分析化學 - Wikiwand
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分析化學

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氣相色譜法實驗室
氣相色譜法實驗室

分析化學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[1]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[2]。儀器分析方法使用儀器去測量分析物的物理屬性,比如光吸收熒光電導等。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。當代分析化學着重儀器分析,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體積來做定量分析。

歷史

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[3]

在定性分析方面,1829年德國化學家海因里希·羅斯英語Heinrich Rose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[4]

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英語Henry Fox Talbot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·本生古斯塔夫·基爾霍夫利用本生燈發現了元素光譜學作為分析化學的一個重要分支從此誕生[5]

進入20世紀之後,隨着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(如光學電學放射性等方面的特性),靈敏度可以達到很高的水平[4]

目前分析化學還處於第三次變革,這意味着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

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
  • 法醫學分析

分析的方法

古典分析方法

在這個定性分析實驗中,藍綠色的焰色顯示該樣本可能有銅的存在。
在這個定性分析實驗中,藍綠色的焰色顯示該樣本可能有的存在。

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[6]。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氧化還原滴定等等。

儀器分析

顯示激勵和反應測量的分析儀器的框圖
顯示激勵和反應測量的分析儀器的框圖
此章節需要擴充。 (2016年4月1日)

訊號和雜訊

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[7]。訊號和雜訊的比例稱為訊噪比(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。

熱雜訊

熱雜訊也稱為詹森-奈奎斯特噪音英語Johnson–Nyquist noise,來自電路中因熱產生的載子(通常是電子)的移動。熱雜訊屬於白雜訊,其頻譜範圍內的功率譜密度為定值。

電阻產生熱雜訊的均方根值為[7]

其中波茲曼常數溫度電阻為頻率帶寬

散粒雜訊

散粒雜訊是儀器中的粒子(例如光學設備中的光子或是電路中的電子)夠小,因此產生訊號的統計波動,也屬於白雜訊

散粒雜訊是泊松過程,載子產生的電流會依照泊松分佈,電流的均方根值如下[7]

其中基本電荷為平均電流。

閃爍雜訊

閃爍雜訊屬於雜訊,也稱粉紅雜訊[8],當頻率上昇時.雜訊會下降。閃爍雜訊的因素有許多種,例如導線中的雜質,電晶體因基極電流產生的載流子複合雜訊等。閃爍雜訊可以由將訊號調制到較高頻率來避免,例如應用Lock-in放大器

環境雜訊

熱重分析中雜訊。中間的部份雜訊較小,是因夜間人員活動較少,產生的環境雜訊也較少
熱重分析中雜訊。中間的部份雜訊較小,是因夜間人員活動較少,產生的環境雜訊也較少

環境雜訊英語Environmental noise來由自分析儀器環境的雜訊。環境雜訊的來源包括電力線、廣播及電視訊號、無線通訊節能燈[9]馬達。其中許多雜訊的頻寬很窄,因此可以避免。有些儀器可能需要固定溫度及隔振英語vibration isolation處理。

降噪

降噪可以由電腦硬件軟件進行。硬件的降噪包括使用屏蔽線英語Shielded cable、模擬濾波器及訊號的調制。軟件的降噪包括數碼濾波器總體均值英語ensemble average、廂車平均法(boxcar average)及相關系數[7]

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、線性範圍英語linear range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[10]。在固體様品的直接元素分析中,領先的是激光誘導擊穿光譜激光消融英語laser ablation質譜,以及感應耦合等離子質譜分析儀中激光消融的相關技術。

分析化學領域為了將分析設備縮小到集成電路的大小,已花了許多的心力。目前已有上一些這類的設備(如微全分析系統英語Total Analysis System晶片實驗室[11]),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。微型化學英語Microscale chemistry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:

參考文獻

引用

  1. ^ Holler, F. James; Skoog, Douglas A.; West, Donald M. Fundamentals of analytical chemistry. Philadelphia: Saunders College Pub. 1996. ISBN 0-03-005938-0. 
  2. ^ Nieman, Timothy A.; Skoog, Douglas A.; Holler, F. James. Principles of instrumental analysis. Pacific Grove, CA: Brooks/Cole. 1998. ISBN 0-03-002078-6. 
  3. ^ Jöns Jacob Berzelius. Encyclopædia Britannica Online. [2008-08-03]. (原始內容存檔於2015-05-04). 
  4. ^ 4.0 4.1 鄭長龍. 化学科学实验的兴起和化学实验方法论的建立──近代化学实验的发展及其特点. 《長春師範學院學報》. 1999, (02) [2012-11-23]. (原始內容存檔於2010-04-19). 
  5. ^ 陳俊豪. 光谱学与元素的发现. [2012-11-23]. (原始內容存檔於2016-03-04). 
  6. ^ 焰色測試 (Flame Test). Intranet.chw.edu.hk. [2014-05-01]. (原始內容存檔於2020-11-11). 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Crouch, Stanley; Skoog, Douglas A. Principles of instrumental analysis. Australia: Thomson Brooks/Cole. 2007. ISBN 0-495-01201-7. 
  8. ^ 安捷倫科技 參數量測手冊 第三版 頁面存檔備份,存於互聯網檔案館 page.29 "此外,電子學通常將1/f雜訊稱為閃爍雜訊......也有人將 1/f雜訊稱為粉紅雜訊"
  9. ^ Health Concerns associated with Energy Efficient Lighting and their Electromagnetic Emissions (PDF). Trent University, Peterborough, ON, Canada. [2011-11-12]. (原始內容存檔 (PDF)於2020-07-30). 
  10. ^ Bol'Shakov, Aleksandr A; Ganeev, Aleksandr A; Nemets, Valerii M. Prospects in analytical atomic spectrometry. Russian Chemical Reviews. 2006, 75 (4): 289. doi:10.1070/RC2006v075n04ABEH001174. 
  11. ^ 醫療器械技術發展:生物晶片技術. Libnet.sh.cn:82. [2014-05-01]. (原始內容存檔於2020-04-10). 

來源

書籍
  • 《基礎化學》化學工業出版社

外部連結

參見

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