分析化学

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分析化学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]定性分析可以找到样品中有何化学成分;定量分析可以确定这些成分的含量。在分析样品时一般先要想法分离不同的成分。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为两大类,经典方法和仪器分析方法[2]。仪器分析方法使用仪器去测量分析物的物理属性,比如光吸收荧光電導等。仪器分析法常使用如电泳、色谱法、场流分级英语Field flow fractionation等方法来分离样品。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(也常被称为湿化学方法)常根据颜色,气味,或熔点等来分离样品(比如萃取沉淀蒸馏等方法)。这类方法常通过测量重量体积来做定量分析。

历史[编辑]

无机化学的知识在19世纪逐渐系统化,當時永斯·貝采利烏斯发明分析天平,使测量得到的实验数据更加接近真实值,也可以用實驗的事实來證實化學定律。永斯·貝采利烏斯把测定原子量的很多新方法,新试剂,新仪器引用到分析化学中来,使定量分析精确度达到了一个新的高度。而后来人们都尊称他为分析化学之父[3]

在定性分析方面,1829年德国化学家海因里希·罗斯英语Heinrich Rose编写了一本《分析化学教程》,首次提出了系统定性分析方法。这与目前通用的分析方法已经基本相同了。而到18世纪末,酸碱滴定的各种形式和原则也基本确定[4]

而对于分析化学的一个重要部分光谱分析,则是从牛顿开始的。牛顿从1666年开始研究光谱,并于1672年发表了他第一篇论文《光和色的新理论》。从此,观察和研究光谱的人也越来越多,观测的技术也越来越高明。而在1825年英国物理学家塔尔博特英语Henry Fox Talbot制造了一种研究光谱的仪器,对碱金属火焰进行研究,发现了元素有特征光谱的现象。后来德国科学家罗伯特·本生古斯塔夫·基爾霍夫利用本生灯发现了元素光谱学作为分析化学的一个重要分支从此诞生[5]

进入20世纪之后,随着科学技术和工业的发展,新的分析方法--仪器分析产生了,包括吸光光度法发射光度法极谱分析法放射分析法红外光谱紫外可见光光谱核磁共振等现代化分析方法。这些分析方法超越了经典分析方法的局限,几乎都不再是通过定量化学反应来确定成分含量,而是根据被检测组分的物理的或化学的特性(如光学电学放射性等方面的特性),灵敏度可以达到很高的水平[4]

目前分析化学还处于第三次变革,这意味着分析化学不再局限于测定物质的组成和含量,而还要对物质的状态结构微区薄层和表面的组成与结构以及化学行为生物活性等到做出瞬时的追踪,无损的和在线监测等分析及过程控制。甚至是要求直接观察原子或分子形态和排列。

分析化學型式[编辑]

當代分析化學[编辑]

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。科学期刊《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[编辑]

  • 生物分析化學
  • 材料分析
  • 化學分析
  • 環境分析
  • 法医学分析

分析的方法[编辑]

古典分析方法[编辑]

在这个定性分析实验中,蓝绿色的焰色顯示該樣本可能有的存在。

虽然现代分析化学大多使用成熟精密的仪器,但一些被用于现代仪器中的原则还是来源于一些至今仍在使用的传统技术。这些技术也仍然是大多数大学本科分析化学教学实验室的骨干。

定性分析[编辑]

定性分析被用来确定一种特定成分的存在,而不是它的重量或浓度。简单的说,就是与数量无关。

化学测试[编辑]

现有的定性化学测试有很多种,比如中学教育中常用石蕊试纸来显示溶液的酸碱性。

焰色测试[编辑]

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,磚紅火焰表示含有鉀等。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[编辑]

重量分析[编辑]

重量分析法通过测量变化前后的样品重量来确定特定物资的含量。大学本科教育中常见的一个例子是通过加热水合物前后的重量变化来确定水合物中的水的含量。

容量分析[编辑]

滴定在化学分析中,是一种分析溶液成分的方法。将标准溶液逐滴加入被分析溶液中,用颜色变化、沉淀物的生成、电导率溫度的变化等来确定反应的终点。滴定通过两种溶液的定量反应来确定某种溶质的含量。較常见的滴定分析包括酸鹼中和滴定氧化还原滴定等。

儀器分析[编辑]

信號和雜訊[编辑]

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。

熱噪声[编辑]

熱噪声也稱為詹森-奈奎斯特噪音英语Johnson–Nyquist noise,來自電路中因熱產生的載子(通常是電子)的移動。熱噪声屬於白雜訊,其频谱範圍內的功率谱密度為定值。

電阻產生熱噪声的均方根值為[7]

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

其中kB波茲曼常數T溫度R電阻\Delta f為頻率f的带宽

散粒噪声[编辑]

散粒噪声是儀器中的粒子(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

散粒噪声是泊松过程,載子產生的電流會依照泊松分佈,電流的均方根值如下[7]

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

其中e基本電荷I為平均電流。

闪烁噪声[编辑]

闪烁噪声英语Flicker noise屬於1/ƒ噪声,也稱粉紅雜訊[8],當頻率上昇時.噪声會下降。闪烁噪声的因素有許多種,例如導線中的雜質,電晶體因基極電流產生的載流子复合噪声等。闪烁噪声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[编辑]

熱重分析中雜訊。中間的部份噪聲較小,是因夜間人員活動較少,產生的環境噪聲也較少

環境噪聲英语Environmental noise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、無線通訊节能灯[9]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英语vibration isolation處理。

降噪[编辑]

降噪可以由電腦硬體軟體進行。硬體的降噪包括使用屏蔽線英语Shielded cable類比濾波器及信號的調變。軟體的降噪包括数字滤波器总体均值英语ensemble average厢车平均法(boxcar average)及相關係數[7]

應用[编辑]

分析化學的研究大部份是因性能(靈敏度、選擇性、強健性、線性範圍英语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,領先的是激光诱导击穿光谱英语laser-induced breakdown spectroscopy激光消融英语laser ablation質譜,以及感應耦合電漿質譜分析儀英语inductively coupled plasma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(如微全分析系統英语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。微型化學英语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:

相關條目[编辑]

参考文献[编辑]

  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]. 
  4. ^ 4.0 4.1 郑长龙. 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. 《长春师范学院学报》. 1999, (02). 
  5. ^ 陳俊豪. 光谱学与元素的发现. [2012-11-23]. 
  6. ^ 焰色測試 (Flame Test). Intranet.chw.edu.hk. [2014-05-01]. 
  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 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. Trent University, Peterborough, ON, Canada. [2011-11-12]. 
  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]. 
  • 《基础化学》化学工业出版社

外部链接[编辑]