında, moleküler konformasyon araştırmalarında, geçici türlerin orbital
yapılarının araştırılmasında ve orbital enerjilerinin kuramsal hesaplanmasında bağdaştırma
(korelasyon) deneylerinde kullanılır.
2. X-Işını Fotoelektron Spektroskopi ya da Kimyasal Analiz İçin Elektron Spektroskopi
Bu yöntemin geliştirilmesi İsveçli Kai Siegban’a fizikte Nobel ödülü getirmiştir. Burada
örneğin X-ışınlarına maruz bırakılması hem değerlik hem de iç kabuk elektronlarının
sökülmesine yol açmaktadır. Bugüne kadar 1253,6 eV luk MgK ve 1486,6 eV
luk AlK kaynakları kullanılmış ve daha çok iç kabuk spektrumlarıyla katı örnekler üzerinde
araştırmalar yapılmıştır. X-ışını fotoelektron spektroskopisinin (XPS) en önemli özelliği
yüzey-duyarlı bir teknik olmasıdır. X-ışını demeti iyonlaştırmasıyla oluşan elektronlar, örnek
atom ya da molekülleriyle çarpışma sonucu aşağıdaki denkleme göre büyük ölçüde sönerler
(yakalanırlar)
burada I(x), x derinliğinde doğan I0(x) elektron akımının yüzeye ulaşan bölümüdür,
0
parametresine kaçma derinliği denir ve 500 eV luk elektronlar için 20 A boyutundadır. Buna
göre ancak üstteki birkaç atomik tabakadan sadece belli enerjilere elektronların elde edileceği
açıktır.
İç kabuk elektronlarının bağlanma enerjileri esas olarak, sabit, dar sınırlar içinde ve de ait
oldukları atomlar için niteleyicidirler. Buna göre özel bir örneğin bağlanma enerjilerinin
(doğrudan ölçülen kinetik enerjiyle yük için düzeltilmiş kaynak enerji verilerinden hesaplanır)
taranması elementel tanı sağlar (Şekil 24b). Ayrıca bir iç elektronun hassas bağlanma enerjisi,
yükseltgenme basamağı ya da kimyasal çevreye bağlı olarak değişir. Buna kimyasal kayma
etkisi denir ve aynı atomik orbitalin farklı kimyasal durumlardan iyonlaşmasını açıklar (Şekil
24c). Bu etkinin gözlenmesi, tıpkı NMR da olduğu gibi özellikle yapısal problemlerin
çözümünde yarar sağlar. İç kabuk elektron spektrumlarının ek özellikleri yeniden yapılanma
ve multiplet yapısıdır.
3 Auger Elektron Spektroskopisi
Auger elektron spektroskopisini (AES) açıklayabilmek için, X-ışınına maruz kalarak ya da
elektron tepmesi sonucunda elektron yitiren bir atomun akıbetini ele almalıyız. İç kabukta bir
elektron boşluğu olduğunda atom ‘yatışmak’ durumundadır ve değerlik tabakasından bir
elektronla bu boşluk doldurulur. Bu olay, bir X-ışını fotonu yayımı (floresans) ya da ikinci bir
elektron fırlatılmasıyla sonuçlanır (Şekil 25a). Bu yolla yayılan ikinci elektrona 1902 deki
keşfinden sonra Auger elektronu denmiştir, bu elektronun sayımı ve kinetik enerjisinin
42
ölçümü AES ni oluşturur. XPS den farklı olarak, fizikte Auger elektronunun kökenini
betimleyen bir adlandırma kullanılır. Periyodik çizelgenin üst yarısından salınan Auger
elektronları için Xa, Yb ve Zc simgeleri kullanılır, burada X birincil iyonlaşmanın olduğu
düzey, Y ve Z ise sırayla ‘aşağı inen’ ve fırlatılan elektronların düzeyleridir. a, b ve c
indisleriyse alt kabuk alt kabuk indisleri ya da j değerleridir. Örneğin bir elektronu KL1L2
olarak etiketlememiz 1s elektronunun iyonlaştığını, boşluğun 2s elektronuyla (L1) yatıştığını
ve bunu L2 elektronunun yayımının izlediğini gösterir. AES, Auger elektronlarının kinetik
enerjisinin elektronun kökeni için niteleyici olması, bunun analiz için elveriyli bir özellik
olması, yüzey-yönelimli bir yöntem olması gibi nedenlerle XPS ile karşılaştırılabilir. Keza
Coster-Kronig olayı ve yeniden yapılanma gibi olgular için hesaba katılacak başka gözlem
geçişleri de vardır. Yeniden yapılanma ana pikin çevresinde uydu pikler oluştururken, CosterKronig olayı bazı piklerin gözlenememesiyle ilişkilidir.
Uygulamada iyonlaştırıcı sistem tek tür enerjili elektron demetidir. Bu düzenek çoklu
elektron tepme çarpışmasıyla tekniğin duyarlığını artırır. Bununla birlikte, burada saçılan
elektronların büyük ölçüde zemine difüzlenmesiyle belirgin Auger piklerinin basit biçimde
gözlenmesini zorlaştırmak gibi istenmeyen bir özellik de söz konusudur. Bunun nedenle,
Auger özelliklerinin ortaya çıkması için pik diferensiyel biçimde çizilir (Şekil 25b). Bir diğer
değerli deneysel özellik, örneğir üç boyutlu ‘yüzey’ hacminin analizine olanak veren,
iyonlaştırıcı elektron demetinin darlığı (  1m ) dır. Burada yanal analiz iyonlaştırıcı elektron
demeti hareketiyle ve derinlik analizi titreşen iyon demetinin çarpmasıyla tabakaların
giderilmesiyle yapılır.
43
AES nin metalurji ve materyal biliminde örneklerin yüzey analizinde çok büyük uygulama
alanları bulması şaşırtıcı değildir. Alaşım analizinde, metal oksitlenmesinde, katmanlaşma,
adsorpsiyon, kaplama, film oluşumu, kataliz ve yarı iletken endüstrisinde yaygın biçimde
kullanılır.
3. Yüzey Analizi
XPS ve AES nin yüzey analizinde kullanımı yorumlarının ışığında konu uygun biçimde
özetlenebilir. Yüzey analizi için ideal bir yöntem şu özellikleri taşımalıdır.
1. Tek tabakayı inceleyebilmeli
2. elementleri algılamalı
3. moleküler türleri tanılamalı
4. yüzey topografyasını açıklamalı
5. yüksek duyarlıklı
6. yüksek uzamsal ayırma gücüne sahip
7. her tür örneğe uygulanabilir
8. herhangi bir bileşene karşı ayrım yapmamalı ve
9. yüzey bileşimini ve yapısını etkilememelidir.
Beklendiği gibi tüm özellikler tek bir yöntem tarafından karşılanamaz. Çizelgede gösterildiği
gibi bir yöntemler topluluğu ancak bu gereksinimleri karşılar. Çizelge verilerinden
anlaşılacağı gibi ana strateji olarak, bir uyarım sonrası yayılan foton, iyon ya da elektronların
incelendiği açıktır.
Uyarım ya da Sonda
Fotonlar
Elektronlar
İyonlar
Elektrik Alanı
Fotonlar
Çıktı Türleri ve Bilgi Sağlayıcılar
Elektronlar
İyonlar (nötral türler)
Lazer Optik Yayım Sp.(LOES)
Işık (Raman) Saçılma Sp. (LS)
Fourier Dön. IR (FTIR)
Elipsometri (E)
Evanescent dalga
spektroflometrisi (EWS)
Elektron mikrossondası (EMP)
X-ışını algılamalı taramalı
elektron spektroskopisi (XSEM)
İyon etkili X-ısını sp (IIX)
Proton etkili X-ışını sp (PIX)
İyon tepmeli ışınım ve nötral tür
analiziyle yüzey bileşimi
(SCANIIR)
Glow boşalımlı optik sp
(GDOS)
-
X-ışını fotoelektron sp. (XPS)
Ultraviyole fotoelektron Sp
(UPS)
Fotodesorpsiyon (FD)
Auger elektron sp (AES)
Taramalı elektron
mikroskopisi(SEM)
Düşük enerjili elektron kırımı
(LEED)
Elektron tepmeli enerji kaybı sp
(EELS)
İyon nötralleşme sp (INS)
İyon etkili Auger elektron sp
(IAES)
Elektron kamçılamalı
desorpsiyon (ESD)
Alan elektron mikroskopisi
(FEM)
Atom sondalı alan iyon sp
(APFIM)
İkincil iyon kütle sp (SIMS)
İyon saçılma sp (ISS)
Rutherford geri saçılma sp
(RBS)
Şimdi bir dizi önemli yöntemin ilkelerini kısaca özetleyebiliriz. İkincil iyon kütle
spektrometrisinde (SIMS), katı örnek 1-30 keV luk iyonlarla dövülür, sonuçta pozitif, negatif
iyonlar ya da moleküler türler fırlatılır. Yüklü tanecikler kütle spektrometrik analize tabi
tutulur. Yöntem dinamik ve statik tiplerde kullanılır; statik kullanma modunda hedef ‘ılımlı’
dövülür ve düşük hızda ve ortalama ömrü göreli olarak uzun tekkabakalar sökülür.
İyon saçılma spektroskopisinde (ISS), yüzey saçılma merkezlerinin kütleleri için niteleyici
enerji spektrumları vermek üzere düşük enerjili (0,5-2 keV) iyonlarla dövülür. Düşük enerjili
elektron kırınımı (LEED), yüzey kırınımını incelemek için yüzeye gönderilen 5-500 eV luk
elektronların etkisini dikkate alır. Elektron-tepme enerji kaybı spektroskopisinde (EELS),
yüzeye tek enerjili elektron demeti gönderilerek, adsorban moleküllerin titreşimsel
44
düzeylerine eşlik eden ayrık enerji kayıpları
incelenir. Taramalı tünelleme mikroskopisi
(STM) ve Atomik kuvvet mikroskopisiyle
(AFM), atomik boyutta uca sahip ve
piezoelektrik mekanik bir hareket ettiriciyle
yönlendirilerek mekânsal olarak gezdirilen bir tel ile yüzeyin etkileşimi gözlenerek, tek tek
atom ve moleküller incelenir. Son olarak aşağıdaki çizelgede çeşitli yüzey analiz yöntemlerin
edimleri, (duyarlık, seçme sınırı ve ayırma gücü gibi) analitik ölçütler açısından
karşılaştırmalı olarak verilmektedir.
Kimyasal Algıçlar
1975 ten beri, karmaşık ortamlardaki özel bir bileşenin ayırma işlemleri uygulanmaksızın yerinde
analizi yönünde bir faaliyet sürdürül-mektedir. Bu tür kimyasal seçici aygıtların olası uygulamaları;
özellikle organik bileşen-lerin nicel analizi için tasarlanmış, endüstriyel süreçlerin anında izlenmesi ve
denetimi, uzun vadeli çevresel olayların uzaktan izlenmesi, klinik analizlerin otomasyonu, canlı
hücrede ilaç izlenmesi ve protezlerin geri bildirimle denetlenmelerini gibi çok çeşitli durumları
kapsayan uygulamalardır.
Tüm kimyasal algıçlar, iyon ve molekül bağlanması için seçici bir merkez ile burada
gerçekleşen kimyasal bağlanmayı kullanışlı bir analitik sinyale dönüştüren dedektörden oluşan temel
yapı kullanırlar. Dedektörler dört gruba ayrılırlar: yarıilet-kenler, iyon-seçici elektrotlar, optik aygıtlar
ve piezoelektrik aygıtlar. İyon-seçici elektrotlar dışındakiler daha önce açıklanmıştı, yarıiletken temelli
gaz algıçları en bilinen kimyasal algıçlardır. Bu aygıtlar genellikle yüksek sıcaklıklarda çalışırlar, belli
gazların yarıilet-ken yüzeyle etkileşerek onun elektriksel niteliklerini değiştirmesi sağlanır. Bu algıçlar
CO2 ve O2 gibi belli gazlar ya da hidrokar-bonlar gibi belli gruptaki moleküller, kimyasal direnç ya da
ince film oluşturan oksitler için seçici olabilirler.
Özelleştirilmiş kimyasal alıcılar kullanılarak seçicilik iyileştirilebilir. Basit inorganik iyon ve
gazlar için bunun bir yolu, iyon seçici zarların iyon değiştirme kimyasına başvurulmasıdır. Karmaşık
biyokimyasal moleküllerin tanısı için karmaşık materyaller gerekmesi işin doğası gereğidir. Bu tür
alıcıların seçiciliği, protein, polipeptid ve nükleik asitler üzerinde tümleyici eşleşmelerin tersiyer
45
yapısına dayanır. Enzim-subsrat, antikor-antijen, lektin-sakkarid ve hormonalıcı-hormon seçici
tepkimelerinin hepsi de “bloklaştırma” oluşturulmasında ve birçok dedektörle birleştirilerek kimyasal
algıç yapımında kullanılmışlardır. Bu tür seçici kimya immunoassay tekniklerinde de geniş uygulama
alanları bulmuştur. Katalitik antikorların (senzimes) ve genetik mühendisli-ğinin gelişmesi, kimyasal
seçicilik için DNA proteinlerinin gündeme gelmesi ve yapay alıcı merkezlere ve secici yüzeylere kapı
açılması demektir bu da uzun vadede çok geniş bir kimyasal algıç yelpazesiyle ticari potansiyeli esaslı
biçimde artacaktır.
Elektrokimyasal Aygıtlar
Bu aygıtlar ya elektriksel potansiyelin ya da bir elektrottaki redoks tepkimesine eşlik eden faradaik
akımın ölçümüne dayanır. Bunlar, sıklıkla iyonik ürün oluşturan enzim-substrat alıcı sistemleri için
elverişlidir. Daha önce açıklanmış bulunan iyon-seçici elektrot zarı, minyatür hale getirilmek için,
düşük- impedanslı, sinyal yükselticili ve çip boyutun-da işleyen yarı iletken aygıtla birleştirilmiştir.
Bu iyon-seçici alan etkili transistör (ISFET), geleneksel transistör girişi yerine iyon seçici zar
gelmesiyle oluşmuştur. Bu zarın bir yüzeyindeki potansiyel değişmesi, kanal akımı denen ve
transistöre doğru yöneltilen bir elektrik akımıyla denetlenir. Enzim-substrat alıcı sistemi kullanan
benzer bir düzenekte bu (transistör) giriş, transistörün iyonik yük kontrolü elektronik akım iletimiyle
sağlanır, sonuç bir kimyasal duyarlı alan etkili transistördür (CHEMFET).
Bir enzimin ürettiği elektrokimyasal açıdan inaktif ürünü ikinci bir enzimin substrat olarak
tüketerek elektrokimyasal aktif ürün oluşturduğu çoklu enzim sistemleri, enzim seçiciliğini artırmak
için başarıyla kullanılmış-tır. İmmunokimyasal sistemlerin bu seçiciliği, enzim-bağlantılı analizlerde
kullanılmıştır. Enzim redoks merkezlerinin, moleküler donanım (tesisat) denilen teknikle doğrudan
iletken elektroda bağlanması enzim-substrat tepkime ürünlerinin dolaylı analizini önler. Bu hızlı ve
seçici teknik akım geçişini ölçer ve piyasada mevcuttur.
1. Optik Aygıtlar
Elektrot sözcüğüne benzetilerek, kimyasal duyarlı optik aygıtlara optodlar denilmiştir. Bu sistemler,
soğurma ve ışımayı kullanır ve minyatürleştirme için optik-lif dalga rehberleri ve lazer teknolojilerini
kullanır. UV ve görünür bölge ışınları bir optik lif aracılığıyla uzaktaki bir tepkime kabına ulaştırılır.
Algılama (dedeksiyon), tepkime bölgesinden geçen ışını-mın gözlenmesine; bir başka optik lifle bir
dedektöre göndermeye; toplam yansıma sönü-mü ya da toplam iç yansıma floresans spektroskopi
tekniklerinde olduğu gibi geçici dalga olgularına dayanabilir.
Elektrokimyasal aygıtların aksine optod sistemleri, elektriksel girişimlere duyarsızlık, referans
elektroda gereksinim olmaması, tepken fazını değiştirme olanağı, optik dedektör (spektrofotometre)
kullanımıyla birden fazla algıçın kullanılabilmesi, birden fazla dalgaboyunun izlenmesine dayanan
analiz, zaman ayırmalı (eş anlı sinyallerin bazılarının ertelenmesi) analiz ve elektrokim-yasal aktif
olmayan analitler için tamamlayıcı analiz avantajları sağlayabilir. Bir örnek olarak, bir hücredeki jel
ortamında tuzaklanmış bir belirteç boyanın optik soğurma değişimini izleyen, bir optik lif sisteminin
ucundaki pH algıcı verilebilir. Bir ya da daha fazla türün seçici gözlemiyle, girişim ve geriye sapma
sorunlarının giderilmesi için, oran analizi ya da çoklu dalgaboyu analizi tercihi yapılabilir.
Günümüzde, bir ince metal filmi iletkenlik bandının elektromagnetik alanla eşlendiği geçici dalga
spektroskopisinin bir formu piyasaya sürülmüştür. Bu teknik Yüzey Plasmon Rezonans Spektroskopisi
(SPR) olarak bilinir ve metal filmin dışına yerleştirilen herhangi bir organik reaktif için çok duyarlıdır
ve pek çok İmmunokimyasal analiz için pikomolar seçme sınırlarında kullanılır.
2. Piezoelektrik aygıtlar
Kuvars gibi bazı kristal maddelerini fizik-sel olarak sıkıştırıldıkları zaman bir elekt-riksel voltaj
ürettikleri iyi bilinmektedir. Benzer biçimde böyle bir kristale düzenli bir alternatif voltaj
uygulandığında kristal düzlemlerinin sabit frekansta titreştirilmesi mümkündür. Fiziksel ossilatör
olarak kula-nılan, seçici adsorban kaplı piezoelektrik kristaller geleneksel gaz dedektörü olarak
uygulama alanı bulmuştur. Gaz adsorpsi-yonuyla kütle değişmesi kristalin titreşim frekansında
değişime, f yol açar,
Fq kuvars kristal frekansı, Pq kuvarsın yoğunluğu, Vq kuvarsta dalga hızı ve mf kuvars yüzeyine
kaplanan maddenin birim alandaki kütlesidir. Enzim-substrat ve İmmunokimyasal kompleksleşme gibi
46
yüzey tepkimelerine eşlik eden kütle ve mikrovizkozite yanıtlarının kitlesel akustik piezoelektrik
kristallerden alınabildiği gösterilmiştir. Ayrıca hem kitlesel akustik hem de yüzey akustik dalga
algıçları sulu ortamlarda ve belli düzenekler halinde nicel analizde kullanılmaktadır.
ANALİTİK KİMYADA BİLGİSAYAR
A.Aygıt kontrolü ve Veri İşlem
1975 lerden beri bilgisayar ve mikroişlemcilerin kapasite ve fiyatlarındaki devrimsel
değişmeler, günümüzde hemen her analitik aygıtın bilgisayarlı sürümlerini piyasaya
çıkarmıştır. Bilgisayarların temel roller aldığı analitik kimyanın iki ana alanı, (1) faktör
analizi, çoklu regresyon, örüntü tanısı (pattern recognition) optimizasyon ve istatistik gibi
analiz matematiğinin uygulamaları (kemometri) ve (2) analitik aygıt etkileşimleridir. Aygıt
etkileşimleri pasif ve aktif türde olabilir. Bilgisayarın aktif olduğu aygıt etkileşimlerinde
aygıtsal işlemler bilgisayar tarafından kontrol edilir.
1. Veri Toplama ve İşleme
Otomatik veri toplanmasını, basit hesaplamaları, veri ortalaması alınmasını, istatistiksel
analizi, integresyonu ve veri saklanmasını kapsayan pasif işlevler bu başlık altında toplanır.
Daha büyük kapasitelere sahip olanlarla işlem hızı ve anında veri saklama kapasiteleri
artırılabilirken, sıklıkla bu işlevler en az 8-bitlik mini ya da mikro bilgisayarlarla yapılabilir.
Veri toplama, çoğu zaman mikroişlemci tarafından zamanlanan sinyallerin seçimini yapan
özelleştirilmiş analog-dijital devre programlarıyla gerçekleştirilir. Analog aygıt ölçümlerini
dijitale çeviren iki önemli aygıt sayaç çevirmenleri (counter converter) ve ardışık yaklaştırma
sayaçlarıdır. Bazı aygıtlar, karmaşık ve büyük ölçekli veri dizilerini yüksek hızda toplayabilir.
Elle işlenmesi güç olabilen, bileşiklerin tanısı gibi konular bir karşılaştırma arşivi yardımıyla
ve bilgisayarlarca hızla gerçekleştirilebilir. MS ve IR için böyle büyük arşivler
kullanılmaktadır.
2. Mikroişlemcili Aygıtlar
Hızı sayesinde bir bilgisayar bir aygıtı elle mümkün olandan çok daha etkili kontrol edebilir.
Bu tür aktif aygıt kontrolleri en azından iki aşamada olmak zorundadır. Mikroişlemci önce bir
değişkenin durumunu incelemeli ve sonra bu değişkenin belli bir değerine ayarlanarak aygıt
kontrol edilmelidir. Mikroişlemcili birçok aygıtta bir işlemden fazlası kontrol edilir ve sistem
bir dizi karmaşık geri bildirim işlevini yerine getirir. Bu işlemler, özel bir dizi sorun için
"tahsis edilmiş" olarak düşünülebilir ve bunların komutları analizciden olduğu kadar
bilgisayardan da alınabilir. En basit mikroişlemci 8-bitlik kelime işlem talimatlarına dayanır.
256 bite kadar hafıza artırmak olanaklı olmakla birlikte, aygıt kontrolü için bunlardan sadece
bir ya da ikisi gerekir. Bu kontrol, bir mikroişlemci tarafından elektriksel zemin ve 5-V luk
düzeyler arasındaki standart bir elektrik anahtarının etkinleştirilmesiyle olur. Daha karmaşık
kontrol sistemleri daha çok kontrol anahtarını, kontrol hatlarını ve mikroişlemcileri gerektirir.
Bir mikrobilgisayarın zaman paylaşma kapasitesi, birçok mikrobilgisayar ya da
mikroişlemcinin karmaşık bir aygıtı kontrol etmesi sık sık kullanılır. Yeni kuşak 16-32 bit
mikroişlemcilerin piyasaya çıkmasıyla önemli hızlar sağlanmış ve aygıt işlemlerinin gerçek
zaman’ karmaşıklığının üstesinden gelinmiştir. Bu hız ve hafıza artırma avantajları uzman
sistemlerin ve paralel işlemlerin gelişmesine katkı sağlamıştır. Aygıt kontrolü ve veri
işlemede devrim, paralel işlem ve yapay zeka ağlarının ortaya çıkışıyla gelişti.
3. Fourier Dönüşümlü Analiz
47
Yüksek hızlı bilgisayarların veri analizi için uygulamalarından biri, IR ve NMR gibi
spektrofotometrik uygulamalarda görülür. Örnek geniş ve uygun bir elektromagnetik
spektrum bandıyla uyarılır ve örnek kimyasına bağlı olarak belirli ayrık frekanslar soğurulur.
Kullanılan enerji aralığındaki her bağımsız frekans sinüzoidal bir titreşimle temsil edilerek
gözlenebilir (ayrıştırılabilir). Mevcut frekansların eş anlı girişimi hem destekleyici hem de
söndürücü girişimler oluşturur ve sonuç iyi tanımlanmış karmaşık bir dalga örüntüsüdür
(desen). Örnek bileşen(ler)inin belli frekanslarla etkileşimi bu dalga desenini değiştirerek,
analitik etkileşim bilgileri içeren zaman ‘eksenli’ dalga örüntüsü verir. Bu zaman eksenli
desen (spektrum), girişim yapan frekansların tek tek tanılanarak geleneksel biçimde
çizilmesini sağlayan, hızlı Fourier-dönüşüm algoritma-sıyla geleneksel frekans desenli
spektruma çevrilebilir. (Bunu sağlamak için) veriler en azından, kullanılan frekans aralığının
istenen frekans ayırma derecesine oranının iki katı hızda örneklenmeli ve
sayısallaştırılmalıdır. Bu tekniğin esas avantajı, tüm frekansların eş anlı olarak ölçülmesiyle
tam bir geleneksel spektrumun saniyeler içinde alınabilme-sidir. Bu spektrumlar
sayısallaştırılmış frekans karşılaştırma bilgileri içerdiğinden, ardışık spektrumları toplayarak
sinyal-gürültü oranını iyileştirmek mümkündür. Spektrum toplama işinde sinyaller, toplanan
spektrumların sayılarıyla doğrusal olarak artarken gürültüler toplanan spektrumların sayısının
kareköküyle artar.
B. Kemometri
Kemometri terimi, bir kimyasal deneyde elde edilen bilgiyi en çoklaştırmak (maksimumlaştırmak) için matematiksel ve istatistiksel yöntemlerin kullanıldığı uygulamalı
matematik/analitik kimya arayüzünü tanımlamak için kullanılır. Kemometri yöntemlerinin
çoğu bilgisayarla ve günümüzde sağlanabilen sayısız programlarla etkin biçimde işlenebilen
matris cebrini içerir. Bu çok geniş alanda, modelleme, parametre hesaplanması, ayırma, ayar,
sinyal işleme, imaj analizi, faktör analizi, örüntü tanısı, optimumlaştırma stratejileri ve yapay
zeka konularında bir çok değerlendirme (review) yayınlanmıştır. Örnekleme, ölçüm, veri
işleme, sonuçları dönüştürme ve bilgi yönetimi gibi analizi her düzeyde optimize etmek için
uygun alanlar seçilebilir. Bu amaçlar için paket programlar piyasada mevcuttur.
1. Yaygın Kemometri Yöntemleri
Burada üç önemli Kemometri yöntemi ele alınacaktır.
Çoklu Regresyon Analizi. Bu veri modelleme ve verileri basit bir denklemle ifade
etmeye uygundur. İşlem “bağımlı” diye bilinen ölçülmüş veri vektörünü elde edilmesi
denemesiyle başlar. Daha sonra veri değerlerinin belirlenmesinde önemli olarak
değerlendirilebilecek sınırlı sayıda “faktör” yani bu “bağımsız” değişkenler söz konusu veriler
için model hazırlanmasında kullanılır. Son olarak, bağımsız değişkenlerin ağırlığını ya da
önemini gösteren katsayılar aşağıda gösterildiği gibi en küçük kareler analiziyle hesaplanır.
Sonuç, uygun matematiksel model için “regresyon katsayıları’nın hesaplanmasıdır,
Burada d, bağımlı değişkeni, c, regresyon katsayısını ve i bağımsız değişkeni gösterir.
Faktör Analizi Çok yönlü kemometrik yöntemlerden biri olan faktör analizi yöntemi,
verileri yöneten faktörlerin irdelenmesinde kullanılır. Faktör analizi veri matrisiyle, (D ve
matrisi, C ve R her satır ve sütun faktörlerini göstermek üzere)
bağıntısı olan soyut değerlerden tümüyle matematiksel bir model hazırlanmasını sağlar. Bu
faktörler matematiksel olarak dönüştürülerek, verilere göre bunların anlamları irdelenebilir.
48
Anlamlı faktör sayılarının bu şekilde tahmini, verilerin bağdaşımına ve bu faktörlerin fiziksel
anlamlarının uygulamalarına katkı sağlar.
Örüntü Tanısı Bu işlem, bir örüntü oluşturacak ölçüm dizileri temelinde türlerin
sınıflandırılmasına olanak verir. İşlemsel olarak birçok türün örüntülerini tanımlayan matris
kurulur. Daha sonra bu örüntüleri ayrık sınıflara ayıran standartların kullanılmasıyla karar
vektörü tasarlanır, sonuç matematiksel olarak,
p, örüntü dizilerini, V karar vektörünün bileşenlerini ve d ilgilenilen tür için verileri gösterir.
P örüntüsü işaretlenir ve d değeri belirlenerek karar vektörü V hesaplanır. Hesaplandıktan
sonra matematiksel olarak yeni bir deneysel veri ile birleştirilir, deneysel türler için bir örüntü
hesaplanır ve önceki sınıflama ile uyabilir.
2. Simplex Yöntemiyle Optimumlaştırma
Özel bir parametreyi maksimumlaştırmak ya da minimumlaştırmak için, eş anlı denklemleri
tanımlanmış sınır koşullar için çözmenin sayasız matematiksel teknikleri vardır. Doğrusal
programlama gibi tekniklerin genel olarak kabul ve uygulaması optimizasyon stratejisinin
gücüne bağlıdır. Pek çok problemde sistematik olarak kullanılan simplex yöntemi “evrimsel
işlem” yöntemidir. Simplex, köşe sayısı deneysel parametrelerin bir fazlası olarak tanımlanan
bir geometrik şekildir. Bu simplexin her noktası, seçilmiş bir deneysel parametre dizisinde
ölçülen gerçek analitik yanıtları (sinyalleri) gösterir. n-boyutlu bir uzayda gösterilen bu
simplexin bir köşesi, her zaman deneydeki en kötü yanıt durumunu temsil eder. Bu en kötü
yanıt noktasının bir simetri düzleminden yansıtılmasıyla (bu yeni köşenin yanıtının, terk
edilen en kötü yanıt noktasınınkinden daha büyük olacağı varsayılır) yeni bir simplex
oluşturulur. Yeni parametreler kullanılarak en kötü yanıt köşesini tayin etmek için yeni bir
deney yapılır. Aşağıdaki kurallara göre “yanıt haritası” üzerinde ilerlendiğinde er geç
optimum deneysel koşullara olaşılır.
Temel kurallar şunlardır:
1. En kötü sonuç noktasının atılarak, yerine alınan bu noktanın bir çizgi ya da düzleme
göre ayna görüntüsünü oluşturan noktayla kalan diğer noktalarla yeni simplex
oluşturulur.
2. Eğer bu yeni nokta en kötü yanıtı verirse bir önceki simplexe dönülerek 2. kötü yanıt
noktası atılarak Kural 1 uygulanır.
3. Eğer üç ardışık simplexin bir noktaları ortak ise bu optimumu gösterir, bu nokta her
durumda en iyi yanıtı vermektedir. Eğer bu doğru değilse tüm süreç, yeni bir başlangıç
noktasından başlanarak yinelenir.
4. Eğer bir nokta kabul edilen alanın dışına düşüyorsa, simplexi hesap alanına çekmek
için bu nokta keyfi olarak düşük değerli kabul edilerek sınır koşulları tanımlanır.
Simplex yönteminin sınırlılıklarını gidermek için geliştirilen, bu son optimumlaştırma
işleminin bir başka sürümüne (versiyon) “düzenlenmiş simplex optimumlaştırması” denir.
Yöntem özgün olarak sabit büyüklükte adımlarla ilerleyecek biçimde tanımlanmıştır, ama
küçük adımların kullanılması çok fazla deney yapılmasına, büyük adımların kullanılması da
kesinliğin düşmesine yol açabilmektedir. Daha verimli bir çözüm, tüm süreçte değişken
adımların kullanılması; elverişli yönlerde genişleme, (hızlanma) kötü sonuç bölgelerinde
yavaşlama yaklaşımını kullanmaktır. Hareket aralığı (adım), yansıtmayla elde edilen
adımların çarpıldığı, keyfi olarak seçilmiş sabit çarpanlarla kontrol edilir. Sonunda simplex
optimumu oluşturan harekete varır. Bu işlem hareket aralığı, genellikle deneysel belirsizlik ya
da zaman sınırlaması tarafından saptanan ve önceden belirlenen bir değerin altına düştüğünde
durdurulur. Hata kaynakları göz önüne alındığında simplex yönteminin uygulanmasında
belirli güçlükler vardır:
49
1.
2.
3.
4.
Eğer kesikli değişkenler seçilirse yöntem kullanılamaz.
Eğer çok sayıda optimum varsa yerel bir optimumda işlem bitebilir.
Gereksiz analizi önlemek için parametreler akla uygun olarak seçilmelidir.
Önemli faktörlerin gözden kaçmaması için simplex olabildiğince çok önemli
parametreyi içermelidir.
3. Seçicilik ve Özgüllük
Seçicilik kavramının son aşamada özgüllüğü gösterdiği bir terminoloji tanımlanmasına
girişilmiştir. Tam seçici bir sistem, bir analiti diğer bir çok türün varlığında ölçebilirken, tam
özgül bir sistem, her durumda sadece bir analit ölçülür ve diğer bileşenler bu deneyde
herhangi bir sinyal vermezler anlamına gelir. Seçici olmayan bir sistemde ise bir analitik
sinyal deneydeki tüm bileşenlere kanıtlık ede(bili)r. Bu durumların hepsinde de ölçülen x
sinyali sinyal veren bileşenin derişiminin, c bir fonksiyonudur ve c ile x ve  bir parametresi
arasında
bağıntısı vardır.  Elemanı dc/dx seçicilik parametresi tarafından; yöntemin seçiciliği 
değeri tarafından belirlenirler. Bu örnek, x,  ve c nin matris gösterimlerine dönüştüğü ve
x /  c kısmi seçiciliklerinin kullanıldığı çok bileşenli duruma genişletilebilir.  ij Matrisinin
her satırda en büyük  değeri ana köşegene gelecek biçimde yerleştirildiği bir matematiksel
düzenleme yararlı bir “ayar matrisi”dir. Buna karşılık olan xij “analitik matrisi” göz önüne
alınırsa şu gözlemler yapılır:
1. det(  ij ) = 0 determinantı için ayar matrisi ile analitik matris arasında eşleşme yoktur.
2. Seçicilik bir  değeriyle verilir,
  olduğunda sistem tam seçici,   0 olduğunda seçicilik yoktur
3. Özgüllük seçiciliğin özel bir durumudur ve (ayar matrisinin) köşegen(in)de sıfır
olmayan bir tek eleman verir.
4. Kısmi özgüllük, köşegende sadece bir satırın elemanının pratik olarak sıfırdan farklı
değer vermesi olarak tanımlanabilir. Özgüllüğün sayısal derecesi
ile belirlenir.
GELECEKTE BEKLENTİLER
Analitik kimya gibi bir disiplinin evrimini kestirmek doğal olarak zordur. Çizelge, bu
alandaki araştırmacıların mevcut ilgi ve etkinliklerinden derlenmiş kısa erimli yönelimleri
göstermektedir. Çarpıcı ve hızlı bir değişme örnekleme teknolojisindedir. Pek çok analitik
alanda, önünde sonunda yığınsal örnek materyalinden istatistiksel geçerli örnek alma
işleminin yerini büyük ölçüde alabilecek, doğrudan yerinde (in situ) ölçüm teknolojisi
üzerinde durulmaktadır.
Olasılıkla analitik aygıtlar gelecekte daha da otomatikleşecek fakat yapay zeka aygıtlaşma
alanına girinceye dek analizcinin kimyasal bilgisi daima önemini koruyacaktır. Herhangi bir
analitik tekniğin akıllıca uygulanması, temel fiziksel ve kimyasal kuramların ve deneylerin
uygulama sorunlarının iyi anlaşılmasına bağlı olmayı sürdürecektir.
50
Beklenen gelişmeler
Alan
Elektrokimyasal yöntemler
Kromatografik ve Ayrımsal
Yöntemler
Spektrokimyasal yöntemler
Kemometri
Yüzey bilimleri
Moleküler tasarlanmış elektrotlar, türleme
Mikroelektrotlar, biyo sondalar
Elektrokimyasal dedektörlü bileşik sistemler
Güç ayırmalar için özelleştirilmiş yöntemler (kolon verimi ve yöntemselliğindeki mevcut gelişmelerin SPE
ye uyarlanması, izomer ve kiral türlerin ayrılması)
MS için yüksek verimli iyon kaynakları
GC-ICP/AES ve LC-ICP/AES
Örnek hazırlama işlemlerinin minimumlaşması
Bilgisayar destekli veri yönetimi
Uzman sistemler ve “akıllı” aygıtlar
Analizi hızlandırmak için kromatografide ayırma iyileştirme programları
Örüntü tanıma sistemleri
Açı-ayırmalı elektron spektroskopisi
Moleküler bilgilenme/biçimlenme
Ayrık moleküler ve atomik ayırma örneğin DNA sökümü için.
Kaynak:
 Akçay, M.,Prof. Dr. Cumhuriyet Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü, Öğretim
Üyesi, 2011.
51