Spektroskopi ve İlk Spektrofotometrik Analizler
Spektrofotometre Nedir?
Kimyasallar, hangi ışık dalga boylarını emdiklerine göre tanımlanabilir. Bir kimyasal, kimyasalı oluşturan atomlar arasındaki bağların sayısına ve gücüne göre ışığı emer. Spektrofotometre, bir numuneden belirli dalga boylarında (bir spektrum) ışık geçiren ve daha sonra bir fotometre kullanarak numuneden ne kadar ışık geçtiğini ölçen bir cihazdır. Her bir ışık dalga boyunu ayrı ayrı ölçerek, bir çözeltideki kimyasalların türünü ve konsantrasyonunu ortaya koyan tam bir adsorpsiyon spektrumu grafiğe dökülebilir. Dr. Beckman’ın çığır açan Ultraviyole Spektrofotometresi, bu konsepti sağlam ve güvenilir bir tezgah üstü cihazda kullanır; burada, sadece bir kadranı çevirerek, dahili bir prizma döndürülür ve numune ayrı ayrı ultraviyole ışık dalga boylarına maruz bırakılır.
İlk Spektrofotometri Sistemleri (1937-1940)
1930’ların ortalarında, Dr. Beckman’ın National Technical Laboratories’daki pH metre işi her geçen yıl hızla büyüyordu ve diğer bilimsel enstrümantasyon türlerine doğru genişlemeye başladılar. General Electric, Cenco, Coleman ve Bausch & Lomb gibi Kızılötesi (IR) ve Görünür ışık spektrofotometri sistemleri satan diğer yerleşik enstrüman üreticileri de vardı. Bu sistemlerle kimyagerler kimyasal reaksiyonlar, ürünler ve süreçler hakkında temel soruları yanıtlamaya başlıyorlardı, ancak karmaşık biyolojik örnekler hala bir gizemdi ve görünür veya IR ışık aralıklarında benzersiz bir adsorpsiyon spektrumuna sahip değildi.
Dr. Beckman, bu sistemlerin biyolojik örnekleri analiz etmek için Ultraviyole (UV) spektrumuna daha fazla ulaşması gerektiğini fark etti, ancak böyle bir cihazı bir araya getirmek için gereken UV ışık kaynakları ve uyumlu optik bileşenler henüz mevcut değildi.
Mühendislik Yeniliği
Dr. Arnold Beckman, Beckman Instruments’ta (eski adıyla National Technical Laboratories) UV Spektrometresinin evrimi hakkında retrospektif bir makale yayınladı [1], bazı alıntılar aşağıdadır:
“1940’ta, National Technical Laboratories’de hiç kimse spektrofotometri konusunda kapsamlı bir deneyime sahip değildi. Ancak, Beckman pH metrenin amplifikatörünün vakum tipi fototüplerle kullanım için oldukça uygun olduğu gerçeği kabul edildi. Şirket, 1940’ın başlarında bir spektrofotometre geliştirme programı başlattı ve bu programın sorumluluğu HH Cary’ye verildi. Tanınmış optik uzmanlarından danışmanlık yardımı istendi, ancak II. Dünya Savaşı devam ediyordu ve uzman bulmak zordu. Mount Wilson Gözlemevi ile olan ilişkisinden dolayı biraz optik deneyimi olan profesyonel bir mimar ve amatör bilim insanı olan Roger Hayward, monokromatör teknolojisine gerekli bağlantıyı sağladı. Fikirleri hızla yararlı çizimlere dönüştürme konusundaki dehası, DU spektrofotometresinin geliştirildiği aşırı hızdan kısmen sorumluydu. Douglas Marlow, mekanik tasarımda yeterlilik sağladı.
Tasarlanan ilk cihaz bir cam Fery prizma cihazıydı, ancak performansı uygun görülmedi. Bunu teğet çubuk tahrikli bir kuvars prizma Littrow tasarımı izledi ve Model Β olarak adlandırıldı. Üretilen iki kuvars Model Β cihazından biri Şubat 1941’de Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi Kimya Bölümü’ne satıldı ve diğeri şirketin tarihi müzesindedir. Bu cihaz, esasen doğrusal bir dalga boyu ölçeği sağlayan bir teğet çubuk mekanizması kullanıyordu. Ne yazık ki ölçek çok sıkıştırılmıştı, özellikle de ultraviyole bölgesinde ve tüm sonraki Beckman kuvars prizma monokromatörlerinde kullanılan yenilikçi kaydırma tahrikli bir Model C ile değiştirildi. Üretilen üç Model C cihazından California Teknoloji Enstitüsü, Vita Foods Co. ve Riverside Deney İstasyonu her biri bir tane satın aldı. Caltech cihazı daha sonra müzesi için şirkete iade edildi.”
Beckman DU Spektrofotometresinin Etkisi
Geliştilen bu ilk spektrofotometreler laboratuvar analizlerinde yeni bir çağı başlattı diyebiliriz. Bunları birçok analizde gözlemlemek mümkün oldu. Bazı örnekler ise şöyle;
A Vitamini Analizi;
“Beckman DU” Spektrofotometresi kullanan ilk yayın, 1942’de II. Dünya Savaşı alanındaki birlikler için üretilen takviyelerdeki A Vitamini içeriğinin analizi için yapıldı. Beckman DU’dan önce, takviyelerdeki A Vitamini konsantrasyonunu test etmek için yapılan deney şunları içeriyordu:
- Sıçanlara 3 hafta boyunca takviyeniz açısından zengin veya fakir bir diyet uygulayın
- Kuyruk büyümesinin uzunluğunu ölçün
- Kemik büyümesinin miktarını A vitamini konsantrasyonuyla ilişkilendirin
Bu yöntem çok yavaştı, hayvan bakımı gerektiriyordu ve A vitamini alımının ölçütü olarak sıçan kuyruğu uzunluğuna dayanıyordu.
Beckman DU’dan sonra takviyelerdeki A Vitamini konsantrasyonunu test etmek için yapılan deney şu şekildeydi:
- Takviyeyi suda çözün
- Beckman DU üzerinde emilim spektrumlarını ölçün
Bunun sonucunda 3 haftalık bir deneyi daha fazla doğruluk ve tekrarlanabilirlikle 10 dakikaya gibi bir kısa sürede yapılabilir hale geldi.
Kauçuk Üretimi ve Kalite Kontrolü;
II. Dünya Savaşı sırasında ABD’nin doğal kauçuk tedariki kesildi ve ordu sentetik kauçuk üretmeye başladı. Ancak, kullanılabilir kauçuğun düşük verimi, savaş çabalarını desteklemek için lastik tedarik ihtiyaçlarını karşılayamadı.
Kaliteli kauçuk ürünleri sağlamak için, kaynak malzemelerdeki bütadien konsantrasyonunun belirlenmesi gerekiyordu. İlk Beckman spektrofotometrelerinin kalitesi göz önüne alındığında, ABD Kauçuk Rezervi Ofisi, Beckman Instruments’tan, Shell Development Company tarafından kullanılan tasarıma dayalı olarak, kauçuk üretiminde kullanılmadan hemen önce kaynak malzemelerin kimyasal konsantrasyonunu ölçebilen IR Spektrofotometrelerinin yapımına başlamasını istedi.
1942 yılına gelindiğinde, Beckman Model IR-1’ler tüm sentetik kauçuk fabrikalarında üretim sırasında bileşen malzemeleri analiz etmek için kullanılıyordu. Bunun sonucu olarak üretim süreçlerinde hat içi kalite kontrolü doğdu!
Nükleik Asit Analizi;
1940’ların ortalarında bilim insanları, miras alınan genetik bilginin kimyasal bileşimini, yani artık DNA olduğunu bildiğimiz şeyi anlamakta zorlanıyorlardı. Beckman DU kullanan Edwin Chargaff, dört DNA amino asidinin adsorpsiyon spektrumunu keşfeden deneyler yürüttü ve adenin bolluğunun timinle, guanin bolluğunun ise sitozinle aynı olduğunu buldu. Bu keşif, daha sonra DNA’nın çift sarmal yapısını çözmek için elzem olan DNA birleşiminin baz çifti teorisine yol açtı ve bu ise sayısız tıbbi keşfe yol açan DNA’nın temel bilgisinin elde edilmesini sağladı.
Kaynaklar;
[1] Beckman, AO, Gallaway, WS, Kaye, W. ve Ulrich, WF “Beckman Instruments, Inc.’de Spektrofotometrinin Tarihi”. Analitik Kimya , 49 , ss 280A-300A (1977).
