Yüksek çözünürlüklü sürekli ışın kaynaklı moleküler absorpsiyon spektrometrisi ile brom tayini için yöntem geliştirilmesi
Method development for the determination of bromine by high resolution continuum source molecular absorption spectrometry
Yazar: NESLİHAN TURHAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÖZCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Absorpsiyon = Absorption

Özet:
Doğada elementel halde bulunmayan brom (Br), doğal organo-brom ve bromür olarak da bilinen inorganik bileşikleri halinde toprakta, tuzlarda, hava ve deniz suyunda bulunmaktadır. Brom, pestisitlerde, ticari fırın ürünleri ve unlarda katkı maddesi olarak, çeşitli amaçlarla kullanılan boyalarda, kozmetiklerde, çeşitli ilaçlarda, farmasötikler ve kimyasal ara ürünler gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Polibromlu difenil eter (PBDE'ler), polibromlu bifeniller (PBB'ler), tetrabromobisfenol A (TBBPA) ve heksabromosiklododekan (HBCD) gibi bromlu bileşikler en yaygın alev geciktirici (bromlu alev geciktiriciler, BFR) olarak kullanılmaktadır. Çeşitli mobilya, elektronik aletler, yapı malzemeleri ve otomobil parçaları gibi birçok malzemenin yapısına katılarak olası bir durumda tutuşmalarını yavaşlatmaktadır. Bromun pH ve sıcaklık değişimlerine karşı yüksek toleransı birçok arıtma ve dezenfeksiyon işlemi için kullanımının uygun olmasını sağlamaktadır.
Çeşitli kullanım alanlarına sahip olan brom ve brom bileşikleri insan sağlığı ve çevre için zararlıdır. Oldukça kararlı olan brom bileşikleri çevreye hızla yayılıp, zamanla gıda zincirlerinde birikebilmektedir. Yüksek dozda broma maruz kalmak (bromizm) üst solunum yolu, cilt, sinir sistemi, kardiyolojik, üremik ve lenfoma gibi çok çeşitli hastalıklara neden olmakta ve DNA'ya zarar vermektedir. Doğaya salınımları ve toksik özelliklerinden dolayı birçok alanda brom bileşiklerinin kullanımı kısıtlanmıştır. Bromun kalitatif ve kantitatif tayini ve yönetmelikler tarafından belirlenen sınır değerlere uygunluğunun araştırılması oldukça önem kazanmıştır. Dolayısıyla hassas, doğru ve güvenilir brom tayini için en uygun yöntemin seçilmesi ve uygulanması gerekmektedir.
Bromun atomik absorpsiyon rezonans hattı 148,86 nm'de havanın temel bileşenlerinin (O2, N2) absorplandığı vakum UV bölgesinde bulunmaktadır. Ayrıca broma spesifik oyuk katot lambası (OKL) bulunmadığı için atomik absorpsiyon spektrometresi (AAS) ile tayini doğrudan yapılamamaktadır. Ancak brom tayini, grafit fırında üretilen brom içeren diatomik türlerin moleküler absorpsiyonu yoluyla yüksek çözünürlüklü sürekli ışın kaynaklı elektrotermal atomik absorpsiyon spektrometresi (HR-CS ETAAS) kullanılarak yapılabilmektedir.
Bu amaçla yüksek lisans tez çalışması kapsamında, HR-CS ETAAS ile molekül oluşturucu element olarak ilk defa baryum (Ba) kullanılmasıyla oluşturulan diatomik BaBr'nin moleküler absorpsiyon spektrumu yardımıyla brom tayini için yöntem geliştirilmiştir. Yöntemin koşulları sıvı ve doğrudan katı örneklemeli HR-CS ETAAS ile optimize edilmiştir. 
Optimizasyon için yapılan ilk deneysel çalışmalar sıvı örneklemeli HR-CS ETAAS ile yapılmıştır. Gerekli deneysel parametreler detaylı olarak incelenmiş olup, analitik parametreler belirlenmiştir. Literatür araştırması ve bir dizi ön deneyden sonra, molekül oluşturucu element olarak baryumun kullanıldığı BaBr diatomik molekülü brom tayini için seçilmiştir. Kararlı bir diatomik molekül olan BaBr moleküler absorpsiyonunun, brom konsantrasyonunu ölçmek için düşük tespit sınırlı (Limit of detection, LOD) olduğu ve spektral girişimlerin bulunmadığı gözlemlenmiştir. Numunedeki düşük analit konsantrasyonlarını tespit etmek için BaBr'nin en hassas dönme moleküler absorpsiyon hattı araştırılmıştır. 520,8189 nm ve 535,7217 nm olmak üzere iki farklı dalga boylarında BaBr'nin merkezi bant ile bir dizi dönme hattından oluşan absorpsiyon bantlarına sahip olduğu bulunmuştur. Yapılan analizlerde iki dalga boyunda da spektral girişim gözlemlenmemiştir. Diğer dalga boyuna kıyasla maksimum hassaslık ve %15 daha yüksek absorbans değerleri 520,8189 nm'de elde edilmiştir. Bu nedenle, BaBr moleküler absorpsiyonu yoluyla Br tayini için tüm ölçümler 520,8189 nm'de gerçekleştirilmiştir. Dalga boyunun belirlenmesinden sonra grafit fırın optimize edilmiştir. Ba'nın aşırısı ile oluşturulan diatomik BaBr için en yüksek hassasiyet ve en iyi tekrarlanabilirlik, 700°C'lik piroliz sıcaklığında ve 2200°C'lik molekül oluşturma sıcaklığında elde edilmiştir. Grafit fırında BaBr diatomik molekülü oluşumu için çeşitli kimyasal değiştirici (modifier) kullanımlarının etkisi de incelenmiştir. Zirkonyum (Zr) kaplama ve Zr kaplama + Paladyum (Pd) kimyasal modifierın kullanıldığı her iki durumda da BaBr moleküler absorpsiyonunun duyarlılığında olumsuz etkiler görülmüş ve absorbans değerleri de düşmüştür. Dolayısıyla, bu tez çalışması boyunca yapılan analizlerde Zr kaplama ve/veya herhangi bir kimyasal modifier kullanılmamıştır. Diatomik BaBr molekülü oluşumu için baryum miktarının optimizasyonu da yapılmıştır. Br standartı ve gerçek örnek (ilaç örneği) için, çalışma boyunca molekül oluşturucu element olarak 250 µg (10 mL 25 g L-1) baryum kullanıldığı zaman maksimum hassasiyete ulaşılmıştır. 520,8189 nm'de, NaBr'den hazırlanan standart çözeltilerle yapılan analizlerde 1,0 µg Br'a kadar lineerlik sağlanmıştır. LOD, tayin sınırı (Limit of quantification, LOQ), karakteristik kütle (m0) değerleri 520,8189 nm'de sırasıyla 1,7 ng, 5,6 ng ve 4,0 ng olarak bulunurken, 535,7217 nm'de ise sırasıyla 2,1 ng, 6,9 ng ve 4,3 ng bulunmuştur. Geliştirilen yöntem brom içeren çeşitli ilaç örneklerinde 520,8189 nm'de uygulanmıştır ve validasyon çalışması kapsamında gerçek örnekler üzerinde geri kazanım testi (spike) yapılmıştır. Sonuçlarda % 96 geri kazanım elde edilmiştir. Sonuç olarak yeni bir metot geliştirilerek toplam brom konsantrasyonunun tayini için literatüre katkı sağlanmıştır.
Tez çalışmasının ikinci kısmında katı örneklemeli HR-CS ETAAS kullanılarak, grafit fırının içerisinde oluşturulmuş diatomik BaBr molekülleri aracılığıyla çeşitli un örneklerinde herhangi bir çözünme işlemi olmadan brom konsantrasyonlarının direkt olarak tayini için yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Sıvı örneklemeli çalışmadan farklı olarak, 520,8189 nm'de grafit fırın opitimize edildiğinde en yüksek hassasiyet 250 µg Ba varlığında 900°C piroliz ve 2300°C'lik molekül oluşturma sıcaklıklarında elde edilmiştir. İki grafit fırın sıcaklık programı arasındaki fark, bir tarafı penceresiz, açık olan ve daha yüksek optimum sıcaklıklara yol açabilen katı örnekleme grafit tüpünün farklı tasarımına dayanmaktadır. Sıvı örneklemeli sistemde olduğu gibi Zr kaplama ve/veya Zr kaplama + Pd modifierın BaBr moleküler absorpsiyonunun sinyalleri üzerinde olumsuz etkiye neden olduğu gözlemlenmiştir. Dolayısıyla bu çalışmada da herhangi bir modifier kullanımına ihtiyaç duyulmamıştır. Küçük miktarda (1 mg ile 4 mg arasında) katı örneklerde bile toplam brom tayini gerçekleştirilebilmiştir. Katı örneklemeli HR-CS ETAAS'de belirlenmiş olan analitik parametreler 1,4 ng LOD, 5,6 ng LOQ ve 4,2 ng m0 şeklindedir. Geliştirilen yöntem çeşitli un örneklerinde uygulanmıştır ve yöntemin validasyonu ise Polietilen ERM-EC680K sertifikalı referans maddesinin (SRM) tayini ile yapılmıştır. SRM için bulunan değer referans değerinin kesinlik sınırında bulunmuştur ve un örnekleri üzerinde yapılan spike testinde % 93-110 arasında geri kazanım elde edilmiştir.
Toplam brom tayininde, herhangi bir modifier kullanılmasına ihtiyaç duyulmaması, tekrarlanabilir sonuçlar, düşük LOD, hızlı ve kolay bir prosedür olması her iki örnekleme tekniğinde olan avantajlardır. Sonuç olarak, geliştirilen yöntemin uygulanmasıyla, ilaç numunelerindeki ve un numunelerindeki toplam brom konsantrasyonları, hem sıvı örneklemede hem de katı örnekleme sisteminde başarıyla belirlenmiştir.

Abstract:
Bromine (Br) is never naturally found in its elemental form but is found in soil, salts, air and sea water as inorganic compounds, also known as bromides, and as natural organo-bromine compounds. Bromine is used in many areas such as pesticides, additives in commercial baked goods and flours, dyes used for various purposes, cosmetics, various medicines, pharmaceuticals and chemical intermediates. The most common use of brominated compounds such as polybromated diphenyl ether (PBDEs), polybromated biphenyls (PBBs), tetrabromobisphenol A (TBBPA) and hexabromocyclododecane (HBCD) as flame retardants (brominated flame retardants, BFR). BFRs are added the structure of many materials such as furniture, electronic tools, building materials and automobile parts to slow their combustion in a possible situation. Bromine's high tolerance to pH and temperature changes makes it suitable for use many purifying and disinfection processes. 
Bromine and bromine compounds, which have various uses, are harmful to human health and environment. The highly stable bromine compounds can spread rapidly to the environment and accumulate in food chains over time. Exposure to high doses of bromine (bromism) causes various diseases such as upper respiratory, skin, nervous system, cardiological, uremic and lymphoma and damages DNA. Due to their release to nature and their toxic properties, the use of bromine compounds has been restricted in many areas. Qualitative and quantitative determination of bromine and its compliance with limit values determined by regulations have gained importance. Therefore, the most appropriate method for sensitive, accurate and reliable bromine determination must be selected and applied.
Bromine atomic absorption resonance line is lying in the 148,86 nm in the vacuum UV region where the basic components of air (O2, N2) are absorbed. Also, since bromine-specific hollow cathode lamp (HCL) is not available, bromine cannot be determined directly by atomic absorption spectrometry (AAS). On the other hand, bromine was determined using high resolution continuum sources electrothermal atomic absorption spectrometer (HR-CS ETAAS) via molecular absorption of bromine-containing diatomic species generated in the graphite furnace.
For this purpose, within the scope of the master's thesis, a method was developed for the determination of bromine by HR-CS ETAAS via molecular absorption spectrum of diatomic BaBr, which was the first time barium (Ba) was used as the molecule-forming element. The conditions of the method were optimized with liquid and direct solid sampling HR-CS ETAAS.
The first experimental studies for optimization were performed with liquid sampling HR-CS ETAAS. Necessary experimental parameters were analyzed in detail and analytical parameters were determined. After the literature search and a series of preliminary experiments, BaBr diatomic molecule using barium as the molecule-forming element was chosen for bromine determination. It was observed that the molecular absorption of BaBr, a stable diatomic molecule, has low limit of detection (LOD) and no spectral interferences to measure bromine concentration. In order to determine low analyte concentrations in the sample, BaBr's most sensitive rotational molecular absorption line was investigated. It was found that BaBr at two different wavelengths, 520,8189 nm and 535,7217 nm, has absorption bands consisting of a central band and a series of rotation lines. No spectral interference was observed at both wavelengths in the analysis. Compared to the other wavelength, maximum sensitivity and 15% higher absorbance values were obtained at 520,8189 nm. Therefore, all quantifications were performed at 520,8189 nm. After determining the wavelength, the graphite furnace was optimized. For diatomic BaBr generated with the excess of Ba, the highest sensitivity and best repeatability were achieved at 700 °C pyrolysis temperature and 2200 °C volatilization temperature. The effect of using various modifiers for the formation of BaBr diatomic molecule in the graphite furnace has also been studied. In both cases using the zirconium (Zr) coating and Zr coating + Palladium (Pd) chemical modifier, negative effects were observed in the sensitivity of BaBr molecular absorption and the absorbance values also decreased. Therefore, Zr coating and / or any chemical modifier was not used in the analyzes made during this thesis study. Optimization of the amount of barium for diatomic BaBr molecule formation was also performed. For Br standard and real sample (drug sample), maximum sensitivity was reached when using 250 µg (10 mL 25 g L-1) barium was used as the molecule-forming element throughout the study. A good linearity was obtained in a wide range up to 1,0 µg of bromine prepared from NaBr at 520,8189 nm. While LOD, limit of quantification (LOQ), characteristic mass (m0) values were found at 520,8189 nm as 1,7 ng, 5,6 ng and 4,0 ng, respectively; at 535,7217 nm, 2,1 ng, 6,9 ng and 4,3 ng were found respectively. The developed method was applied at 520,8189 nm in various drug samples containing bromine, and a recovery test (spike) was performed on real samples for validation of method. 96% recovery was obtained. As a result, a new method has been developed to contribute to the literature for the determination of the total bromine concentration.
In the second part of the this study, a new method was developed for direct determination of bromine concentrations in various flour samples without any dissolution process by using diatomic BaBr molecules formed in the graphite furnace using HR-CS ETAAS with solid sampling. Unlike the liquid sampling study, when the graphite furnace was optimized at 520,8189 nm, the highest sensitivity was achieved at 900 °C pyrolysis temperature and 2300 °C volatilization temperature in the presence of 250 µg Ba. The difference between the two graphite furnace temperature programs can be attributed to different design of solid sampling graphite tube, one side of which is open without window, which may lead to higher optimum temperatures. As in liquid sampling system, it has been observed that the Zr coating and/or Zr coating + Pd modifier had a negative effect on the signals of BaBr molecular absorption. Therefore, there was no need to use any modifier in this study. Even in small quantities (between 1 mg and 4 mg) of solid samples, total bromine determination was possible. Analytical parameters determined in solid sampling HR-CS ETAAS were 1,4 ng LOD, 5,6 ng LOQ, 4,2 ng m0. The developed method has been applied in various flour samples and the validation of the method has been made with the determination of Polyethylene ERM-EC680K certified reference material (CRM). The results for SRM were in the certainty limits of the certified value and 93-110 % recoveries were obtained in the spike test on flour samples.
In the determination of total bromine, no need to use any modifier, as well as repeatable results, low LOD, fast and easy procedure are advantages for the in both sampling techniques. Consequently, by applying the method developed, the total bromine concentrations in drug samples and flour samples were successfully determined in both liquid sampling and solid sampling system.