Yüksek çözünürlüklü moleküler absorpsiyon spektrometri ile kükürt tayini için yöntem geliştirilmesi
Method development for the determination of sulfur by high resolution continuum source atomic absorption spectrometry
Yazar: SEMA GÜNDÜZ IŞIK
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN AKMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Yeryüzünde en bol bulunan elementlerden biri olan kükürt, insanlar, bitki ve  hayvanlar için gerekli ve önemli bir mineraldir. Kükürt çeşitli formları ile gıda, petrokimya, çevre (hava,su,toprak), tarım (toprak verimliliği, ilaçlar) ve biyolojik örnekler gibi birçok yaşam alanında kullanılmaktadır. Ayrıca, günümüzde  birçok gıdanın yapısında doğal olarak ya da çeşitli katkı maddelerinin kullanımı sonucu dolaylı olarak yer almaktadır. Kükürtün tespiti, konsantrasyonunun belirlenmesi ve yönetmelikler tarafından belirlenen sınır değerlere uygunluğu tüm dünyada büyük önem taşımaktadır. Dolayısıyla hassas, doğru ve güvenilir kükürt tayinleri için en pratik ve uygun yöntemin seçilmesi ve uygulanması gerekmektedir. 
Kükürt, temel atomik absorpsiyon rezonans hattı havanın bileşenlerinin de absorpsiyon yaptığı vakum ultraviyole (UV) bölgesinde bulunduğundan, direkt olarak atomik absorpsiyon spektrometre (AAS) ile tayin edilememektedir. Ancak, son yıllarda geliştirilen ve piyasaya sunulan  yüksek çözünürlüklü sürekli ışın kaynaklı atomik absorpsiyon spektrometresi (HR-CS AAS) kullanarak gaz fazında oluşturulan diatomik kükürt molekülleri vasıtası ile toplam kükürt dolaylı olarak tayin edilebilmektedir. 
Bu amaçla tez kapsamında yapılan ilk deneysel çalışmalara, alevli HR-CS AAS'de gaz fazında oluşturulmaya çalışılan diatomik karbon monosülfit (CS) molekülleri ile kükürtün analizi için alev şartlarının optimizasyonu ile başlanmıştır. Bu amaçla gerekli aletsel ve deneysel parametreler ayrıntılı şekilde incelenmiş ve analitik parametreler belirlenmiştir. Öncelikle kükürt tayini için hava-asetilen ve azotprotoksit-asetilen gibi farklı alev tiplerinde CS molekül oluşumu sağlanmıştır. Kullanılan iki farklı alev tipinde 257,593 nm, 257,959 nm ve 258,056 nm gibi farklı dalga boylarında, gaz akış hızının ve alev yüksekliğinin etkisi incelenmiştir. Alevli atomlaştırıcıdaki deneysel çalışmalar kapsamında, ilk olarak CS moleküllerinden yararlanarak kükürt analizlerinde dalgaboyunun seçimi için farklı inorganik ve organik kükürt bileşikleri (amonyum sülfat, sodium sülfit, potasyum disülfat, tioüre, L-sistein ve L-sistin) kullanılmıştır. Hava asetilen alevinde her bir kükürt bileşiği için üç farklı dalgaboyu ve bunlara ait farklı piksel aralıklarında lineerlik sınırları, tespit sınırı (LOD) ve karakteristik kütle (m0) gibi analitik parametreler belirlenmiştir. Düşük LOD değerlerine ulaşılması sonucu merkez piksel±1 (CP±1) en uygun çalışma piksel aralığı olarak seçilmiştir.  Azotprotoksit-asetilen alevi kullanılarak da benzer analitik veriler 3 dalgaboyuna ait yalnızca CP±1 piksel aralığında çalışılarak elde edilmiştir. Farklı alevlerden elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde daha düşük tespit sınırlarına ulaşılması sebebiyle hava-asetilen en uygun atomlaştırıcı alev tipi olarak seçilmiştir. Deneysel optimizasyon çalışmalarına, farklı konsantrasyonlardaki çeşitli kükürt bileşiklerinin CS dalgaboylarındaki duyarlılığının incelenmesi ile devam edilmiş ve belirli bir konsantrasyonda 6 farklı kükürt bileşiğinin duyarlılıkların arasında anlamlı bir fark olmadığı görülmüştür. Optimum alev şartlarında, ıspanak (NCS ZC73013 Spinage), süt tozu (NCS ZC73015 Milk powder ), tavuk (NCS ZC73016 Chicken) ve yumurta tozu (NIST RM 8415 Whole egg powder) gibi 4 farklı sertifikalı referans maddenin (SRM) kükürt konsantrasyonları, CS molekülüne ait 3 farklı absorbsiyon dalgaboyunda tayin edilmiştir. 258,056 nm dalga boyunda yapılan ölçümler sonucu kükürt konsantrasyonları % 95 güven aralığında belirtilen sertifika değerleriyle uyum içinde bulunmuş olduğu halde, diğer dalga boylarında yapılan ölçümlerde bazı kalibrasyon standartlarıyla elde edilmiş sonuçların SRM'nin sertifika değerlerinin sınırları dışında kaldığı görülmüştür. Dolayısıyla, alevli HR-CS AAS şartlarında 258,056 nm en uygun dalgaboyu olarak belirlenmiş ve metodun doğruluğu ortaya konmuştur. Geliştirilen metot kullanılarak, alevli HR CS AAS'de optimum şartlarda gaz fazında oluşturulmuş diatomik CS molekülleri yardımıyla İstanbuldaki marketlerden temin edilen çeşitli marka kurutulmuş meyveler (incir, dut, gün kurusu kayısı, sarı kayısı, gün kurusu erik, sarı erik) ile sarımsak ve soğan gibi sebzelerin kükürt konsantrasyonları tayin edilmiştir.
Tezin ikinci bölümünde, HR-CS AAS cihazında grafit fırınlı (elektrotermal) atomlaştırıcı kullanılarak çalışmalar yapılmıştır. Alevli atomlaştırıcı ile yapılan çalışmalardan farklı olarak, grafit fırınlı HR-CS AAS (HR-CS GFAAS)'de CS diatomik molekülüne ait 2 farklı dalgaboyunda (257,959 nm ve 258,056 nm) eş zamanlı ölçülen absorbanslarının toplamından yararlanarak kükürt tayinleri gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışmalarına, uygun kalibrant seçimi için  potasyum disülfat, tioüre, L-sistin ve sodyum sülfat gibi çeşitli kükürt bileşikleri ve çay, süt tozu ve ıspanak gibi farklı SRM'lerin termal davranışlarının incelenmesi ile başlanmıştır. Elde edilen piroliz ve molekül oluşum eğrilerinden, SRM'ler ile benzer davranış ve hassasiyet göstermesi bakımından tiyoüre kalibrasyon standardı olarak seçilmiştir. Grafit tüp ve platformların kalıcı modifier ile kaplandığı ve örnek ile birlikte grafit fırına kimyasal bir modifierın da eklendiği şartlarda CS molekülü için 400-900 ºC aralığında elde edilen yüksek duyarlılık önemli değişiklik göstermediğinden piroliz sıcaklığı 800 °C olarak belirlenmiştir. Ayrıca, çalışmada molekül oluşum sıcaklığı ve bu basamaktaki ısıtma hızının CS'nin duyarlığına etkisini incelemek için yapılan çalışmalarda 2200 °C' nin en uygun sıcaklık ve 3000 °C sn-1'nin ise bu sıcaklık için uygulanacak en yüksek pik alanını veren ısıtma hızı olduğu görülmüştür. Devam eden optimizasyon çalışmalarında, grafit tüp/platformların tungsten (W) ve zirkonyum (Zr) ile kaplanması ve palladyum (Pd), Pd/Mg, Pd/sitrik asit, nano gümüş, nano altın partikülleri  gibi kimyasal modifierlerın kullanımının CS diatomik molekülüne ait zamana bağlı absorbans sinyallerine etkisi incelenmiştir. Hem tiyoüre standardı hem de GBW 07605 Çay SRM için modifier kullanılmış ve kullanılmamış şartlarda elde edilen sinyaller değerlendirildiğinde düzgün, tekrarlanabilir ve kararlı piklerin  W kalıcı modifier kaplı grafit tüp/platforma 40 µg Pd ve 300 µg sitrik asitin kimyasal modifier olarak eklendiği şartlarında ulaşıldığı görülmüştür. HR-CS GFAAS çalışmalarında CS molekülü için tiyoüre sulu standart çözeltisi ile elde edilen lineerlik (r > 0.998) 2500 ng kükürte kadar devam etmiştir. Ayrıca, farklı CS absorbsiyon hatlarının eş zamanlı değerlendirilmesinin, metodun LOD ve m0 değerlerine etkisi de çalışma kapsamında incelenmiştir. 257,959 nm ve 258,056 nm dalgaboylarındaki absorbansların toplamı alınarak bulunan LOD ve m0 değerleri sırasıyla 21,6 ng ve 7,4 ng kükürt olup, tek bir dalgaboyunda elde edilen değerlere göre daha düşüktür. Grafit fırın içerinde gaz fazında oluşturulan CS diatomik molekülü ile geliştirilen bu metot kullanılarak öncelikle çay, süt tozu ve ıspanak gibi farklı SRM örneklerinin ardından bazı kurutulmuş meyveler ve kuruyemişlerdeki kükürt konsantrasyonlarının tayini gerçekleştirilmiştir. Birer adet kuru kayısı ve fındık  örneğine standart ekleme yapılarak matriks kaynaklı herhangi bir girişim etkisinin olmadığı örneklere eklenen kükürt miktarlarının kantitatif olarak (> % 95) geri kazanılmasıyla ıspatlanmıştır. Ayrıca, SRM örneklerinin kükürt konsantrasyonlarının sertifika değerlerinin belirsizlik sınırlarında olması ile metodun doğruluğu ortaya konmuştur. Son olarak İstanbuldaki çeşitli marketlerden temin edilen farklı markalara ait kurutulmuş meyveler (gün kurusu kayısı, erik,üzüm ve sarı kayısı, sarı erik) ile fındık ve badem gibi kuruyemiş örneklerinin kükürt konsatrasyonları lineer kalibrasyon yöntemi kullanılarak HR-CS GFAAS' de tayin edilmiştir. 
Tez çalışmalarının son bölümünde, katı örneklemeli HR-CS GFAAS kullanılarak, grafit fırın içerisinde gaz fazında oluşturulmuş diatomik CS molekülleri ile katı örneklemenin avantajlı yönleri birleştirilerek, çeşitli sebzelerin hiçbir çözünürleştirme işlemine gerek olmaksızın kükürt konsantrasyonlarının direkt olarak tayini için yeni bir metot geliştirilmiştir. Katı örneklemeli HR-CS GFAAS çalışmalarında CS molekülünün 258,056 nm dalgaboyunda moleküler absorpsiyonu kullanılarak ölçümler yapılmıştır. Tiyoüre ve tiyoasetamit kükürt sulu kalibrasyon standardı ile katı ıspanak SRM kullanılarak piroliz ve molekül oluşum eğrileri oluşturulmuş ve örneklerin termal davranışları incelenmiştir. Modifier kaplı grafit fırın/katı platformunun ve kimyasal modifierin kullanıldığı şartlarda 1000 ºC piroliz sıcaklığı olarak belirlenmiş ve 2400 ºC'de (molekül oluşum basamağındaki ısıtma hızı 3000 ºC sn-1) ise CS molekül oluşumu gerçekleşmiştir. Kullanılan standartlar ve SRM benzer termal davranış gösterdiğinden tezin ikinci kısım çalışmalarından farklı olarak bu basamakta kalibrant seçimi gerçekleştirilememiştir. Ayrıca, katı örneklemeli HR-CS GFAAS'de grafit tüp ve platformlar W, Zr, iridyum (Ir) ve rutenyum (Ru) gibi çeşitli refrakter metallerle uygun sıcaklık programlarıyla kaplanmış ve Pd, Pd+Ru ve Pd+sitrik asit gibi çeşitli modifierlerın kullanımının sinyaller üzerine etkileri incelenmiştir. Böylece, en kararlı ve tekrarlanabilir sinyallere Ru kalıcı modifier ile kaplanmış katı platformların ve 40 µg Pd ve 300 µg sitrik asitin modifier olarak kullanıldığı şartlarda ulaşılmıştır. CS molekülü için tiyoasetamit sulu çözelti ile elde edilen lineerlik 1500 ng kükürte kadar devam ederken, kurutulup, toz haline getirilen katı örnekler grafit fırın platformlarına 0,05 mg ile 0,50 mg lineer çalışma aralığında direkt olarak konulmuştur. Ayrıca, çay, ıspanak, tavuk ve çalı dalları & yaprakları (NCS DC73349) gibi toz halindeki çeşitli sertifikalı örnekleri grafit fırın platformuna direkt olarak konmuş ve kükürt konsantrasyonları tiyoüre ve tiyoasetamit gibi iki farklı standart kullanılarak tayin edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, hem doğruluğun daha iyi olması hem de düşük LOD (7,5 ng S) ve m0 (8,7 ng S) değerleri elde edilmesiyle tiyoasetamitin çalışmada kullanılacak kalibrant olarak seçilmesine karar verilmiştir. Grafit fırın şartlarında katı örnekleme için geliştirilen bu metot kullanılarak, mikro ölçekte homojenlik, homojenlik faktorü (HE) belirlenmiştir. Ardından toz haline getirilmiş ıspanak, pırasa, kabak, marul, pazı, turp, brüksel lahanası gibi sebze örneklerinin kükürt konsantrasyonlarının hiçbir çözünürleştirme işlemine gerek olmaksızın doğrudan tayini gerçekleştirilmiştir. Böylece katı örnekleme ile katıların doğrudan analizi ile örnek çözme sırasında ortaya çıkan bazı riskler ortadan kaldırılmış ve kükürt tayini için hızlı ve güvenilir yeni bir yöntem geliştirilmiştir.

Abstract:
Sulfur, one of the most abundant elements on earth, is a necessary and important mineral for people, plants and animals. Sulfur is used in many forms of life, such as food, petrochemical, environment (air, water, soil), agriculture (soil fertility, medicines) and biological samples. In addition, the use of various additives is inherently or indirectly involved in the structure of many food nowadays. The determination of sulfur content, concentration and compliance with the limit values determined by the regulations are great importance all over the world. Therefore, the most practical and appropriate method for precise, accurate and reliable sulfur determination must be selected and applied.
Sulfur can not be directly determined by atomic absorption spectrometer (AAS) because the main atomic absorption resonance line is located in the vacuum ultraviolet (UV) region where the air components are also absorbed. However, total sulfur can be indirectly determined by means of diatomic sülfür molecules formed in the gas phase using high resolution continuum source atomic absorption spectrometry (HR-CS AAS) developed and marketed in recent years.
For this purpose, the first experimental studies started with the optimization of flame conditions for sulfur analysis with diatomic carbon monosulfite (CS) molecules, which are tried to be formed in the gas phase using the flame HR-CS AAS. For this purpose, the necessary instrumental and experimental parameters were investigated and analytical parameters were determined. Firstly, formation of CS molecules in different flame types such as air-acetylene and nitrous oxide-acetylene was achieved. The effect of gas flow rate and flame height on two different flame types, were investigated at 257.593 nm, 257.959 nm and 258.056 nm. In the scope of experimental studies on the flame atomizer, firstly different inorganic and organic sulfur compounds (ammonium sulfate, sodium sulfite, potassium disulfate, thiourea, L-cysteine and L-cystine) were used for the selection of the wavelengths in the sulfur analysis using the CS molecules. In the air acetylene flame, analytical parameters such as linear boundaries, detection limit (LOD) and characteristic mass (m0) were determined for three different wavelengths for each sulfur compound and their different pixels. The result of achieving low LOD values is chosen as the optimum working pixel range of the center pixel ± 1 (CP ± 1). Similarly, analytical results were also obtained in the nitrous oxide-acetylene flame only at CP ± 1 pixel per wavelength for each of different 3 wavelengths. When the results obtained from different flames are evaluated, air-acetylene is selected as the most suitable flame type because of the fact that lower detection limits are reached. Experimental optimization studies were continued by investigating the sensitivities of the various sulfur compounds at different concentrations and CS wavelengths. There was no significant difference between the sensitivities of 6 different sulfur compounds at a certain concentration. At optimum conditions, sulfur concentrations of four different certified reference materials (CRM) such as spinage (NCS ZC73013 Spinage), milk powder (NCS ZC73015 Milk powder), chicken (NCS ZC73016 Chicken) and whole egg powder (NIST RM 8415 Whole egg powder) were determined at 3 different absorption wavelengths. The results obtained at 258,056 nm were found to be consistent with the certificate values in the 95 % confidence interval, while their measurements obtained with some calibration standards at other wavelengths were found to be outside of certificate values for the SRM. Therefore, in the case of the flame HR-CS AAS conditions, 258,056 nm was determined to be the most suitable wavelength and the accuracy of the method was revealed. Using the developed method, sulfur concentrations of various brands of dried fruits (fig, mulberry, apricot, plum and their fumigated with SO2) and vegetables such as garlic and onion supplied from the markets in Istanbul were determined with the aid of diatomic CS molecules formed in gas phase under the optimum conditions in flame HR-CS AAS. 
In the second part of the thesis, studies were made on HR-CS AAS using graphite furnace (electrothermal) atomizer. Unlike the flame atomizer studies, sulfur determinations were carried out in graphite furnace HR-CS AAS (HR-CS GFAAS) by taking advantage of the simultaneous measurement of absorbances at 2 different wavelengths of the CS diatomic molecule (257.959 nm and 258.056 nm). Optimization studies have been started with the investigation of the thermal behavior of different sulfur compounds such as potassium disulfate, thiourea, L-cystine and sodium sulphate and different SRMs such as tea, milk powder and spinach for selecting of suitable calibrator. From the pyrolysis and molecular formation curves obtained, the thiourea as calibration standard was chosen to show similar behavior and sensitivity to SRMs. The pyrolysis temperature was set at 800 °C, since graphite tubes and platforms are coated with a permanent modifier and the high sensitivity at between from 400 to 900 °C for CS molecules does not show any significant change. In addition, the molecular formation step and the effect of heating rate in this step on the sensitivity of CS have been investigated. Thus, it was observed that the highest peak area was obtained at temperature of 2200 °C and the heating rate of 3000 ° C sec-1. It was investigated that the coating of graphite tubes/platforms with tungsten (W) and zirconium (Zr) and the use of chemical modifiers such as palladium (Pd), Pd / Mg, Pd / citric acid, nano silver, nano gold particles effect on absorbance signals. For both the thiourea and GBW 07605 Tea SRM sample, the signals with and without modifier were evaluated. It was obtained that smooth, reproducible and stable peaks, W were added under conditions the permanent modifier coated graphite tube / platform added 40 μg Pd and 300 μg citric acid as chemical modifier. In the HR-CS GFAAS studies, the linearity (r>0.998) obtained with the thiourea aqueous standard solution for the CS molecule continued to 2500 ng of sulfur. In addition, the effect of simultaneous evaluation of different CS absorption lines on the LOD and m0 values of the method was also investigated. The LOD and m0 values obtained by summing the absorbances at wavelengths of 257.959 nm and 258.056 nm are 21.6 ng and 7.4 ng sulfur, respectively, which are lower than the values obtained at a single wavelength. Using this method developed with the CS diatomic molecule formed in the gas phase of the graphite furnace, the sulfur concentrations in some dried fruits and nuts were determined as well as different SRM samples such as tea, milk powder and spinach. A standard addition to each dry apricot and hazelnut sample has been proven by quantitatively recovering (>95%) the amount of sulfur added to specimens without any matrix interference effects. Moreover, the accuracy of the method has been demonstrated by the fact that the certified values of the sulfur concentrations of the SRM samples are within the uncertainty limits. Finally, sulfur concentrations of different brands of dried fruit (grape, apricot, plum, and their fumigated with SO2) and dried nuts such as hazelnut and almond obtained from various markets in Istanbul have been determined in HR-CS GFAAS using linear calibration method.
In the last part of the thesis works, a new method has been developed for direct determination of sulfur concentrations of various vegetables, without any digestion process, by combining advantageous of solid sampling technique with diatomic CS molecules formed in gas phase in graphite furnace using solid sampling HR-CS GFAAS. In the HR-CS GFAAS studies with solid sampling, measurements were made using molecular absorption of the CS molecule at a wavelength of 258.056 nm. Pyrolysis and molecular formation curves were obtained using solid spinach SRM in addition to thiourea and thioacetamide sulfur aqueous calibration standards, and thus thermal behaviors of the samples were investigated. When the modifier coated graphite furnace / solid platform and the chemical modifier were used, the pyrolysis temperature was determined as 1000 ºC and CS molecules were formed at 2400 ºC (heating rate 3000 ºC sn-1 at the molecular formation step). Since standards and  SRM show similar thermal behavior, different from the second part of the thesis, calibration standards  can not be choosen in this step. In addition, graphite tubes and platforms in solid sampling HR-CS GFAAS were coated with suitable temperature programs for various refractive metals such as W, Zr, iridium (Ir) and ruthenium (Ru) and the effects of the using various modifiers such as Pd, Pd + Ru and Pd + citric acid on the signals have been investigated. Thus, the most stable and reproducible signals were achieved with solid platforms coated with Ru permanent modifier and with the use of 40 μg Pd and 300 μg citric acid as modifiers. While the linearity of the thioacetamide aqueous solution for the CS molecule was proceed up to 1500 ng of sulfur, the solid samples which were dried and pulverized were placed directly on graphite furnace platforms in the range of 0.05 mg to 0.50 mg linear working range. In addition, various certified powdered samples such as tea, spinach, chicken and bushes & leaves (NCS DC73349) were placed directly into the graphite furnace platform and sulfur concentrations were determined using two different standards, thiourea and thioacetamide. According to the results, it has been decided that thioacetamide should be selected as the calibrant to be used in the study, as both the accuracy was better and the low LOD (7.5 ng S) and m0 (8.7 ng S) were obtained. Using this method developed for solid sampling in graphite furnace conditions, homogeneity, homogeneity factor (HE) was determined at micro scale. The sulfur concentrations of vegetable samples such as powdered spinach, leeks, zucchini, lettuce, chard, radish, brussel sprouts were directly determined without any digestion process. Thus, the direct analysis of solid samples with the solid sampling method was eliminated some of the risks associated with sample digestion process, and a new rapid and reliable method for the determination of sulfur was developed.