Аналитическая химия

Лаборатория газовой хроматографии

Аналитическая химия изучает и использует инструменты и методы, используемые для разделения , идентификации и количественного определения вещества. ^[1] На практике разделение, идентификация или количественная оценка могут составлять весь анализ или комбинироваться с другим методом. Разделение изолирует аналиты . Качественный анализ определяет аналиты, в то время как количественный анализ определяет их количество или концентрацию.

Аналитическая химия состоит из классических методов мокрой химии и современных инструментальных методов . ^[2] Классические качественные методы используют разделения, такие как осаждение , экстракция и дистилляция . Идентификация может быть основана на различиях в цвете, запахе, температуре плавления, температуре кипения, растворимости, радиоактивности или реакционной способности. Классический количественный анализ использует изменения массы или объема для количественной оценки количества. Инструментальные методы могут использоваться для разделения образцов с использованием хроматографии , электрофореза или фракционирования в полевом потоке.. Затем может быть проведен качественный и количественный анализ, часто с использованием одного и того же прибора, с использованием взаимодействия света , тепла , электрических или магнитных полей . Часто один и тот же инструмент может разделять, идентифицировать и количественно определять аналит.

Аналитическая химия также сосредоточена на улучшении дизайна экспериментов , хемометрии и создании новых инструментов измерения. Аналитическая химия широко применяется в медицине, науке и технике.

История [ править ]

Аналитическая химия играет важную роль с первых дней химии, предоставляя методы для определения того, какие элементы и химические вещества присутствуют в рассматриваемом объекте. В этот период значительный вклад в аналитическую химию включает разработку систематического элементного анализа с помощью Либего и систематизированного органического анализа на основе специфических реакций функциональных групп.

Первым инструментальным анализом была пламенно-эмиссионная спектрометрия, разработанная Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом , открывшими рубидий (Rb) и цезий (Cs) в 1860 году ^[3].

Большинство основных достижений в аналитической химии происходит после 1900 года. В этот период инструментальный анализ становится все более доминирующим в этой области. В частности, многие из основных спектроскопических и спектрометрических методов были открыты в начале 20 века и усовершенствованы в конце 20 века. ^[4]

Эти науки разделительных следовать аналогичной временной линии развития , а также становятся все более и более превращаются в высокие инструменты производительности. ^[5] В 1970-х годах многие из этих методов начали использоваться вместе как гибридные методы для достижения полной характеристики образцов.

Начиная примерно с 1970-х годов и по настоящее время, аналитическая химия все больше включает в себя биологические вопросы (биоаналитическая химия), тогда как раньше она была в основном сосредоточена на неорганических или малых органических молекулах . Лазеры все чаще используются в химии в качестве зондов и даже для инициирования и воздействия на самые разные реакции. В конце 20-го века также наблюдалось расширение применения аналитической химии от чисто академических химических вопросов до судебных , экологических , промышленных и медицинских вопросов, например, в гистологии . ^[6]

В современной аналитической химии преобладает инструментальный анализ. Многие химики-аналитики сосредотачиваются на одном типе приборов. Ученые обычно сосредотачиваются либо на новых приложениях и открытиях, либо на новых методах анализа. Обнаружение химического вещества, присутствующего в крови, которое увеличивает риск рака, было бы открытием, к которому мог бы быть причастен химик-аналитик. Попытка разработать новый метод может включать использование перестраиваемого лазера для повышения специфичности и чувствительности спектрометрический метод. Многие однажды разработанные методы намеренно сохраняются статичными, чтобы можно было сравнивать данные за длительные периоды времени. Это особенно верно в отношении промышленной гарантии качества.(QA), криминалистические и экологические приложения. Аналитическая химия играет все более важную роль в фармацевтической промышленности, где, помимо контроля качества, она используется для открытия новых кандидатов в лекарственные средства и в клинических приложениях, где понимание взаимодействия между лекарственным средством и пациентом имеет решающее значение.

Классические методы [ править ]

Хотя в современной аналитической химии преобладает сложное оборудование, корни аналитической химии и некоторые принципы, используемые в современных инструментах, восходят к традиционным методам, многие из которых используются до сих пор. Эти методы также обычно составляют основу большинства учебных лабораторий по аналитической химии.

Качественный анализ [ править ]

Качественный анализ определяет наличие или отсутствие определенного соединения, но не массу или концентрацию. По определению, качественный анализ не измеряет количество.

Химические тесты [ править ]

Существует множество качественных химических тестов, например, кислотный тест на золото и тест Кастле-Мейера на наличие крови .

Испытание пламенем [ править ]

Неорганический качественный анализ обычно относится к систематической схеме для подтверждения присутствия определенных водных ионов или элементов путем проведения серии реакций, которые исключают диапазон возможных и затем подтверждают предполагаемые ионы с помощью подтверждающего теста. Иногда в такие схемы включают небольшие углеродсодержащие ионы. С современными приборами эти тесты используются редко, но могут быть полезны в образовательных целях и в полевых условиях или в других ситуациях, когда доступ к современным приборам недоступен или нецелесообразен.

Количественный анализ [ править ]

Количественный анализ - это измерение количества определенных химических компонентов, присутствующих в веществе.

Гравиметрический анализ [ править ]

Гравиметрический анализ включает определение количества присутствующего материала путем взвешивания образца до и / или после некоторого преобразования. Типичным примером, используемым в бакалавриате, является определение количества воды в гидрате путем нагревания образца для удаления воды, так что разница в весе происходит из-за потери воды.

Объемный анализ [ править ]

Титрование включает добавление реагента к анализируемому раствору до достижения некоторой точки эквивалентности. Часто можно определить количество материала в анализируемом растворе. Тем, кто изучал химию в средней школе, наиболее знакомо кислотно-основное титрование с использованием индикатора изменения цвета. Есть много других типов титрования, например потенциометрическое титрование. В этих титрованиях могут использоваться разные типы индикаторов для достижения некоторой точки эквивалентности.

Инструментальные методы [ править ]

Спектроскопия [ править ]

Спектроскопия измеряет взаимодействие молекул с электромагнитным излучением . Спектроскопия включает множество различных приложений, таких как атомно-абсорбционная спектроскопия , атомно-эмиссионная спектроскопия , ультрафиолетовая и видимая спектроскопия , рентгеновская спектроскопия , флуоресцентная спектроскопия , инфракрасная спектроскопия , рамановская спектроскопия , интерферометрия двойной поляризации , ядерная магнитно-резонансная спектроскопия , фотоэмиссионная спектроскопия , мессбауэровская спектроскопия и скоро.

Масс-спектрометрия [ править ]

Масс-спектрометрия измеряет отношение массы к заряду молекул с помощью электрического и магнитного полей . Существует несколько методов ионизации: электронный удар, химическая ионизация , электроспрей, бомбардировка быстрыми атомами, матричная лазерная десорбционная ионизация и другие. Также масс-спектрометрия подразделяется на подходы масс-анализаторов: магнитный сектор , квадрупольный масс-анализатор , квадрупольная ионная ловушка , времяпролетный , ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье и т. Д.

Электрохимический анализ [ править ]

Электроаналитические методы измеряют потенциал ( вольты ) и / или ток ( амперы ) в электрохимической ячейке, содержащей аналит. ^{[7] [8]} Эти методы можно разделить на категории в зависимости от того, какие аспекты соты контролируются, а какие измеряются. К четырем основным категориям относятся потенциометрия (измеряется разность электродных потенциалов), кулонометрия (переносимый заряд измеряется во времени), амперометрия (ток ячейки измеряется во времени) и вольтамперометрия (ток ячейки измеряется при активном изменении потенциал клетки).

Термический анализ [ править ]

Калориметрия и термогравиметрический анализ измеряют взаимодействие материала и тепла .

Разделение [ править ]

Процессы разделения используются для уменьшения сложности смесей материалов. Хроматография , электрофорез и фракционирование в полевом потоке являются типичными представителями этой области.

Гибридные методы [ править ]

Комбинация вышеперечисленных методов дает «гибридную» или «переносимую» технику. ^{[9] [10] [11] [12] [13]} Сегодня популярны несколько примеров, и разрабатываются новые гибридные методы. Например, газовая хроматография-масс-спектрометрия , газовая хроматография- инфракрасная спектроскопия , жидкостная хроматография-масс-спектрометрия , жидкостная хроматография- ЯМР-спектроскопия . жидкостная хроматография-инфракрасная спектроскопия и капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия.

Методы разделения через дефис - это сочетание двух (или более) методов обнаружения и отделения химических веществ от растворов. Чаще всего другой метод - это хроматография . Методы расстановки переносов широко используются в химии и биохимии . Слэш иногда используются вместо дефиса , особенно если название одного из методов содержит сам дефис.

Микроскопия [ править ]

Визуализация отдельных молекул, отдельных клеток, биологических тканей и наноматериалов - важный и привлекательный подход в аналитической науке. Кроме того, гибридизация с другими традиционными аналитическими инструментами революционизирует аналитическую науку. Микроскопию можно разделить на три различных области: оптическая микроскопия , электронная микроскопия и сканирующая зондовая микроскопия . В последнее время эта область быстро прогрессирует из-за быстрого развития компьютерной и фотоиндустрии.

Лаборатория на чипе [ править ]

Устройства, которые объединяют (несколько) лабораторных функций на одном кристалле размером всего от миллиметра до нескольких квадратных сантиметров и способны обрабатывать чрезвычайно малые объемы жидкости до менее пиколитров.

Ошибки [ править ]

Ошибка может быть определена как числовая разница между наблюдаемым значением и истинным значением. ^[15] Экспериментальную ошибку можно разделить на два типа: систематическая ошибка и случайная ошибка. Систематическая ошибка возникает из-за неисправности оборудования или плана эксперимента, в то время как случайная ошибка возникает из-за неконтролируемых или неконтролируемых переменных в эксперименте. ^[16]

По ошибке истинное значение и наблюдаемое значение в химическом анализе могут быть связаны друг с другом уравнением

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {a}} = | x - {\ bar {x}} |}$

куда

• ${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {a}}}$ это абсолютная ошибка.
• ${\ displaystyle x}$ истинное значение.
• ${\ displaystyle {\ bar {x}}}$ - наблюдаемое значение.

Погрешность измерения является обратной мерой точного измерения, т.е. чем меньше ошибка, тем выше точность измерения.

Ошибки можно выразить относительно. Учитывая относительную ошибку ( ):${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {r}}}$

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {r}} = {\ frac {\ varepsilon _ {\ rm {a}}} {| x |}} = \ left | {\ frac {x - {\ bar {x) }}} {x}} \ right |}$

Также можно рассчитать процентную ошибку:

${\ displaystyle \ varepsilon _ {\ rm {r}} \ times 100 \%}$

Если мы хотим использовать эти значения в функции, мы также можем захотеть вычислить ошибку функции. Позвольте быть функцией с переменными. Следовательно, распространение неопределенности необходимо рассчитать, чтобы узнать ошибку в :${\ displaystyle f}$${\ displaystyle N}$${\ displaystyle f}$

${\displaystyle \varepsilon _{\rm {a}}(f)\approx \sum _{i=1}^{N}\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{i}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{i})=\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{1})+\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{2})+\ldots +\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{N}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{N})}$

Стандарты [ править ]

Стандартная кривая [ править ]

Общий метод анализа концентрации включает построение калибровочной кривой . Это позволяет определять количество химического вещества в материале путем сравнения результатов неизвестного образца с результатами ряда известных стандартов. Если концентрация элемента или соединения в образце слишком высока для диапазона обнаружения метода, его можно просто разбавить чистым растворителем. Если количество в пробе ниже диапазона измерения прибора, можно использовать метод добавления. В этом методе добавляется известное количество изучаемого элемента или соединения, и разница между добавленной концентрацией и наблюдаемой концентрацией является фактическим количеством в образце.

Внутренние стандарты [ править ]

Иногда внутренний стандарт с известной концентрацией добавляется непосредственно в аналитический образец для облегчения количественного определения. Затем количество присутствующего аналита определяется относительно внутреннего стандарта в качестве калибранта. Идеальный внутренний стандарт - это аналит, обогащенный изотопами, что дает основание для метода изотопного разбавления .

Стандартное дополнение [ править ]

Метод добавления стандарта используется в инструментальном анализе для определения концентрации вещества ( аналита ) в неизвестном образце путем сравнения с набором образцов с известной концентрацией, аналогично использованию калибровочной кривой . Добавление стандарта может применяться к большинству аналитических методов и используется вместо калибровочной кривой для решения проблемы матричного эффекта .

Сигналы и шум [ править ]

Одним из наиболее важных компонентов аналитической химии является максимальное увеличение полезного сигнала при минимизации связанных шумов . ^[17] Аналитический показатель качества известен как отношение сигнал / шум (S / N или SNR).

Шум может возникать как из-за факторов окружающей среды, так и из-за фундаментальных физических процессов.

Тепловой шум [ править ]

Тепловой шум возникает в результате движения носителей заряда (обычно электронов) в электрической цепи, создаваемого их тепловым движением. Тепловой шум - это белый шум, означающий, что спектральная плотность мощности постоянна во всем частотном спектре .

Корень среднего квадрата значение теплового шума в резисторе дается ^[17]

${\displaystyle v_{\rm {RMS}}={\sqrt {4k_{\rm {B}}TR\Delta f}},}$

где k _B - постоянная Больцмана , T - температура , R - сопротивление и - ширина полосы частот .${\displaystyle \Delta f}$${\displaystyle f}$

Дробовой шум [ править ]

Дробовой шум - это тип электронного шума, который возникает, когда конечное число частиц (например, электронов в электронной схеме или фотонов в оптическом устройстве) достаточно мало, чтобы вызвать статистические флуктуации сигнала.

Дробовой шум - это процесс Пуассона, а носители заряда, составляющие ток, подчиняются распределению Пуассона . Среднеквадратичная флуктуация тока определяется выражением ^[17]

${\displaystyle i_{\rm {RMS}}={\sqrt {2eI\Delta f}}}$

где е есть элементарный заряд , и я это средняя величина тока. Дробовой шум - это белый шум.

Мерцающий шум [ править ]

Фликкер шум является электронный шум с 1 / ƒ частотного спектра; с увеличением f шум уменьшается. Фликкер-шум возникает из множества источников, таких как примеси в проводящем канале, генерация и рекомбинационный шум в транзисторе из-за тока базы и т. Д. Этого шума можно избежать путем модуляции сигнала на более высокой частоте, например, с помощью синхронного усилителя .

Шум окружающей среды [ править ]

Окружающий шум возникает из-за окружающей среды аналитического инструмента. Источниками электромагнитного шума являются линии электропередач , радио- и телевизионные станции, беспроводные устройства , компактные люминесцентные лампы ^[18] и электродвигатели . Многие из этих источников шума имеют узкую полосу пропускания, поэтому их можно избежать. Для некоторых инструментов может потребоваться изоляция от температуры и вибрации .

Подавление шума [ править ]

Снижение шума может быть достигнуто с помощью компьютерного оборудования или программного обеспечения . Примерами аппаратного шумоподавления являются использование экранированного кабеля , аналоговой фильтрации и модуляции сигнала. Примерами программного шумоподавления являются методы цифровой фильтрации , среднего по ансамблю, среднего прямоугольного числа и методы корреляции . ^[17]

Приложения [ править ]

Аналитическая химия находит применение в том числе в области судебной медицины , биоанализа , клинический анализ , экологический анализ и анализ материалов . Аналитические химические исследования во многом определяются производительностью (чувствительность, предел обнаружения , селективность, надежность, динамический диапазон , линейный диапазон , точность, прецизионность и скорость) и стоимостью (покупка, эксплуатация, обучение, время и пространство). Среди основных разделов современной аналитической атомной спектрометрии наиболее распространенными и универсальными являются оптическая и масс-спектрометрия. ^[19] В области прямого элементного анализа твердых образцов новыми лидерами являютсямасс-спектрометрия лазерного пробоя и лазерной абляции , а также связанные с ней методы с переносом продуктов лазерной абляции в индуктивно связанную плазму . Достижения в разработке диодных лазеров и оптических параметрических генераторов способствуют развитию флуоресцентной и ионизационной спектрометрии, а также методов поглощения, где ожидается расширение использования оптических резонаторов для увеличения эффективной длины пути поглощения. Расширяется использование плазменных и лазерных методов. Возродился интерес к абсолютному (безэталонному) анализу, особенно к эмиссионной спектрометрии. ^{[ необходима цитата ]}

Прилагаются большие усилия для сокращения методов анализа до размера чипа . Хотя существует несколько примеров таких систем, конкурирующих с традиционными методами анализа, потенциальные преимущества включают размер / портативность, скорость и стоимость. ( система микрообщего анализа (µTAS) или лаборатория на кристалле ). Микромасштабная химия уменьшает количество используемых химикатов.

Многие разработки улучшают анализ биологических систем. Примерами быстро расширяющихся областей в этой области являются геномика , секвенирование ДНК и связанные с ними исследования в области генетического дактилоскопирования и ДНК-микрочипов ; протеомика , анализ концентраций и модификаций белков, особенно в ответ на различные стрессоры, на разных стадиях развития или в различных частях тела, метаболомика , которая имеет дело с метаболитами; транскриптомика , включая мРНК и связанные поля; липидомика- липиды и связанные с ними поля; пептидомики - пептиды и связанные с ними поля; и металомика, касающаяся концентраций металлов и особенно их связывания с белками и другими молекулами. ^{[ необходима цитата ]}

Аналитическая химия сыграла решающую роль в понимании фундаментальной науки в различных практических приложениях, таких как биомедицинские приложения, мониторинг окружающей среды, контроль качества промышленного производства, судебная медицина и так далее. ^[20]

Последние разработки в области компьютерной автоматизации и информационных технологий распространили аналитическую химию на ряд новых биологических областей. Например, автоматические машины для секвенирования ДНК стали основой для завершения проектов генома человека, которые привели к рождению геномики . Идентификация белков и секвенирование пептидов с помощью масс-спектрометрии открыли новую область протеомики . Помимо автоматизации определенных процессов, прилагаются усилия для автоматизации более крупных разделов лабораторного тестирования, например, в таких компаниях, как Emerald Cloud Lab и Transcriptic. ^[21]

Аналитическая химия была незаменимой областью в развитии нанотехнологий . Приборы для определения характеристик поверхности, электронные микроскопы и сканирующие зондовые микроскопы позволяют ученым визуализировать атомные структуры с химическими характеристиками.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

В Викиверситете вы можете узнать больше об аналитической химии и научить других на кафедре аналитической химии.

Викискладе есть медиафайлы по аналитической химии .

• Аналитическая химия в Curlie
• Инфографика и анимация, показывающие прогресс аналитической химии