Кіріспе

Затты бөлу, анықтау және сандық мөлшерлеуді зерттеу. Аналитикалық химия журналы затты бөлу, анықтау және сандық мөлшерлеуге арналған құралдар мен әдістерді зерттейді және қолданады. Іс жүзінде, бөлу, анықтау немесе сандық мөлшерлеу толық талдауды құрауы мүмкін немесе басқа әдіспен біріктірілуі мүмкін. Бөлу аналиттерді оқшаулайды. Сапалық талдау аналиттерді анықтайды, ал сандық талдау сандық мөлшерін немесе концентрациясын анықтайды. Аналитикалық химия классикалық, ылғалды химиялық әдістер мен заманауи, құралдық әдістерден тұрады. Классикалық сапалық әдістерде шөгіндіру, экстракциялау және дистилляциялау сияқты бөліністер қолданылады. Анықтау түс, иіс, балқу нүктесі, қайнау нүктесі, ерігіштігі, радиоактивтілігі немесе реакциялық қабілеті бойынша болуы мүмкін. Классикалық сандық талдауда мөлшерді анықтау үшін масса немесе көлем өзгерістері қолданылады. Құралдық әдістер үлгілерді хроматография, электрофорез немесе өрістік ағынды фракциялау арқылы бөлу үшін қолданылуы мүмкін. Содан кейін сапалық және сандық талдау жүргізіледі, көбінесе бір құралмен, жарықпен, жылумен, электр өрістерімен немесе магнит өрістерімен өзара әрекеттесу арқылы. Көбінесе бір құрал аналитті бөліп, анықтап, сандық мөлшерлеуге қабілетті. Аналитикалық химия эксперименттік жобалауды, химиометрияны және жаңа өлшеу құралдарын жасауды жетілдіруге де бағытталған. Аналитикалық химияның медицина, ғылым және инженерия салаларында кең қолданылуы бар.

Тарих

Аналитикалық химия химияның алғашқы күндерінен бері маңызды болып келді, сұрақ туғызған нысанның құрамында қандай элементтер мен химиялық заттар бар екенін анықтауға арналған әдістерді ұсынады. Осы кезеңде аналитикалық химияға елеулі үлес Юстус фон Либигтің жүйелі элементтік талдауды және функционалдық топтардың ерекше реакцияларына негізделген жүйелі органикалық талдауды жасауы болды. Алғашқы құралдық талдау – Роберт Бунсен мен Густав Кирхгоффтың 1860 жылы рубидий (Rb) және цезий (Cs) элементтерін ашқан кезде дамытқан жалынды эмиссиялық спектрометрия. Аналитикалық химиядағы маңызды жетістіктердің көп бөлігі 1900 жылдан кейін орын алды. Осы кезеңде құралдық талдау саланың басым әдісіне айналды. Атап айтқанда, көптеген негізгі спектроскопиялық және спектрометриялық техникалар 20 ғасырдың басында ашылып, 20 ғасырдың соңында жетілдірілді. Бөлшектеу ғылымдары да осыған ұқсас даму жолын өтті және жоғары өнімді құралдарға айналды. 1970 жылдары осы техникалардың көптеген түрлері үлгілерді толық сипаттау үшін гибридтік техникалар ретінде біріктіріле бастады. 1970 жылдардан бастап аналитикалық химия биоаналитикалық химия сияқты биологиялық мәселелерді қамтуға көшті, ал бұрын негізінен бейорганикалық немесе кішкентай органикалық молекулаларға бағытталған болатын. Лазерлер зерттеу құралдары ретінде, сондай-ақ әртүрлі реакцияларды бастау және оларға әсер ету үшін жиі қолданылады. 20 ғасырдың соңында аналитикалық химияның қолданылу саласы академиялық химиялық мәселелерден сот-медициналық, экологиялық, өнеркәсіптік және медициналық салаларға, мысалы, гистологияға дейін кеңейді. Қазіргі заманғы аналитикалық химияда құралдық талдау басым. Көптеген аналитиктер бір типті құралға ғана назар аударады. Академиялық қызметкерлер көбінесе жаңа қолданымдар мен жаңалықтарға немесе талдаудың жаңа әдістеріне ден қояды. Егер қанда қатерлі ісікке шалдығу қаупін арттыратын химиялық зат табылып, оны анықтау үшін аналитик қатысатын болуы мүмкін. Жаңа әдіс әзірлеу үшін спектрометриялық әдістің ерекшелігі мен сезімталдығын арттыру мақсатымен реттелетін лазерді пайдалануға болады. Көптеген әдістер жасалғаннан кейін деректерді ұзақ мерзімде салыстыру үшін олар өзгеріссіз сақталады. Бұл өнеркәсіптік сапаны бақылау (QA), сот-медициналық және экологиялық қолдануларда ерекше маңызды. Аналитикалық химия фармацевтикалық өнеркәсіпте маңызды рөл атқарады, онда сапаны бақылаудан басқа, жаңа дәрілік препараттарды іздеуде және дәрі мен науқас арасындағы өзара әрекеттестікті түсінуге қатысты клиникалық қолдануларда да қолданылады.

Классикалық әдістер

Қазіргі заманғы аналитикалық химияда күрделі құрал-жабдықтар басым болғанымен, аналитикалық химияның бастаулары және қазіргі құралдарда қолданылатын кейбір қағидалар дәстүрлі әдістерден шыққан, олардың көптегені бүгінге дейін қолданылып келеді. Бұл әдістер сонымен қатар көптеген бакалавриат студенттері үшін арналған аналитикалық химия зертханалық сабақтарының негізін құрайды.

Сапалық талдау

Сапалық талдау белгілі бір заттың болуын немесе болмауын анықтайды, бірақ оның массасын немесе мөлшерін емес. Сапалық талдаулар мөлшерді өлшемейді.

Химиялық сынақтар

Көптеген сапалық химиялық сынақтар бар, мысалы, алтынды сынау үшін қышқыл сынамасы және қанның бар-жоғын анықтау үшін Кастл-Мейер сынағы.

Жалынға сынақ

Органикалық емес сапалық талдау – белгілі бір сулы иондардың немесе элементтердің болуын анықтау үшін жүйелі схеманы білдіреді. Бұл схема бірқатар реакциялар арқылы мүмкіндіктерді жоққа шығарып, күдікті иондарды растау тестімен нақтылайды. Кейде мұндай схемаларға аз мөлшерде көміртегі бар иондар да қосылуы мүмкін. Қазіргі заманғы құралдардың болуына байланысты бұл тесттер көбінесе қолданылмайды, бірақ білім беру мақсатында, сондай-ақ далалық зерттеулерде немесе қазіргі заманғы құралдарға қол жеткізу қиын немесе уақытты үнемдемейтін жағдайларда пайдалы болуы мүмкін.

Сандық талдау

Сандық талдау — заттағы белгілі бір химиялық құрамдастардың мөлшерін анықтау. Мөлшерлер масса (гравиметриялық талдау) немесе көлем (көлемдік талдау) арқылы өлшенуі мүмкін.

Гравиметриялық талдау

Гравиметриялық талдау – сынаманы кейбір өзгеріске ұшырату алдында және/немесе кейін салмақтап, оның құрамындағы заттың мөлшерін анықтау әдісі. Бакалавриат білімінде жиі қолданылатын мысал – гидраттан суды қыздыру арқылы бөліп алып, салмақ айырмасы бойынша судың мөлшерін анықтау.

Көлемдік талдау

Титрлеу – белгілі бір эквиваленттік нүктеге жеткенге дейін талданатын ерітіндіге өлшенетін реагентті бірте-бірте қосу процесі. Титрлеудің жартылай эквиваленттік нүктесіне немесе соңғы нүктесіне дейін дәл титрлеу химикке қолданылған мольдердің санын анықтауға мүмкіндік береді, одан кейін титранттың концентрациясын немесе құрамын анықтауға болады. Орта білімде химияны оқыған көптеген адамдарға фенолфталеин сияқты түсі өзгертін индикатор қолданылатын қышқыл-негіздік титрлеу жақсы таныс. Титрлеудің тағы да көптеген түрлері бар, мысалы, потенциометриялық титрлеу немесе тұнба титрлеуі. Химиктер титранттың әртүрлі қасиеттерін түсіну үшін әр тамшы сайын pH-ты жүйелі түрде тексеріп, титрлеу қисықтарын да құра алады.

Спектроскопия

Спектроскопия молекулалардың электромагниттік сәулемен өзара әрекеттесуін өлшейді. Спектроскопия атомдық сіңіру спектроскопиясы, атомдық эмиссия спектроскопиясы, ультракөк сәулелі көрінетін спектроскопия, рентгендік спектроскопия, люминесценциялық спектроскопия, инфрақызыл спектроскопия, Раман спектроскопиясы, қос поляризациялық интерферометрия, ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы, фотоэмиссиялық спектроскопия, Мессбауэр спектроскопиясы және тағы да басқалар сияқты көптеген әртүрлі қолданыстардан тұрады.

Массалық спектрометрия

Массалық спектрометрия электр және магнит өрістерін қолданып, молекулалардың массасы мен зарядының қатынасын өлшейді. Ионизациялаудың бірнеше әдісі бар: электрондық ионизациялау, химиялық ионизациялау, электроспрейлік ионизациялау, жылдам атомдық бомбалау, матрицалық лазерлік десорбция/ионизациялау және басқалары. Сондай-ақ, массалық спектрометрия массалық анализаторлардың принциптері бойынша жіктеледі: магниттік сектор, квадрупольдік массалық анализатор, квадрупольдік иондық тұзақ, ұшу уақыты, Фурье түрлендіру иондық циклотрон резонансы және тағы да басқалар.

Электрохимиялық талдау

Электроаналитикалық әдістер аналиттері бар электрохимиялық жасушадағы потенциалды (вольт) және/немесе токты (ампер) өлшеуге арналған. Бұл әдістер жасушаның қандай аспектілері бақыланатыны және қандайсы өлшенетініне қарай жіктеледі. Төрт негізгі категорияға: потенциометрия (электродтардың потенциалының айырмасы өлшенеді), кулометрия (өткен заряд уақыт бойынша өлшенеді), амперметрия (жасуша тогы уақыт бойынша өлшенеді) және вольтамперометрия (жасуша тогы жасуша потенциалы белсенді түрде өзгертіліп тұрғанда өлшенеді) жатады.

Термиялық талдау

Калориметрия және термогравиметриялық талдау материалдың жылумен өзара әрекеттесуін өлшейді.

Бөлу

Материалдық қоспалардың күрделілігін азайту үшін бөліну процестері қолданылады. Хроматография, электрофорез және өріс ағыны фракциялануы осы саладағы негізгі мысалдар болып табылады.

Хроматографиялық талдаулар

Хроматографияны сынамадағы заттардың бар-жоғын анықтау үшін пайдалануға болады, себебі қоспаның әр түрлі компоненттерінің стационарлық фазаға сіңуге немесе жылжымалы фазада еруге бейімділігі әртүрлі болады. Осылайша, қоспаның әр түрлі компоненттері әртүрлі жылдамдықпен жылжиды. Қоспаның әр түрлі компоненттерін олардың сәйкес Rf шамасы арқылы анықтауға болады, ол хроматография барысында заттың және еріткіш майданының жылжу қашықтығы арасындағы қатынас болып табылады. Хроматографияны құралдық әдістермен бірге қолданып, заттардың мөлшерін сандық түрде анықтауға болады.

Гибридтік техникалар

Жоғарыда аталған әдістердің комбинациялары "гибридтік" немесе "сызықшаланған" әдістерді құрайды. Қазіргі таңда бірнеше мысал кеңінен қолданылуда және жаңа гибридтік әдістер әзірленуде. Мысалы, газ хроматографиясы-массалық спектрометриясы, газ хроматографиясы-инфрақызыл спектроскопиясы, сұйық хроматографиясы-массалық спектрометриясы, сұйық хроматографиясы-ЯМР спектроскопиясы, сұйық хроматографиясы-инфрақызыл спектроскопиясы және капиллярлық электрофорез-массалық спектрометриясы. Сызықшаланған ажырату әдістері – ерітінділерден химиялық заттарды анықтау және бөлу үшін екі (немесе одан да көп) әдістің комбинациясын білдіреді. Көбінесе басқа әдіс – хроматографияның бір түрі болып табылады. Сызықшаланған әдістер химия және биохимияда кеңінен қолданылады. Әдістердің бірінің атауында өзі сызықша болған жағдайда, кейде сызықшаның орнына слэш қолданылады.

Микроскопиялық

Бір молекулаларды, бір жасушаларды, биологиялық тіндерді және наноматериалдарды көру (визуализациялау) аналитикалық ғылымда маңызды және қызықты тәсіл болып табылады. Сонымен қатар, басқа дәстүрлі талдау құралдарымен үйлестіру аналитикалық ғылымды революцияға ұшыратуда. Микроскопияны үш негізгі салаға бөлуге болады: оптикалық микроскопия, электрондық микроскопия және зондтық сканерлеу микроскопиясы. Жақында, компьютер және камера индустриясының жылдам дамуының арқасында бұл сала қарқынды дамып келеді.

Чиптегі зертхана

Бірнеше зертханалық функцияларды бірнеше миллиметрден бірнеше шаршы сантиметрге дейінгі өлшемдегі бір микросхемада біріктіретін және пиколитрден де аз көлемдегі өте кішкентай сұйықтық көлемін өңдеуге қабілетті құрылғылар.

Стандарттық қисық

Концентрацияны талдаудың жалпы әдісі калибрлеу қисығын құруды қамтиды. Бұл материалдағы химиялық заттың мөлшерін анықтауға мүмкіндік береді, белгісіз сынаманың нәтижелерін белгілі стандарттардың қатарымен салыстыру арқылы. Егер сынамадағы элементтің немесе қосылыстың концентрациясы әдістің анықтау шегінен жоғары болса, оны таза еріткіште сұйытуға болады. Егер сынамадағы мөлшер құралдың өлшеу диапазонынан төмен болса, қосу әдісі қолданылады. Бұл әдісте зерттеліп жатқан элементтің немесе қосылыстың белгілі бір мөлшері қосылады, ал қосылған концентрация мен байқалған концентрация арасындағы айырмашылық – сынамадағы нақты мөлшер болып табылады.

Ішкі стандарттар

Кейде белгілі бір концентрациядағы ішкі стандарт тікелей талданатын үлгіге мөлшерлеуге көмектесу үшін қосылады. Аналит мөлшері калибр ретінде қолданылатын ішкі стандартқа шаққанда анықталады. Идеалды ішкі стандарт – изотоптық құрамы байытылған аналит, бұл изотоптық сұйыту әдісіне әкеледі.

Стандартты қосу

Стандартты қосу әдісі аспаптық талдауда белгісіз үлгідегі заттың (аналит) концентрациясын, белгілі концентрациялы үлгілер жиынтығымен салыстыру арқылы анықтау үшін қолданылады, бұл калибрлеу қисығын пайдалануға ұқсас. Стандартты қосу көптеген талдау техникаларына қолданылуы мүмкін және матрицалық эффект мәселесін шешу үшін калибрлеу қисығының орнына пайдаланылады.

Сигналдар мен шу

Аналитикалық химияның ең маңызды компоненттерінің бірі – қажетті сигналды барынша арттыру, ал оған қосылатын шуды азайту. Аналитикалық көрсеткіш сигнал мен шу арақатынасы (S/N немесе SNR) деп аталады. Шу сыртқы факторлардан, сондай-ақ негізгі физикалық процестерден туындауы мүмкін.

Жылу шуы

Жылу шуы заряд тасымалдаушылардың (әдетте электрондардың) жылулық қозғалысынан туындайтын электр тізбегіндегі қозғалысының нәтижесі болып табылады. Жылу шуы – ақ шу, яғни оның қуат спектрінің тығыздығы жиілік спектрінің бойымен тұрақты болады. Резистордағы жылу шуының орташа квадраттық мәні электр моторларымен анықталады. Осы шу көздерінің көпшілігі тар жолақты болып келеді, сондықтан олардан қашуға болады. Кейбір құралдар үшін температуралық және дірілдік оқшаулау қажет болуы мүмкін.

Шуды азайту

Шуды азайту компьютерлік аппараттық немесе бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Аппараттық шуды азайтудың мысалдары – қоршалған кабельдерді қолдану, аналогты сүзгілеу және сигналды модуляциялау. Бағдарламалық шуды азайтудың мысалдары – сандық сүзгілеу, ансамбльдің орташасы, тіктөртбұрыш орташасы және корреляциялық әдістер. Қатты сынамалардың тікелей элементтік талдауында жаңа жетістіктер лазерлік индукцияланған бөлшектеу және лазерлік абляциялық массалық спектрометрия, сондай-ақ лазерлік абляция өнімдерін индуктивті түрлендірілген плазмаға беруге байланысты техникалар болып табылады. Диодты лазерлер мен оптикалық параметрлік осцилляторлардың жобалаудағы жетістіктері флуоресценциялық және иондау спектрометриясының дамуына көмектеседі, сондай-ақ тиімді сіңіру ұзындығын арттыру үшін оптикалық қуыстарды қолдану да күтілуде. Плазмалық және лазерлік әдістердің қолданылуы артып келеді. Абсолюттік (стандартсыз) талдауға қызығушылық жаңадан оянды, әсіресе эмиссиялық спектрометрияда. Талдау техникаларын чип өлшеміне дейін кішірейтуге көп күш жұмсалуда. Мұндай жүйелердің дәстүрлі талдау техникаларымен бәсекелесе алатындарының саны аз болғанымен, олардың потенциалды артықшылықтарына өлшем/тасымалдану, жылдамдық және төмен құн жатады (микрототальды талдау жүйесі (μTAS) немесе чиптегі зертхана). Микрохимия қолданылатын химиялық заттардың мөлшерін азайтады. Көптеген жаңалықтар биологиялық жүйелерді талдауды жақсартады. Бұл салада қарқынды дамып келе жатқан салалардың мысалдары: геномика, ДНК тізбегін анықтау және генетикалық саусақ іздері мен ДНК микромассивтеріндегі байланысты зерттеулер; протеомика, ақуыз концентрациялары мен өзгерістерін талдау, әсіресе түрлі стресс факторларына жауап ретінде, дамудың әртүрлі кезеңдерінде немесе дененің әртүрлі бөліктерінде; метаболомика, метаболиттерді зерттейтін; транскриптомика, соның ішінде мРНК және оған байланысты салалар; липидомика – липидтер және оған байланысты салалар; пептидомика – пептидтер және оған байланысты салалар; және металломика, металл концентрацияларын және әсіресе олардың ақуыздар мен басқа молекулаларға байланысуын зерттейді. Аналитикалық химия негізгі ғылымды түсінуде және биомедициналық қолданыстар, қоршаған ортаны мониторингтеу, өнеркәсіптік өндірістің сапасын бақылау, сот-медицина және т.б. сияқты практикалық қолданыстарда маңызды рөл атқарады. Компьютерлік автоматтандыру және ақпараттық технологиялардың соңғы жетістіктері аналитикалық химияны бірқатар жаңа биологиялық салаларға кеңейтті. Мысалы, автоматтандырылған ДНК тізбегін анықтау машиналары адам геномдық жобаларын аяқтауға негіз болды, нәтижесінде геномика пайда болды. Массалық спектрометрия арқылы ақуызды анықтау және пептидті тізбектеу протеомиканың жаңа саласын ашты. Жеке процестерді автоматтандырудан басқа, лабораториялық тестілеудің үлкен бөліктерін автоматтандыруға тырысуда, мысалы, Emerald Cloud Lab және Transcriptic сияқты компанияларда. Аналитикалық химия нанотехнологияны дамытуда маңызды рөл атқарады. Жер бетін сипаттау құралдары, электрондық микроскоптар және сканерлік зондты микроскоптар ғалымдарға химиялық сипаттамалары бар атомдық құрылымдарды көруге мүмкіндік береді.