Analytisk kjemi

Analytisk kjemi studerer og bruker instrumenter og metoder for å skille , identifisere og kvantifisere materie. [ 1 ] I praksis kan separasjon, identifikasjon eller kvantifisering utgjøre hele analysen eller kombineres med en annen metode. Separasjonen isolerer analyttene . Kvalitativ analyse identifiserer analyttene , mens kvantitativ analyse bestemmer den numeriske mengden eller konsentrasjonen.

Analytisk kjemi består av klassiske, våtkjemiske metoder og moderne instrumentelle metoder. [ 2 ] Klassiske kvalitative metoder bruker separasjoner som utfelling , ekstraksjon og destillasjon . Identifikasjon kan være basert på forskjeller i farge, lukt, smeltepunkt, kokepunkt, radioaktivitet eller reaktivitet . Klassisk kvantitativ analyse bruker endringer i masse eller volum for å kvantifisere mengde. Instrumentelle metoder kan brukes til å skille prøver ved kromatografi , elektroforese eller feltstrømfraksjonering . Kvalitativ og kvantitativ analyse kan deretter utføres, ofte med samme instrument og kan bruke lysinteraksjon , varmeinteraksjon , elektriske felt eller magnetiske felt . Ofte kan det samme instrumentet skille, identifisere og kvantifisere en analytt.

Analytisk kjemi fokuserer også på forbedringer i eksperimentell design , kjemometri og etablering av nye måleverktøy. Analytisk kjemi har brede anvendelser for rettsmedisin, medisin, vitenskap og ingeniørvitenskap.

Historikk

Analytisk kjemi har vært viktig siden kjemiens tidligste dager, og gir metoder for å bestemme hvilke grunnstoffer og kjemikalier som er tilstede i den aktuelle prøven. I løpet av denne perioden inkluderer betydelige bidrag til analytisk kjemi utviklingen av systematisk elementanalyse av Justus von Liebig og systematisk organisk analyse basert på de spesifikke reaksjonene til funksjonelle grupper.

Den første instrumentelle analysen var flammeemisjonsspektrometri utviklet av Robert Bunsen og Gustav Kirchhoff , som oppdaget rubidium (Rb) og cesium (Cs) i 1860. [ 3 ]

De fleste av de store utviklingene innen analytisk kjemi fant sted etter 1900. I løpet av denne perioden blir instrumentell analyse gradvis dominerende i feltet. Spesielt ble mange av de grunnleggende spektroskopiske og spektrometriske teknikkene oppdaget på begynnelsen av 1900-  tallet og foredlet på slutten av 1900-  tallet . [ 4 ]

Separasjonsvitenskap følger en lignende tidslinje for utvikling og blir også i økende grad instrumenter med høy gjennomstrømning. [ 5 ] På 1970-tallet begynte mange av disse teknikkene å bli brukt sammen som hybridteknikker for å oppnå fullstendig karakterisering av prøver.

Fra rundt 1970-tallet til i dag har analytisk kjemi blitt stadig mer inkluderende for biologiske spørsmål (bioanalytisk kjemi), mens den tidligere i stor grad hadde fokusert på uorganiske eller små organiske molekyler . Lasere har i økende grad blitt brukt i kjemi som prober og til og med for å initiere og påvirke en lang rekke reaksjoner. På slutten av det 20.  århundre så en utvidelse av anvendelsen av analytisk kjemi fra akademiske kjemiske spørsmål til rettsmedisinske , miljømessige , industrielle og medisinske spørsmål , for eksempel i histologi . [ 6 ]

Moderne analytisk kjemi er dominert av instrumentell analyse. Mange analytiske kjemikere fokuserer på en enkelt type instrument. Akademikere har en tendens til å fokusere på nye applikasjoner og oppdagelser eller på nye analysemetoder. Oppdagelsen av et kjemikalie tilstede i blodet som øker risikoen for kreft ville være en oppdagelse der en analytisk kjemiker kan være involvert. Et forsøk på å utvikle en ny metode kan innebære bruk av en justerbar laser for å øke spesifisiteten og sensitiviteten til en spektrometrisk metode. Mange metoder, når de er utviklet, holdes bevisst statiske, slik at data kan sammenlignes over lange perioder. Dette gjelder spesielt for industriell kvalitetssikring (QA), rettsmedisinske og miljømessige applikasjoner. Analytisk kjemi spiller en stadig viktigere rolle i den farmasøytiske industrien, der den, i tillegg til kvalitetskontroll, brukes i oppdagelsen av nye medikamentkandidater og i kliniske applikasjoner der forståelse av legemiddel-pasient-interaksjoner er avgjørende. .

Klassiske metoder

Selv om moderne analytisk kjemi er dominert av sofistikert instrumentering, kommer røttene til analytisk kjemi og noen av prinsippene som brukes i moderne instrumenter fra tradisjonelle teknikker, hvorav mange fortsatt er i bruk i dag. Disse teknikkene har også en tendens til å danne ryggraden i de fleste undervisningslaboratorier for analytisk kjemi.

Kvalitativ analyse

En kvalitativ analyse bestemmer tilstedeværelsen eller fraværet av en bestemt forbindelse, men ikke massen eller konsentrasjonen. Per definisjon måler ikke kvalitative analyser kvantitet.

Kjemiske tester

Det finnes en rekke kvalitative kjemiske tester, for eksempel syretesten for gull og Kastle-Meyer-testen for tilstedeværelse av blod .

Flammetest

Uorganisk kvalitativ analyse refererer generelt til et systematisk opplegg for å bekrefte tilstedeværelsen av visse ioner eller elementer, vanligvis vandige, ved å utføre en rekke reaksjoner som eliminerer mulighetene og deretter bekrefte mistenkte ioner med en bekreftende test. Små karbonholdige ioner er noen ganger inkludert i slike ordninger. Med moderne instrumentering brukes disse testene sjelden, men de kan være nyttige for pedagogiske formål og i feltarbeid eller andre situasjoner der tilgang til toppmoderne instrumenter ikke er tilgjengelig eller praktisk.

Kvantitativ analyse

Kvantitativ analyse er måling av mengden av bestemte kjemiske bestanddeler som er tilstede i et stoff.

Gravimetrisk analyse

Gravimetrisk analyse innebærer å bestemme mengden materiale som er tilstede ved å veie prøven før og/eller etter en viss transformasjon. Et vanlig eksempel brukt i lavere utdanning er å bestemme mengden vann i et hydrat ved å varme opp prøven for å fjerne vannet slik at vektforskjellen skyldes vanntap.

Volumetrisk analyse

Titrering innebærer tilsetning av et reagens til en løsning som analyseres inntil et ekvivalenspunkt er nådd. Mengden materiale i løsningen som analyseres kan ofte bestemmes. Mest kjent for de som har tatt kjemi gjennom videregående er syre-basetitrering som involverer en fargeendringsindikator. Det finnes mange andre typer titreringer, for eksempel potensiometriske titreringer. Disse titreringene kan bruke forskjellige typer indikatorer for å nå et punkt med ekvivalens.

Instrumentelle metoder

Spektroskopi

Spektroskopi måler samspillet mellom molekyler og elektromagnetisk stråling . Spektroskopi består av mange forskjellige applikasjoner som atomabsorpsjonsspektroskopi , atomemisjonsspektroskopi , ultrafiolett-synlig spektroskopi , røntgenfluorescensspektroskopi , infrarød spektroskopi , Raman-spektroskopi , dobbel polarisering interferometri , spektroskopi , fotomagnetisk spektroskopi , fotospektroskopi , magnetisk polarisering , fotospektroskopi spektroskopi, Motsensis mikroskopi spektroskopi .

Massespektrometri

Massespektrometri måler masse-til-ladning- forholdet mellom molekyler ved hjelp av elektriske og magnetiske felt . Det er flere metoder for ionisering: elektronpåvirkning, kjemisk ionisering , elektrospray, raskt atombombardement, matriseassistert laserdesorpsjonionisering og andre. Massespektrometri er også klassifisert i henhold til tilnærminger til masseanalysatorer: magnetisk sektor , kvadrupol masseanalysator , kvadrupol ionefelle , flytid , Fourier-transformasjon ionesyklotronresonans , etc.

Elektrokjemisk analyse

Elektroanalytiske metoder måler potensialet ( volt ) og/eller strømmen ( ampere ) i en elektrokjemisk celle som inneholder analytten. [ 7 ]​ [ 8 ]​ Disse metodene kan klassifiseres etter hvilke aspekter av cellen som kontrolleres og hvilke som måles. De fire hovedkategoriene er potensiometri (forskjellen i elektrodepotensialer måles), coulometri (ladningen som overføres måles over tid), amperimetri (cellestrømmen måles over tid), og voltammetri ( strømmen i cellen måles over tid) cellen måles mens cellens potensial aktivt modifiseres).

Termisk analyse

Kalorimetri og termogravimetrisk analyse måler samspillet mellom et materiale og varme .

Separasjon

Separasjonsprosesser brukes for å redusere kompleksiteten til materialblandinger. Kromatografi , elektroforese og feltstrømfraksjonering er representative for dette feltet.

Hybridteknikker

Kombinasjoner av de ovennevnte teknikkene produserer en "hybrid" eller "bindestrek"-teknikk [ 9 ]​ [ 10 ]​ [ 11 ]​ [ 12 ]​ [ 13 ]​ Flere eksempler er i populær bruk i dag og utvikles nye hybridteknikker. For eksempel gasskromatografi-massespektrometri , gasskromatografiinfrarød spektroskopi , væskekromatografi-massespektrometri , væskekromatografiNMR-spektroskopi , væskekromatografi , infrarød spektroskopi , kapillærelektroforese av massespektrometri . [ referanse nødvendig ]

Bindestrekseparasjonsteknikker refererer til en kombinasjon av to (eller flere) teknikker for å oppdage og skille kjemikalier fra løsninger. Svært ofte er den andre teknikken en form for kromatografi . Bindestreksteknikker er mye brukt i kjemi og biokjemi . Noen ganger brukes en skråstrek i stedet for en bindestrek , spesielt hvis ett av metodenavnene inneholder en bindestrek. [ referanse nødvendig ]

Mikroskopi

Visualisering av enkeltmolekyler, enkeltceller, biologiske vev og nanomaterialer er en viktig og attraktiv tilnærming innen analytisk vitenskap. Videre revolusjonerer hybridisering med andre tradisjonelle analytiske verktøy analytisk vitenskap. Mikroskopi kan klassifiseres i tre forskjellige felt: lysmikroskopi , elektronmikroskopi og skanningsprobemikroskopi . Nylig har dette feltet utviklet seg raskt på grunn av den raske utviklingen av datamaskin- og kameraindustrien.

Lab-on-a-chip

Enheter som integrerer (flere) laboratoriefunksjoner på en enkelt brikke kun millimeter til noen få kvadratcentimeter store og som er i stand til å håndtere ekstremt små væskevolumer ned til mindre enn pikoliter.

Feilene

Feilen kan defineres som en numerisk forskjell mellom den observerte verdien og den sanne verdien. [ 15 ]

Ved en feil kan den sanne verdien og den observerte verdien i kjemisk analyse relateres til hverandre ved hjelp av ligningen

hvor

  • er den absolutte feilen.
  • er den sanne verdien
  • er den observerte verdien.

Feilen til en måling er et omvendt mål på en nøyaktig måling, det vil si at jo mindre feilen er, desto større blir målingens presisjon.

Feil kan uttrykkes relativt. Gitt den relative feilen ( ):

Den prosentvise feilen kan også beregnes:

Hvis vi ønsker å bruke disse verdiene i en funksjon, vil vi kanskje også beregne feilen til funksjonen. La være en funksjon med variabler Derfor må spredningen av usikkerhet beregnes for å vite feilen i :

Normer

Standardkurve

En generell metode for konsentrasjonsanalyse innebærer å lage en kalibreringskurve . Dette gjør at mengden av et kjemikalie i et materiale kan bestemmes ved å sammenligne resultatene av en ukjent prøve med resultatene fra en rekke kjente standarder. Hvis konsentrasjonen av grunnstoff eller forbindelse i en prøve er for høy for deteksjonsområdet til teknikken, kan den ganske enkelt fortynnes i et rent løsningsmiddel. Hvis mengden i prøven er under måleområdet til et instrument, kan addisjonsmetoden brukes. I denne metoden tilsettes en kjent mengde av grunnstoffet eller forbindelsen som studeres, og forskjellen mellom den tilsatte konsentrasjonen og den observerte konsentrasjonen er mengden faktisk i prøven.

Interne regler

Noen ganger tilsettes en intern standard i en kjent konsentrasjon direkte til en analytisk prøve for å hjelpe til med kvantifisering. Mengden tilstedeværende analytt bestemmes deretter i forhold til den interne standarden som kalibreringsmiddel. En ideell intern standard er den isotopanrikede analytten som gir opphav til isotopfortynningsmetoden .

Standard tillegg

Standard addisjonsmetoden brukes i instrumentell analyse for å bestemme konsentrasjonen av et stoff ( analyt ) i en ukjent prøve sammenlignet med et sett med prøver med kjent konsentrasjon, på samme måte som ved bruk av en kalibreringskurve . Standardtilsetning kan brukes på de fleste analytiske teknikker og brukes i stedet for en kalibreringskurve for å løse matriseeffektproblemet .

Signaler og støy

En av de viktigste komponentene i analytisk kjemi er å maksimere det ønskede signalet og minimere den tilhørende støyen . [ 16 ] Den analytiske verdien er kjent som signal-til-støy-forholdet (S/N eller SNR).

Støy kan oppstå fra miljøfaktorer så vel som grunnleggende fysiske prosesser.

Termisk støy

Termisk støy er resultatet av bevegelsen av ladningsbærere (vanligvis elektroner) i en elektrisk krets generert av deres termiske bevegelse. Termisk støy er hvit støy , som betyr at effektspektraltettheten er konstant over hele frekvensspekteret .

Rotmiddelverdien av termisk støy i en motstand er gitt av [ 16 ]

hvor kB er Boltzmanns konstant , T er temperatur , R er motstand og er frekvensbåndbredden . _

Skutt

Skuddstøy er en type elektronisk støy som oppstår når det endelige antallet partikler (som elektroner i en elektronisk krets eller fotoner i en optisk enhet) er liten nok til å forårsake statistiske svingninger i et signal.

Skuddstøy er en Poisson-prosess, og ladningsbærerne som utgjør strømmen følger en Poisson-fordeling . Rotmiddelkvadratstrømfluktuasjonen er gitt ved [ 16 ]

hvor e er den elementære ladningen og I er den gjennomsnittlige strømmen. Skuddstøy er hvit støy.

Flimmerstøy

Flimmerstøy er elektronisk støy med et frekvensspektrum på 1/ ƒ ; Når f øker , reduseres støyen. Flimmerstøy oppstår fra en rekke kilder, for eksempel urenheter i en ledende kanal, generasjons- og rekombinasjonsstøy i en transistor på grunn av basisstrøm, og så videre. Denne støyen kan unngås ved å modulere signalet ved en høyere frekvens, for eksempel ved å bruke en blokkerende forsterker .

Miljøstøy

Omgivelsesstøy oppstår fra omgivelsene til analyseinstrumentet. Kilder til elektromagnetisk støy er kraftledninger , radio- og TV-stasjoner, trådløse enheter , kompaktlysrør [ 17 ] og elektriske motorer . Mange av disse støykildene har begrenset båndbredde og kan derfor unngås. Temperatur- og vibrasjonsisolering kan være nødvendig for enkelte instrumenter.

Støyreduksjon

Støyreduksjon kan oppnås i maskinvare eller programvare . Eksempler på maskinvarestøyreduksjon er bruk av skjermet kabel , analog filtrering og signalmodulasjon. Eksempler på programvarestøyreduksjon er digital filtrering , ensemble -gjennomsnitt , vogngjennomsnitt og korrelasjonsmetoder . [ 16 ]

Applikasjoner

Analytisk kjemi har applikasjoner inkludert rettsmedisin , bioanalyse , klinisk analyse , miljøanalyse og materialanalyse . Analytisk kjemiforskning er i stor grad drevet av ytelse (følsomhet, deteksjonsgrense , selektivitet, robusthet, dynamisk rekkevidde , lineær rekkevidde , nøyaktighet, presisjon og hastighet) og kostnader (kjøp, drift, trening, tid og plass). Blant hovedgrenene til moderne analytisk atomspektrometri er optisk og massespektrometri de mest utbredte og universelle. [ 18 ] I direkte elementær analyse av faste prøver er de nye lederne laserindusert degradering og laserablasjonsmassespektrometri , og teknikker relatert til overføring av laserablasjonsprodukter til induktivt koblet plasma . Fremskritt i utformingen av diodelasere og optiske parametriske oscillatorer fremmer utviklingen innen fluorescens- og ioniseringsspektrometri og også i absorpsjonsteknikker der bruken av optiske hulrom forventes å utvide seg for å øke lengden på den effektive absorpsjonsbanen. Bruken av plasma- og laserbaserte metoder øker. Interessen for absolutt analyse (uten standarder) har gjenopplivet, spesielt innen emisjonsspektrometri. Det gjøres mye arbeid for å redusere analyseteknikker til størrelsen på brikken . Selv om det er få eksempler på slike systemer som konkurrerer med tradisjonelle analyseteknikker, inkluderer potensielle fordeler størrelse/portabilitet, hastighet og kostnad ( mikrototalanalysesystem ( µTAS ) eller lab-on-a-chip ). Mikroskalakjemi reduserer mengden kjemikalier som brukes.

Mange utviklinger forbedrer analysen av biologiske systemer. Noen eksempler på raskt voksende felt på dette området er genomikk , DNA-sekvensering og forskning knyttet til genetisk identifikasjon og DNA-mikroarray ; proteomikk , analyse av proteinkonsentrasjoner og modifikasjoner, spesielt som respons på ulike stressfaktorer, på ulike utviklingsstadier, eller i ulike deler av kroppen, metabolomikk , som omhandler metabolitter; transkriptomikk , inkludert mRNA og assosierte felt; lipidomics - lipider og deres tilknyttede domener; peptidomics - peptider og deres tilknyttede domener; og metallomics , som omhandler konsentrasjoner av metaller, og spesielt deres binding til proteiner og andre molekyler. Analytisk kjemi har spilt en kritisk rolle i å forstå grunnleggende vitenskap for en rekke praktiske anvendelser, for eksempel biomedisinske applikasjoner, miljøovervåking, kvalitetskontroll av industriell produksjon, rettsmedisin, etc. [ 19 ]

Nylig utvikling innen dataautomatisering og informasjonsteknologi har utvidet analytisk kjemi til flere nye biologiske felt. For eksempel var automatiserte DNA-sekvenseringsmaskiner grunnlaget for å fullføre de menneskelige genomprosjektene som førte til fødselen av genomikk . Proteinidentifikasjon og peptidsekvensering ved massespektrometri åpnet et nytt felt innen proteomikk .

Analytisk kjemi har vært et uunnværlig område i utviklingen av nanoteknologi . Overflatekarakteriseringsinstrumenter, elektronmikroskoper og skanningsprobemikroskoper lar forskere visualisere atomstrukturer med kjemiske karakteriseringer.

Se også

Referanser

  1. Skoog, Douglas A.; West, Donald M.; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (2014). Grunnleggende om analytisk kjemi . Belmont: Brooks/Cole, Cengage Learning. s. 1. ISBN  978-0-495-55832-3 . 
  2. Skoog, Douglas A.; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (2007). Prinsipper for instrumentell analyse . Belmont, CA: Brooks/Cole, Thomson. s. 1 . ISBN  978-0-495-01201-6 . 
  3. Arikawa, Yoshiko (2001). "Grunnleggende utdanning i analytisk kjemi" (pdf) . Analytiske vitenskaper 17 (Supplement): i571-i573 . Hentet 10. januar 2014 . 
  4. Miller, K; Synovec, RE (2000). "Gjennomgang av analytiske målinger tilrettelagt av dråpedannelsesteknologi". Talanta 51 (5):921-33. PMID  18967924 . doi : 10.1016/S0039-9140(99)00358-6 . 
  5. Bartle, Keith D.; Myers, Peter (2002). "Historie om gasskromatografi". TrAC Trends in Analytical Chemistry 21 (9–10): 547. doi : 10.1016/S0165-9936(02)00806-3 . 
  6. Laitinen, HA (1989). "Historien om analytisk kjemi i USA". Talanta 36 (1–2): 1–9. PMID  18964671 . doi : 10.1016/0039-9140(89)80077-3 . 
  7. Bard, A.J.; Faulkner, L. R. Elektrokjemiske metoder: grunnleggende og anvendelser. New York: John Wiley & Sons, 2. utgave, 2000 .
  8. Skoog, DA; West, D.M.; Holler, F.J. Fundamentals of Analytical Chemistry New York: Saunders College Publishing, 5. utgave, 1988 .
  9. ^ Wilkins, C. (1983). Bindestreksteknikker for analyse av komplekse organiske blandinger. Science 222 (4621): 291-6. Bibcode : 1983Sci...222..291W . PMID  6353577 . doi : 10.1126/science.6353577 . 
  10. Holt, R.M.; Newman, MJ; Pullen, F.S.; Richards, D.S.; Swanson, AG (1997). "Høyytelses væskekromatografi/NMR-spektrometri/massespektrometri: Ytterligere fremskritt innen bindestreksteknologi" . Journal of Mass Spectrometry 32 (1): 64-70. Bibcode : 1997JMSp...32...64H . PMID  9008869 . doi : 10.1002/(SICI)1096-9888(199701)32:1<64::AID-JMS450>3.0.CO;2-7 . 
  11. Ellis, Lyndon A; Roberts, David J. (1997). "Kromatografiske og bindestreksmetoder for elementær spesifikasjonsanalyse i miljømedier". Journal of Chromatography A 774 (1–2): 3-19. PMID  9253184 . doi : 10.1016/S0021-9673(97)00325-7 . 
  12. Guetens, G; De Boeck, G; Wood, M; Maes, RAA; Eggermont, AAM; Highley, MS; Van Oosterom, AT; DeBruijn, EA et al. (2002). Orddelingsteknikker i overvåking av legemidler mot kreft. Journal of Chromatography A 976 (1–2): 229-38. PMID  12462614 . doi : 10.1016/S0021-9673(02)01228-1 . 
  13. Guetens, G; De Boeck, G; Highley, MS; Wood, M; Maes, RAA; Eggermont, AAM; Hanauske, A; DeBruijn, EA et al. (2002). Orddelingsteknikker i overvåking av legemidler mot kreft. Journal of Chromatography A 976 (1–2): 239-47. PMID  12462615 . doi : 10.1016/S0021-9673(02)01227-X . 
  14. Schermelleh, L.; Carlton, statsminister; Haase, S.; Shao, L.; Winoto, L.; Kner, P.; Burke, B.; Cardoso, MC et al. (2008). "Flerfarget subdiffraksjonsavbildning av kjernefysisk periferi med 3D strukturert belysningsmikroskopi" . Science 320 (5881): 1332-6. Bibcode : 2008Sci...320.1332S . PMC  2916659 . PMID  18535242 . doi : 10.1126/science.1156947 . 
  15. G.L. David - Analytisk kjemi
  16. abcd Crouch , Stanley ; Skoog, Douglas A. (2007). Prinsipper for instrumentell analyse . Australia: Thomson Brooks/Cole. ISBN  978-0-495-01201-6 .  
  17. ^ "Helseproblemer knyttet til energieffektiv belysning og deres elektromagnetiske utslipp" . Trent University, Peterborough, ON, Canada . Hentet 12. november 2011 . 
  18. Bol'Shakov, Aleksandr A; Ganeev, Aleksandr A; Nemets, Valerii M (2006). "Prospekter i analytisk atomspektrometri". Russian Chemical Reviews 75 (4): 289. Bibcode : 2006RuCRv..75..289B . doi : 10.1070/RC2006v075n04ABEH001174 . 
  19. ^ "Analytisk kjemi - American Chemical Society" . American Chemical Society . Hentet 26. mai 2017 . 

Annen lesning

  • Skoog, DA; West, D.M.; Holler, FJ Fundamentals of Analytical Chemistry New York: Saunders College Publishing, 5. utgave, 1988.
  • Bard, A.J.; Faulkner, L. R. Elektrokjemiske metoder: grunnleggende og anvendelser. New York: John Wiley & Sons, 2. utgave, 2000.
  • Bettencourt da Silva, R; Bulska, E; Godlewska-Zylkiewicz, B; Hedrich, M; Majcen, N; Magnusson, B; Marincic, S; Papadakis, I; Patriark, M; Vassileva, E; Taylor, P; Analytisk måling: måleusikkerhet og statistikk, 2012, ISBN  978-92-79-23070-7 .

Eksterne lenker