Fiziksel Ve Kimyasal Su Analiz Teknikleri – Temel Kavramlar

GRAVİMETRİK TEKNİKLER
Basit olarak ağırlığa dayalı analizler olarak adlandırılabilir. Genelde hassas teraziler kullanılarak yapılır ve hassasiyetleri mg.ın onda birine kadar inebilir. Askıda katı madde ve sudaki toplam katı analizleri ile suyun özgül ağırlığının ölçümü gravimetrik analizler grubuna girer. Özellikle çevresel su örneklerinin ve içme suyu ve atıksuların arıtım aşamalarının değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılır.

TİTRASYON

İyi tanımlanmış kimyasal bir reaksiyonun kullanılarak örnekteki belirli miktar madde ile reaksiyona girecek standart solüsyon miktarının belirlenmesi esasına dayanır. 100 ml gibi belirli bir miktardaki numune bir behere veya kaba konur. Büret adı verilen ve kullanılan sıvı miktarını ölçmeye yarayacak dereceli bir tüpe konulan standart solüsyon örnek sıvının üzerine damlatılır. Analizin sonlandırılacağı durum genellikle incelenen sıvının renginde bilinen bir değişimin meydana gelmesidir. Sonlandırma zamanı elektrokimyasal tekniklerle de belirlenebilir. Kullanılan standart solüsyon miktarı bilindiğinde örnek içerisindeki madde miktarı da hesaplanabilecektir.

ELEKTROKİMYASAL TEKNİKLER

Tüm atomların ve moleküllerin dış kısımları elektron tabakalarından oluşmuştur ve kimyasal reaksiyonlar bu elektronlarla ilişki içerisinde meydana gelir. Dolayısı ile gerçekleştirilecek bazı elektriksel ölçümler atom veya moleküllerin kimyasal özellikleri hakkında bilgi verebilir. İncelenecek kimyasal maddeye göre özel olarak dizayn edilmiş olan elektrodların yardımıyla sudaki elektriksel potansiyel (voltaj, milivolt) veya akım (miliamper) ölçülerek belirli bir kimyasal maddenin miktarı hakkında bilgi sahibi olunabilir. Elektrodlar kullanım amaçlarına göre altın, gümüş, platinyum veya bakır gibi metal parçacıklarından üretilirler veya pH elektrodları gibi yarıgeçirgen zarlar, dahili elektrodlar ve dolgu sıvıları kullanılarak dizayn edilirler. Doğrudan ölçüm yapmaları büyük bir avantaj sağlamakla birlikte sık olarak kalibrasyona ihtiyaç duymaları dikkat edilmesi gereken hususlardandır.

SPEKTROFOTOMETRİK VE KOLORİMETRİK TEKNİKLER

Bir solüsyonun renk yoğunluğunu ölçerek elde edilen değeri belirli bir maddenin yoğunluğu ile ilişkilendirme prensibine dayanır. Analiz edilecek bazı maddelerin kendileri renkli olmakla birlikte birçok maddenin bu tekniklerle analiz edilebilmesi için ortama bazı kimyasalların ilave edilmesi ve sonuçta ölçüme olanak verecek renkli kimyasal bileşiklerin oluşturulması gerekir. Var/yok şeklinde sonuç veren kimyasal analizlerin bir çoğu incelenecek maddelerin kimyasal reaktiflerle renk oluşturma prensibine dayanmaktadır ve geçmişte yaygın olarak kullanılmıştır, halen cihaz sıkıntısı çekilen durumlarda da kullanılabilmektedir. Bu prensipten yola çıkılarak geliştirilen kolorimetreler ve bu kolorimetrelere uygun olarak geliştirilen kimyasal reaktifler kimyasal su analizini son derece pratik hale getirmiştir. Yine bilgisayar sektöründeki gelişmelerin kolorimetrelere uyarlanması ile standart solüsyonlara ihtiyaç duyulmadan örneğinizdeki ilgili kimyasalın tam değeri çok kısa sürede ve herhangi bir hesaplamaya ihtiyaç duyulmadan belirlenebilmektedir. Ancak sonuçta kolorimetre denilen cihaz görünebilen renkler üzerinde ölçüm yapan bir yapıya sahiptir ve solüsyonda kimyasal reaktiflerinizin oluşturacağı renkle interferans verecek bir madde bulunuyorsa sonuçlar güvenilir olmayacaktır. Daha güvenilir sonuçlar elde etmek için spektrofotometre kullanılabilir. Spektrofotometreler tıpkı kolorimetreler gibi renk yoğunluğunu ölçmekte ancak ışık kaynağı ölçüm yapılacak sıvıya ulaşmadan önce spektrumlarına (gökkuşağının renklerine) ayrılarak renkler arası etkileşim ortadan kaldırılmaktadır.

Kimyasal analizlerin bir çoğu görülebilir ışık kullanılarak yapılmakla birlikte ultraviyole veya infrared ışık gerektiren analizler için daha geniş dalga boyuna sahip spektrofotometreler gerekmektedir. Bu tür analizler genel olarak eser elementlerin saptanması için kullanılır ve atomik spektroskopi olarak adlandırılır. Genelde ısıtılarak gaz haline getirilmiş olan örneğin içinden geçirilen belirli özelliğe sahip ışık bir absorbans değeri verir ve elde edilen sonuç sıvı örnekteki eser elementin miktarını yansıtır: bu yönteme atomik absorbsiyon spektrofotometresi (AAS) adı verilir. Alternatif olarak gazda bulunan metal atomlarının emdiği ışık miktarı kullanılabilir ve buna da atomik emisyon spektrofotometresi adı verilir. Ancak günümüzde en popüler, pratik ve doğru ölçüm veren yöntem olarak inductively coupled plasma spectrometry (ICP) kullanılmaktadır. ICP atomik emisyon temeline dayanır. Bu teknikte incelenecek örnek etrafı radyo dalgası yayan bobinlerle çevrili olan argon gazı içerisine aktarılır ve burada radyo dalgaları aracılığı ile çok yüksek bir ısı elde edilerek örnek iyonize hale geçirilir. Bu yöntemin en büyük avantajı aynı anda ve lamba değiştirmeye gerek kalmadan çok sayıda elementin analiz edilebilmesidir.

KROMATOGRAFİ

Renk grafiği veya renk resmi anlamına gelen kromatografi ilk olarak bir kağıt parçasındaki bir nokta üzerindeki farklı renklere ait pigmentleri tespit etmek için kullanılmıştır. Alkol gibi bir çözücü kağıdın üzerinden çok yavaş bir şekilde yürütülür ve pigmentlerin farklı bileşenleri farklı hızlarda hareket eder, çünkü pigmentlerin kağıdı tutuş yetenekleri (stationary phase) ve çözücü içinde çözünme miktarları (mobile phase) farklıdır. Bu temel prensipler halen organik kimyasalların veya inorganik iyonların ayrıştırılmasında kullanılmaktadır. Karışımın içindeki maddelerin tanımlanmasında kullanılan temel yaklaşım bileşiklerin kolon içerisinden geçerken meydana getirdikleri tutulma/gecikme süreleridir.

Gaz kromatografide (GC) incelenecek karışım ince, halka şeklindeki kolonun içine enjekte edilir, GC kolonları cam, slika veya paslanmaz çelik gibi inert maddelerden yapılır. GC ölçümleri öncesinde örnek sıvı organik bir çözücü içerisinde ekstrakte edilir ve buharlaştırma yoluyla yoğunlaştırılır. İncelenecek örneğin içindeki maddelerin tutunabilmesi için kolonun iç yüzeyi yağla kaplı toz mineralle doldurulabilir, bu stationary phase olarak kullanılır ve kullanılan mineraller doğrudan kolon duvarına yapışır. Kolonlar genellikle bir programlanabilir fırın içerisinde bulunur ve kontrollü bir şekilde kolon sıcaklığının yükseltilmesini sağlar. Bu ısıtma işlemi son derece önemlidir ve oda sıcaklığında gaz haline geçirilemeyen pestisit gibi çok sayıdaki çözücü ve toksik maddenin analiz edilmesine olanak verir. Örneğin kolon içerisinde ilerlemesi dışarıdan sürekli olarak verilen argon, helyum veya nitrojen gibi inert bir gazla sağlanır. Kolon içerisindeki karışım kolonun çıkışında alev, ultraviyole ışık veya radyoaktivite ile iyon hale dönüştürülür ve maddeler kolondan çıkarken elektrik yüklü plakalar tarafından tutularak analizleri yapılır. Dedektörden elde edilen veriler zamana karşı piklerden oluşan bir grafik (kromatogram) haline dönüştürülür. Bu pikler maddelerin tutulma zamanları ve karışım içindeki yoğunlukları hakkında bilgi verir. Tutulma zamanı maddeyi tanımlamaya yararken eğrinin altındaki alan veya eğrinin yüksekliği maddenin miktarı hakkında bilgi verir. Ancak daha kesin sonuçlar için dedektör olarak kütle spektrometresi kullanılmalıdır.

Kaynama noktası yüksek olduğundan kolayca az haline getirilemeyen veya yüksek sıcaklıklarda yapısı bozulan maddeler için sıvı kromatografiler kullanılır. Bu tür kromatografilerin en yaygın örneği High pressure or high performance liquid chromatography?dir (HPLC). Bu teknikte de mobil faz olarak organik çözcüler kullanılır ve tespit için genellikle ultraviyole ışığın absobpsiyon miktarı kullanılır. Herbisitlerin ve farmasötik maddelerin tespiti bu yöntemin başlıca kullanım alanlarıdır.

Sıvı kromatografilerin diğer bir türü iyon kromatografilerdir (IC). Bu teknikte inorganik veya organik maddeler yüklü hale getirilerek analizleri gerçekleştirilir. Mobil faz su-bazlı bir çözeltidir ve stationary faz iyon-exchange reçineden oluşur. Dedektörler genelde elektriksel iletkenliği ölçmekle birlikte ultraviyole ışığın absorpsiyonuna dayanan sistemler de bulunmaktadır. Bu yöntemin en öneli avantajlarından birisi karışımın içinde bulunan çok sayıda inorganik iyonu aynı anda ölçebilmesidir.

KÜTLE SPEKTROMETRESİ

Kütle spektrometresinde (MS) iyonize hale getirilmiş buhar manyetik veya radyofrekans özellikteki bobinler arasından geçirilerek karışım içindeki iyonlar kütlelerine göre (esas olarak elektriksel yük/kütle oranlarına göre) ayrıma tabi tutulurlar. Sonuçta her madde kendine özgü karakteristik bir patern oluşturur ve bu patern cihazın bilgisayarındaki kütüphanedeki verilerle karşılaştırılarak tanımlanır. Cihaz tek olarak temin edilebilmekle birlikte çevresel örneklerin analizi için mutlaka gaz veya sıvı kromatografi ile birlikte ve bu cihazların dedektörü olarak kullanılmalıdır. Yine ICP ile birlikte kullanıldığında son derece hassas sonuçlar elde edilebilir.

İMMÜNOLOJİK TEKNİKLER

İmmünolojik yöntemler arasında en yaygın olarak kullanılanı enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) tekniğidir. Kullanıcının yüksek teknik kapasitesine gereksinim duymayan, göreceli olarak ucuz ve duyarlılığı yüksek olan bu yöntemin temel prensibi araştırılacak maddenin daha önceden hazırlanmış standart ortam ile reaksiyona girip renk oluşturmasıdır. Bu yöntem su analizinden daha çok tehlikeli atıkların kontaminasyonunu incelemek için kullanılmaktadır.