Аналітична хімія: Методи та інструментарій

Вступ до аналітичної хімії

Аналітична хімія – це наука про отримання, обробку та передачу інформації щодо складу та структури речовин. Вона відповідає на фундаментальні питання: що присутнє? Яка його кількість? Яка його структура? Де воно знаходиться? Це дисципліна, яка лежить в основі екологічного моніторингу, контролю якості фармацевтичних препаратів, клінічної діагностики, тестування харчових продуктів, криміналістичного дослідження, характеристики матеріалів та фундаментальних хімічних досліджень.

Сучасна аналітична хімія поєднує класичні методи вологохімії – об’ємні титрування, гравіметрія, колориметрія – із складними інструментальними методами, що використовують електромагнітне випромінювання (спектроскопія), електричні поля (електроаналітична хімія) та роздільну хроматографію, електрофорез. Мініатюризація та автоматизація тепер дозволяють пристроям розміром зі смартфон виконувати аналізи, які раніше потребували цілих лабораторій, демократизуючи потужні вимірювання по всьому світу.

Спекстроскопічні Методи

Ультрафіолетово-видиме (УВ-Видиме) Спектроскопію”, “УВ-Видима спектроскопія вимірює поглинання світла у діапазоні 200–800 нм, пов’язане з електронними переходами в молекулах. Закон Бера-Лямберта (A = εcl) встановлює зв'язок між поглинанням, концентрацією, молярною поглинальною здатністю та довжиною шляху, що дозволяє здійснювати просте кількісне визначення. Застосування охоплюють фармакопейний аналіз, визначення концентрації білків, кінетику ферментів та аналіз навколишнього середовища забруднюючих речовин з видимим кольором. Діод-масивні детектори отримують повні спектри за мілісекунди, поєднавшись з HPLC для оцінки чистоти піків.

Інфрачервона (ІЧ) та Рамановська Спектроскопія”, “Інфрачервона спектроскопія досліджує вібраційні переходи, створюючи відбитки пальців для ідентифікації функціональних груп. Перетворення Фур’є інфрачервоної (ІЧ-ТФ) спектроскопії забезпечує швидкі та високороздільні спектри в діапазоні середнього ІЧ (400–4000 см−1). Методи повного відображення в атмосфері (Ат-ІЧ) аналізують тверді та рідкі речовини без попередньої підготовки зразка. Рамановська спектроскопія спостерігає непружні розсіювання світла, що доповнює ІЧ (ІЧ-активні: зміна диполю; Раманова-активні: зміна поляризації). Збільшена раманова розсіювання (ЗРР) з плазмових наночастинок досягає чутливості до окремих молекул, використовуючи плазмові наночастинки для досягнення одномолекулярної чутливості. Портативні раманові інструменти виявляють вибухівку, наркотики та фармацевтичну фальсифікацію на місці.

Ядерний Магнітно-Резонансний (ЯМР) Спектроскопія”, “ЯМР є основним методом для з’ясування молекулярної структури, використовуючи ядерний спін резонансу 1H, 13C, 15N, 31P та інших ядер у магнітних полях. Зміщення хімічних сигналів звітує про електронне середовище; константи зв’язку кодують череззв'язковість; кореляції NOE надають відстані між атомами в просторі для 3D-структури. ЯМР у розчинах визначає структури білків у розчині; ЯМР твердого стану характеризує кристалічні та аморфні матеріали. Кількісний ЯМР (кЯМР) є метрологічно відстежуваним для визначення чистоти фармацевтичних препаратів; метаболомний ЯМР профілює сотні метаболітів у біофлюїдах одночасно.

Мас-Спектрометрія”, “Мас-спектрометрія вимірює співвідношення маси до заряду іонів, надаючи молекулярну масу та фрагментаційні патерни для визначення структури. М'які методи іонізації – електроспрейна іонізація (ЕСІ) та матрицево-підтримана лазерна дезагрегація іонів (MALDI) – зберігають цілі великі біомолекули. Інструменти високої роздільної здатності (Orbitrap, FT-ICR) досягають точності 5 ppm або краще для визначення елементарних формул. Двократне мас-спектрометричне аналіз (МС/МС) фрагментує вибрані іони для визначення послідовності пептидів та ідентифікації невідомих речовин. LC-MS/MS є золотим стандартом для клінічного моніторингу ліків, протеоміки та аналізу органічних забруднювачів навколишнього середовища.”]}

Наука про розділення

Газова хроматографія (GC)

GC відокремлює леткі сполуки шляхом розподілу між носійним газом та стаціонарною фазою, що покриває всередині голкової колонки. Програмування температури дозволяє розділити компоненти з широким діапазоном кипіння. Селективні детектори (FID для гідровуглеців, ECD для галогенумічених сполук, NPD для азотвмісних та фосфорвмісних) забезпечують чутливість і селективність. GC-MS ідентифікує невідомі сполуки шляхом порівняння масового спектру з бібліотекою NIST. Застосування включають аналіз палива, склад ароматів та парфумів, криміналістичну токсикологію та моніторинг летких органічних сполук довкілля.

Високоефективна рідинна хроматографія (ВЕРХ)

ВЕРХ відокремлює нелеткі сполуки в розчині за допомогою зворотного, нормального, іонно-обмінного або розмірне розділення. Частинки з розміром менше 2 мкм в УГХК (UHPLC) зменшують час аналізу до кількох хвилин, одночасно покращуючи роздільну здатність. Градієнтне елюювання з використанням виявлення методом ультрафіолетової-видимого світла, флуоресценції або мас-спектрометрії кількісно визначає домішки ліків, вітаміни, залишки пестицидів та глікоформи білків. Іонна хроматографія з виявленням провідністю визначає неорганічні аніони (хлорид, нітрат, сульфат) та катіони у водному середовищі на рівні мс/л.

Капілярна електрофоретична роздільна здатність

Капілярна електрофоретична роздільна здатність (КЕР) відокремлює іони шляхом різного переміщення в електричному полі всередині вузькостільних капілярів, заповнених електролітом. Високі поля сили (10–30 кВ) та тонкі капіляри забезпечують ефективне розділення протягом декількох хвилин із використанням зразків об'ємом нанолітрів. Капілярна зольова електрофоретична роздільна здатність (КЗЕР) базується на співвідношенні заряд-розмір; міцелярна електрокінетична хроматографія (МЕКХ) відокремлює нейтральні молекули за допомогою поверхньоактивних мил використовуваних як псевдо-стаціонарні фази. КЕР-масс-спектрометрія характеризує терапевтичні моноклональні антитіла та цілісні білки, які викличують системи LC.

Електроаналітична хімія

Потенціометрія вимірює потенціал електрода в умовах нульового струму, найвідоміше через pH-електрод (скляна мембрана реагує на протонну активність). Іонноселективні електроди (ISE) для Na+, K+, Ca2+, Cl− та інших іонів є важливими в клінічних аналізаторах крові, які щодня проводять тисячі тестів. Використовуються також тверді-стані ISE з полімерними мембранами для створення носимих сенсорів для моніторингу електролітів поту. Рівняння Нікольського–Ізенмана описує селективність ISE, що допомагає проєктувати електроди для складних матриць.

Вольтаметрія

Вольтаметричні методи застосовують потенціальні хвилі до електрода та вимірюють струм, який утворюється, досліджуючи окислювально-відновні процеси. Диференційоване імпульсне вольтаметрію та квадратне хвильове вольтаметрію використовуються для виявлення слідів металів (Pb2+, Cd2+) у воді на рівні ppb, а також для аналізу електрохімічних процесів в батареях та каталізаторах. Циклічне вольтаметрію використовується для характеристики окислювально-відновних пар, механізмів реакцій та кінетики електродів у наукових дослідженнях.

Аналітичний опис

Аналіз елементів – це метод визначення кількості різних елементів у зразку, зазвичай використовуючи спектроскопію. Найбільш поширені методи включають атомно-абсорбційну спектроскопію (ААС), індійське плазмове випромінювання (ІПВ) та рентгенівську флуоресцію (РФ). ААС використовує атомно-абсорбційну спектроскопію для вимірювання кількості певних елементів у зразку, наприклад, залізна або цинкова. ІПВ використовує індійське плазмове випромінювання для вимірювання кількості різних елементів у зразку, наприклад, срібло або золото. Рентгенівська флуоресцію використовує рентгенівське випромінювання для вимірювання кількості різних елементів у зразку, наприклад, вуглець або кисень. Крім того, аналіз елементів може використовуватись для визначення складу матеріалів, таких як сплави та кераміка. Він також може використовуватися для контролю якості харчових продуктів і медичних препаратів.

Приклади та застосування

Цей приклад пояснює профілювання фармацевтичних забруднень. Дотримання вимог ICH вимагає кількісного визначення забруднень, що перевищують 0,05% у лікарських субстанціях за допомогою ВПХ. LC-MS/MS ідентифікує невідомі речовини на основі точності маси, фрагментації та літературних даних. Стабільні методи аналізу виявляють продукти розкладання при навантажених умовах. Хімія аналізу забезпечує безпеку та ефективність ліків, підтримуючи схвалення регуляторними органами.

Цей приклад демонструє моніторинг питної води. Нормативні акти щодо питної води вимагають обмежень на мікрорівні для пестицидів, фармацевтичних препаратів та побічних продуктів дезінфекції. Вилуговування з твердої фази концентрує сліди аналітиків із літрів води; LC-MS/MS кількісно визначає сотні забруднюючих речовин одночасно. Автоматизовані онлайн-станції моніторингу надають дані в режимі реального часу. ICP-MS вимірює арсенал, свинець і ртуть на рівні нґ/Л, забезпечуючи захист громадського здоров’я.

Цей приклад показує протеоміку за допомогою LC-MS/MS. Метод зниження донизу перетворює білки з використанням трипсину, розділяє пептиди за допомогою нано-LC і ідентифікує за допомогою високороздільної MS/MS фрагментації спектрів, які відповідають базам даних білків. Тисячі білків ідентифіковано з витягів клітин у одному експерименті. Методи кількісного визначення без міток або ізотопні мітки (SILAC, iTRAQ) вимірюють зміни в рівню білків між умовами, розкриваючи біомаркери захворювань і цілі ліків.

Цей приклад демонструє аналітичну хімію у сфері криміналістики документів. Спектроскопія Рамана неруйнівним чином ідентифікує склад чорнила на документах, виявляючи зміни та підроблені підписи. FTIR ідентифікує покриття паперу, визначаючи виробника та дату виробництва. ICP-MS елементний профайл чорнила та паперу пов’язує документи з партіями виробництва. Хімія аналізу надає криміналістичні докази, які можна представити в суді.

Цей приклад показує тестування автентичності продуктів харчування. ЯМР-спектроскопія профалює оливкову олію, мед та вино, відрізняючи географічне походження та виявляючи підробки. Стабільний аналіз ізотопних співвідношень (SIRA) за допомогою мас із співвідношенням ізотопів визначає географічне походження ванілі, соку апельсина та спиртів. ПЦР і LC-MS виявляють ДНК та білкові маркери нерозкритих видів у м’ясопродуктів. Хімія аналізу підтримує цілісність маркування продуктів харчування.

Цей приклад демонструє моніторинг терапевтичного дозування лікарських препаратів. LC-MS/MS кількісно визначає імуносупресори (такролід, циклоспорин) у крові в цілому нижче 1 нґ/мл з терміном повернення 15 хвилин, керуючи дозуванням трансплантації органів. Збір висипань із сухого крові зменшує дискомфорт для пацієнтів і дозволяє віддалене збирання. Мультиплексовані аналізи на одному 3 мм висипанні одночасно вимірюють 10+ препаратів, підвищуючи ефективність програм моніторингу терапевтичного дозування.

Цей приклад характеризує електроліти акумуляторів за допомогою спектроскопії. ЯМР-спектроскопія кількісно визначає склад електроліту та ідентифікує продукти розкладання в літій-іонних акумуляторах. FTIR відстежує формування інтерфейсу твердого-електроліт (SEI). ICP-OES вимірює розчинену металеву забруднювальну речовину після циклів. Електроекологічна імпедансна спектроскопія характеризує опір інтерфейсу. Методи аналізу пришвидшують оптимізацію електроліту, що є критичним для наступного покоління акумуляторів, які розвиваються.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте модель «Реакція-Дифузія» та змінюйте параметри під час її роботи. Не встановлюється нічого, не завантажується жодного файлу, вся модель живе в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Reaction-Diffusion і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.