Аналитическая химия - Analytical chemistry

Аналитическая химия изучает и использует инструменты и методы, используемые для отдельный, идентифицировать и количественно оценить иметь значение.[1] На практике разделение, идентификация или количественная оценка могут составлять весь анализ или быть объединены с другим методом. Разделительные изоляты аналиты. Качественный анализ идентифицирует аналиты, а количественный анализ определяет числовое количество или концентрацию.

Аналитическая химия состоит из классической, мокрые химические методы и современный, инструментальные методы.[2] Классические качественные методы используют такие разделения, как осадки, добыча, 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 хроматография, электрофорез или же фракционирование полевого потока. Затем можно провести качественный и количественный анализ, часто с одним и тем же инструментом, и можно использовать легкое взаимодействие, тепловое взаимодействие, электрические поля или же магнитные поля. Часто один и тот же инструмент может разделять, идентифицировать и количественно определять аналит.

Аналитическая химия также сосредоточена на улучшении экспериментальная конструкция, хемометрия, а также создание 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 этот период значительный вклад в аналитическую химию включает развитие систематических элементный анализ к Юстус фон Либих и систематизированный органический анализ, основанный на конкретных реакциях функциональных групп.

Первым инструментальным анализом была пламенно-эмиссионная спектрометрия, разработанная Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф кто открыл 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]

В разделение наук следуют аналогичной временной линии развития и также все больше превращаются в высокопроизводительные инструменты.[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 сегодняшний день, аналитическая химия все больше включает в себя биологические вопросы (биоаналитическая химия), тогда как раньше она была в основном сосредоточена на неорганических или небольшие органические молекулы. Лазеры все чаще используются в химии в качестве зондов и даже для инициирования и воздействия на самые разные реакции. В конце 20 века также наблюдалось расширение применения аналитической химии от чисто академических вопросов химии до судебно-медицинский, относящийся к окружающей среде, промышленный и медицинский вопросы, например, в гистология.[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. Открытие химического вещества, присутствующего в крови, которое увеличивает риск рака, могло бы стать открытием, в котором мог бы принять участие химик-аналитик. Попытка разработать новый метод может включать использование перестраиваемый лазер для повышения специфичности и чувствительности спектрометрического метода. Многие однажды разработанные методы намеренно сохраняются статичными, чтобы можно было сравнивать данные за длительные периоды времени. Это особенно актуально для промышленных гарантия 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

Наличие медь в этом качественном анализе обозначен голубовато-зеленым цветом пламени.

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

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 за золото и Тест Кастле-Мейера за наличие кровь.

Испытание пламенем

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

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 происходит из-за потери 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. Существует множество других типов титрования, например потенциометрическое титрование. В этих титрованиях могут использоваться 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 электромагнитное излучение. Спектроскопия состоит из множества различных приложений, таких как атомно-абсорбционная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия, ультрафиолетовая и видимая спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, флуоресцентная спектроскопия, ИК-спектроскопия, Рамановская спектроскопия, двойная поляризационная интерферометрия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, фотоэмиссионная спектроскопия, Мессбауэровская спектроскопия и так далее.

Масс-спектрометрии

Масс-спектрометрические измерения отношение массы к заряду молекул с использованием электрический и магнитные поля. 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, время полета, Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье, и так далее.

Электрохимический анализ

Электроаналитические методы измеряют потенциал (вольт ) и / или Текущий (усилители ) в электрохимическая ячейка содержащий аналит.[7][8] 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 (переданный 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 высокая температура.

Разделение

Разделение черных чернил на тонкослойная хроматография пластина

Процессы разделения используются для уменьшения сложности смесей материалов. Хроматография, электрофорез и Полевое фракционирование потока являются представителями этой области.

Гибридные техники

Комбинация вышеперечисленных методов дает «гибридную» или «переносимую» технику.[9][10][11][12][13] Сегодня широко используются несколько примеров, и разрабатываются новые гибридные методы. Например, газовая хроматография-масс-спектрометрия, газовая хроматография-ИК-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 другая техника представляет собой некую форму хроматография. Техника расстановки переносов широко используется в химия и биохимия. А слэш иногда используется вместо дефис, особенно если в названии одного из методов есть дефис.

Микроскопия

Флуоресцентный микроскоп изображение двух ядер клеток мыши в профаза (шкала 5 мкм)[14]

Визуализация отдельных молекул, отдельных клеток, биологических тканей и наноматериалы - важный и привлекательный подход в аналитической науке. Кроме того, гибридизация с другими традиционными аналитическими инструментами революционизирует аналитическую науку. Микроскопия можно разделить на три разных поля: 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.[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

куда

  • это абсолютная ошибка.
  • истинное значение.
  • - наблюдаемое значение.

Погрешность измерения является обратной мерой точного измерения, т. Е. Чем меньше ошибка, тем точность измерения больше.

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. Позволять быть функцией с переменные. Следовательно распространение неопределенности необходимо вычислить, чтобы узнать погрешность в :

Стандарты

Стандартная кривая

График калибровочной кривой, показывающий предел обнаружения (LOD), предел количественной оценки (LOQ), динамический диапазон и предел линейность (РЖУНИМАГУ)

Общий метод анализа концентрации включает создание калибровочная кривая. 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 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, который дает начало методу изотопное разбавление.

Стандартное дополнение

Методика стандартное дополнение используется в инструментальном анализе для определения концентрации вещества (аналит ) в неизвестном образце путем сравнения с набором образцов известной концентрации, аналогично использованию калибровочная кривая. Стандартное добавление может применяться к большинству аналитических методов и используется вместо калибровочная кривая решить матричный эффект проблема.

Сигналы и шум

Одним из наиболее важных компонентов аналитической химии является максимальное увеличение полезного сигнала при минимизации связанных шум.[17] Аналитический показатель качества известен как соотношение 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 белый шум это означает, что сила спектральная плотность постоянно на протяжении всего частотный спектр.

В среднеквадратичное значение значение теплового шума в резисторе определяется выражением[17]

куда kB является Постоянная Больцмана, Т это температура, р сопротивление, а это пропускная способность частоты .

Дробовой шум

Дробовой шум - это разновидность электронный шум что происходит, когда конечное число частиц (например, электроны в электронной схеме или фотоны в оптическом устройстве) достаточно мала, чтобы вызывать статистические флуктуации сигнала.

Дробовой шум - это Пуассоновский процесс а носители заряда, составляющие ток, следуют за распределение Пуассона. Среднеквадратичная флуктуация тока определяется выражением[17]

куда е это элементарный заряд и я средний ток. Дробовой шум - это белый шум.

Мерцающий шум

Фликкер-шум - это электронный шум с 1 /ƒ частотный спектр; в качестве ж увеличивается, шум уменьшается. Фликкер-шум возникает из различных источников, таких как примеси в проводящем канале, генерация и рекомбинация шум в транзистор из-за тока базы и так далее. Этого шума можно избежать, модуляция сигнала на более высокой частоте, например, за счет использования синхронный усилитель.

Шум окружающей среды

Шум в термогравиметрический анализ; низкий уровень шума в середине участка является результатом меньшей активности человека (и шума окружающей среды) в ночное время

Шум окружающей среды возникает из окружения аналитического инструмента. Источники электромагнитного шума: линии электропередач, радио и телеканалы, беспроводные устройства, Компактные люминесцентные лампы[18] и электродвигатели. Многие из этих источников шума имеют узкую полосу пропускания, поэтому их можно избежать. Температура и виброизоляция может потребоваться для некоторых инструментов.

Подавление шума

Снижение шума может быть достигнуто либо в компьютерное железо или же программного обеспечения. Примеры аппаратного шумоподавления: использование экранированный кабель, аналоговая фильтрация, и модуляция сигнала. Примеры программного шумоподавления: цифровая фильтрация, средний по ансамблю, средний товарный вагон и корреляция методы.[17]

Приложения

нас Управление по контролю за продуктами и лекарствами Ученый использует портативное устройство для ближней инфракрасной спектроскопии для обнаружения потенциально незаконных веществ

Аналитическая химия находит применение, в том числе в Криминалистика, биоанализ, клинический анализ, экологический анализ, и анализ материалов. Исследования в области аналитической химии во многом определяются производительностью (чувствительностью, Предел обнаружения, избирательность, надежность, динамический диапазон, линейный диапазон, точность, точность и скорость), а также стоимость (покупка, эксплуатация, обучение, время и место). 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 являются: лазерный пробой и лазерная абляция масс-спектрометрия и 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, 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.[нужна цитата ]

Прилагаются большие усилия, чтобы свести методы анализа к чип размер. Хотя существует несколько примеров таких систем, конкурирующих с традиционными методами анализа, потенциальные преимущества включают размер / портативность, скорость и стоимость. (микро система полного анализа (µTAS) или лаборатория на кристалле ). Микромасштабная химия уменьшает количество используемых химикатов.

Многие разработки улучшают анализ биологических систем. Примеры быстро расширяющихся полей в этой области: геномика, Секвенирование ДНК и соответствующие исследования в генетическая дактилоскопия и Микрочип ДНК; протеомика, анализ концентраций и модификаций белков, особенно в ответ на различные стрессоры, на разных стадиях развития или в различных частях тела, метаболомика, который 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.[нужна цитата ]

Аналитическая химия сыграла решающую роль в понимании фундаментальной науки для различных практических приложений, таких как биомедицинские приложения, мониторинг окружающей среды, контроль качества промышленного производства, судебная медицина и т. Д.[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, приведших к рождению геномика. Идентификация белков и секвенирование пептидов с помощью масс-спектрометрии открыли новую область протеомика. Помимо автоматизации конкретных процессов, прилагаются усилия для автоматизации более крупных разделов лабораторных испытаний, например, в таких компаниях, как Изумрудная облачная лаборатория и Transcriptic.[21]

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

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Скуг, Дуглас А .; West, Donald M .; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (2014). Основы аналитической химии. Бельмонт: Брукс / Коул, Cengage Learning. п. 1. ISBN  978-0-495-55832-3.
  2. ^ Скуг, Дуглас А .; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (2007). Принципы инструментального анализа. Бельмонт, Калифорния: Брукс / Коул, Томсон. п. 1. ISBN  978-0-495-01201-6.
  3. ^ Арикава, Ёсико (2001). «Базовое образование по аналитической химии» (pdf). Аналитические науки. 17 (Приложение): i571 – i573. Получено 10 января 2014.
  4. ^ Миллер, К; Synovec, RE (2000). «Обзор аналитических измерений с применением технологии каплеобразования». Таланта. 51 (5): 921–33. Дои:10.1016 / S0039-9140 (99) 00358-6. PMID  18967924.
  5. ^ Бартл, Кейт Д.; Майерс, Питер (2002). «История газовой хроматографии». Тенденции TrAC в аналитической химии. 21 (9–10): 547. Дои:10.1016 / S0165-9936 (02) 00806-3.
  6. ^ Лайтинен, Х.А. (1989). «История аналитической химии в США». Таланта. 36 (1–2): 1–9. Дои:10.1016/0039-9140(89)80077-3. PMID  18964671.
  7. ^ Bard, A.J .; Фолкнер, Л. (2000). Электрохимические методы: основы и приложения. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья, 2-е изд.[страница нужна ]
  8. ^ Skoog, D.A .; West, D.M .; Холлер, Ф.Дж. (1988). Основы аналитической химии Нью-Йорк: издательство Saunders College Publishing, 5-е изд.[страница нужна ]
  9. ^ Уилкинс, К. (1983). «Методы анализа сложных органических смесей через дефис». Наука. 222 (4621): 291–6. Bibcode:1983Наука ... 222..291Вт. Дои:10.1126 / science.6353577. PMID  6353577.
  10. ^ Holt, R.M .; Newman, M. J .; Pullen, F. S .; Richards, D. S .; Суонсон, А. Г. (1997). «Высокоэффективная жидкостная хроматография / ЯМР-спектрометрия / масс-спектрометрия: дальнейшие достижения в технологии переноса дефектов». Журнал масс-спектрометрии. 32 (1): 64–70. Bibcode:1997JMSp ... 32 ... 64H. Дои:10.1002 / (SICI) 1096-9888 (199701) 32: 1 <64 :: AID-JMS450> 3.0.CO; 2-7. PMID  9008869.
  11. ^ Эллис, Линдон А; Робертс, Дэвид Дж (1997). «Хроматографические и дефисные методы элементного анализа видообразования в окружающей среде». Журнал хроматографии А. 774 (1–2): 3–19. Дои:10.1016 / S0021-9673 (97) 00325-7. PMID  9253184.
  12. ^ Guetens, G; De Boeck, G; Дерево, М; Maes, R.A.A; Эггермонт, A.A.M; Хайли, M.S; Ван Остером, A.T; De Bruijn, E.A; Tjaden, U.R (2002). «Методы мониторинга противоопухолевых препаратов через дефис». Журнал хроматографии А. 976 (1–2): 229–38. Дои:10.1016 / S0021-9673 (02) 01228-1. PMID  12462614.
  13. ^ Guetens, G; De Boeck, G; Хайли, M.S; Дерево, М; Maes, R.A.A; Эггермонт, A.A.M; Ханауске, А; De Bruijn, E.A; Tjaden, U.R (2002). «Методы мониторинга противоопухолевых препаратов через дефис». Журнал хроматографии А. 976 (1–2): 239–47. Дои:10.1016 / S0021-9673 (02) 01227-X. PMID  12462615.
  14. ^ Schermelleh, L .; Карлтон, П. М .; Haase, S .; Shao, L .; Winoto, L .; Kner, P .; Burke, B .; Cardoso, M.C .; Agard, D.A .; Gustafsson, M. G. L .; Leonhardt, H .; Седат, Дж. У. (2008). «Субдифракционная многоцветная визуализация ядерной периферии с помощью микроскопии с трехмерным структурированным освещением». Наука. 320 (5881): 1332–6. Bibcode:2008Научный ... 320.1332S. Дои:10.1126 / science.1156947. ЧВК  2916659. PMID  18535242.
  15. ^ Г.Л.Дэвид - Аналитическая химия
  16. ^ Харрис, Дэниел К., 1948- (29 мая 2015 г.). Количественный химический анализ. Люси, Чарльз А. (9-е изд.). Нью-Йорк. ISBN  978-1-4641-3538-5. OCLC  915084423.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  17. ^ а б c d Крауч, Стэнли; Скуг, Дуглас А. (2007). Принципы инструментального анализа. Австралия: Томсон Брукс / Коул. ISBN  978-0-495-01201-6.[страница нужна ]
  18. ^ «Проблемы со здоровьем, связанные с энергоэффективным освещением и их электромагнитным излучением» (PDF). Трентский университет, Питерборо, Онтарио, Канада. Получено 2011-11-12.
  19. ^ Большаков Александр А; Ганеев Александр А; Немец, Валерий М (2006). «Перспективы аналитической атомной спектрометрии». Российские химические обзоры. 75 (4): 289. arXiv:физика / 0607078. Bibcode:2006RuCRv..75..289B. Дои:10.1070 / RC2006v075n04ABEH001174. S2CID  95353695.
  20. ^ "Аналитическая химия - Американское химическое общество". Американское химическое общество. Получено 2017-05-26.
  21. ^ Groth, P .; Кокс, Дж. (2017). «Показатели использования роботизированных лабораторий в фундаментальных биомедицинских исследованиях: анализ литературы». PeerJ. 5: e3997. Дои:10.7717 / peerj.3997. ЧВК  5681851. PMID  29134146.

дальнейшее чтение

  • Гурдип, Чатвал Ананд (2008). Инструментальные методы химического анализа Издательский дом Гималаи (Индия) ISBN  978-81-8318-802-9
  • Ральф Л. Шрайнер, Рейнольд К. Фусон, Дэвид Ю. Кертин, Теренс К. Морилл: Систематическая идентификация органических соединений - лабораторное руководство., Verlag Wiley, New York 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, Е; Тейлор, П; Аналитические измерения: неопределенность измерений и статистика, 2012 г., ISBN  978-92-79-23071-4.

внешняя ссылка