Giriş
Bulanıklık, sıvıların veya saydam katı örneklerin optik bir özelliği olup, numunenin berraklığını veya bulanıklığını tanımlar. Geçmişte bulanıklık, insan gözüyle görsel karşılaştırma ölçeklerine göre ya da “tecrübe” ile ölçülürdü. Günümüzde ise endüstriyel bulanıklık ölçümü tamamen otomatik ve tekrarlanabilir şekilde yapılmaktadır – böylece insan kaynaklı hatalar ortadan kaldırılmıştır.
Sıvılardaki bulanıklık, sıvı içerisinde bulunan çözünmemiş küçük askıda partiküllerden kaynaklanır. Bu partiküllerle içerisinde bulundukları sıvının farklı kırılma indislerine sahip olmaları bulanıklık davranışını ortaya çıkarır. Kırılma indislerindeki bu fark, bulanık sıvıya düşen ışığın yansımasına, absorpsiyonuna ve saçılmasına neden olur. Parçacık konsantrasyonu arttıkça saçılan ışığın yoğunluğu artar ve belirli bir maksimuma ulaşır. Bu maksimum; kullanılan dalga boyuna, partikülün boyut ve şekline, kırılma indisine ve çözeltinin rengine bağlıdır.
Bulanıklığa Ne Sebep Olur?
- Emülsiyon: Birbiriyle karışmayan iki sıvı (örneğin yağ ve su) küçük damlacıklar halinde karıştığında oluşur. (Süt buna tipik bir örnektir.)
- Süspansiyon: Çok küçük katı partiküller bir sıvıya karıştığında (örneğin tuz çözünmeden suya eklendiğinde) oluşur. Ancak bu tür karışımlar genellikle hızlıca çökelir.
Eğer süspansiyon halindeki katılar sıvıda dengeli şekilde dağılmaya devam ederse, sabit bir bulanıklık ölçümü yapılabilir. Örneğin, berrak ve doğal elma suyundaki fark bu şekilde açıklanabilir.
Bulanıklık ölçümünde en kritik iki faktör şunlardır:
- Işığın dalga boyu
- Parçacıkların boyutu
Biyolojik uygulamalarda partikül boyutu genellikle 100–500 nm (kolloidler) ile 0,5–5 µm (hücreler) arasında değişir. Bulanıklık ölçümlerinde genellikle 700–1000 nm arası yakın kızılötesi (NIR) ışık kullanılır. Tarihsel alışkanlıklarda lab ölçümlerinde 600 nm civarı ölçümler yapılsa da doğru olan dalga boyu 700–1000 nm arasıdır. Bunun nedeni, renkli maddelerin etkisini elimine etmektir. Özellikle daha büyük partiküllerde, saçılan ışığın açısal dağılımı simetrik değildir; bu nedenle ölçüm açısı kritik öneme sahiptir.
Bulanıklığın Tanımı ve Standartlar
Bulanıklık ölçüm yöntemlerini tanımlayan iki temel standart vardır:
- EPA 180.1: Beyaz ışık (400–680 nm)
- DIN EN ISO 27027: Kızılötesi ışık (780–900 nm, tipik olarak 860 nm)
Her iki standart da 90° saçılan ışık (nefelometri) ölçümünü esas alır. Ölçüm sonucunu etkileyen faktörler:
- Optik yol uzunluğu
- Partikül konsantrasyonu
- Partikül boyutu
Ayrıca akan bir numunenin bulanıklığı, duran bir numuneden farklıdır. Akıştaki türbülanslar küçük hava kabarcıkları oluşturur ve bu da bulanıklığı artırır.
Parçacık Boyutu ve Saçılan Işık
Partikül boyutuna göre saçılan ışığın dağılımı farklılık gösterir. Bu nedenle modern bulanıklık sensörlerinde, küçük ve büyük partiküller için ek dedektör açıları (örn. 11°–30°) bulunur.
Optek-Danulat GmbH’nin uzun yıllara dayanan tecrübesi, 25° yerine 11° açının, özellikle büyük partiküllerin ölçümünde daha avantajlı olduğunu göstermiştir (https://pat.pikolab.com/urun/tf16-n-bulaniklik-sensoru/).
Bulanıklık Kalibrasyonu
Bulanıklık sensörlerinin kalibrasyonu, yukarıda belirtilen standartlara göre Formazin çözeltileri ile yapılır.
- EPA: NTU (Nephelometric Turbidity Units)
- ISO: FNU (Formazin Nephelometric Units) ve FTU (Formazin Turbidity Units)
- Geçiş ışığı için: FAU (Formazin Attenuation Units)
Formazin, hekzametilentetramin ve hidrazin sülfat arasındaki reaksiyonla elde edilen standart bir çözelti serisidir.
Endüstriyel Uygulama Örneği – Elma Suyu Filtrasyonu
Elma suyu üretiminde filtreleme adımının kontrolü için TF16-N sensörü kullanılabilir. Bu sensör, 730–970 nm NIR dalga boyu aralığında toplam absorpsiyon değerini ölçer.
- Berrak elma suyu ile bulanık ham elma suyu kolayca ayırt edilebilir.
- Filtrede bir hasar olduğunda, absorpsiyon değeri anında artar ve süreçteki problem hemen fark edilir.
- Böylece hızlı bir şekilde düzeltici aksiyon alınabilir.
Saçılma Ölçümü – Açısal Bağımlılık
- 90° (yan saçılma) ölçümleri, 0,1–0,5 µm aralığındaki küçük partiküllere (ör. kolloidler) karşı en hassas yöntemdir. Bu yüzden bira ve içme suyu kalitesi ölçümlerinde yaygın olarak kullanılır.
- 0,5–5 µm boyutundaki daha büyük partiküller için düşük açılarda yapılan ölçümler daha uygundur. Teorik olarak en yüksek hassasiyet, 0°’ye en yakın açıda elde edilir. Ancak teknik sınırlamalar nedeniyle pratikte en düşük uygulanabilir açı 11°’dir.
Formazin (1–2 µm partikül boyutuna sahip standart) ile yapılan ölçümler, 11° saçılma ölçümünün 90° dahil olmak üzere daha yüksek açılardan daha hassas olduğunu açıkça göstermektedir.
Parçacık Boyutuna Bağlı Hassasiyet
Polistiren boncuklarla yapılan deneylerde 11° ölçümünün 90° ölçümüne kıyasla daha hassas olduğu görülmüştür. Bu fark, hücre boyutundaki daha büyük partiküller ölçüldüğünde daha da belirgindir. Ancak 0,2 µm’den küçük kolloidlerde 11° ölçümünün belirgin bir avantajı bulunmamaktadır.
Saçılma ve Absorpsiyona Dayalı Ölçümler
- 11° saçılma ölçümü: Düşük bulanıklık değerlerinde oldukça hassastır. Ancak orta-yüksek bulanıklık seviyelerinde çoklu saçılma nedeniyle sinyal doygunluğa ulaşır ve tersine dönebilir.
- 0° absorpsiyon ölçümü: Düşük bulanıklığa karşı duyarsızdır ama orta-yüksek konsantrasyonlarda lineer yanıt verir.
Dolayısıyla her iki yöntemin tek sensörde birleştirilmesi, hem yüksek hassasiyet hem de geniş dinamik aralık sağlar.
🔦 Absorpsiyon Ölçümleri – Işık Yolu ve Optikler
0° absorpsiyon ölçümü teknik olarak daha basittir ve özellikle orta-yüksek bulanıklık seviyelerinde etkilidir.
- Işık yolu uzunluğu, beklenen bulanıklık seviyesine göre optimize edilebilir.
- Yüksek bulanıklık için kısa yol uzunlukları kullanılır.
Standart optiklerle yapılan absorpsiyon ölçümleri, saçılan ışık nedeniyle lineerlikten sapabilir. Bu nedenle odaklanmış performans optikleri kullanıldığında daha yüksek duyarlılık, daha iyi lineerlik ve sensörler arası daha düşük değişkenlik elde edilir.
