Analytisk kemi

För tidskriften, se Analytisk kemi (tidskrift) .

Gaskromatografilaboratorium _

Analytisk kemi studerar och använder instrument och metoder för att separera , identifiera och kvantifiera materia. I praktiken kan separation, identifiering eller kvantifiering utgöra hela analysen eller kombineras med annan metod. Separation isolerar analyter . Kvalitativ analys identifierar analyter, medan kvantitativ analys bestämmer den numeriska mängden eller koncentrationen.

Analytisk kemi består av klassiska, våtkemiska metoder och moderna, instrumentella metoder . Klassiska kvalitativa metoder använder separationer som fällning , extraktion och destillation . Identifiering kan baseras på skillnader i färg, lukt, smältpunkt, kokpunkt, löslighet, radioaktivitet eller reaktivitet. Klassisk kvantitativ analys använder massa- eller volymförändringar för att kvantifiera mängden. Instrumentella metoder kan användas för att separera prover med hjälp av kromatografi , elektrofores eller fältflödesfraktionering . Sedan kan kvalitativ och kvantitativ analys utföras, ofta med samma instrument och kan använda ljusinteraktion , värmeinteraktion , elektriska fält eller magnetiska fält . Ofta kan samma instrument separera, identifiera och kvantifiera en analyt.

Analytisk kemi är också fokuserad på förbättringar av experimentell design , kemometri och skapandet av nya mätverktyg. Analytisk kemi har breda tillämpningar inom medicin, vetenskap och teknik.

Historia

Gustav Kirchhoff (vänster) och Robert Bunsen (höger)

Analytisk kemi har varit viktig sedan kemins tidiga dagar, och tillhandahållit metoder för att avgöra vilka grundämnen och kemikalier som finns i föremålet i fråga. Under denna period inkluderade betydande bidrag till analytisk kemi utvecklingen av systematisk elementaranalys av Justus von Liebig och systematiserad organisk analys baserad på funktionella gruppers specifika reaktioner.

Den första instrumentella analysen var flamemissiv spektrometri utvecklad av Robert Bunsen och Gustav Kirchhoff som upptäckte rubidium (Rb) och cesium (Cs) 1860.

De flesta av de stora utvecklingarna inom analytisk kemi ägde rum efter 1900. Under denna period blev instrumentanalys successivt dominerande inom området. I synnerhet upptäcktes många av de grundläggande spektroskopiska och spektrometriska teknikerna i början av 1900-talet och förfinades i slutet av 1900-talet.

Separationsvetenskaperna följer en liknande tidslinje för utveckling och förvandlades också alltmer till högpresterande instrument . På 1970-talet började många av dessa tekniker användas tillsammans som hybridtekniker för att uppnå en fullständig karakterisering av prover.

Från och med 1970-talet blev analytisk kemi gradvis mer inkluderande av biologiska frågor ( bioanalytisk kemi ), medan den tidigare till stor del hade fokuserats på oorganiska eller små organiska molekyler . Lasrar har alltmer använts som sonder och till och med för att initiera och påverka en mängd olika reaktioner. Det sena 1900-talet såg också en utvidgning av tillämpningen av analytisk kemi från något akademiska kemiska frågor till rättsmedicinska , miljömässiga , industriella och medicinska frågor, som i histologi .

Modern analytisk kemi domineras av instrumentell analys. Många analytiska kemister fokuserar på en enda typ av instrument. Akademiker tenderar att antingen fokusera på nya tillämpningar och upptäckter eller på nya analysmetoder. Upptäckten av en kemikalie som finns i blodet som ökar risken för cancer skulle vara en upptäckt som en analytisk kemist kan vara involverad i. Ett försök att utveckla en ny metod kan innebära användningen av en avstämbar laser för att öka specificiteten och känsligheten hos en spektrometrisk metod. Många metoder, när de väl utvecklats, hålls avsiktligt statiska så att data kan jämföras över långa tidsperioder. Detta gäller särskilt i industriell kvalitetssäkring (QA), kriminaltekniska och miljötillämpningar. Analytisk kemi spelar en allt viktigare roll i läkemedelsindustrin där den, förutom QA, används i upptäckten av nya läkemedelskandidater och i kliniska tillämpningar där förståelse av interaktionerna mellan läkemedlet och patienten är avgörande.

Klassiska metoder

Närvaron av koppar i denna kvalitativa analys indikeras av den blågröna färgen på lågan

Även om modern analytisk kemi domineras av sofistikerad instrumentering, är rötterna till analytisk kemi och några av de principer som används i moderna instrument från traditionella tekniker, av vilka många fortfarande används idag. Dessa tekniker tenderar också att utgöra ryggraden i de flesta grundutbildningslaboratorier för analytisk kemi.

Kvalitativ analys

Kvalitativ analys bestämmer närvaron eller frånvaron av en viss förening, men inte massan eller koncentrationen. Per definition mäter kvalitativa analyser inte kvantitet.

Kemiska tester

Ytterligare information: Kemiskt test

Det finns många kvalitativa kemiska tester, till exempel syratestet för guld och Kastle -Meyer-testet för förekomst av blod .

Flamtest

Ytterligare information: Flamtest

Oorganisk kvalitativ analys hänvisar i allmänhet till ett systematiskt schema för att bekräfta närvaron av vissa vattenhaltiga joner eller element genom att utföra en serie reaktioner som eliminerar en rad möjligheter och sedan bekräfta misstänkta joner med ett bekräftande test. Ibland ingår små kolhaltiga joner i sådana scheman. Med modern instrumentering används dessa test sällan men kan vara användbara för utbildningsändamål och i fältarbete eller andra situationer där tillgång till toppmoderna instrument inte är tillgänglig eller ändamålsenlig.

Kvantitativ analys

Ytterligare information: Kvantitativ analys (kemi)

Kvantitativ analys är mätningen av mängden av särskilda kemiska beståndsdelar som finns i ett ämne. Mängder kan mätas med massa (gravimetrisk analys) eller volym (volymanalys).

Gravimetrisk analys

Ytterligare information: Gravimetrisk analys

Den gravimetriska analysen innebär att bestämma mängden material som finns genom att väga provet före och/eller efter någon transformation. Ett vanligt exempel som används inom grundutbildning är bestämningen av mängden vatten i ett hydrat genom att värma provet för att avlägsna vattnet så att skillnaden i vikt beror på vattenförlusten.

Volumetrisk analys

Ytterligare information: Titrering

Titrering innebär tillsats av en reaktant till en lösning som analyseras tills någon ekvivalenspunkt uppnås. Ofta kan mängden material i lösningen som analyseras bestämmas. Mest bekant för dem som har läst kemi under gymnasieutbildningen är syra-bastitreringen med en färgskiftande indikator. Det finns många andra typer av titrering, till exempel potentiometriska titreringar. Dessa titreringar kan använda olika typer av indikatorer för att nå någon ekvivalenspunkt.

Instrumentella metoder

Huvudartikel: Instrumentell analys

Blockdiagram av ett analytiskt instrument som visar stimulans och mätning av respons

Spektroskopi

Ytterligare information: Spektroskopi

Spektroskopi mäter molekylernas interaktion med elektromagnetisk strålning . Spektroskopi består av många olika applikationer såsom atomabsorptionsspektroskopi , atomär emissionsspektroskopi , ultraviolett - synlig spektroskopi , röntgenspektroskopi , fluorescensspektroskopi , infraröd spektroskopi , Ramanspektroskopi , dubbelpolariseringsinterferansspektroskopi , fotomagnetisk resonansspektroskopi , fotoskopi ssbauer spektroskopi och så vidare.

Masspektrometri

Ytterligare information: Masspektrometri

En acceleratormasspektrometer som används för radiokoldatering och annan analys

Masspektrometri mäter mass-till-laddning-förhållandet mellan molekyler med hjälp av elektriska och magnetiska fält . Det finns flera joniseringsmetoder: elektronjonisering , kemisk jonisering , elektrosprayjonisering , snabb atombombardement, matrisassisterad laserdesorption/jonisering och andra. Masspektrometri är också kategoriserad efter tillvägagångssätt för massanalysatorer: magnetisk sektor , kvadrupolmassanalysator , kvadrupoljonfälla , time-of-flight , Fourier-transformjon-cyklotronresonans och så vidare.

Elektrokemisk analys

Ytterligare information: Elektroanalytisk metod

Elektroanalytiska metoder mäter potentialen ( volt ) och/eller strömmen ( ampere ) i en elektrokemisk cell som innehåller analyten. Dessa metoder kan kategoriseras efter vilka aspekter av cellen som kontrolleras och vilka som mäts. De fyra huvudkategorierna är potentiometri (skillnaden i elektrodpotentialer mäts), coulometri (den överförda laddningen mäts över tiden), amperometri (cellens ström mäts över tid) och voltammetri (cellens ström mäts samtidigt som den aktivt ändrar cellens potential).

Termisk analys

Ytterligare information: Kalorimetri och termisk analys

Kalorimetri och termogravimetrisk analys mäter interaktionen mellan ett material och värme .

Separation

Separation av svart bläck på en tunnskiktskromatografiplatta

Ytterligare information: Separationsprocess , kromatografi och elektrofores

Separationsprocesser används för att minska komplexiteten hos materialblandningar. Kromatografi , elektrofores och fältflödesfraktionering är representativa för detta område.

Hybridtekniker

Kombinationer av ovanstående tekniker ger en "hybrid" eller "bindestreckad" teknik. Flera exempel är populära idag och nya hybridtekniker är under utveckling. Till exempel gaskromatografi-masspektrometri , gaskromatografi - infraröd spektroskopi , vätskekromatografi-masspektrometri , vätskekromatografi- NMR-spektroskopi , vätskekromatografi-infraröd spektroskopi och kapillärelektrofores-masspektrometri.

Avstavningsseparationstekniker hänvisar till en kombination av två (eller flera) tekniker för att detektera och separera kemikalier från lösningar. Oftast är den andra tekniken någon form av kromatografi . Avstavningstekniker används ofta inom kemi och biokemi . Ett snedstreck används ibland istället för bindestreck , särskilt om namnet på en av metoderna innehåller ett bindestreck i sig.

Mikroskopi

Fluorescensmikroskopbild av två muscellkärnor i profas (skalan är 5 µm)

Ytterligare information: Mikroskopi

Visualiseringen av enstaka molekyler, enstaka celler, biologiska vävnader och nanomaterial är ett viktigt och attraktivt tillvägagångssätt inom analytisk vetenskap. Dessutom revolutionerar hybridisering med andra traditionella analytiska verktyg analytisk vetenskap. Mikroskopi kan kategoriseras i tre olika områden: optisk mikroskopi , elektronmikroskopi och svepsondmikroskopi . På senare tid har detta område utvecklats snabbt på grund av den snabba utvecklingen av dator- och kameraindustrin.

Lab-on-a-chip

Ytterligare information: Microfluidics och Lab-on-a-chip

Enheter som integrerar (flera) laboratoriefunktioner på ett enda chip på bara millimeter till några kvadratcentimeter i storlek och som kan hantera extremt små vätskevolymer ner till mindre än pikoliter.

Fel

Huvudartikel: Approximationsfel

Fel kan definieras som numerisk skillnad mellan observerat värde och sant värde. Det experimentella felet kan delas in i två typer, systematiska fel och slumpmässiga fel. Systematiska fel beror på ett fel i utrustningen eller designen av ett experiment medan slumpmässiga fel beror på okontrollerade eller okontrollerbara variabler i experimentet.

Av misstag kan det sanna värdet och det observerade värdet i kemisk analys relateras till varandra genom ekvationen

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

var

• $\varepsilon _{\rm {a}}$ är det absoluta felet.
• $x$ är det sanna värdet.
• ${\bar {x}}$ är det observerade värdet.

Ett mätfel är ett omvänt mått på noggrann mätning, dvs mindre felet större noggrannheten i mätningen.

Fel kan uttryckas relativt. Givet det relativa felet( ${\displaystyle \varepsilon _{\rm {r}}} )$ :

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

Det procentuella felet kan också beräknas:

$\varepsilon _{\rm {r}}\ gånger 100\%$

Om vi ​​vill använda dessa värden i en funktion kan vi också vilja beräkna felet för funktionen. Låt $f$ vara en funktion med $N$ variabler. Därför utbredningen av osäkerhet beräknas för att veta felet i $f$ :

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

Standarder

Se även: Analytisk kvalitetskontroll

Standardkurva

En kalibreringskurva som visar detektionsgräns (LOD), gräns för kvantifiering (LOQ), dynamiskt område och linjäritetsgräns ( LOL)

kalibreringskurva skapas . Detta möjliggör bestämning av mängden av en kemikalie i ett material genom att jämföra resultaten från ett okänt prov med resultaten från en serie kända standarder. Om koncentrationen av element eller förening i ett prov är för hög för teknikens detektionsområde, kan det helt enkelt spädas i ett rent lösningsmedel. Om mängden i provet ligger under ett instruments mätområde kan tillsatsmetoden användas. I denna metod tillsätts en känd mängd av grundämnet eller föreningen som studeras, och skillnaden mellan den tillsatta koncentrationen och den observerade koncentrationen är den faktiska mängden i provet.

Interna standarder

tillsätts en intern standard i en känd koncentration direkt till ett analytiskt prov för att underlätta kvantifieringen. Mängden närvarande analyt bestäms sedan i förhållande till den interna standarden som en kalibrering. En idealisk intern standard är en isotopiskt berikad analyt som ger upphov till metoden för isotopspädning .

Standard tillägg

Metoden för standardtillsats används i instrumentell analys för att bestämma koncentrationen av ett ämne ( analyt ) i ett okänt prov genom att jämföra med en uppsättning prover med känd koncentration, liknande att använda en kalibreringskurva . Standardtillägg kan tillämpas på de flesta analytiska tekniker och används istället för en kalibreringskurva för att lösa matriseffektproblemet .

Signaler och brus

En av de viktigaste komponenterna i analytisk kemi är att maximera den önskade signalen samtidigt som det tillhörande bruset minimeras . Den analytiska siffran av merit är känd som signal-brusförhållandet (S/N eller SNR).

Buller kan uppstå från miljöfaktorer såväl som från grundläggande fysiska processer.

Termiskt brus

Huvudartikel: Johnson–Nyquist buller

Termiskt brus härrör från rörelsen hos laddningsbärare (vanligtvis elektroner) i en elektrisk krets som genereras av deras termiska rörelse. Termiskt brus är vitt brus vilket betyder att den spektrala effekttätheten är konstant genom hela frekvensspektrumet .

Rotmedelvärdet för det termiska bruset i ett motstånd ges av

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

där k _B är Boltzmanns konstant , T är temperaturen , R är resistansen och $\Delta f$ är bandbredden för frekvensen $f$ .

Skottljud

Huvudartikel: Skottljud

Skottbrus är en typ av elektroniskt brus som uppstår när det ändliga antalet partiklar (som elektroner i en elektronisk krets eller fotoner i en optisk enhet) är tillräckligt liten för att ge upphov till statistiska fluktuationer i en signal.

Skottljud är en Poisson-process , och laddningsbärarna som utgör strömmen följer en Poisson-fördelning . Rotmedelvärdet för strömfluktuationen ges av

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

där e är elementarladdningen och I är medelströmmen. Skottbrus är vitt brus.

Flimmerljud

Huvudartikel: flimmerljud

Flimmerbrus är elektroniskt brus med ett 1/ ƒ frekvensspektrum; när f ökar, minskar bruset. Flimmerbrus uppstår från en mängd olika källor, såsom föroreningar i en ledande kanal, genererings- och rekombinationsbrus i en transistor på grund av basström, och så vidare. Detta brus kan undvikas genom modulering av signalen vid en högre frekvens, till exempel genom att använda en låst förstärkare .

Miljöbuller

Buller i en termogravimetrisk analys ; lägre buller i mitten av tomten beror på mindre mänsklig aktivitet (och omgivningsbuller) på natten

Omgivningsbuller uppstår från analysinstrumentets omgivning. Källor till elektromagnetiskt brus är kraftledningar , radio- och tv-stationer, trådlösa enheter , kompaktlysrör och elmotorer . Många av dessa bruskällor har smal bandbredd och kan därför undvikas. Temperatur- och vibrationsisolering kan krävas för vissa instrument.

Brusreducering

Brusreducering kan åstadkommas antingen i hårdvara eller mjukvara . Exempel på hårdvarubrusreducering är användningen av skärmad kabel , analog filtrering och signalmodulering. Exempel på brusreducering av programvara är digital filtrering , ensemblemedelvärde , lådbilsgenomsnitt och korrelationsmetoder .

Ansökningar

från amerikanska Food and Drug Administration använder bärbar nära-infraröd spektroskopi för att upptäcka potentiellt olagliga ämnen

Analytisk kemi har tillämpningar bland annat inom kriminalteknisk vetenskap , bioanalys , klinisk analys , miljöanalys och materialanalys . Analytisk kemiforskning drivs till stor del av prestanda (känslighet, detektionsgräns , selektivitet, robusthet, dynamiskt omfång , linjärt område , noggrannhet, precision och hastighet) och kostnad (inköp, drift, träning, tid och utrymme). Bland huvudgrenarna av samtida analytisk atomspektrometri är de mest utbredda och universella optisk och masspektrometri. I den direkta elementaranalysen av fasta prover är de nya ledarna laserinducerad nedbrytning och laserablationsmasspektrometri , och de relaterade teknikerna med överföring av laserablationsprodukterna till induktivt kopplad plasma . Framsteg i designen av diodlasrar och optiska parametriska oscillatorer främjar utvecklingen inom fluorescens- och joniseringsspektrometri och även inom absorptionstekniker där användningen av optiska kaviteter för ökad effektiv absorptionsväglängd förväntas expandera. Användningen av plasma- och laserbaserade metoder ökar. Intresset för absolut (standardlös) analys har återuppstått, särskilt inom emissionsspektrometri.

Stora ansträngningar läggs på att krympa analysteknikerna till chipstorlek . Även om det finns få exempel på sådana system som konkurrerar med traditionella analystekniker, inkluderar potentiella fördelar storlek/portabilitet, hastighet och kostnad. (mikrototalanalyssystem ( µTAS) eller lab-on-a-chip ). Kemi i mikroskala minskar mängden kemikalier som används.

Många utvecklingar förbättrar analysen av biologiska system. Exempel på snabbt växande områden inom detta område är genomik , DNA-sekvensering och relaterad forskning inom genetiskt fingeravtryck och DNA-mikroarray ; proteomics , analys av proteinkoncentrationer och modifieringar, särskilt som svar på olika stressorer, i olika utvecklingsstadier, eller i olika delar av kroppen, metabolomics , som handlar om metaboliter; transkriptomik , inklusive mRNA och associerade fält; lipidomics - lipider och dess associerade områden; peptidomics - peptider och dess associerade områden; och metallomics, som handlar om metallkoncentrationer och speciellt med deras bindning till proteiner och andra molekyler.

Analytisk kemi har spelat en avgörande roll i förståelsen av grundläggande vetenskap till en mängd praktiska tillämpningar, såsom biomedicinska tillämpningar, miljöövervakning, kvalitetskontroll av industriell tillverkning, kriminalteknisk vetenskap och så vidare.

Den senaste utvecklingen inom datorautomation och informationsteknik har utvidgat analytisk kemi till ett antal nya biologiska områden. Till exempel var automatiserade DNA-sekvenseringsmaskiner grunden för att slutföra mänskliga genomprojekt som ledde till födelsen av genomik . Proteinidentifiering och peptidsekvensering med masspektrometri öppnade ett nytt fält inom proteomik . Förutom att automatisera specifika processer finns det ansträngningar att automatisera större delar av laboratorietester, till exempel i företag som Emerald Cloud Lab och Transcriptic.

Analytisk kemi har varit ett oumbärligt område i utvecklingen av nanoteknik . Ytkarakteriseringsinstrument, elektronmikroskop och scanning-sondmikroskop gör det möjligt för forskare att visualisera atomära strukturer med kemiska karakteriseringar.

Se även

• Viktiga publikationer inom analytisk kemi
• Lista över kemiska analysmetoder
• Lista över materialanalysmetoder
• Mätningsosäkerhet
• Metrologi
• Sensorisk analys - inom området livsmedelsvetenskap
• Virtuell instrumentering
• Mikroanalys
• Kvaliteten på analytiska resultat
• Arbetsområde

Vidare läsning

•   Gurdeep, Chatwal Anand (2008). Instrumentella metoder för kemisk analys Himalaya Publishing House (Indien) ISBN 978-81-8318-802-9
•   Ralph L. Shriner, Reynold C. Fuson, David Y. Curtin, Terence C. Morill: The systematic identification of organic compounds - a laboratory manual , Verlag Wiley, New York 1980, 6. upplagan, ISBN 0-471-78874-0 .
•   Bettencourt da Silva, R; Bulska, E; Godlewska-Zylkiewicz, B; Hedrich, M; Majcen, N; Magnusson, B; Marincic, S; Papadakis, I; Patriarca, M; Vassileva, E; Taylor, P; Analytisk mätning: mätosäkerhet och statistik, 2012, ISBN 978-92-79-23071-4 .

externa länkar

• Analytisk kemi på Curlie
• Infografik och animation som visar framstegen inom analytisk kemi
• aas Atomabsorptionsspektrofotometer