ATOMİK ABSORPSİYON SPEKTROSKOPİSİ ve SPEKTOMETRELER

İlk kez 1811 yılında güneş spektrumunda Frauenhofer tarafından gözlenmesine ve fiziksel temelleri atomun elektronik yapısının aydınlatılmasıyla 20 yüzyılın ilk yarısında anlaşılmasına rağmen atomik absorpsiyon ölçümleri 1955 yılında gerçekleştirilmiştir. İlk atomik absorpsiyon spektrometreleri (AAS) 1960 yıllarında üretilmesine rağmen dünyadaki sayıları 1975 yılında 35 bine ulaşmış, 2000 yılında da tüm dünyada 350 bin AAS tahmin ediliyordu. Halen ülkemizde tümü ithal edilen 3500 kadar AAS olduğu sanılıyor. Tarihsel gelişimini bir önceki yazımız emisyon spektroskopisi ile verdiğimiz atomik spektroskopisi aletlerinin en yaygın kullanılan tekniğini bu yazımızda temel özellikleri ile vermeye çalışacağız.

Fiziksel İlkeleri

AAS elementlerin periyodik çizelgesinde yer alan ve doğada bulunan 75 kadar elementin her tür analiz örneklerinde (metal, alaşım, toprak, toz, mineral, tuz, sulu çözeltide) nicel tayininde kullanılan bir analitik tekniktir. Elementlerin AAS ile tayinleri için öncelikle analiz örneğindeki elementlerin diğer atomik emisyon ve atomik flüoresans gibi atomik spektroskopi tekniklerde de olduğu gibi atomik buhar haline getirilmesi gereklidir. Genellikle bu işlem atomlaştırıcı adı verilen düzeneklerle gerçekleştirilir.

Atomik buhar yeterli enerjiyi alırsa elektronlarını uyarmış düzeye geçirir ve elektronlar tekrar temel enerji düzeyine dönerken kendileri için karakteristik ışın yayarlar. Bu olay geçen yazımızda değindiğimiz gibi emisyon spektroskopisinin (AES) temelidir. Ancak atom buharı üzerine mor ötesi ve görünür bölge (UV ve visible) ışın düşürüldüğünde her element atomları kendi enerji düzeylerine karşı gelen dalga boyuna sahip ışınları absorplayarak elektronları uyarılmış düzeye çıkarırlar. Uyarılan atomlar aldıkları enerjiyi tekrar ışık halinde yayarlar ki bu yayılan ışınlar flüoresans ışınları adını alır. Flüoresans ışınlarının şiddeti ölçülerek yapılan analizlere atomik flüoresans spektral analiz AFS) denir. Bu iki teknikte yayılan ışınların şiddeti ölçülürken AAS de atomik buhar üzerine düşen ışının absorbansı ölçülerek absorplayan elementlerin tayini yapılır. Absorbans ise A=log/Io/I eşitliği ile ifade edilen düşen ışının şiddetinin absorplanmadan sonraki şiddetine oranının logaritmasına eşittir.

Her elementin elektron yapısı ve enerji seviyeleri birbirinden farklı ve dar enerji aralığında olduğundan bu enerjiye karşı gelen soğurabileceği ışığın dalga boyu da dar çizgilerden oluşmalıdır. Yani aslında atomik absorpsiyon (AA) spektrumu da AES ve AFS spektrumu gibi çizgilerden (spektral hat denir) oluşan bir hat spektrumudur. Atomik buharda atom elektronları genellikle atomun en dış enerji seviyesinde bulunduğundan olasılığı en yüksek geçiş,  bu seviyenin bir üstündeki elektron düzeyine olan geçişlerdir. Bu enerjiye karşı gelen çizgiler rezonans hattı denir ve elementlerin en duyar tayinlerinde bu hatların şiddetleri ölçülür. Bu gerçekler bilinmesine rağmen AAS ölçümleri ve buna dayalı AAS aletlerinin ticari hale gelmesi AES den 100 yıl gecikmeyle gerçekleşmiştir. Bu gecikmenin nedeni ise ilk denemelerde atomik buhar sistemi üzerine tungsten ve hidrojen lambaları gibi UV ve Vis. bölgede sürekli ışık yayan kaynakların kullanılması ve çok dar olan atomik absorpsiyon hatlarının absorbanslarının ölçülmesinin güçlük göstermesi olmuştur. Sürekli kaynaklar kullanıldığında spektral aletin ayırma gücünün çok yüksek olması gerekir. Çoğu klasik aletlerde dalga boyu ayırıcılığı çok düşük olup, büyük ayırma gücüne ulaşmak istenirse bu kez de birim dalga boyu aralığına düşen ışığın şiddeti çok düştüğünden bu kez de yine duyar absorbans ölçümü yapılamaz.

Adam Walsh 1953-1957 yılları arası yaptığı çalışmalarla bu güçlüğü aşacak başka bir teknik geliştirmiş, atomik absorpsiyon çizgilerinden daha dar çizgi emisyonuna sahip oyuk katot lambasını (OKL veya İng HCL) primer (birincil) ışık kaynağı olarak kullandığında, spektral ayırma gücü düşük aletlerde bile duyar absorbans ölçümünü gerçekleştirebilmiştir. Zira oyuk katot lambasının içinde 3-5 tor gibi düşük basınçta argon gazı bulunduğundan ve akım şiddeti de 5-50 mA arası, yani düşük olduğundan sadece katot maddesinin ve argonun dar çizgilerden oluşan spektrumunu yayar. Atomik emisyon çizgileri başlıca basınç ve sıcaklık yükselmesiyle genişlediğinden ve HCL da ikisi de düşük olduğundan emisyon çizgilerinin genişliği absorpsiyon çizgilerinden daha dar tutularak çok duyar absorbans ölçümü yapılabilir. Bu tarihten sonra atomik absorpsiyon spekrometrisi (AAS)  tüm dünyada ilgi görmüş ve hızla yaygınlaşmıştır.

Burada başlıca iki sorun söz konusu olur. En duyar absorbans ölçümü için primer kaynağın yaydığı ışın dalga boyu absorpsiyon hattı ile tam çakışması için HCLnin katodunda tayin elementi bulunmalı, yani her tayin edilecek element içino elementi katodunda içeren bir HCL kullanılmalıdır. Ancak her element katot olarak kullanılamaz. Bu tür elementlerin tayini için de bu element veya tuzları bir kuvars tüpün içine konarak alt kısmın üst tarafı daraltılarak bu kısım yüksek frekans kaynağı arasına yerleştirilir. Bu tüp lambalar da yine dar atomik çizgilerden oluşan ışıma yapar ve elektrotsuz yüksek frekans boşalım lambaları (HFL) olarak HCL gibi primer ışın kaynağı olarak kullanılabilir. Şekil 1 de HCL (a) ve HFL (b) şematik olarak gösterilmiştir. Primer kaynağın yaydığı ışınla atomik buharın absorpladığı ışın aynı dalga boyunda olmasına rağmen yine de başka atom veya katıların ışımalarının veya absorplamalarının sebep olduğu spekrtral girişimler de olur. Absorbans ölçümleri en duyar olarak temel enerji seviyesinin bir üst seviyesine geçişe karşı gelen rezonans hattı absorbansı ölçümüyle yapılır. Spektral aletin başlıca görevi de bu hattı primer ışık kaynağının yaydığı diğer hatlardan ve absorpsiyon ortamından yayılan ışımalardan ayırmaktır.

AAS ile tayin edilecek elementleri içeren analiz örneği uygun şekilde çözelti haline getirilir. Çözelti özel bir düzenekle atomik absorpsiyonun gerçekleştirileceği alev ortamına püskürtülür. Alevin sıcaklığında çözücüsü buharlaşan ve bulunduğu bileşiğin atomlarına ayrılması sağlanan alev üzerine primer kaynağın ışığı düşürülerek absorbans ölçmek üzere aynı doğrultuda yerleştirilen giriş yarığından spektral alete gönderilir. Alev propan veya asetilen gibi bir yanıcı gaz ile hava veya azot oksidül gibi yakıcı gazdan oluşur. AASde normal çalışmalarda yanıcı gaz olarak asetilen, yakıcı gaz olarak havadan oluşan alev kullanılır. Atomlaşması güç olan alüminyum oksit gibi refrakter oksitleri atomlaştırmak için hava yerine daha yüksek sıcaklık oluşumuna imkan veren azot oksidil (N2O) kulanmak gerekir. Ancak alevde rezonans hatları vakum UV bölgede bulunan çoğu ametaller ve soy gazlar gibi elementlerin absorplayacağı ışınlar alev gazları tarafından absorplandığından bu elementlerin doğrudan tayini yapılamaz. Rezonans hatları 200.0 nmnin altında bulunan arsenik ( As 193.7 nm) ve selenyumun (nm) vakum gerekmeyen aletle tayin edilebilirler. Ancak alev 193.7 nm ışığın %70ini absorpladığından tayinlerde duyarlık düşmesini engellemek için ya azot içermeyen geçirgen alev kullanmalı ya da bu elementlerin tayininde hidrür oluşturmalı özel atomlaştırma sistemleri kullanılmalıdır.

Tüm analiz örneğinin aleve verildiği ön karıştırmasız standart alevde sıcaklık dağılımı homojen olmadığı gibi primer ışığın geçeceği alev yolu kısa olacağından absorplama yeterli olmaz ve bunun sonucu duyarlık azaldığından AAS de şekil 2 de verilen ön karıştırmalı özel alev başlığı kullanılır. Laminer alev başlığı denen ön karıştırmalı bu alev sisteminde örnek çözeltisi gazlardan birisi ile birlikte paslanmaz çelik levhalar üzerine püskürtülerek sisleştirildikten sonra yanıcı ve yakıcı gazla birlikte aleve taşınır. Işık yolu üzerinde 10 cmye kadar uzunluğunda homojen ve dar bir alevde analiz elementinin uygun atomlaşması sağlanarak diğer alevden çok daha iyi absorbans ölçümü sağlanır. Ancak bu alev sisteminde örnek çözeltisinin büyük bir kısmı sisleştirme ortamında yoğunlaşarak atık kabına döndüğünden ve en çok %  5i (daha doğru ifadeyle %1-5i) aleve ulaştığından örnek miktarı az olan analizlere çok uygun olmadığı gibi alevde oluşan atom buharı da yanıcı- yakıcı alev gazları ve yanma ürünleriyle seyreldiğinden ulaşılan tayin kapasitesi çok yüksek değildir. Buna rağmen en uygun koşullarda çoğu element çok iyi bir kesinlikle (genellikle %1 standart sapma ile) ve diğer bir çok analiz yönteminde ulaşılan tayin kapasitesiyle (genellikle milyonda bir, yani ppm aralığında) alevli AAS ile tayin edilebildiğinden alevli atomik absorpsiyon spektrometresi analitik laboratuarlarda nicel element tayininde en çok kullanılan tekniklerdendir.

Yöntemin tayin kapasitesini artırmak ve katı örneklerin çözünmeden doğrudan analizlerine olanak veren bir alev dışı atomlaştırıcılar geliştirmek üzere birçok araştırma ve çalışmalar yapılmıştır. Bunlar arasında günümüzde de yaygın kullanılan iki elektro termal atomlaştırıcı: seramik tüp ve platform tekniği Lvov tarafından, daha kullanışlı grafit fırın tekniği de 1968 yılında Massmann tarafından geliştirilmiştir. Elektriksel ısıtılarak yüksek atomlaştırma sıcaklığı sağlanmasına, daha az örneğin ve katıların da analizine imkan veren bu atomlaştırıcıların kullanılmasıyla çok daha yüksek tayin kapasitesine ulaşılabilir.

Zira az olan analiz örneğinin tamamı atomlaştırıcıya verildiği gibi sıcaklık programı yapılarak çözücünün ve örnek matriksinin atomlaşma öncesi buharlaşması, ardından her elemente özgü en uygun atomlaşma sıcaklığının sağlanabilir. Daha da önemlisi oluşan atomik buhar yanıcı ve yakıcı gaz tarafından seyrelmediği gibi ölçüm sırasında ışın yolunda daha uzun süre kaldığından ortalama olarak alevden 1000 kat daha düşük derişimler (genellikle milyarda bir, yani ppb düzeyinde) tayin edilebilir. Bütün bu nedenlerle elektro termal atomlaştırıcılı atomik absorpsiyon spektrometrisi (ETAAS veya GFAAS) özellikle çevresel ve sağlık açısından önemli toksik elementlerin ultra eser düzeyde tayinlerinde yaygın kullanım alanı bulmuştur. Bu sistemde 0,5 cm iç çapında ve 3-5 cm uzunluğunda elektriksel ısıtılan seramik tüp veya grafit boru ( grafit fırın da denir) katı örnekler doğrudan yandan, sıvı örnekler (10-20 µL) üstteki küçük bir delikten doğrudan tüp içine veya tüpe yerleştirilen uygun grafit platforma verilir. Grafit fırın yanmaması için argon atmosferinde tutulur. Sistem kapalı olduğundan toksik maddeler de zararsız analiz edilebilir. Atomlaştırmayı daha uygun hale getirmek amacıyla sıcaklık programı ve platform tekniğine ek olarak, fırın içini uygun bir bileşikle kaplama, matriks değiştirme de yapılabilir.

Tüm bu önlemlere rağmen birçok spektal analiz tekniğinde görülen bozucu etkiler alevi AAS (veya FAAS) tekniğinden daha da fazlasıyla ETAAS ve GFAAS tekniklerinde de görülür. Ancak yapılan çalışma ve araştırmalarla bu bozucu etkileri en aza indirecek önlemler alınabilmektedir.

 
Yazının devamı Ekim sayısında