Введение

Исследование разделения, идентификации и количественного определения вещества

Журнал "Аналитическая химия" изучает и использует инструменты и методы для разделения, идентификации и количественного определения вещества. На практике разделение, идентификация или количественное определение могут составлять весь анализ или быть объединены с другим методом. Разделение выделяет аналиты. Качественный анализ идентифицирует аналиты, а количественный – определяет их количество или концентрацию. Аналитическая химия состоит из классических, влажно-химических методов и современных инструментальных методов. Классические качественные методы используют такие методы разделения, как осаждение, экстракция и дистилляция. Идентификация может основываться на различиях в цвете, запахе, температуре плавления, температуре кипения, растворимости, радиоактивности или реакционной способности. Классический количественный анализ использует изменения массы или объема для количественного определения количества вещества. Инструментальные методы могут использоваться для разделения образцов с помощью хроматографии, электрофореза или фракционирования в поле потока. Затем можно провести качественный и количественный анализ, часто с использованием одного и того же прибора, который может использовать взаимодействие со светом, теплом, электрическими или магнитными полями. Часто один и тот же прибор может разделять, идентифицировать и количественно определять аналит. Аналитическая химия также направлена на совершенствование дизайна экспериментов, хемометрики и создание новых измерительных инструментов. Аналитическая химия имеет широкое применение в медицине, науке и инженерии.

История

Аналитическая химия была важна с первых дней развития химии, предоставляя методы для определения состава объектов – какие элементы и химические вещества в них присутствуют. В этот период значительный вклад в аналитическую химию включал разработку систематического элементарного анализа Юстусом фон Либихом и систематизированного органического анализа, основанного на специфических реакциях функциональных групп. Первым инструментальным методом анализа стала спектрометрия пламенного излучения, разработанная Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом, которые в 1860 году открыли рубидий (Rb) и цезий (Cs). Большинство ключевых достижений в аналитической химии относятся к периоду после 1900 года. В это время инструментальный анализ постепенно стал доминирующим в этой области. В частности, многие базовые спектроскопические и спектрометрические методы были открыты в начале XX века и усовершенствованы к концу XX века. Разделение веществ развивалось по аналогичной временной шкале и также все больше трансформировалось в высокопроизводительные инструменты. В 1970-х годах многие из этих методов стали использоваться совместно, в виде гибридных методов, для всесторонней характеристики образцов. Начиная с 1970-х годов, аналитическая химия стала все шире охватывать биологические вопросы (биоаналитическая химия), в то время как ранее она была в основном сосредоточена на неорганических или небольших органических молекулах. Лазеры все чаще используются в качестве зондов и даже для инициирования и управления широким спектром реакций. В конце XX века также расширилась область применения аналитической химии – от преимущественно академических химических задач до задач в области криминалистики, экологии, промышленности и медицины, например, в гистологии. Современную аналитическую химию характеризует преобладание инструментального анализа. Многие аналитические химики специализируются на определенном типе прибора. Ученые, как правило, сосредотачиваются либо на новых областях применения и открытиях, либо на разработке новых методов анализа. Открытие химического вещества в крови, повышающего риск рака, может стать результатом работы аналитического химика. Разработка нового метода может включать использование перестраиваемого лазера для повышения специфичности и чувствительности спектрометрического метода. Многие методы, после разработки, намеренно поддерживаются неизменными, чтобы обеспечить возможность сравнения данных в течение длительного времени. Это особенно важно в промышленном контроле качества, криминалистике и экологических исследованиях. Аналитическая химия играет все более важную роль в фармацевтической промышленности, где, помимо контроля качества, она используется при поиске новых лекарственных кандидатов и в клинических исследованиях, где критически важно понимание взаимодействия лекарственного препарата с организмом пациента.

Классические методы

Хотя современная аналитическая химия в значительной степени опирается на сложное инструментальное оборудование, истоки аналитической химии и некоторые принципы, используемые в современных приборах, лежат в традиционных методах, многие из которых до сих пор применяются. Эти методы также часто составляют основу практических занятий в учебных лабораториях по аналитической химии для студентов бакалавриата.

Качественный анализ

Качественный анализ определяет наличие или отсутствие конкретного вещества, но не его массу или концентрацию. По определению, качественный анализ не определяет количество.

Химические испытания

Существует множество качественных химических реакций, например, проба на золото кислотой и реакция Кастеля-Майера на обнаружение крови.

Испытание на пламени

Неорганический качественный анализ обычно представляет собой систематическую схему для подтверждения наличия определенных водных ионов или элементов, основанную на проведении серии реакций, которые последовательно исключают различные возможности, а затем подтверждают предполагаемые ионы с помощью заключительной (подтверждающей) пробы. Иногда в подобные схемы включают небольшие ионы, содержащие углерод. В настоящее время, с развитием современной аппаратуры, эти методы используются редко, но могут быть полезны в образовательных целях, а также при полевых исследованиях или в других ситуациях, когда доступ к передовым приборам затруднен или нецелесообразен.

Количественный анализ

Количественный анализ — это определение содержания отдельных химических компонентов в веществе. Содержание может определяться по массе (гравиметрический анализ) или по объему (объемный анализ).

Гравиметрический анализ

Гравиметрический анализ предполагает определение количества вещества, присутствующего в образце, путем взвешивания до и/или после его преобразования. Типичным примером, используемым в учебных программах для бакалавров, является определение содержания воды в гидрате посредством нагрева образца для удаления воды, при этом разница в весе соответствует потерянной воде.

Объемный анализ

Титрование включает в себя постепенное добавление точно отмеренного реагента к точному объему анализируемого раствора до достижения точки эквивалентности. Точное титрование до полуточки эквивалентности или конечной точки титрования позволяет химику определить количество использованных молей, что затем можно использовать для определения концентрации или состава титранта. Наиболее известно тем, кто изучал химию в школе, кислотно-основное титрование с использованием индикатора, изменяющего цвет, например, фенолфталеина. Существуют и другие типы титрований, например, потенциометрические или титрования осаждением. Химики также могут строить кривые титрования, систематически измеряя pH при добавлении каждой капли, чтобы понять различные свойства титранта.

Спектроскопия

Спектроскопия измеряет взаимодействие молекул с электромагнитным излучением. Спектроскопия включает в себя множество различных методов, таких как атомно-абсорбционная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия, ультрафиолетовая видимая спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, флуоресцентная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, спектроскопия Рамана, интерферометрия двойной поляризации, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, фотоэмиссионная спектроскопия, спектроскопия Мёссбауэра и так далее.

Массовая спектрометрия

Масс-спектрометрия измеряет отношение массы к заряду молекул, используя электрические и магнитные поля. Существует несколько методов ионизации: электронная ионизация, химическая ионизация, электроспрейная ионизация, быстрая атомная бомбардировка, лазерная десорбция/ионизация с матрицей и другие. Кроме того, масс-спектрометрия классифицируется по типам масс-анализаторов: магнитный сектор, квадрупольный масс-анализатор, квадрупольная ионная ловушка, времяпролетный масс-анализатор, ионный циклотронный резонанс Фурье и так далее.

Электрохимический анализ

Электроаналитические методы измеряют потенциал (вольт) и/или ток (ампер) в электрохимической ячейке, содержащей аналит. Эти методы можно классифицировать в зависимости от того, какие аспекты ячейки контролируются, а какие измеряются. Четыре основные категории – потенциометрия (измеряется разность потенциалов электродов), кулометрия (измеряется переданный заряд 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 вещества с теплом.

Разделение

Для снижения сложности материальных смесей используются процессы разделения. Хроматография, электрофорез и проточно-полевая фракционирование являются типичными примерами в этой области.

Хроматографические анализы

Хроматография может использоваться для определения наличия веществ в образце, поскольку различные компоненты смеси обладают разной способностью адсорбироваться на стационарной фазе или растворяться в подвижной фазе. Таким образом, различные компоненты смеси перемещаются с разной скоростью. Различные компоненты смеси, следовательно, могут быть идентифицированы по их значениям Rƒ, которые представляют собой отношение расстояния, пройденного веществом, к расстоянию, пройденному фронтом растворителя в ходе хроматографии. В сочетании с инструментальными методами хроматография может применяться для количественного определения веществ.

Гибридные методы

Комбинации вышеуказанных методов приводят к "гибридной" или "гифенированной" технике. Несколько примеров широко используются сегодня, и разрабатываются новые гибридные техники. Например, газовая хроматография-масс-спектрометрия, газовая хроматография-инфракрасная спектроскопия, жидкостная хроматография-масс-спектрометрия, жидкостная хроматография-ЯМР спектроскопия, жидкостная хроматография-инфракрасная спектроскопия и капиллярный электрофорез-масс-спектрометрия. Гифенированные методы разделения подразумевают комбинацию двух (или более) методов для обнаружения и разделения химических веществ из растворов. Чаще всего второй метод представляет собой ту или иную форму хроматографии. Гифенированные техники широко используются в химии и биохимии. Иногда вместо дефиса используется слэш, особенно если название одного из методов само по себе содержит дефис.

Микроскопия

Визуализация отдельных молекул, отдельных клеток, биологических тканей и наноматериалов является важным и перспективным направлением в аналитической науке. Кроме того, сочетание с другими традиционными аналитическими методами революционизирует аналитическую науку. Микроскопия может быть классифицирована на три основных направления: оптическая микроскопия, электронная микроскопия и сканирующая зондовая микроскопия. В последнее время эта область стремительно развивается благодаря быстрому прогрессу компьютерной и камерной промышленности.

Лаборатория на чипе

Устройства, объединяющие (несколько) лабораторных функций на одном чипе размером от миллиметров до нескольких квадратных сантиметров и способные работать с чрезвычайно малыми объемами жидкости, вплоть до менее чем пиколитров.

Стандартная кривая

Общий метод анализа концентрации включает в себя построение калибровочной кривой. Это позволяет определить количество химического вещества в материале, сравнивая результаты анализа неизвестного образца с результатами серии известных стандартов. Если концентрация элемента или соединения в образце превышает диапазон детектирования метода, его можно просто разбавить в чистом растворителе. Если количество вещества в образце ниже диапазона измерений прибора, можно использовать метод добавок. В этом методе добавляется известное количество изучаемого элемента или соединения, а разность между добавленной концентрацией и измеренной концентрацией соответствует количеству вещества, изначально содержащемуся в образце.

Внутренние стандарты

Иногда внутренний стандарт добавляется в известной концентрации непосредственно в анализируемый образец для облегчения количественного анализа. Количество определяемого вещества затем рассчитывается относительно внутреннего стандарта, используемого в качестве калибратора. Идеальным внутренним стандартом является изотопно-обогащенный аналит, что является основой метода изотопного разбавления.

Стандартное дополнение

Метод стандартного добавления используется в инструментальном анализе для определения концентрации вещества (аналита) в неизвестном образце путем сравнения с серией образцов с известной концентрацией, подобно построению калибровочной кривой. Стандартное добавление применимо к большинству аналитических методов и используется для устранения влияния матричного эффекта, в отличие от использования калибровочной кривой.

Сигналы и шум

Одним из важнейших компонентов аналитической химии является максимизация полезного сигнала при минимизации сопутствующего шума. Аналитическая характеристика, определяющая качество измерения, известна как отношение сигнал/шум (S/N или SNR). Шум может быть вызван как факторами окружающей среды, так и фундаментальными физическими процессами.

Термический шум

Термический шум возникает в результате движения носителей заряда (обычно электронов) в электрической цепи, вызванного их тепловым движением. Термический шум является белым шумом, что означает, что спектральная плотность мощности постоянна во всем частотном спектре. Эффективное значение (среднеквадратичное) теплового шума в резисторе определяется, а также создается электродвигателями. Многие из этих источников шума имеют узкую полосу пропускания и, следовательно, их можно избежать. Для некоторых приборов может потребоваться термо- и виброизоляция.

Уменьшение шума

Уменьшение шума может быть достигнуто как аппаратными, так и программными средствами. Примерами аппаратного снижения шума служат использование экранированных кабелей, аналоговая фильтрация и модуляция сигнала. Примерами программного снижения шума являются цифровая фильтрация, усреднение по ансамблю, усреднение по окну и корреляционные методы. В прямом элементарном анализе твердых образцов лидирующие позиции занимают лазерно-индуцированный пробой и лазерная абляционная масс-спектрометрия, а также связанные с ними методы, включающие перенос продуктов лазерной абляции в индуктивно связанную плазму. Достижения в разработке диодных лазеров и оптических параметрических осцилляторов способствуют развитию флуоресцентной и ионизационной спектрометрии, а также методов абсорбции, где ожидается расширение использования оптических резонаторов для увеличения эффективной длины оптического пути. Применение плазменных и лазерных методов растет. Возродился интерес к абсолютному (бесстандартному) анализу, особенно в эмиссионной спектрометрии. Значительные усилия направлены на миниатюризацию аналитических методов до размеров чипа. Хотя примеров таких систем, конкурирующих с традиционными методами анализа, пока немного, потенциальные преимущества включают компактность/портативность, скорость и стоимость. (микрототальный аналитический комплекс (μTAS) или лаборатория на чипе). Микромасштабная химия снижает количество используемых химических веществ. Многие разработки совершенствуют анализ биологических систем. Примерами быстро развивающихся областей в этой сфере являются геномика, секвенирование ДНК и связанные с ним исследования в области генетического типирования и ДНК-микромассивов; протеомика – анализ концентраций и модификаций белков, особенно в ответ на различные стрессоры, на разных стадиях развития или в разных частях организма; метаболомика, изучающая метаболиты; транскриптомика, включая мРНК и смежные области; липидомика – липиды и смежные области; пептидомика – пептиды и смежные области; и металломика, изучающая концентрации металлов и, в особенности, их связывание с белками и другими молекулами. Аналитическая химия сыграла ключевую роль в понимании фундаментальных наук и их применении в различных областях, таких как биомедицина, экологический мониторинг, контроль качества промышленного производства, судебная экспертиза и т.д. Недавние достижения в области компьютерной автоматизации и информационных технологий расширили сферу применения аналитической химии на ряд новых биологических областей. Например, автоматизированные секвенаторы ДНК стали основой для завершения проектов по расшифровке генома человека, что привело к появлению геномики. Идентификация белков и секвенирование пептидов с помощью масс-спектрометрии открыли новую область – протеомику. Помимо автоматизации отдельных процессов, предпринимаются усилия по автоматизации больших блоков лабораторных исследований, например, в компаниях Emerald Cloud Lab и Transcriptic. Аналитическая химия является незаменимой областью в развитии нанотехнологий. Инструменты для характеризации поверхности, электронные микроскопы и сканирующие зондовые микроскопы позволяют ученым визуализировать атомные структуры с одновременной химической характеристикой.