Аналитическая химия

Изучение разделения, идентификации и количественного определения химических компонентов материалов Газовая хроматография лаборатория

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 быть объединены с другим методом. Разделение выделяет аналиты. Качественный анализ определяет аналиты, а количественный анализ определяет числовое количество или концентрацию.

Аналитическая химия состоит из классических влажных химических методов и современных инструментальных методов. Классические качественные методы используют разделения, такие как осаждение, экстракция и дистилляция. Идентификация может быть основана на различиях в цвете, запахе, температуре плавления, температуре кипения, 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 можно провести качественный и количественный анализ, часто с одним и тем же прибором, и можно использовать световое взаимодействие, тепловое взаимодействие, электрические поля или магнитные поля. 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.

• 1 История
• 2 Классические методы
  • 2.1 Качественный анализ
    • 2.1.1 Химические испытания
    • 2.1.2 Испытание пламенем
  • 2.2 Количественный анализ
    • 2.2.1 Гравиметрический анализ
    • 2.2.2 Объемный анализ
• 3 Инструментальные методы
  • 3.1 Спектроскопия
  • 3.2 Масс-спектрометрия
  • 3.3 Электрохимический анализ
  • 3.4 Термический анализ
  • 3.5 Разделение
  • 3.6 Гибридные методы
  • 3.7 Микроскопия
  • 3.8 Лаборатория на кристалле
• 4 Ошибки
• 5 Стандарты
  • 5.1 Стандартная кривая
  • 5.2 Внутренние стандарты
  • 5.3 Добавление стандарта
• 6 Сигналы и шум
  • 6.1 Тепловой шум
  • 6.2 Дробовой шум
  • 6.3 Мерцательный шум
  • 6.4 Окружающий шум
  • 6.5 Подавление шума
• 7 Применения
• 8 См. Также
• 9 Ссылки
• 10 Дополнительная литература
• 11 Внешние ссылки

Густав Кирхгоф (слева) и Роберт Бунзен (справа)

Аналитическая химия играет важную роль с первых дней химии, предоставление методов для определения того, какие элементы и химические вещества являются е присутствует в рассматриваемом объекте. В этот период значительный вклад в аналитическую химию включает развитие систематического элементного анализа Юстусом фон Либихом и систематизированный органический анализ, основанный на конкретных реакциях функциональных групп.

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

Большинство основных достижений в аналитической химии произошло 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.

Науки о разделении следуют аналогичной временной линии развития и также стали все больше превращается в инструменты с высокими характеристиками. 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 академических вопросов химии до судебной медицины, экологической, промышленной и медицины <127.>вопросы, такие как гистология.

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, к которому мог бы быть причастен химик-аналитик. Попытка разработать новый метод может включать использование перестраиваемого лазера для увеличения специфичность и чувствительность спектрометрического метода. Многие методы, однажды разработанные, намеренно остаются статичными, чтобы можно было сравнивать данные за длительные периоды времени. Это особенно верно в отношении промышленных обеспечения качества (QA), криминалистических и экологических приложений. Аналитическая химия играет все более важную роль в фармацевтической промышленности, где, помимо контроля качества, она используется для открытия новых кандидатов в лекарственные препараты и в клинических приложениях, где понимание взаимодействия между лекарственным средством и пациентом имеет решающее значение.

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

Хотя в современной аналитической химии преобладает сложное оборудование, корни аналитической химии и некоторые принципы, используемые в современных приборах, 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 присутствие или отсутствие конкретного соединения, но не массу или концентрацию. По определению, качественный анализ не измеряет количество.

Химические тесты

Существует множество качественных химических тестов, например, кислотный тест для золота и тест Кастл-Мейера. на наличие крови.

Испытание пламенем

Качественный неорганический анализ обычно относится к систематической схеме для подтверждения присутствия определенных водных ионов или элементов путем проведения серии реакций, исключающих диапазоны возможностей, а затем подтверждает предполагаемые ионы подтверждающим тестом. 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

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

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 типов титрования, например потенциометрическое титрование. В этих титрованиях могут использоваться разные типы индикаторов для достижения некоторой точки эквивалентности.

Блок-схема аналитического прибора, показывающая стимул и измерение реакции

Спектроскопия

Спектроскопия измеряет взаимодействие молекул с электромагнитным излучением. Спектроскопия включает множество различных приложений, таких как атомно-абсорбционная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия, ультрафиолетовая-видимая спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, флуоресцентная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, Рамановская спектроскопия, интерферометрия с двойной поляризацией, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, фотоэмиссионная спектроскопия, мессбауэровская спектроскопия и так далее.

Масс-спектрометрия

масс-спектрометр с ускорителем, используемый для радиоуглеродного датирования и других анализов

Масс-спектрометрия измеряет отношение массы к заряду молекул с использованием электрического и магнитного поля. Существует несколько методов ионизации: электронный удар, химическая ионизация, электроспрей, бомбардировка быстрыми атомами, матричная лазерная десорбционная ионизация и другие. Также масс-спектрометрия классифицируется по подходам масс-анализаторов: магнитосекторный, квадрупольный масс-анализатор, квадрупольная ионная ловушка, времяпролетный., ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье и так далее.

Электрохимический анализ

Электроаналитические методы измеряют потенциал (вольт ) и / или ток (ампер ) в электрохимической ячейке, содержащей аналит. Эти методы можно разделить на категории в зависимости от того, какие аспекты ячейки контролируются, а какие измеряются. Четыре основные категории: 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 потенциала ячейки).

Термический анализ

Калориметрия и термогравиметрический анализ измеряют взаимодействие материала и тепла.

Разделение

Разделение черных чернил на тонкослойной хроматографии пластина

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

Гибридные методы

Комбинации вышеупомянутых методов создают «гибридный» или «переносимый через дефис» метод. 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.

Разделение через дефис относится к комбинации двух (или более) методов для обнаружения и отделения химических веществ от растворов. Чаще всего другой метод представляет собой некоторую форму хроматографии. Методы расстановки переносов широко используются в химии и биохимии. Вместо дефиса иногда используется косая черта, особенно если имя одного из методов содержит сам дефис.

Микроскопия

Флуоресцентный микроскоп изображение двух ядер клеток мыши в профазе (масштабная шкала 5 мкм)

Визуализация одиночных молекул, одиночных клеток, биологических тканей и наноматериалы - 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.

Lab-on-a-chip

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

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 недостатка оборудования или плана эксперимента, тогда как случайная ошибка возникает из-за неконтролируемых или неконтролируемых переменных в эксперименте.

В случае ошибки истинное значение и наблюдаемое значение в химическом анализе могут быть связаны друг с другом уравнением

$\epsilon \; a\; =\; |\; х\; -\; х\; ¯\; |\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\; =\; |\; x\; -\; \{\backslash \; bar\; \{x\}\}\; |\}$

где

• $\epsilon \; a\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\}$- абсолютная ошибка.
• $x\; \{\backslash \; displaystyle\; x\}$- истинное значение.
• $x\; ¯\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{x\}\}\}$- наблюдаемое значение.

Ошибка измерения является обратной мерой точного измерения, т. Е. Чем меньше ошибка, тем выше точность измерения.

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

$\epsilon \; r\; =\; \epsilon \; a\; |\; х\; |\; =\; |\; x\; -\; x\; ¯\; x\; |\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{r\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\}\; \{|\; x\; |\}\}\; =\; \backslash \; left\; |\; \{\backslash \; frac\; \{x\; -\; \{\backslash \; bar\; \{x)\; \}\}\}\; \{x\}\}\; \backslash \; right\; |\}$

Также можно вычислить процентную ошибку:

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

Если мы хотим использовать эти значения в функции, мы также можем захотеть вычислить ошибку функции. Пусть $f\; \{\backslash \; displaystyle\; f\}$будет функцией с переменными $N\; \{\backslash \; displaystyle\; N\}$. Следовательно, распространение неопределенности должно быть вычислено, чтобы узнать ошибку в $f\; \{\backslash \; displaystyle\; f\}$:

$\epsilon \; a\; (f)\; \approx \; \sum \; i\; =\; 1\; N\; |\; \partial \; f\; \partial \; x\; i\; |\; \epsilon \; a\; (x\; i)\; =\; |\; \partial \; f\; \partial \; x\; 1\; |\; \epsilon \; a\; (x\; 1)\; +\; |\; \partial \; f\; \partial \; x\; 2\; |\; \epsilon \; a\; (x\; 2)\; +\dots \; +\; |\; \partial \; f\; \partial \; x\; N\; |\; \epsilon \; a\; (Икс\; N)\; \{\backslash \; Displaystyle\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\; (е)\; \backslash \; приблизительно\; \backslash \; сумма\; \_\; \{я\; =\; 1\}\; ^\; \{N\}\; \backslash \; left\; |\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; f\}\; \{\backslash \; partial\; x\_\; \{i\}\}\}\; \backslash \; right\; |\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\; (x\_\; \{i\})\; =\; \backslash \; left\; |\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; f\}\; \{\backslash \; partial\; x\_\; \{1\}\}\}\; \backslash \; right\; |\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\; (x\_\; \{1\})\; +\; \backslash \; left\; |\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; f\}\; \{\backslash \; partial\; x\_\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right\; |\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\; (\; x\_\; \{2\})\; +\; \backslash \; ldots\; +\; \backslash \; left\; |\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; f\}\; \{\backslash \; partial\; x\_\; \{N\}\}\}\; \backslash \; right\; |\; \backslash \; varepsilon\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{a\}\}\; (x\_\; \{N\})\}$

Стандартная кривая

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

Общий метод анализа концентрации включает создание 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 добавляется в известной концентрации непосредственно к аналитической пробе для облегчения количественного определения. Затем количество присутствующего аналита определяется относительно внутреннего стандарта в качестве калибранта. Идеальный внутренний стандарт - это аналит, обогащенный изотопами, который дает начало методу изотопного разбавления.

Стандартного добавления

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

Одним из наиболее важных компонентов аналитической химии является максимальное увеличение полезного сигнала при минимизации связанного шума. 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, что означает, что мощность спектральная плотность постоянна во всем частотном спектре.

. Среднеквадратичное значение теплового шума. в резисторе:

$v\; RMS\; =\; 4\; k\; BTR\; \Delta \; f,\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{RMS\}\}\; =\; \{\backslash \; sqrt\; \{4k\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{B\}\}\; TR\; \backslash \; Delta\; f\}\},\}$

где k B - постоянная Больцмана, T - температура, R - сопротивление и $\Delta \; f\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; f\; \}$- полоса пропускания частоты $f\; \{\backslash \; displaystyle\; f\}$.

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 в сигнале.

Дробовой шум - это пуассоновский процесс, и носители заряда, составляющие ток, подчиняются распределению Пуассона. Среднеквадратичное отклонение тока определяется выражением

$i\; RMS\; =\; 2\; e\; I\; \Delta \; f\; \{\backslash \; displaystyle\; i\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{RMS\}\}\; =\; \{\backslash \; sqrt\; \{2eI\; \backslash \; Delta\; f\}\}\}$

где e - элементарный заряд, а I - средний ток. Дробовой шум - это белый шум.

Фликкер-шум

Фликкер-шум - это электронный шум с частотным спектром 1 /; с увеличением f шум уменьшается. Фликкер-шум возникает из множества источников, таких как примеси в проводящем канале, генерация и шум рекомбинации в транзисторе из-за тока базы и т. Д. Этого шума можно избежать с помощью модуляции сигнала на более высокой частоте, например, за счет использования синхронизирующего усилителя.

Шум окружающей среды

Шум в термогравиметрическом анализ ; более низкий уровень шума в середине графика является результатом меньшей активности человека (и шума окружающей среды) в ночное время.

Шум окружающей среды возникает из-за окружающей среды аналитического прибора. 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. Для некоторых приборов может потребоваться изоляция от температуры и вибрации.

Подавление шума

Подавление шума может быть выполнено либо с помощью компьютерного оборудования, либо программного обеспечения. Примерами аппаратного шумоподавления являются использование экранированного кабеля, аналоговая фильтрация и модуляция сигнала. Примеры программного шумоподавления: цифровая фильтрация, среднее по ансамблю, промежуточное среднее и методы корреляции.

США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов ученый использует портативное устройство для ближней инфракрасной спектроскопии для обнаружения потенциально незаконных веществ

Аналитическая химия находит применение, в том числе в судебной медицине, биоанализе, клинике анализ, анализ окружающей среды и анализ материалов. Аналитические химические исследования во многом определяются производительностью (чувствительность, предел обнаружения, селективность, надежность, динамический диапазон, линейный диапазон, точность, прецизионность и скорость), и стоимость (покупка, эксплуатация, обучение, время и место). Среди основных разделов современной аналитической атомной спектрометрии наиболее распространенными и универсальными являются оптическая и масс-спектрометрия. В прямом элементном анализе твердых образцов новыми лидерами являются лазерно-индуцированный пробой и лазерная абляция масс-спектрометрия, а также связанные с ней методы с переносом продуктов лазерной абляции в индуктивно связанная плазма. Достижения в разработке диодных лазеров и оптических параметрических генераторов способствуют развитию флуоресцентной и ионизационной спектрометрии, а также методов поглощения, в которых 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.

Большие усилия прилагаются к сокращению методов анализа до размера чипа. Хотя существует несколько примеров таких систем, конкурирующих с традиционными методами анализа, потенциальные преимущества включают размер / портативность, скорость и стоимость. (микро система общего анализа (µTAS) или лаборатория на кристалле ). Химия на микромасштабах 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 снятия отпечатков пальцев 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 т. д.

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 конкретных процессов, предпринимаются усилия по автоматизации более крупных разделов лабораторных испытаний, например в таких компаниях, как Emerald Cloud Lab и Transcriptic.

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

• Важные публикации по аналитической химии
• Список методов химического анализа
• Список методов анализа материалов
• Неопределенность измерения
• Метрология
• Сенсорный анализ - в области пищевой науки
• Виртуальные приборы
• Микроанализ
• Качество аналитических результатов
• Рабочий диапазон

На Викиверситете вы можете узнать больше и рассказать другим о аналитической химии на Департаменте аналитической химии

На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Аналитическая химия.

• Аналитическая химия в Curlie
• Infografik и анимация, показывающая прогресс аналитической химии