Analitička hemija

Gasno hromatografska laboratorija

Analitička hemija je disciplina hemije koja se bavi analizom različitih materjala sa ciljem dobijanja podatake o njihovoj strukturi i hemijskom sastavu. Analitička hemija je studija separacije, identifikacije, i kvantifikacije hemijskih komponenti prirodnih ili veštačkih materijala. Kvalitativna analiza proizvodi indikaciju o identitetu hemijske vrste u uzorku, a kvantitativna analiza određuje količinu pojedinih komponenti supstance. Separacija komponenti se često vrši pre analize.

Analitički metodi se mogu rasčlaniti na klasične i instrumentalne. Klasični metodi (takođe poznati kao metodi mokre hemije) koriste separacije kao što su precipitacija, ekstrakcija i destilacija, i kvalitativnu analizu po boji, mirisu i tački topljenja. Klasična kvantitativna analiza se ostvaruje merenjem težine ili zapremine. Instrumentalni metodi koriste instrumente za merenje fizičkih kvantiteta analizirane materije, kao što su apsorpcija svetlosti, fluorescencija i provodnost. Separacija materijala se ostvaruje koristeći hromatografiju, elektroforezu ili metode frakcionacije polja protoka.

Analitička hemija takođe ima fokus na poboljšanjima eksperimentalnog dizajna, hemometrici, i kreiranju novih oruđa za merenje da bi se pružile bolje hemijske informacije. Analitička hemija nalazi primenu u forenzici, bioanalizi, kliničkoj analizi, analizi životne sredine, i analizi materijala.

Istorija

Gustav Kirchhoff (levo) i Robert Bunsen (desno)

Analitička hemija je bila važna od ranih dana hemije. Ona je pružala metode za određivanje elemenata i hemikalija koji su prisutni u datom objektu. Tokom tog perioda ostvareni su znatni analitički doprinosi u hemiji. Oni obuhvataju razvoj sistematske analize elemenata zahvaljući radu Justus fon Libiga, i sistematske organske analize bazirane na specifičnim reakcijama funkcionalnih grupa.

Prva instrumentalna analiza je bila plamena emisiona spektrometrija koju je razvili Robert Bunzen i Gustaf Kirhof, koji je takođe otkrio rubidijum (Rb) i cezijum (Cs) 1860. godine.

Većina značajnih unapređenja u analitičkoj hemiji se odvila nakon 1900. godine. Tokom tog perioda instrumentalna analiza je postala progresivno dominantna u polju. Specifično mnoge osnovne spektroskopske i spektometrijske tehnike su otkrivene tokom ranog 20. veka i rafinirane tokom ostatka 20. veka.

Separacione nauke su sledile sa sličnom hronologijom razvoja i takođe su u sve većoj meri bivale transformisane u instrumente visokih performansi. Tokom ranih 1970-tih mnoge od tih tehnika su počele da se koriste zajedno da bi se ostvarila kompletna karakterizacija uzoraka.

Počevši od 1970-tih pa do danas analitička hemija je progresivno počela da uzima sve više učešća u razmatranju bioloških pitanja (bioanalitička hemija), dok je ranije ona uglavnom imala fokus na neorganskim ili malim organskim molekulima. Laseri su sve više korišćeni u hemiji kao sonde, kao i za započinjanje i modifikovanje širokog varijeteta reakcija. U kasnom 20. veku je takođe došlo do ekspanzije primene analitičke hemije, od rešavanja donekle akademskih hemijskih pitanja, do baljenja forenzičkim, ekološkim, industrijskim i medicinskim pitanjima, kao na primer primena u histologiji.

Moderna analitička hemija je dominirana instrumentalnom analizom. Mnogi analitički hemičari imaju fokus na pojedinačnom tipu instrumenta. Akademiski radnici imaju tendenciju da rade na novim oblicima primene uređaja i novim metodama analize. Otkriće hemikalija prisutnih u krvi koje povišavaju rizik od kancera je primer otkrića u kome bi analitički hemičar verovatno učestvovao. Nastojanje da se razvije novi metod može da obuhvati upotrebu podesivog lasera radi povećanja specifičnosti i senzitivnosti spektrometrijskog metoda. Mnogi metodi, jednom razvijeni, namerno se održavaju u statičkom stanju, tako da se podaci mogu upoređivati tokom dužih vremenskih perioda. Ovo je posebno istinito u industrijskom osiguranju kvaliteta (QA), forenzici i ekološkim primenama. Analitička hemija ima sve važniju ulogu u farmaceutskoj industriji, gde se ona osim u osiguranju kvaliteta koristi u procesu otkrivanja novih kandidata lekova, i u kliničkim primenama gde je razumevanje interakcija između leka i pacijenata kritično.

Podela

Analitičkata hemija može da se podeli na dve osnovne grane:

• kvalitativnu i
• kvantitativnu
  • Kvalitativna neorganska analiza analizira prisustvo nekog hemijskog elementa ili neorganskog jedinjenja u datoj formuli.
  • Kvalitativna organska analiza analizira prisustvo neke funkcionalne grupe ili organskog jedinjenja u datoj formuli..
  • Kvantitativna analiza|Kvantitativnata analiza određuje količinu nekog elementa ili hemijskog jedinjenja u datoj formuli.

Tehnike

Postoji veliki broj tehnika kojima se odvajaju, detektuju ili mere hemijski sastojci kao što su:

• Separacija (razlaganje) sa ciljem da se izmeri težina ili volumen finalnog produkta.
• Titracija
• Analiza supstancije sa instrumentima, pomoću spektroskopije
• Masena spektroskopija se koristi za određivanje molekularne mase, sastava i strukture nekog elementa u formuli pomoću jonizacije molekula.
• U mnogim tehnikama se kombinuju dve ili više analitičke metode (nazivaju se i "hibridni metodi").

Klasični metodi

Prisustvu bakra u ovoj kvalitativnoj analizi je indicirano plavo-zelenom bojom plamena

Mada je moderna analitička hemija dominirana sofisticiranom instrumentacijom, koreni analitičke hemije i neki od principa korišćenih u modernim instrumentima proizilaze iz tradicionalnih tehnika, mnoge od kojih su još uvek u opotrebi. Te tehnike takođe teže da formiraju osnovu većine dodiplomskih analitičko hemijskih obrazovnih lavoratorija.

Kvalitativna analiza

Kvalitativna analiza određuje prisustvo ili odsustvo datog jedinjenja, mada ne u obliku mase ili koncentracije. Po definiciji, kvalitativne analize ne mere količinu.

Hemijski testovi

Za više detalja o ovoj temi, v. Hemijski test.

Postoje brojni kvalitativni hemijski testovi, na primer kiselinski test za zlato i Kastle–Meyer test za prisustvo krvi.

Plameni testovi

Za više detalja o ovoj temi, v. Plameni test.

Neorganske kvalitativne analize se generalno odnose na sistematske šeme za potvrđivanje prisustva pojedinih, obično rastvorenih u vodi, jona ili elemenata izvođenjem serije reakcija koje eliminišu opsege mogućnosti i time potvrđuju pretpostavljeno prisustvo jona. Ponekad su mali joni koji sadrže ugljenik uvršteni u takve šeme. Sa razvojem moderne instrumentacije ti testovi se retko koriste, mada mogu da budu korisni za obrazovne svrhe i u terenskom radu, ili drugim situacijama gde sofisticirani instrumenti nisu dostupni ili svrsishodni.

Kvantitativna analiza

Kvantitativna analiza može podrazumijevati merenje mase ili zapremine analita. Također, moguće je mjeriti neku veličinu koja je proporcionalna količini analita u uzorku, npr. intenzitet svjetlosti, električna provodljivost, itd. Gravimetrijske metode se odnose na određivanje mase analita ili neke supstance koja je sa njim u vezi. Volumetrijske metode mjere zapreminu rastvora reagensa, koji treba utrošiti za potpunu reakciju sa analitom. Elektroanalitičke metode podrazumijevaju mjerenje električnih osobina kao npr. potencijal, jačina struje, otpor ili količna naboja. Spektroskopske metode se baziraju na mjerenju interakcije između elektromagnetnog zračenja i komponenata uzorka. Također, postoje i druge specifične metode kao npr. masena spektroskopija, mjerenje brzine radioaktivnog rapada, toplote reakcije, optičke aktivnosti, indeksa prelamanja, itd.

Gravimetrijska analiza

Za više detalja o ovoj temi, v. Gravimetrijska analiza.

Gravimetrijska analiza obuhvata određivanje količine materijala prisutnog po težini u uzorku pre i/ili nakon neke transformacije. Ona se obično koristi u dodiplomskom obrazovanju za određivanje količine vode u hidratu, zagrevanjem uzorka se uklanja voda tako da razlika u težini odgovara gubitku vode.

Volumetrijska analiza

Za više detalja o ovoj temi, v. Titracija.

Titracija obuhvata dodavanje reaktanta u rastvor koji se analizira, dok se ne dostigne izvesna ravnotežna tačka. Često se može odrediti količina materijala u analiziranom uzorku rastvora. Jedna od poznatijih je kiselo-bazna titracija, pri kojoj dolazi do promene boje indikatora. Postoje mnogi drugi tipovi titracija, na primer potenciometrijske tiracije. Te titracije mogu da koriste različite tipove indikatora da bi odredilo dostizanje određene tačke ekvivalencije.

Instrumentalni metodi

Blok dijagram analitičkog instrumenta prikazuje stimulus i merenje responsa

Spektroskopija

Za više detalja o ovoj temi, v. Spektroskopija.

Spektroskopija meri interakciju molekula sa elektromagnetnom radijacijom. Spektroskopija se obuhvata mnošto različitih oblika primene, kao što su atomska apsorpciona spektroskopija, atomska emisiona spektroskopija, ultravioletno-vidljiva spektroskopija, Rentgenska fluorescentna spektroskopija, infracrvena spektroskopija, Ramanova spektroskopija, dualna polarizaciona interferometrija, nuklearno magnetno rezonantna spektroskopija, fotoemisiona spektroskopija, Mössbauer spektroskopija, itd.

Masena spektrometrija

Za više detalja o ovoj temi, v. Masena spektrometrija.

Akceleratorski maseni spektrometar se koristi za radiokarbonsko datiranje i druge analize

Masena spektrometrija meri odnos mase i naelektrisanja molekula koristeći električna i magnetska polja. Postoji nekoliko jonizacionih metoda: elektronski impakt, hemijska jonizacija, elektrosprej, brzo atomsko bombardovanje, matricom potpomognuta laserska desorpciona jonizacija, i druge. Takođe, masena spektrometrija se kategoriše po pristupu masenih analizatora: magnetni-sektor, kvadripolni maseni analizator, kvadripolna jonska klopka, vreme leta, Fourije transformisana jonska ciklotronska rezonanca, itd.

Elektrohemijska analiza

Za više detalja o ovoj temi, v. Elektroanalitički metod.

Elektroanalitički metodi mere potencijal (volte) i/ili struju (ampere) u elektrohemijskoj ćeliji koja sadrži analit. Ovi metodi se mogu kategorisati po aspektima ćelije koji su kontrolisani i koji se određuju. Postoje tri glavne kategorije: potenciometrija (meri se razlika elektrodnog potencijala), kulometrija (meri se ćelijska struja u toku vremenskog intervala), i voltametrija (meri se struja ćelije dok se aktivno menja ćelijski potencijal).

Termalna analiza

Dodatne informacije: Kalorimetrija, termalna analiza

Kalorimetrija i thermogravimetrijak analiza mere interakciju materijala i toplote.

Separacija

Separacija crnog mastila na ploči hromatografijom tankog sloja

Dodatne informacije: Separacioni proces, hromatografija, elektroforeza

Separacioni procesi se koriste za smanjenje kompleksnosti smeša materijala. Hromatografija, elektroforeza i frakcionacija polja protoka su predstavnici ovog polja.

Hibridne tehnike

Kombinacije gore opisanih tehnika mogu da proizvodu „hibridne“ tehnike. Postoje brojni primeri upotrebe hibridnih tehnika: gasna hromatografija-masena spektrometrija, gasna hromatografija-infracrvena spektroskopija, tečna hromatografija-masena spektrometrija, tečna hromatografija-NMR spektroskopija, tečna hromatografija-infracrvena spektroskopija i kapilarna elektroforeza-masena spektrometrija.

Hibridne separacione tehnike obuhvataju kombinaciju dve ili više tehnika za detektovanje i razdvajanje hemikalija iz rastvora. Najčešće je druga tehnika neka forma hromatografije. Hibridne tehnike su u šikokoj upotrebi u hemiji i biohemiji.

Mikroskopija

Slika dve mišje ćelije dobijena primenom fluorescentnog mikroskopa. Jedra su u profazi (skala linije je 5 µm)

Za više detalja o ovoj temi, v. Mikroskopija .

Vizualizacija pojedinačnih molekula, ćelija, bioloških tkiva i nanomaterijala je važan i atraktivan pristup u analitičkoj nauci. Isto tako, hibridizacija sa drugim tradicionalnim analitičkim oruđima proizvodi revolucionarne promene u analitičkoj nauci. Mikroskopija se može grupisati u tri različitia polja: optička mikroskopija, elektronska mikroskopija, i mikroskopija skenirajućom sondom. Nedavno je ovo polje doživelo brz napredak zbog usavršavanja računara i kamera.

Laboratorija na čipu

Dodatne informacije: mikrofluidika, Laboratorija na čipu

Laboratorije na čipu su uređaji koji integrišu (višestruke) laboratorijske funkcije na jednom čipu veličine od samo nekoliko milimetara do nekoliko kvadratnih centimetara i koji imaju sposobnost rukovanja ekstremno malim zapreminama tečnosti, manjim od pikolitra.

Greške

Greška se može definisati kao numerička razlika između uočene i stvarne vrednosti.

Greške između stvarne i uočene vrednosti u hemijskim analizama se mogu povezati jednačinom

$E=O-T$

gde je

E = apsolutna greška,

O = uočena vrednost,

T = stvarna vrednost.

Greška merenja je inverzna mera preciznosti merenja, i.e. što je manja greška to je veća preciznost merenja. Greške se relativno izražavaju kao:

${\frac {E}{T}}$ × 100 = % greške,

${\frac {E}{T}}$ × 1000 = po hiljaditom delu greške

Standardi

Vidi takođe: Analitička kontrola kvaliteta

Standardna kriva

Grafikon kalibracione krive prikazuje limit detekcije (LOD), limit kvantifikacije (LOQ), dinamički opseg, i limit linearnosti (LOL)

Opšti metod za analizu koncentracije obuhvata kreiranje kalibracione krive. Time se omogućva determinacija količine hemikalije u materijalu poređenjem rezultata nepoznatog uzorka sa serijom poznatih standarda. Ako je koncentracija elementa ili jedinjenja u uzorku suviše visoka za detekcioni opseg date tehnike, uzorak se može jednostavno razblažiti čistim rastvaračem. Ako je količina u uzorku ispod opsega merenja instrumenta, koristi se metod adicije. U tom metodu se dodaje poznata količina elementa ili jedinjenja koje se studira, i određuje se razlika između izmerene i dodate koncentracije.

Unutrašnji standardi

U nekim slučajevima se dodaje unutrašnji standard poznate koncentracije direktno u analitički uzorak da bi se omogućila kvantifikacija. Količina prisutnog analita se zatim određuje relativno na unutršnji standard kao kalibrant. Idealni unutrašnji standard je izotopski obogaćeni analit, koji se koristi u metodu izotopnog razređivanja.

Standardna adicija

Metod standardne adicije se koristi u instrumentalnoj analizi za određivanje koncentracije supstance (analita) u nepoznatom uzorku putem poređenja sa setom uzoraka poznate koncentracije, slično korišćenju kalibracione krive. Standardna adicija se može primeniti u većini analitičkih tehnika i koristi se umesto kalibracione krive za rešavanje problema matričnog efekta.

Signali i šum

Jedna od najvažnijih komponenti analitičke hemije je maksimizacija željenog signala uz minimizaciju asociranog šuma. Analitička mera vrednosti je poznata kao odnos signala i šuma (S/N ili SNR).

Šum može da nastane kao posledica faktora okoline, kao i usled fundamentalnih fizičkih procesa.

Termalni šum

Termalni šum je posledica kretanja nosilaca naelektrisanja (obično elektrona) u električnom kolu generisanog njihovim termalnim kretanjem. Termalni šum je beli šum, što znači da je snaga spektralne gustine konstantna širom frekventnog spektra.

Vrednost kvadratne sredine termalnog šuma u otporniku je data relacijom

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

gde k_B označava Boltzmannovu konstantu, T temperaturu, R je otpor, i $\Delta f$ je Širina frekventnog opsega frekvencije $f$.

Šum udarca

Šum udarca je tip elektronskog šuma, koji se javlja kad je konačni broj čestica (kao što su elektroni u elektronskom kolu ili fotoni u optičkom uređaju) dovoljno mali da proizvede statističke fluktuacije signala.

Šum udarca je Poasonov proces i nosioci naelektrisanja koji sačinjavaju struju slede Poasonovu distribuciju. Kvadratna sredina fluktuacija struje je

$i_{RMS}={\sqrt {2\,e\,I\,\Delta f}}$

gde e označava elementarno naelektrisanje, a I je prosečna struja. Šum udarca je beli šum.

Trepereći šum

Trepereći šum je elektronski šum sa 1/ƒ frekventnim spektrom; pri porastu f, šum se smanjuje. Trepereći šum nastaje iz raznih izvora, kao što su nečistoće u provodnom kanalu, generisanja i rekombinacije šuma u tranzistoru usled bazne struje, itd. Taj šum se može izbeći modulacijom signala na višoj frekvenciji, na primer putem upotrebe fiksnog pojačavača.

Šum okoline

Šum u termogravimetrijskoj analizi; niži nivo šuma u sredini grafika je posledica manje ljudske aktivnosti (i buke okoline) tokom noći

Šum okoline proizlazi iz okoline analitičkog instrumenta. Izvori elektromagnetne buke su dalekovodi, radio i televizijske stanice, bežični uređaji, kompaktne fluoroscentne lampe i električni motori. Mnogi od tih izvora šuma imaju uzak opseg i stoga se mogu izbeći. Toplotna i vibraciona izolacija mogu da budu neophodni za neke instrumente.

Redukcija šuma

Redukcija šuma se može ostvariti bilo putem hardvera ili softvera. Primeri hardverske redukcije šuma su upotreba oklopljenih kablova, analognog filtriranja, i modulacije signala. Primeri softverske redukcije šuma su digitalno filtriranje, ansambl prosek i metode korelacije.

Primene

Analitičko hemijsko istraživanje je u velikoj meri vođeno performancom (senzitivnost, selektivnost, robusnost, linearni opseg, točnost, preciznost, i brzina), i troškom (kupovina, rad, trening, vreme i prostor). Među glavnim granama savremene analitičke atomske spektrometrije, najraširenija i najuniverzalnija je masena spektrometrija. U oblasti direktne elementalne analize čvrstih uzoraka, novi lideri su masena spektroskopija laserom indukovanog raspada i laserske ablacije, i srodne tehnike sa transferom produkata laserske ablacije u induktivno spregnutu plazmu. Uspesi u dizajnu diodnih lasera i optičkih parametarskih oscilatora podstiču dalji razvoj fluorescentne i jonizacione spektrometrije, a isto tako apsorpcionih tehnika, gde se očekuje povećanje korišćenja optičkih šupljina s ciljem produživanja efektivnog apsorpcionog puta. Upotreba metoda baziranih na plazmi i laserima se povećava. Interest za absolutnom (bez-standardnom) analizom je oživeo, a posebno u emisionoj spektrometriji.

Veliki napori se ulažu u kompresovanju analitičkih tehnika do veličine čipa. Mada postoji mali broj primera gde su takvi sistemi konkurentni tradicionalnim analitičkim tehnikama, potencijalne prednosti obuhvataju veličinu/portabilnost, brzinu, i trošak. Hemija na mikro skali redukuje količine korištenih hemikalija.

Mnoga od unapređenja pospešuju analizu bioloških sistema. Primeri brzo rastućih polja u ovoj oblasti su:

• Genomika - DNK sekvenciranje i povezana istraživanja. Genetski otisci prstiju i DNK mikročip su važni alati i istraživačka polja.
• Proteomika - analiza proteinskih koncentracija i modifikacija, naročito u odgovoru na različite stresove, u različitim fazama razvoja, ili u različitim delovima tela.
• Metabolomika - slična je proteomici, ali se bavi metabolitima.
• Transkriptomika - iRNK i njoj srodno polje
• Lipidomika - lipidi i njima srodano polje
• Peptidomika - peptidi i njima srodano polje
• Metalomika - slična je proteomici i metabolomici, ali se bavi koncentracijama metala i posebno u njihovog vezivanja za proteine i druge molekule.

Analitička hemija ima kritičnu ulogu u razumevanju baznih nauka i u mnoštvu praktičnih aplikacija, kao što su biomedicinske primene, ekološko nadgledanje, kontrola kvaliteta industrijske proizvodnje, niz forenzičkih primena, itd.

Nedavni razvoj kompjuterske automatizacije i informacijske tehnologije je proširio oblast primene analitičke hemije u brojna nova biološka polja. Na primer, automatizovane mašine za DNK sekvenciranje su bile osnova za završetak projekata ljudskog genoma iz čega je nastalo polje genetike. Identifikacija proteina i sekvenciranje peptida masenom spektrometrijom je otvorilo novo polje proteomike.

Analitička hemija je bila nezamenljiva oblast u razvoju nanotehnologije. Instrumenati za karakterizaciju površina, elektronski mikroskopi i mikroskopi skenirajućih sondi su omogućili naučnicima da vizualizuju atomske strukture uz hemijsku karakterizaciju.

Literatura

• 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; Analytical measurement: measurement uncertainty and statistics, 2012, ISBN 978-92-79-23070-7.
• Skoog, Leary: Instrumentelle Analytik. Grundlagen, Geräte, Anwendungen. Springer-Lehrbuch. Springer Verlag, Berlin 1996, ISBN 978-3-540-60450-1.
• Einax, Heinz Zwanziger, Geiss: Chemometrics in environmental analysis. VCH Verlag, Weinheim 1997, ISBN 3-527-28772-8.
• Georg Schwedt: Analytische Chemie. Wiley-VCH, 2004, ISBN 978-3-527-30866-8.
• Jander, Blasius, Strähle: Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum (einschl. der quantitativen Analyse). Hirzel, Stuttgart, 15., neu bearb. Auflage 2005, ISBN 978-3-7776-1364-2.
• Gerhard Jander, Blasius, Strähle, Schweda: Lehrbuch der analytischen und präparativen anorganischen Chemie. Hirzel, Stuttgart, 16., überarb. Auflage 2006, ISBN 978-3-7776-1388-8.
• Otto: Analytische Chemie. Wiley-VCH, 3., vollst. überarb. u. erw. Auflage 2006, ISBN 978-3-527-31416-4.
• Handbuch der experimentellen Chemie; Sekundarbereich II, Band 3 + 4, Analytische Chemie und Umweltanalytik I + II. Aulis Verlag Deubner & Co. KG, Köln.

Spoljašnje veze

Analitička hemija na Wikimedijinoj ostavi

• Annual Review of Analytical Chemistry Arhivirano 2009-01-19 na Wayback Machine-u
• Američko hemijsko društvo: Odeljenje analitičke hemije
• Kraljevsko hemijsko društvo: Analitička hemija Arhivirano 2012-10-17 na Wayback Machine-u
• Analitička hemija na Projektu Open Directory
• Fachgruppe Analytische Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker
• aktuelle Wochenschau Arhivirano 2012-12-29 na Wayback Machine-u - Neuigkeiten aus der analytischen Forschung
• Verzeichnis frei zugänglicher Lehrangebote in Analytischer Chemie Arhivirano 2016-03-14 na Wayback Machine-u
• Аналитическая химия Гипертекстовое учебное пособие.
• Перспективы аналитической атомной спектрометрии.
• Химическая энциклопедия