Analitička hemija

Analitička hemija je hemijska nauka koja proučava kvalitativni i kvantitativni sastav materijala. Kvalitativna analiza podrazumijeva određivanje identiteta hemijskih vrsta u uzorku. Kvantitativna analiza određuje relativne količine tih vrsta i izražava ih u numeričkom obliku. Analitička hemija ima primjenu u industriji, medicini, poljoprivredi, metalurgiji, a također i brojnim drugim oblastima (hemija, biohemija, biologija, geologija, fizika, itd.).

Analitički metodi obuhvataju  klasične i instrumentalne procedure. 
Klasični (također poznati i kao metodi mokre hemije) se koriste u separaciji kao što su precipitacija, ekstrakcija i destilacija i za  kvalitativnu analizu po boji, mirisu i tački topljenja. Klasična kvantitativna analiza se obavlja  mjerenjem težine ili zapremine. 
Instrumentalni metodi koriste mjerne instrumente određivanjem fizičkih kvantiteta analizirane materije, a obuhvataju postupke kao što su: apsorpcija svjetlosti, fluorescencija i provodnost. Separacija materijala se obavlja i primjenom i hromatografije, elektroforeze ili metoda frakcionacije polja protoka.
Analitička hemija također je usredsređena na poboljšanja eksperimentalnog dizajna, hemometrije i izradu  novih mjernih alata da bi se pružile bolje hemijske informacije. Analitička hemija ima značajnu  primjenu u forenzici, bioanalizi, kliničkoj analizi, analizi životnog okruženja i analizi materijala.Whitten K.W., Gailey K. D. and Davis R. E. (1992):  General chemistry, 4th Ed. Saunders College Publishing, Philadelphia,  .Petrucci R.H., Harwood W.S. and Herring F.G. (2002):  General Chemistry, 8th Ed. Prentice-Hall,  New York, .Laidler K. J. (1978): Physical chemistry with biological applications. Benjamin/Cummings, Menlo Park, .Weast R. C., Ed. (1990): CRC Handbook of chemistry and physics. Chemical Rubber Publishing Company, Boca Raton, .
Atkins P.,  de Paula J. (2006): Physical chemistry, 8th Ed. W. H. Freeman, San Francisco, Binder H. H. (1999): Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart, .

 Historija 
Analitička hemija je bila važna od ranih početaka praktične hemije. Nudila je metode za određivanje elemenata i hemikalija koje su prisutne u posmatranom uzorku. U tom periodu ostvareni su znatni analitički doprinosi hemiji. Oni uključuju razvoj sistematske analize elemenata zahvaljući otkrićima Justusa fvn Leibiga i sistematskoj organskoj analizi na osnovu specifičnih reakcija funkcijskih grupa.

Prva instrumentalna analiza je bila emisiona spektrometrija sa plamenom, koju su razvili Robert Bunsen i Gustav Robert Kirchhoff, koji je 1860. također otkrio rubidij (Rb) i cezij (Cs).

Većina značajnih unapređenja u metodama analitičke hemije su se dogodila nakon 1900. godine. Tokom tog perioda instrumentalna analiza je progresivno postajala dominantna u svojoj oblasti. Mnoge osnovne specifično spektroskopske i spektometrijske tehnike su otkrivene tokom ranog 20. vijeka i usavršavane su do kraja ovog vijeka.

Separacijske nauke su otkrivane sa sličnom hronologijom razvoja i također su u sve većoj mjeri  instrumentalizirane u aparate visoke osjetljivosti. Tokom ranih 1970-ih mnoge od ovih tehnika su počele koristi kombinirano, da bi se ostvarila kompletna karakterizacija uzoraka.
Počev od 1970-ih pa do danas analitička hemija je progresivno preuzimala sve više učešća u razmatranju bioloških pitanja (bioanalitička hemija), dok je ranije uglavnom bila usredsređena na neorganske ili male organske molekule. Sve učestalije se koriste laseri kao sonde, i početne modifikacije širokog spektra reakcija. Krajem  20. vijeka također počinje širenje primjene analitičke hemije, od rješavanja donekle akademskih hemijskih problema, do poboljšanja forenzičkih, ekoloških, industrijskih i medicinskih metoda, kao što je primjena u histologiji.
Savremena analitička hemija je preokupirana instrumentalnom analizom. Mnogi analitičari najviše obraćaju pažnju na pojedinačne tipove i konstrukcije instrumenata. Akademska zajednica je angažirana na traganju za novim oblicima primjene uređaja i novim analitičkim metodama. Otkriće hemikalija krvi koje povećavaju rizik od kancera, primjer je otkrića u kojem analitički hemičari također učestvuju.

 Oblasti
Analitička hemija obuhvata dvije osnovne grane, koje se označavaju kao:
 kvalitativna i 
 kvantitativna
 Kvalitativna neorganska analiza određuje prisustvo nekog hemijskog elementa ili neorganskog spoja u datom uzorku.
 Kvalitativna organska analiza određuje prisustvo neke funkcijske grupe ili organskog spoja u datoj formulaciji ispitivanog uzorka.
 Kvantitativnata analiza određuje količinu nekog elementa ili hemijskog spoja u datoj formulaciji supstance.

 Tehnike 
Veliki  je broj tehnika kojima se odvajaju, određuju ili mjere hemijski sastojci kao što su: 
 Separacija (razlaganje) – procedure mjerenja težine ili volumena finalnog proizvoda; 
 Titracija – određivanje ekvivalentnog titra;
 Analiza supstancije sa instrumentima, pomoću spektroskopije;
 Masena spektroskopija za određivanje molekularne mase, sastava i strukture nekog elementa u uzorku, pomoću ionizacije molekula.
 U mnogim tehnikama se kombiniraju dvije ili više analitičkih metoda ("hibridni metodi").

 Klasični metodi 
Iako je moderna analitička hemija pretežno zasnovana na sofisticiranim instrumentima, korijeni analitičke hemije i neki od principa korišćenih u modernim instrumentima proizilaze iz tradicionalnih tehnika, od kojih su mnoge još uvijek u upotrebi.

 Kvalitativna analiza 
Kvalitativna analiza određuje samo prisustvo ili odsustvo datog elementa i/ili spoja, ali ne daje podatke o masi ili koncentraciji. Po definiciji, kvalitativne analize ne mjere količinu, nego kakvoću.

 Hemijski testovi 

Postoje razrađeni brojni kvalitativni hemijski testovi, kao naprimjer kiselinski test za zlato i Kastle–Meyer test za prisustvo krvi i sl.

 Plameni testovi 

Neorganske kvalitativne analize se općenito odnose na sistematske postupke za potvrđivanja prisustva pojedinih (obično rastvorenih u vodi) iona ili elemenata, nakon serije reakcija koje uklanjaju opsege širih mogućnosti i time potvrđuju prisustvo pretpostavljenih iona. Ponekad su tu uključeni mali ioni sa ugljikom. Sa razvojem moderne instrumentacije, ti testovi se sve rjeđe koriste, iako mogu biti korisni za obrazovne svrhe i u terenskom radu ili drugim situacijama, kada sofisticirani instrumenti nisu dostupni ili svrsishodni.

 Kvantitativna analiza 
Kvantitativna analiza podrazumijeva mjerenje mase ili zapremine satavnica uzorka. Također, moguće je mjeriti neku veličinu koja je srazmjerna količini traženog sastojka u uzorku, npr. intenzitet svjetlosti, električna provodljivost, itd. 
Gravimetrijske metode se odnose na određivanje mase sastojka ili neke supstance koja je sa njim u vezi. 
Volumetrijske metode mjere zapreminu rastvora reagensa, koji se utroši za potpunu reakciju sa sastojkom. 
Elektroanalitičke metode uključuju mjerenje električnih osobina, kao npr. potencijala, jačine struje, otpora ili veličine naboja. 
Spektroskopske metode se zasnivaju na mjerenju interakcije između elektromagnetnog zračenja i komponenti uzorka. Također, postoje i druge specifične metode, kao npr. masena spektroskopija, mjerenje brzine radioaktivnog rapada, toplotne reakcije, optičke aktivnosti, indeksa prelamanja, itd.

 Gravimetrijska analiza 

Gravimetrijska analiza obuhvata određivanje količine prisutnog materijala, po težini u uzorku prije i/ili nakon neke hemijske promjene. Obično se koristi u praktikumima dodiplomskog obrazovanja za određivanje količine vode u hidratu, zagrijavanjem uzorka, čime se uklanja voda pa razlika u težini odgovara gubitku vode.

 Volumetrijska analiza 

Titriranje uključuje dodavanje reaktanta u analizirani rastvor, dok se ne dostigne određena tačka ravnoteže. Često se može odrediti i  količina materijala u analiziranom uzorku rastvora. Jedna od poznatijih je kiselinsko-bazna titracija, pri kojoj dolazi do promjene boje, kao indikatora. Postoje mnogi drugi oblici titriranja, kao npr. potenciometrijska. Te titracije mogu biti na bazi različitih tipova indikatora da bi se odredilo dostizanje određene tačke ekvivalencije.

 Instrumentalni metodi 


 Spektroskopija 

Spektroskopija posmatra interakciju molekula sa elektromagnetnom radijacijom. Obuhvata mnošto različitih aplikacija, kao što su Atomska apsorpcijska spektroskopija, atomska emisiona spektroskopija, Ultravioletno-vidljiva spektroskopija, Rentgenska fluorescentna spektroskopija, infracrvena spektroskopija, Ramanova spektroskopija, dualna polarizacijska interferometrija, nuklearno magnetno rezonantna spektroskopija, fotoemisiona spektroskopija, Mössbauer spektroskopija, itd.

 Masena spektrometrija 


Masena spektrometrija mjeri odnos naelektrisanja molekula, koristeći električna i magnetna polja. Postoji nekoliko ionizacijskih metoda: elektronski impakt, hemijska ionizacija, elektrosprej, brzo atomsko bombardiranje, matrično potpomognuta laserska desorpcijska ionizacija i druge. Masena spektrometrija se također kategorizira po pristupu masenih analizatora: 
magnetni-sektor, 
kvadripolni maseni analizator, 
kvadripolna ionska klopka, 
masena spektrometrija vremena, 
Fourije transformisijska ionska ciklotronska rezonansa, itd.

 Elektrohemijska analiza

Elektroanalitičke metode služe za mjerenje električnog potencijala (u voltima) i/ili struje (u amperima) u elektrohemijskoj ćeliji koja sadrži analiziranu materiju.Bard A.J., Faulkner L. R. (2000): Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 2nd Ed.  John Wiley & Sons,  New York. Ove metode se mogu svrstati po aspektima ćelije koje kontroliraju i koji se određuju. Postoje tri glavne kategorije: 
potenciometrija (mjeri se razlika elektrodnog potencijala), *kulometrija (mjeri se ćelijska struja u toku vremenskog intervala), i 
voltametrija (mjeri se struja ćelije dok se aktivno mijenja ćelijski potencijal).

 Termalna analiza 

Kalorimetrija i termogravimetrijska analiza mjeri interakciju materijala i toplote.

 Separacija 

Separacijski procesi se primjenjuju za smanjenje kompleksnosti smjesa različitih materijala. U ovoj oblasti najčešći su 
hromatografija, 
elektroforeza i  
frakcionacija polja protoka.

 Hibridne tehnike
Kombiniranjem opisanih tehnika mogu se konstruisati i „hibridne“ tehnike. Hibridne separacijske tehnike uključuju kombinaciju dvije ili više tehnika za otkrivanje i razdvajanje hemijskih supstanci iz rastvora. Najčešće je druga tehnika neka forma hromatografije. Hibridne tehnike su u širokoj upotrebi u hemiji i biohemiji.
Brojni su  primejri upotrebe hibridnih tehnika, kao što su:
 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.

 Mikroskopija 

Vizualizacija pojedinačnih molekula, ćelija, tkiva i nanomaterija su značajni i privlačni pristupi u hemijskoj analitici. Isto tako, hibridizacija sa drugim tradicionalnim analitičkim alatima proizvodi revolucionarne promjene u ovoj nauci. Mikroskopija se može svrstati u tri različita polja: 
 optička mikroskopija, 
 elektronska mikroskopija, i 
 mikroskopija skenirajućom sondom. 
Nedavno je ovo hemijsko polje ušlo u fazu ubrzanog napredovanja, nakon usavršavanja računarskih kamera i odgovarajućeg softvera.

 Laboratorija na čipu 

Laboratorije u čipu su uređaji koji objedinjuju (višestruke) laboratorijske funkcije na jednom elektronskom čipu, veličine od samo nekoliko milimetara do nekoliko kvadratnih centimetara, a koji imaju sposobnost anlize ekstremno malih zapreminama tečnosti, manjih od pikolitra.

 Greške 

Greška se može definisati kao brojčana razlika između uočene i stvarne vrijednosti.
Greške između stvarne i uočene vrijednosti u hemijskim analizama se mogu povezati hemijskom jednačinom:

gde je
E = apsolutna greška,
O = očekivana (teorijska) vrijednost,
T = stvarna vrijednost.

Greška pri mjerenju je obrnuta preciznosti pri mjerenju, odnosno što je manja greška -  to je veća preciznost mjerenja. Relativna veličina greške se izražava kao:
 × 100 = % greške,

 × 1000 = po hiljaditom dijelu greške

 Standardi 

 Standardna kriva 
Opći metod za odeđivanje koncentracije obuhvata kreiranje kalibracijske krive. Time se omogućava određivanje količine hemikalije u uzorku, poređenjem rezultata nepoznatog uzorka sa serijom poznatih standarda. Ako je koncentracija elementa ili spoja suviše visoka za detekcijski raspon date tehnike, uzorak se može jednostavno razblažiti čistim rastvaračem. Kada je količina  supstance u uzorku ispod opsega mjerenja instrumenta, koristi se metod adicije. Tada se dodaje poznata količina elementa ili spoja koji  se proučava i određuje razlika između izmjerene 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 relativna vrijednost, u odnosu na unutrašnji standard kao kalibrant. Idealni unutrašnji standard je izotopski obogaćeni sastojak, koji se koristi u metodu izotopnog razrjeđivanja.

 Standardna adicija 
U instrumentalnoj analizi, metoda standardne adicije se koristi za određivanje koncentracije supstance (sastojka) u nepoznatom uzorku, poređenjem više uzoraka poznate koncentracije, slično korištenju kalibracijske krive. Standardna adicija se može primijeniti u većini analitičkih tehnika, a koristi se umjesto kalibracijske krive za rješavanje problema matričnog efekta.

 Signali i šumovi 
Jedna od najvažnijih komponenti analitičke hemije je maksimizacija željenog signala, uz minimizaciju asociranog šuma. Analitička mjera vrijednosti je poznata kao odnos signala i šuma (S/N ili SNR).
Šum nastaje kao posljedica djelovanja vanjskih faktora, kao i usljed osnovnih fizičkih procesa.

 Termalni šum 

Termalni šum nastaje kao posljedica kretanja nositelja naelektrisanja (obično elektrona) u električnom kolu generisanom njihovim vršnim kretanjem. Termalni šum je tzv. bijeli šum, što znači da mu je snaga spektralne gustine konstantna širom frekvencijskog spektra.

Vrijednost kvadriranog prosjeka termalnog šuma u otporniku odeeđena je relacijom:

gdje kB = Boltzmannova konstanta, T  = temperatura, R  =  otpor, i  je širina frekvencijskog opsega:
 .

 Šum udarca 

Šum udarca je tip elektronskog šuma, koji nastaje kad je konačni broj čestica (kao što su elektroni u datom elektronskom kolu ili su fotoni u optičkom uređaju) dovoljno mali da proizvede statičke fluktuacije signala.
Šum udarca je Poasonov proces, a nosioci naelektrisanja koji grade struju slijede Poasonovu distribuciju. Kvadrirani prosjek fluktuacija struje je:

gdje e  = elementarno naelektrisanje, a I = prosječna struja. Šum udarca je bijeli šum.

 Trepereći šum 

Trepereći šum je elektronski šum sa  frekventnim spektrom; pri porastu , šum se smanjuje, i obrnuto. Trepereći šum dolazi iz raznih izvora, kao što su nečistoće u provodnom kanalu, generiranja i rekombinacije šuma u tranzistoru, usljed osnovne struje, itd. Taj šum se izbjegava modulacijom signala na višoj frekvenciji, kao naprimjer upotrebom fiksnog pojačala.

 Šum okoline 

Šum okoline dolazi 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 izbjeći. Toplotna i vibraciona izolacija mogu da budu neophodni za neke instrumente.

 Redukcija šuma 
Redukcija šuma se može ostvariti preko hardvera ili softvera. Primjeri hardverskog smanjenja šuma su upotreba oklopljenih kablova, analognog filtriranja i modulacije signala. Primjeri softverske redukcije šuma su digitalno filtriranje, zajednički prosjek i raspoložive metode korelacije.

 Primjena 
Glavnina analitičkog hemijskog istraživanja je u velikoj mjeri određena potencijalima metoda (senzitivnost, selektivnost, robusnost, linearni opseg, tačnost, preciznost i brzina) i utroškom (kupovina, rad, trening, vrijeme i prostor). Među glavnim granama savremene analitičke atomske spektrometrije, najraširenija i najopćija je masena spektrometrija. U direktne elementarne analize čvrstih uzoraka. Novi metodski lideri su masena spektroskopija laserom induciranog raspada, laserske ablacije i srodne tehnike sa transferom proizvoda laserske ablacije u induktivno spregnutu plazmu. Uspjesi u dizajnu diodnih lasera i optičkih parametarskih oscilatora podstiču dalji razvoj fluorescentne i ionizacione spektrometrije, a isto tako apsorpcijskih tehnika, kada se očekuje povećanje korištenja optičkih šupljina s ciljem produživanja efektivnog apsorpcionog puta. Upotreba metoda baziranih na plazmi, a laserima se povećava. Interes za absolutnu  (nestandardnu) analizu je posebno uznapredovao u emisijskoj spektrometriji.

Veliki napori se ulažu u kompresiranje analitičkih tehnika do veličine čipa. Iako postoji mali broj primjera takvih sistema koji su  konkurentni tradicionalnim analitičkim tehnikama, potencijalne prednosti obuhvataju veličinu/portabilnost, brzinu i trošak. Hemija na mikro skali smanjuje količine korištenih hemikalija.

Mnoga od unapređenja ovih metoda pospješuju analizu bioloških sistema. Primjeri brzo rastućih polja u ovoj oblasti su:
 Genomika – DNK sekvenciranje i njima srodna i povezana istraživanja. Genetski otisci prstiju i DNK mikročip su važni i alati i istraživačka polja.
 Proteomika – analiza proteinskih koncentracija i modifikacija, posebno u odgovoru na različite stresove, u različitim fazama razvoja, ili različitim dijelovima tijela.
 Metabolomika – slična je proteomici, ali se bavi metabolitima.
 Transkriptomika – iRNK i njoj srodno polje transkripcije genetičkog koda.
 Lipidomika – lipidi i njima srodana područja;
 Peptidomika - peptidi i njima srodne oblasti;
 Metalomika - slična je proteomici i metabolomici, ali proučava koncentracije metala, posebno njihovog vezanja za proteinske i druge molekule.
Analitička hemija ima odlučujuću ulogu u razumijevanju osnovnih prirodnih nauka i u mnoštvu njihovih primjena, kao što su biomedicina, ekološko praćenje, kontrola kvaliteta industrijske proizvodnje, niz forenzičkih procedura, itd.

Nedavni razvoj kompjuterske automatizacije i nove informacijske tehnologije je proširio mogućnosti primjene analitičke hemije u brojnim novim pravcima bioloških nauka. Naprimjer, automatizirane mašine za DNK sekvenciranje su bile osnova za završetak projekata ljudskog genoma iz čega je nastalo polje genetsko polje genomika. Identifikacija proteina i sekvenciranje peptida masenom spektrometrijom je otvorilo novi pravac proteomike.
Analitička hemija je bila nezamjenljiva u razvoju nanotehnologije. Instrumenti za karakterizaciju površina, elektronski mikroskopi, elektronski stereoskani i mikroskopi skenirajućih sondi su, uz hemijsku karakterizaciju, omogućili  vizualizaciju atomske strukture.

 Također pogledajte 
 Mjeriteljstvo
 Mjerna nesigurnost

Reference

Vanjski linkovi

 Annual Review of Analytical Chemistry 
 http://www.analyticalsciences.org/ .
 http://rsc.org/Gateway/Subject/Analytical/ .

 https://www.gdch.de/netzwerk-strukturen/fachstrukturen/analytische-chemie.html Fachgruppe Analytische Chemie] der Gesellschaft Deutscher Chemiker
 https://web.archive.org/web/20121229044730/http://www.aktuelle-wochenschau.de/2005/index05.htm aktuelle Wochenschau] - Neuigkeiten aus der analytischen Forschung
 http://www.lectures4you.de/fachbereiche.php?Fachgebiet=Chemie&Fachbereich=Analytische%20Chemie 
 http://www.chem-astu.ru/chair/study/anchem/ 
 http://www.uspkhim.ru/php/paper_rus.phtml?journal_id=rc&paper_id=1174 
 http://www.chemport.ru/chemical_encyclopedia_letter_a.html

Kategorija:Analitička hemija
Kategorija:Nauka o materijalima