Analitik Kimya - Analytical chemistry

Gaz kromatografi laboratuvarı

Analitik kimya , maddeyi ayırmak , tanımlamak ve ölçmek için kullanılan araç ve yöntemleri inceler ve kullanır . Uygulamada, ayırma, tanımlama veya niceleme, analizin tamamını oluşturabilir veya başka bir yöntemle birleştirilebilir. Ayırma, analitleri izole eder . Nitel analiz , analitleri tanımlarken, nicel analiz sayısal miktarı veya konsantrasyonu belirler. Analitik kimya, maddenin bileşimi ve yapısı hakkında bilgi edinme, işleme ve iletme bilimidir . Yani maddenin ne olduğunu ve ne kadarının var olduğunu belirleme sanatı ve bilimidir. ... ACS kimyagerleri için en popüler çalışma alanlarından biridir.

Analitik kimya, klasik, yaş kimyasal yöntemler ile modern, enstrümantal yöntemlerden oluşur . Klasik nitel yöntemler, çökeltme , ekstraksiyon ve damıtma gibi ayırmaları kullanır . Tanımlama, renk, koku, erime noktası, kaynama noktası, çözünürlük, radyoaktivite veya reaktivitedeki farklılıklara dayalı olabilir. Klasik nicel analiz, miktarı ölçmek için kütle veya hacim değişikliklerini kullanır. Kromatografi , elektroforez veya alan akışlı fraksiyonlama kullanılarak numuneleri ayırmak için enstrümantal yöntemler kullanılabilir . Daha sonra niteliksel ve niceliksel analiz, genellikle aynı aletle gerçekleştirilebilir ve ışık etkileşimi , ısı etkileşimi , elektrik alanları veya manyetik alanlar kullanılabilir . Genellikle aynı cihaz bir analiti ayırabilir, tanımlayabilir ve nicelleştirebilir.

Analitik kimya ayrıca deneysel tasarım , kemometri ve yeni ölçüm araçlarının yaratılmasındaki gelişmelere odaklanmıştır . Analitik kimyanın tıp, bilim ve mühendislikte geniş uygulamaları vardır.

Tarih

Gustav Kirchhoff (solda) ve Robert Bunsen (sağda)

Analitik kimya, kimyanın ilk günlerinden beri önemli olmuştur ve söz konusu nesnede hangi elementlerin ve kimyasalların bulunduğunu belirlemek için yöntemler sağlar. Bu dönemde, analitik kimyaya önemli katkılar, Justus von Liebig tarafından sistematik element analizinin geliştirilmesini ve fonksiyonel grupların spesifik reaksiyonlarına dayanan sistematik organik analizleri içeriyordu .

İlk enstrümantal analiz, 1860 yılında rubidyum (Rb) ve sezyumu (Cs) keşfeden Robert Bunsen ve Gustav Kirchhoff tarafından geliştirilen alev yayıcı spektrometriydi .

Analitik kimyadaki büyük gelişmelerin çoğu 1900'den sonra gerçekleşir. Bu dönemde enstrümantal analiz bu alanda giderek baskın hale gelir. Özellikle temel spektroskopik ve spektrometrik tekniklerin çoğu 20. yüzyılın başlarında keşfedildi ve 20. yüzyılın sonlarında rafine edildi.

Ayırma bilimleri gelişim benzer bir zaman çizgisi takip etmek ve aynı zamanda giderek yüksek performanslı araçları haline haline. 1970'lerde bu tekniklerin çoğu, örneklerin tam bir karakterizasyonunu elde etmek için hibrit teknikler olarak birlikte kullanılmaya başlandı.

Yaklaşık 1970'lerden günümüze analitik kimya, daha önce büyük ölçüde inorganik veya küçük organik moleküllere odaklanmışken, giderek biyolojik soruları (biyoanalitik kimya) daha kapsayıcı hale geldi . Lazerler, kimyada problar olarak ve hatta çok çeşitli reaksiyonları başlatmak ve etkilemek için giderek daha fazla kullanılmaktadır. 20. yüzyılın sonlarında ayrıca analitik kimyanın uygulanmasında, biraz akademik kimyasal sorulardan , histoloji gibi adli , çevresel , endüstriyel ve tıbbi sorulara doğru bir genişleme görüldü .

Modern analitik kimyaya araçsal analiz hakimdir. Birçok analitik kimyager, tek bir cihaz tipine odaklanır. Akademisyenler ya yeni uygulamalara ve keşiflere ya da yeni analiz yöntemlerine odaklanma eğilimindedir. Kanda bulunan ve kanser riskini artıran bir kimyasalın keşfi, analitik bir kimyagerin dahil olabileceği bir keşif olacaktır. Yeni bir yöntem geliştirme çabası, bir maddenin özgüllüğünü ve duyarlılığını artırmak için ayarlanabilir bir lazer kullanımını içerebilir. spektrometrik yöntem. Birçok yöntem, bir kez geliştirildikten sonra, verilerin uzun süreler boyunca karşılaştırılabilmesi için bilerek statik tutulur. Bu özellikle endüstriyel kalite güvencesi (QA), adli ve çevresel uygulamalar için geçerlidir. Analitik kimya, QA'nın yanı sıra yeni ilaç adaylarının keşfinde ve ilaç ile hasta arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasının kritik olduğu klinik uygulamalarda kullanıldığı farmasötik endüstrisinde giderek daha önemli bir rol oynamaktadır.

klasik yöntemler

Bu kalitatif analizde bakırın varlığı , alevin mavimsi-yeşil rengiyle gösterilir.

Modern analitik kimyaya sofistike enstrümantasyon hakim olsa da, analitik kimyanın kökleri ve modern enstrümanlarda kullanılan bazı prensipler, çoğu bugün hala kullanılan geleneksel tekniklerden gelmektedir. Bu teknikler aynı zamanda çoğu lisans düzeyindeki analitik kimya eğitim laboratuvarlarının bel kemiğini oluşturma eğilimindedir.

kalitatif analiz

Niteliksel bir analiz, belirli bir bileşiğin varlığını veya yokluğunu belirler, ancak kütle veya konsantrasyonu değil. Tanım olarak, nitel analizler miktarı ölçmez.

Kimyasal testler

Örneğin çeşitli kalitatif kimyasal testler, var asit test için altın ve Kastle-Meyer testi varlığı için kan .

alev testi

İnorganik kalitatif analiz genellikle, çeşitli olasılıkları ortadan kaldıran bir dizi reaksiyon gerçekleştirerek belirli sulu iyonların veya elementlerin varlığını doğrulamak için sistematik bir şemaya atıfta bulunur ve ardından bir doğrulama testi ile şüpheli iyonları doğrular. Bazen bu tür şemalara küçük karbon içeren iyonlar dahil edilir. Modern enstrümantasyon ile bu testler nadiren kullanılır, ancak eğitim amaçlı ve saha çalışması veya son teknoloji enstrümanlara erişimin mevcut olmadığı veya uygun olmadığı diğer durumlarda faydalı olabilir.

kantitatif analiz

Nicel analiz, bir maddede bulunan belirli kimyasal bileşenlerin miktarlarının ölçümüdür. Miktarlar kütle (gravimetrik analiz) veya hacim (hacimsel analiz) ile ölçülebilir.

Gravimetrik analiz

Gravimetrik analiz, numuneyi bazı dönüşümlerden önce ve/veya sonra tartarak mevcut malzeme miktarının belirlenmesini içerir. Lisans eğitiminde yaygın olarak kullanılan bir örnek, ağırlık farkı su kaybından kaynaklanacak şekilde suyu çıkarmak için numuneyi ısıtmak suretiyle bir hidrattaki su miktarının belirlenmesidir.

Hacimsel analiz

Titrasyon, bir eşdeğerlik noktasına ulaşılana kadar analiz edilen bir çözeltiye bir reaktifin eklenmesini içerir. Çoğu zaman, analiz edilen çözeltideki malzeme miktarı belirlenebilir. Orta öğretimde kimya dersi alanların en aşina olduğu şey, renk değiştirme indikatörü içeren asit-baz titrasyonudur. Potansiyometrik titrasyonlar gibi başka birçok titrasyon türü vardır. Bu titrasyonlar, bir denklik noktasına ulaşmak için farklı türde göstergeler kullanabilir.

enstrümantal yöntemler

Uyaran ve tepki ölçümünü gösteren bir analitik aletin blok diyagramı

spektroskopi

Spektroskopi, moleküllerin elektromanyetik radyasyonla etkileşimini ölçer . Spektroskopisi gibi bir çok uygulamadan oluşur atom emme spektroskopisi , atomik emisyon spektroskopi , morötesi görünür spektroskopi , X-ışını spektroskopisi , floresans spektroskopisi , kızılötesi spektroskopi , Raman spektroskopisi , çift polarizasyon interferometre , nükleer manyetik rezonans spektroskopisi , fotoemisyon spektroskopisi , Mössbauer spektroskopisi ve yakın zamanda.

Kütle spektrometrisi

Radyokarbon tarihleme ve diğer analizler için kullanılan bir hızlandırıcı kütle spektrometresi

Kütle spektrometrisi , elektrik ve manyetik alanlar kullanarak moleküllerin kütle-yük oranını ölçer . Birkaç iyonizasyon yöntemi vardır: elektron iyonizasyonu , kimyasal iyonizasyon , elektrosprey iyonizasyon , hızlı atom bombardımanı, matris destekli lazer desorpsiyon/iyonizasyon ve diğerleri. Ayrıca kütle spektrometrisi, kütle analizörlerinin yaklaşımlarına göre kategorize edilir: manyetik sektör , dört kutuplu kütle analizörü , dört kutuplu iyon tuzağı , uçuş süresi , Fourier dönüşümü iyon siklotron rezonansı vb.

elektrokimyasal analiz

Elektroanalitik yöntemler , analiti içeren bir elektrokimyasal hücredeki potansiyeli ( volt ) ve/veya akımı ( amper ) ölçer . Bu yöntemler, hücrenin hangi yönlerinin kontrol edildiğine ve hangilerinin ölçüldüğüne göre kategorize edilebilir. Dört ana kategori potansiyometri (elektrot potansiyellerindeki fark ölçülür), kulometri (aktarılan yük zamanla ölçülür), amperometri (hücrenin akımı zamanla ölçülür) ve voltametridir (hücrenin akımı aktif olarak değiştirilirken ölçülür). hücre potansiyeli).

Isı analizi

Kalorimetri ve termogravimetrik analiz, bir malzeme ile ısının etkileşimini ölçer .

Ayrılma

İnce katmanlı kromatografi plakasında siyah mürekkebin ayrılması

Malzeme karışımlarının karmaşıklığını azaltmak için ayırma işlemleri kullanılır. Kromatografi , elektroforez ve alan akışı fraksiyonasyonu bu alanı temsil etmektedir.

Hibrit teknikler

Yukarıdaki tekniklerin kombinasyonları bir "melez" veya "tirelenmiş" teknik üretir. Birkaç örnek günümüzde popüler olarak kullanılmaktadır ve yeni hibrit teknikler geliştirilme aşamasındadır. Örneğin, gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi , gaz kromatografisi- kızılötesi spektroskopisi , sıvı kromatografisi-kütle spektrometrisi , sıvı kromatografisi- NMR spektroskopisi . sıvı kromagrafisi-kızılötesi spektroskopisi ve kılcal elektroforez-kütle spektrometrisi.

Tirelenmiş ayırma teknikleri, kimyasalları çözeltilerden tespit etmek ve ayırmak için iki (veya daha fazla) tekniğin bir kombinasyonunu ifade eder. Çoğu zaman diğer teknik, bir tür kromatografidir . Tirelenmiş teknikler kimya ve biyokimyada yaygın olarak kullanılmaktadır . Bir çizgi , bazen yerine kullanılan tire yöntemlerden birinin adı tire kendisini içerir, özellikle de.

mikroskopi

Flüoresans mikroskobu iki fare hücre çekirdeklerinin görüntü ön fazı (ölçek çubuğu 5 mm olan)

Tek moleküllerin, tek hücrelerin, biyolojik dokuların ve nanomalzemelerin görselleştirilmesi analitik bilimde önemli ve çekici bir yaklaşımdır. Ayrıca, diğer geleneksel analitik araçlarla hibridizasyon, analitik bilimde devrim yaratıyor. Mikroskopi üç farklı alana ayrılabilir: optik mikroskopi , elektron mikroskobu ve taramalı prob mikroskobu . Son zamanlarda, bilgisayar ve kamera endüstrilerinin hızlı gelişimi nedeniyle bu alan hızla ilerlemektedir.

Çip üzerinde laboratuvar

Laboratuvar işlevlerini yalnızca milimetreden birkaç santimetre kareye kadar olan tek bir çip üzerinde entegre eden (birden fazla) ve pikolitreden daha düşük olan son derece küçük sıvı hacimlerini işleyebilen cihazlar.

Hatalar

Hata, gözlemlenen değer ile gerçek değer arasındaki sayısal fark olarak tanımlanabilir. Deneysel hata, sistematik hata ve rastgele hata olmak üzere iki türe ayrılabilir. Sistematik hata, ekipmandaki veya bir deneyin tasarımındaki bir kusurdan kaynaklanırken, rastgele hata, deneydeki kontrolsüz veya kontrol edilemeyen değişkenlerden kaynaklanır.

Hata durumunda, kimyasal analizde gerçek değer ve gözlenen değer, denklem ile birbirleriyle ilişkilendirilebilir.

nerede

  • mutlak hatadır.
  • gerçek değerdir.
  • gözlenen değerdir.

Bir ölçümün hatası, doğru ölçümün ters bir ölçüsüdür, yani hata ne kadar küçükse, ölçümün doğruluğu o kadar büyük olur.

Hatalar göreceli olarak ifade edilebilir. Göreceli hata ( ) verildiğinde :

Yüzde hatası da hesaplanabilir:

Bu değerleri bir fonksiyonda kullanmak istiyorsak fonksiyonun hatasını da hesaplamak isteyebiliriz. Değişkenli bir fonksiyon olsun . Bu nedenle, aşağıdakilerdeki hatayı bilmek için belirsizliğin yayılımı hesaplanmalıdır :

standartlar

Standart eğri

Algılama sınırını (LOD), niceleme sınırını (LOQ), dinamik aralığı ve doğrusallık sınırını (LOL) gösteren bir kalibrasyon eğrisi grafiği

Konsantrasyon analizi için genel bir yöntem, bir kalibrasyon eğrisinin oluşturulmasını içerir . Bu, bilinmeyen numunenin sonuçlarını bilinen bir dizi standardın sonuçlarıyla karşılaştırarak bir malzemedeki kimyasal miktarının belirlenmesine izin verir. Bir numunedeki element veya bileşik konsantrasyonu, tekniğin tespit aralığı için çok yüksekse, saf bir çözücü içinde basitçe seyreltilebilir. Numunedeki miktar, bir cihazın ölçüm aralığının altındaysa, ekleme yöntemi kullanılabilir. Bu yöntemde, incelenen element veya bileşiğin bilinen bir miktarı eklenir ve eklenen konsantrasyon ile gözlemlenen konsantrasyon arasındaki fark, numunedeki fiilen miktardır.

İç standartlar

Bazen , miktar tayinine yardımcı olmak için bir analitik numuneye doğrudan bilinen bir konsantrasyonda bir dahili standart eklenir. Mevcut analit miktarı daha sonra bir kalibrant olarak dahili standarda göre belirlenir. İdeal bir dahili standart, izotop seyreltme yöntemine yol açan izotopik olarak zenginleştirilmiş analittir .

Standart ekleme

Standart ekleme yöntemi, bir kalibrasyon eğrisi kullanmaya benzer şekilde, bilinmeyen bir numunedeki bir maddenin ( analitin ) konsantrasyonunu bilinen konsantrasyona sahip bir dizi numuneyle karşılaştırarak belirlemek için enstrümantal analizde kullanılır . Standart ekleme çoğu analitik tekniğe uygulanabilir ve matris etkisi problemini çözmek için kalibrasyon eğrisi yerine kullanılır .

Sinyaller ve gürültü

Analitik kimyanın en önemli bileşenlerinden biri, ilgili gürültüyü en aza indirirken istenen sinyali en üst düzeye çıkarmaktır . Analitik değer, sinyal-gürültü oranı (S/N veya SNR) olarak bilinir .

Gürültü, çevresel faktörlerin yanı sıra temel fiziksel süreçlerden de kaynaklanabilir.

Termal gürültü

Termal gürültü, termal hareketleriyle üretilen bir elektrik devresindeki yük taşıyıcıların (genellikle elektronların) hareketinden kaynaklanır. Termal gürültü, güç spektral yoğunluğunun frekans spektrumu boyunca sabit olduğu anlamına gelen beyaz gürültüdür .

Kök ortalama kare bir direnç termal gürültü değeri verilir

burada k, B ise Boltzmann sabiti , T ise sıcaklık , R, direnç ve bir bant genişliği frekans .

Atış sesi

Sut gürültü türüdür elektronik gürültü (örneğin taneciklerin sonlu sayıda oluşan elektron bir elektronik devre veya foton bir optik cihazda) bir sinyal istatistiksel dalgalanmalar meydana getirmek için yeteri kadar küçük olduğu.

Atış gürültüsü bir Poisson sürecidir ve akımı oluşturan yük taşıyıcıları bir Poisson dağılımını takip eder . Kök ortalama kare akım dalgalanması şu şekilde verilir:

nerede e olan elemanter yük ve ben ortalama akımdır. Atış gürültüsü beyaz gürültüdür.

titreme gürültüsü

Titreme gürültüsü, 1/ ƒ frekans spektrumuna sahip elektronik gürültüdür ; olarak f arttıkça, gürültü azalmaktadır. Titreşim gürültüsü, iletken bir kanaldaki kirlilikler , bir transistörde baz akımdan kaynaklanan üretim ve yeniden birleştirme gürültüsü vb. gibi çeşitli kaynaklardan kaynaklanır . Bu gürültü, örneğin bir kilitleme amplifikatörü kullanılarak, sinyalin daha yüksek bir frekansta modülasyonuyla önlenebilir .

Çevresel gürültü

Termogravimetrik analizde gürültü ; arsanın ortasındaki daha düşük gürültü, geceleri daha az insan faaliyetinden (ve çevresel gürültüden) kaynaklanır

Çevresel gürültü , analitik cihazın çevresinden kaynaklanır. Elektromanyetik gürültü kaynakları, elektrik hatları , radyo ve televizyon istasyonları, kablosuz cihazlar , kompakt floresan lambalar ve elektrik motorlarıdır . Bu gürültü kaynaklarının çoğu dar bant genişliğine sahiptir ve bu nedenle önlenebilir. Bazı enstrümanlar için sıcaklık ve titreşim izolasyonu gerekebilir.

Gürültü azaltma

Gürültü azaltma, bilgisayar donanımında veya yazılımında gerçekleştirilebilir . Donanım gürültüsü azaltma örnekleri, blendajlı kablo kullanımı , analog filtreleme ve sinyal modülasyonudur. Yazılım paraziti azaltma örnekleri, dijital filtreleme , topluluk ortalaması , vagon ortalaması ve korelasyon yöntemleridir.

Uygulamalar

ABD Gıda ve İlaç İdaresi bilim adamı, potansiyel olarak yasa dışı maddeleri tespit etmek için taşınabilir yakın kızılötesi spektroskopi cihazı kullanıyor

Analitik kimya, adli bilim , biyoanaliz , klinik analiz , çevresel analiz ve malzeme analizi dahil olmak üzere uygulamalara sahiptir . Analitik kimya araştırması, büyük ölçüde performans (hassasiyet, algılama sınırı , seçicilik, sağlamlık, dinamik aralık , doğrusal aralık , doğruluk, kesinlik ve hız) ve maliyet (satın alma, çalıştırma, eğitim, zaman ve alan) tarafından yönlendirilir. Çağdaş analitik atomik spektrometrinin ana dalları arasında en yaygın ve evrensel olanı optik ve kütle spektrometrisidir. Katı numunelerin doğrudan elementel analizinde, yeni liderler lazer kaynaklı parçalanma ve lazer ablasyon kütle spektrometrisi ve lazer ablasyon ürünlerinin endüktif olarak eşleştirilmiş plazmaya transferi ile ilgili tekniklerdir . Diyot lazerlerin ve optik parametrik osilatörlerin tasarımındaki gelişmeler, floresans ve iyonizasyon spektrometrisindeki ve ayrıca artan etkin absorpsiyon yol uzunluğu için optik boşlukların kullanımının artmasının beklendiği absorpsiyon tekniklerindeki gelişmeleri teşvik eder. Plazma ve lazer tabanlı yöntemlerin kullanımı artmaktadır. Mutlak (standartsız) analize olan ilgi, özellikle emisyon spektrometrisinde yeniden canlandı.

Analiz tekniklerini çip boyutuna küçültmek için büyük çaba sarf ediliyor . Geleneksel analiz teknikleriyle rekabet edebilecek bu tür sistemlerin birkaç örneği olmasına rağmen, potansiyel avantajlar arasında boyut/taşınabilirlik, hız ve maliyet sayılabilir. (mikro toplam analiz sistemi (µTAS) veya çip üzerinde laboratuvar ). Mikro ölçekli kimya , kullanılan kimyasalların miktarını azaltır.

Birçok gelişme biyolojik sistemlerin analizini iyileştirmektedir. Bu alandaki hızla genişleyen alanlara örnekler; genomik , DNA dizilimi ve genetik parmak izi ve DNA mikrodizisindeki ilgili araştırmalar ; proteomik , özellikle çeşitli stres faktörlerine yanıt olarak, çeşitli gelişim aşamalarında veya vücudun çeşitli bölümlerinde protein konsantrasyonlarının ve modifikasyonlarının analizi, metabolitlerle ilgilenen metabolomik ; mRNA ve ilgili alanlar dahil transkriptomik ; lipidomik - lipidler ve ilgili alanları; peptidomik - peptidler ve ilgili alanları; ve metalomik, metal konsantrasyonları ve özellikle bunların proteinlere ve diğer moleküllere bağlanmalarıyla ilgilenen.

Analitik kimya, temel bilimin anlaşılmasında, biyomedikal uygulamalar, çevresel izleme, endüstriyel üretimin kalite kontrolü, adli bilim ve benzeri gibi çeşitli pratik uygulamalara kadar kritik roller oynamıştır.

Bilgisayar otomasyonu ve bilgi teknolojilerindeki son gelişmeler, analitik kimyayı bir dizi yeni biyolojik alana genişletti. Örneğin, otomatik DNA dizileme makineleri, genomiklerin doğuşuna yol açan insan genom projelerini tamamlamanın temeliydi . Kütle spektrometrisi ile protein tanımlaması ve peptit dizilimi, yeni bir proteomik alanı açtı . Spesifik süreçleri otomatikleştirmeye ek olarak, Emerald Cloud Lab ve Transcriptic gibi şirketlerde olduğu gibi daha büyük laboratuvar testi bölümlerini otomatikleştirme çabası vardır .

Analitik kimya, nanoteknolojinin gelişmesinde vazgeçilmez bir alan olmuştur . Yüzey karakterizasyon aletleri, elektron mikroskopları ve taramalı prob mikroskopları, bilim adamlarının atomik yapıları kimyasal karakterizasyonlarla görselleştirmelerini sağlar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

  • Gurdeep, Chatwal Anand (2008). Enstrümantal Kimyasal Analiz Yöntemleri Himalaya Yayınevi (Hindistan) ISBN  978-81-8318-802-9
  • Ralph L. Shriner, Reynold C. Fuson, David Y. Curtin, Terence C. Morill: Organik bileşiklerin sistematik tanımlanması - bir laboratuvar kılavuzu , Verlag Wiley, New York 1980, 6. baskı, ISBN  0-471-78874-0 .
  • Bettencourt da Silva, R; Bulska, E; Godlewska-Zylkiewicz, B; Hedrich, M; Majen, N; Magnusson, B; Marinciç, S; Papadakis, ben; Patriarca, M; Vasileva, E; Taylor, P; Analitik ölçüm: ölçüm belirsizliği ve istatistikler, 2012, ISBN  978-92-79-23071-4 .

Dış bağlantılar