分析化學

分析化學（Analytical chemistry）是開發分析物質成分、結構的方法，使化學成分得以定性和定量，化學結構得以確定。定性分析可以找到樣品中有何化學成分；定量分析可以確定這些成分的含量。在分析樣品時一般先要想法分離不同的成分。分析化學是化學家最基礎的訓練之一，化學家在實驗技術和基礎知識上的訓練，皆得力於分析化學。

分析的方式大概可分為兩大類，經典方法和儀器分析方法。儀器分析方法使用儀器去測量分析物的物理屬性，比如光吸收、螢光、電導等。儀器分析法常使用如電泳、色譜法、場流分級等方法來分離樣品。當代分析化學著重儀器分析，常用的分析儀器有幾大類，包括原子與分子光譜儀，電化學分析儀器，核磁共振，X光，以及質譜儀。儀器分析之外的分析化學方法，現在統稱為古典分析化學。古典方法（也常被稱為濕化學方法）常根據顏色，氣味，或熔點等來分離樣品（比如萃取、沉澱、蒸餾等方法）。這類方法常通過測量重量或體積來做定量分析。

## 歷史

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無機化學的知識在19世紀逐漸系統化，當時永斯·貝采利烏斯發明分析天平，使測量得到的實驗數據更加接近真實值，也可以用實驗的事實來證實化學定律。永斯·貝采利烏斯把測定原子量的很多新方法，新試劑，新儀器引用到分析化學中來，使定量分析精確度達到了一個新的高度。而後來人們都尊稱他為分析化學之父。

在定性分析方面，1829年德國化學家海因里希·羅斯編寫了一本《分析化學教程》，首次提出了系統定性分析方法。這與目前通用的分析方法已經基本相同了。而到18世紀末，酸鹼滴定的各種形式和原則也基本確定。

而對於分析化學的一個重要部分光譜分析，則是從牛頓開始的。牛頓從1666年開始研究光譜，並於1672年發表了他第一篇論文《光和色的新理論》。從此，觀察和研究光譜的人也越來越多，觀測的技術也越來越高明。而在1825年英國物理學家塔爾博特製造了一種研究光譜的儀器，對鹼金屬火焰進行研究，發現了元素有特徵光譜的現象。後來德國科學家羅伯特·本生與古斯塔夫·基爾霍夫利用本生燈發現了元素銫和銣。光譜學作為分析化學的一個重要分支從此誕生。

進入20世紀之後，隨著科學技術和工業的發展，新的分析方法—儀器分析產生了，包括吸光光度法，發射光度法，極譜分析法，放射分析法，紅外光譜，紫外可見光光譜，核磁共振等現代化分析方法。這些分析方法超越了經典分析方法的局限，幾乎都不再是通過定量化學反應來確定成分含量，而是根據被檢測組分的物理的或化學的特性（如光學、電學和放射性等方面的特性），靈敏度可以達到很高的水平。

目前分析化學還處於第三次變革，這意味著分析化學不再局限於測定物質的組成和含量，而還要對物質的狀態，結構，微區，薄層和表面的組成與結構以及化學行為和生物活性等到做出瞬時的追蹤，無損的和在線監測等分析及過程控制。甚至是要求直接觀察原子或分子形態和排列。

## 分析化學型式

- 定性分析 - 以確定某一元素或化合物的存在
- 定量分析 - 以確定某一元素或化合物的數量

## 當代分析化學

當代分析化學將研究分為兩個範疇，一是分析的對象，一是分析的方法。科學期刊《分析化學》（Analytical Chemistry）每年在第12期會在兩個範疇輪流做一次回顧評述。

### 分析的對象

- 生物分析化學
- 材料分析
- 化學分析
- 環境分析
- 藥物分析
- 法醫學分析

### 分析的方法

- 光譜學
- 質譜學
- 分光度和比色法
- 層析和電泳法
- 結晶學
- 顯微術
- 電化學分析

## 古典分析方法

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雖然現代分析化學大多使用成熟精密的儀器，但一些被用於現代儀器中的原則還是來源於一些至今仍在使用的傳統技術。這些技術也仍然是大多數大學本科分析化學教學實驗室的骨幹。

### 定性分析

定性分析被用來確定一種特定成分的存在，而不是它的重量或濃度。簡單的說，就是與數量無關。

#### 化學測試

現有的定性化學測試有很多種，比如中學教育中常用石蕊試紙來顯示溶液的酸鹼性。

#### 焰色測試

焰色測試是化學上用來測試某種金屬是否存在在於化合物的方法。其原理是每種元素都有其個別的光譜，因此藉由高溫燃燒後火焰的顏色判含有哪一種金屬，例如金黃色火焰表示含有鈉，磚紅火焰表示含有鈣等。樣本通常是粉或小塊的形式。以一條清潔且對化學惰性的金屬線（例如鉑或鎳鉻合金）盛載樣本，再放到本生燈的無光焰（藍色火焰）中。

### 定量分析

#### 重量分析

重量分析法通過測量變化前後的樣品重量來確定特定物質的含量。大學本科教育中常見的一個例子是通過加熱水合物前後的重量變化來確定水合物中的水的含量。

#### 容量分析

滴定在化學分析中，是一種分析溶液成分的方法。將標準溶液逐滴加入被分析溶液中，用顏色變化、沉澱物的生成、電導率或溫度的變化等來確定反應的終點。滴定通過兩種溶液的定量反應來確定某種溶質的含量。較常見的滴定分析包括酸鹼中和滴定及氧化還原滴定等等。

## 儀器分析

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- 原子吸收光譜法
- 原子熒光光譜法
- α質子-X射線光譜儀
- 毛細管電泳分析儀
- 層析法
- 比色法
- 循環伏安法
- 差示掃描量熱法
- 電子順旋共振儀
- 電子自旋共振
- 橢圓偏振技術
- 場流分離
- 傳式轉換紅外線光譜術
- 氣相色譜法
- 氣相色譜法-質譜聯用
- 高效液相色譜法
- 液相色譜法-質譜聯用
- 離子微探針
- 感應耦合電漿
- 選擇性電極
- 雷射誘導擊穿光譜儀
- 質譜儀
- 穆斯堡爾譜學
- 核磁共振
- 粒子誘發X-射線產生
- 熱裂解-氣相色譜-質譜儀
- 拉曼光譜
- 折射率
- 共振增強多光子電離譜
- 掃瞄穿透X射線顯微鏡
- 薄層色譜法
- 透射電子顯微鏡法
- X射線晶體學
- X射線熒光光譜儀
- X射線顯微鏡

## 信號和雜訊

分析化學中一個重要的內容是使需要的訊號增到最大值，同時使相關雜訊得到最小值。訊號和雜訊的比例稱為訊雜比（S/N或SNR）。

雜訊可能來自環境的因素，也可能是由來基本的物理反應。

### 熱噪聲

熱噪聲也稱為詹森-奈奎斯特噪音，來自電路中因熱產生的載子（通常是電子）的移動。熱噪聲屬於白雜訊，其頻譜範圍內的功率譜密度為定值。

電阻產生熱噪聲的均方根值為：

$$v_{{RMS}} = \sqrt { 4 k_B T R \Delta f },$$

其中$k_B$為波茲曼常數，$T$是溫度，$R$是電阻，$\Delta f$為頻率$f$的帶寬。

### 散粒噪聲

散粒噪聲是儀器中的粒子（例如光學設備中的光子或是電路中的電子）夠小，因此產生信號的統計波動，也屬於白雜訊。

散粒噪聲是泊松過程，載子產生的電流會依照泊松分佈，電流的均方根值如下：

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

其中$e$為基本電荷，$I$為平均電流。

### 閃爍噪聲

閃爍噪聲屬於$1/f$噪聲，也稱粉紅雜訊，當頻率上昇時．噪聲會下降。閃爍噪聲的因素有許多種，例如導線中的雜質，電晶體因基極電流產生的載流子復合噪聲等。閃爍噪聲可以由將信號調變到較高頻率來避免，例如應用Lock-in放大器。

### 環境噪聲

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環境噪聲來由自分析儀器環境的噪聲。環境噪聲的來源包括電力線、廣播及電視信號、無線通訊、節能燈及馬達。其中許多噪聲的頻寬很窄，因此可以避免。有些儀器可能需要固定溫度及隔振處理。

### 降噪

降噪可以由電腦硬體或軟體進行。硬體的降噪包括使用屏蔽線、類比濾波器及信號的調變。軟體的降噪包括數字濾波器、總體均值、廂車平均法（boxcar average）及相關係數法。

## 應用

分析化學的研究大部份是因性能（靈敏度、選擇性、強健性、線性範圍、準確與精密及速度）及成本（購買、操作、訓練、時間及空間）所帶動。在當代分析化學原子光譜法的主要分支中，最廣泛及普遍的是光譜法及質譜法。在固體様品的直接元素分析中，領先的是雷射誘導擊穿光譜及雷射消融質譜，以及感應耦合電漿質譜分析儀中雷射消融的相關技術。

分析化學領域為了將分析設備縮小到積體電路的大小，已花了許多的心力。目前已有上一些這類的設備（如微全分析系統及晶片實驗室），其效果和傳統分析技術相當，且大小、速度及成本有潛在的優勢。微型化學可以減少試様的使用數量。

許多的研究和生物系統的分析有關。這些快速進展的領域包括：

- 基因組學：DNA測序及相關的技術。遺傳指紋分析及DNA微陣列是其中重要的工具及研究領域。
- 蛋白質組學：蛋白質集中及修改的分析，特別是針對多種應激物，在不同的發展階段下等。
- 代謝物組學：類似蛋白質組學，但主要針對代謝產物的分析。
- 轉錄組：mRNA及其相關領域。
- 脂質組學：脂質及其相關領域。
- 多肽組學：多肽及其相關領域。
- 糖組學：糖及其相關領域。
- 新陳代謝學，類似蛋白質組學及代謝物組學，但專注於金屬濃度，以及金屬和蛋白質及其他分子的鍵結。

## 外部連結

- Annual Review of Analytical Chemistry
- American Chemical Society: Division of Analytical Chemistry
- Royal Society of Chemistry: Analytical Gateway