Аналитическая химия - Analytical chemistry

Аналитическая химия изучает и использует инструменты и методы, используемые для разделения , идентификации и количественного определения вещества. На практике разделение, идентификация или количественная оценка могут составлять весь анализ или комбинироваться с другим методом. Разделение изолирует аналиты . Качественный анализ идентифицирует аналиты, в то время как количественный анализ определяет числовое количество или концентрацию. Аналитическая химия - это наука о получении, обработке и передаче информации о составе и структуре материи . Другими словами, это искусство и наука определять, что такое материя и сколько ее существует. ... Это одно из самых популярных направлений работы химиков АСУ.

Аналитическая химия состоит из классических методов мокрой химии и современных инструментальных методов . Классические качественные методы используют такие разделения, 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 определения количества. Инструментальные методы могут использоваться для разделения образцов с использованием хроматографии , электрофореза или фракционирования в полевом потоке . Затем можно провести качественный и количественный анализ, часто с использованием одного и того же прибора, и можно использовать взаимодействие света , теплового взаимодействия , 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

Аналитическая химия играет важную роль с первых дней химии, предоставляя методы для определения того, какие элементы и химические вещества присутствуют в рассматриваемом объекте. В течение этого периода, значительный вклад в аналитическую химию включал разработку систематического элементного анализа с помощью Либего и систематизирован органического анализа на основе конкретных реакций функциональных групп.

Первым инструментальным анализом была пламенно-эмиссионная спектрометрия, разработанная Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом, которые открыли рубидий (Rb) и цезий (Cs) в 1860 году.

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-го века и усовершенствованы в конце 20-го века.

Эти науки разделительных следовать аналогичной временной линии развития , а также становятся все более и более превращаются в высокие инструменты производительности. 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 сегодняшний день, 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 .

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. Открытие химического вещества, присутствующего в крови, которое увеличивает риск рака, было бы открытием, в котором мог бы участвовать химик-аналитик. Попытка разработать новый метод может включать использование настраиваемого 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 обеспечения качества в промышленности , судебной экспертизы и защиты окружающей среды. Аналитическая химия играет все более важную роль в фармацевтической промышленности, где, помимо контроля качества, она используется для открытия новых лекарственных препаратов-кандидатов и в клинических приложениях, где понимание взаимодействия между лекарственным средством и пациентом имеет решающее значение.

Классические методы

На присутствие меди в этом качественном анализе указывает голубовато-зеленый цвет пламени.

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

Качественный анализ

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

Химические тесты

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

Испытание пламенем

Неорганический качественный анализ обычно относится к систематической схеме для подтверждения присутствия определенных водных ионов или элементов путем выполнения серии реакций, которые исключают диапазон возможных и затем подтверждают предполагаемые ионы с помощью подтверждающего теста. Иногда в такие схемы включают и малые 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

Количественный анализ - это измерение количества определенных химических компонентов, присутствующих в веществе. Количества можно измерить по массе (гравиметрический анализ) или по объему (волюметрический анализ).

Гравиметрический анализ

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 связана с потерей воды.

Объемный анализ

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 видов титрования, например потенциометрическое титрование. Эти титрования могут использовать различные типы индикаторов для достижения некоторой точки эквивалентности.

Инструментальные методы

Блок-схема аналитического прибора, показывающая стимул и измерение ответа

Спектроскопия

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-спектрометрии

Ускоритель масс - спектрометр используется для радиоуглеродного и других анализов

Масс-спектрометрия измеряет отношение массы к заряду молекул с помощью электрического и магнитного полей . Существует несколько методов ионизации: электронная ионизация , химическая ионизация , ионизация электрораспылением , бомбардировка быстрыми атомами, матричная лазерная десорбция / ионизация и другие. Кроме того, масс-спектрометрия подразделяется на подходы масс-анализаторов: магнитный сектор , квадрупольный масс-анализатор , квадрупольная ионная ловушка , времяпролетный , ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье и так далее.

Электрохимический анализ

Электроаналитические методы измеряют потенциал ( вольты ) и / или ток ( амперы ) в электрохимической ячейке, содержащей аналит. Эти методы можно разделить на категории в зависимости от того, какие аспекты ячейки 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

Калориметрия и термогравиметрический анализ измеряют взаимодействие материала и тепла .

Разделение

Разделение черных чернил на пластине для тонкослойной хроматографии

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

Гибридные техники

Комбинации вышеперечисленных методов создают «гибридную» или «переносную» технику. Сегодня широко используются 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 относятся к комбинации 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

Изображение двух ядер клеток мыши в профазе с помощью флуоресцентного микроскопа (масштабная линейка 5 мкм)

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

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

Ошибка может быть определена как числовая разница между наблюдаемым значением и истинным значением. 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.

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

куда

  • это абсолютная ошибка.
  • истинное значение.
  • - 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 ( ):

Также можно рассчитать процентную ошибку:

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 :

Стандарты

Стандартная кривая

График калибровочной кривой, показывающий предел обнаружения (LOD), предел количественного определения (LOQ), динамический диапазон и предел линейности (LOL)

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

Иногда внутренний стандарт в известной концентрации добавляют непосредственно к аналитической пробе для облегчения количественного определения. Затем определяется количество присутствующего аналита относительно внутреннего стандарта в качестве калибранта. Идеальный внутренний стандарт - это аналит, обогащенный изотопами, что позволяет использовать метод изотопного разбавления .

Стандартное дополнение

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

Одним из наиболее важных компонентов аналитической химии является максимальное увеличение полезного сигнала при минимизации связанных шумов . 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

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 средний квадрат значение теплового шума в резисторе дается

где k B - постоянная Больцмана , T - температура , R - сопротивление и - ширина полосы частот .

Дробовой шум

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, и носители заряда, составляющие ток, подчиняются распределению Пуассона . Среднеквадратичное отклонение тока определяется выражением

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

Мерцающий шум

Фликкер шум является электронный шум с 1 / ƒ частотного спектра; с увеличением f шум уменьшается. Фликкер-шум возникает из различных 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, за счет использования синхронизирующего усилителя .

Шум окружающей среды

Шум при термогравиметрическом анализе ; более низкий уровень шума в середине участка является результатом меньшей активности человека (и шума окружающей среды) в ночное время

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

Подавление шума

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 .

Приложения

США пищевых продуктов и медикаментов ученый использует портативное устройство инфракрасной спектроскопии вблизи обнаружить потенциально запрещенных веществ

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. В области прямого элементного анализа твердых образцов новыми лидерами являются масс-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.

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 снижает 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 области; пептидомики - пептиды и связанные с ними поля; и металомика, имеющая дело с концентрациями металлов и особенно с их связыванием с белками и другими молекулами.

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.

Последние разработки 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.

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

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Гурдип, Чатвал Ананд (2008). Инструментальные методы химического анализа Издательство Гималаи (Индия) ISBN  978-81-8318-802-9
  • Ральф Л. Шрайнер, Рейнольд К. Фусон, Дэвид Ю. Куртин, Теренс К. Морилл: Систематическая идентификация органических соединений - лабораторное руководство , Verlag Wiley, Нью-Йорк 1980, 6. издание, ISBN  0-471-78874-0 .
  • Беттанкур да Силва, Р. Бульская, Е; Годлевская-Жылкевич, В; Hedrich, M; Majcen, N; Магнуссон, Б. Marincic, S; Пападакис, я; Патриарка, М; Василева, Э; Тейлор, П; Аналитические измерения: неопределенность измерений и статистика, 2012, ISBN  978-92-79-23071-4 .

внешние ссылки