Analītiskā ķīmija nodarbojas ar jaunu fizikālķīmisko un ķīmisko metožu izveidi un esošo metožu pilnveidošanu. Izmantojot modernas pētīšanas iekārtas, analītiskajā ķīmijā arvien būtiskāki ir vielu struktūras pētījumi, ķīmisko elementu izotopu un to attiecību pētījumi, kā arī arvien nozīmīgāka ir elementu specificēšanas metožu izveide. Visas analītiskās ķīmijas metodes izmanto analītiskos signālus, kas rodas, norisot ķīmiskām un/vai elektroķīmiskām reakcijām, kā arī fizikāliem procesiem.
analītiskā ķīmija
ķīmijas zinātnes apakšnozare, kas pēta dabas un mākslīgo materiālu ķīmisko komponentu atdalīšanu, identificēšanu un kvantificēšanu
Saistītie šķirkļi
Nozares un apakšnozares
ķīmija
- analītiskā ķīmija
- augsttemperatūras ķīmija
- metālorganiskā ķīmija
Doktorantūras students Filips Reidekers (Philipp Raedecker) pēta kobalta šķīduma reakciju vienā no jaunajām Resursu tehnoloģiju institūta (Institute for Resource Technology (HIF)) laboratorijām. Freiberga, Vācija, 17.06.2016.
Satura rādītājs
Praktiskā un teorētiskā nozīme
Analītiskās ķīmijas teorētiskās atziņas ir vērstas uz praktisku izmantojumu. Tomēr, definējot analītisko ķīmiju kā tikai ķīmisko zināšanu izmantošanu, tiek ignorēti tās unikālie fundamentālie atzinumi. Analītiskā ķīmija nenodarbojas tikai ar rutinētām analīzes metodēm, bet arī uzlabo esošās, izpēta to lietošanas iespējas jaunu paraugu analīzē un attīsta jaunas analītiskās metodes jaunu ķīmisko parādību mērījumiem. Analītiskās ķīmijas metodes tiek lietotas industrijā, lai nodrošinātu produktu kvalitāti, medicīnā – bioloģiskā materiāla analīzēs, dažādās testēšanas un kalibrēšanas laboratorijās, kā arī visās zinātnes nozarēs. Skatot analītisko ķīmiju no analītisko mērījumu aspekta, to var definēt kā centrālo zinātnes apakšnozari. Tā veiksmīgi mijiedarbojas ar citām zinātnes nozarēm: ķīmiju (bioķīmiju, neorganisko, organisko un fizikālo ķīmiju), fiziku (astrofiziku, astronomiju, biofiziku), bioloģiju (botāniku, ģenētiku, mikrobioloģiju, molekulāro bioloģiju, zooloģiju), ģeoloģiju (ģeofiziku, ģeoķīmiju, paleontoloģiju, paleobioloģiju), vides zinātnēm (ekoloģiju, meteoroloģiju, okeonogrāfiju), inženierzinātnēm (civilo, ķīmisko, elektrisko un mehānisko), medicīnu (klīnisko ķīmiju, medicīnisko ķīmiju, farmāciju un toksikoloģiju), materiālzinātni (metalurģiju, polimēriem, cietvielām), lauksaimniecību (agronomiju, lopkopību, pārtikas zinātni, augsnes zinātni, augkopību, augļkopību) un sociālām zinātnēm (arheoloģiju, antropoloģiju un kriminālistiku).
Vieta zinātnes klasifikācijā. Galvenie sastāvelementi
Analītiskā ķīmija ir ķīmijas zinātnes apakšnozare. Analītisko ķīmiju var iedalīt: kvalitatīvā analīzē, kvantitatīvā analīzē, fundamentālā analīzē un hemometrijā. Daudzas problēmas analītiskajā ķīmijā sākas ar nepieciešamību identificēt to, kas atrodas paraugā. Ar šo jautājumu nodarbojas kvalitatīvā analīze, piemēram, gadījumos, kad ir nepieciešamība identificēt ķīmiskās reakcijas produktus un piemaisījumus vai veikt sportistu urīna paraugu skrīningu uz aizliegtām vielām, vai arī svina telpisko sadalījumu gaisa cietajās daļiņās. Agrākie darbi analītiskajā ķīmijā bija tieši saistīti ar vienkāršu selektīvu ķīmisko testu izveidi, lai identificētu vielas vai elementa, vai funkcionālās grupas klātbūtni pētāmajā paraugā.
Arī mūsdienās tiek attīstītas dažādas teststrēmeles un indikatorpapīriņi, lai risinātu vienkāršākas problēmas sadzīvē, darbā un arī skolēnu un studentu apmācībā, kā, piemēram, ūdens cietības pH noteikšanai mājsaimniecībā, hlora satura kontrolei peldbaseinos. Tos arī ērti izmantot skolēnu vasaras nometnēs praktiskajās nodarbībās dabā, piemēram, dažādu ūdeņu sastāva izpētei. Mūsdienās kvalitatīvai analīzei galvenokārt izmanto dažādas instrumentālās metodes: Furjē transformācijas infrasarkano spektroskopiju, Ramana spektroskopiju, kodolmagnētisko rezonansi, kā arī dažādas rentgenmetodes (difraktometriju un fluorescenci). Turpretim kvantitatīvā analīze nosaka elementa, vielas, funkcionālo grupu daudzumu paraugā, piemēram, jaunsintezēto savienojumu ķīmisko elementu saturu, glikozes saturu asinīs, nosaka piemaisījumus farmaceitiski aktīvās vielās. Fundamentālās analīzes loma ir analītiskās metodes teorijas pilnveidošana, lai izprastu metodes ierobežojumus, tās uzlabošanas iespējas un eksistējošas metodes modificēšanas iespējas. Mūsdienās hemometrija ir starpdisciplināra zinātnes nozare, un tā ir izveidojusies uz analītiskās ķīmijas bāzes, veidojot analītisko eksperimentu. Mūsdienās analītiskajā ķīmijā plaši izmanto hemometrijas metodes, lai uzlabotu analītiskās iekārtas, un arī analītisko metodoloģiju, lai labāk interpretētu analītisko mērījumu rezultātus. Analītiskā ķīmija plaši tiek izmantota mērījumu rezultātu apstrādē un dažādu likumsakarību pētījumiem. Vēl viena joma, kas dominē analītiskajā ķīmijā, ir metroloģija. Līdzīgi kā analītiskā ķīmija, metroloģija ir zinātne par mērījumiem. Saskaņā ar metroloģiskiem principiem, lai iegūtu ticamus analīžu rezultātus, nepieciešams izmantot piemērotus standartus nosakāmajiem analītiem, nodemonstrēt mērvienību izsekojamību un izvērtēt mērījumu nenoteiktību budžetu visā mērījumu ciklā. Lai nodrošinātu analītisko rezultātu kvalitāti, tiek izmantoti sertificēti matrices references materiāli, tiek veikta metodes validācija (metodes piemērotība noteiktiem mērķiem) un nodrošināta dalība starptautiskās prasmes pārbaudēs.
Galvenās teorijas
Tā kā analītiskā ķīmija ir saistīta ar dažādām dabaszinātnes nozarēm, tajā ir ietvertas galvenokārt fizikas un fizikālās ķīmijas teorijas, kas tai piemērotas. Kvantitatīvajai analīzei izmanto sakarību starp analītiskā signāla lielumu un koncentrāciju, ko saista noteikts likums jeb vienādojums. Optiskajās metodēs izmanto elektromagnētiskā starojuma mijiedarbību ar analītu. Tiek ievērots Bēra likums (Beer’s law), kur elektromagnētiskā starojuma absorbcija ir tieši proporcionāla analīta koncentrācijai un absorbējošā slāņa biezumam. Elektroķīmiskās metodes ir saistītas ar elektrodreakciju līdzsvaru un Nernsta vienādojumu (Nernst equation), kura pamatā ir likumsakarība starp elektroķīmiskās šūnas redokspotenciālu un analīta koncentrāciju šķīdumā. Hromatogrāfiskajās metodēs izmanto vielu atšķirīgo sadalīšanos starp divām fāzēm (kustīgo un nekustīgo), un šī sadalījuma pamatā ir sorbcijas teorijas. Līdzīgi kā citās metodēs, tiek mērīts analītiskā signāla lielums, kas ir tieši proporcionāls analīta koncentrācijai. Analīta daudzumu mēra molos (definīcija aktualizēta 2018. gadā). Tā ir SI sistēmas (System International) pamatmērvienība, un tas tiek definēts kā 6,02214076×1023 daļiņu (atomu, molekulu, jonu vai elektronu) skaits vienā molā. Mola jēdzienu tālāk izmanto molārās koncentrācijas izteikšanai analītiskajās metodēs.
Galvenās pētniecības metodes
Analītiskās metodes iedala klasiskajās un instrumentālajās metodēs. Klasiskās analīzes metodes ir tādas atdalīšanas metodes kā ekstrakcija, nogulsnēšana, destilācija. Kvalitatīvai analīzei izmanto šķīdumu, nogulšņu vai liesmas krāsu, gāzes izdalīšanos reakcijas rezultātā, kristālu formas un kušanas punktu. Joprojām tiek izmantotas arī cilvēka organoleptiskās īpašības, kā smarža un garša (dzērienu un parfimērijas produktu ražošanas kvalitātes kontrolē). Klasiskajā kvantitatīvajā analīzē tiek izmantoti masas un tilpuma mērījumi, kur galvenie instrumenti ir analītiskie svari un mērtrauki. Instrumentālajās metodēs ar iekārtām mēra analītu fizikālos mērlielumus: gaismas (elektromagnētiskā starojuma) absorbciju/emisiju, fluorescenci, kā arī elektrovadītspēju un citas elektroķīmiskās īpašības. Hromatogrāfiskās, elektroforēzes un lauka plūsmas frakcionēšanas metodes ir saistītas ar analītu atdalīšanu. Mūsdienu analītiskā ķīmija arī ir vērsta uz kopējā mērījuma cikla uzlabošanas iespējām, mērījumu kvalitātes nodrošināšanu un jaunu mērierīču un metožu izveidi labākai ķīmiskās informācijas iegūšanai.
Īsa vēsture
Analītiskā ķīmija kā zinātne sāka veidoties 17. gs. otrajā pusē, kad bija jau uzkrāta empīriska pieredze vielu sastāva noteikšanā. Roberts Boils (Robert Boyle) pirmoreiz terminu “analītiķis” ieviesa 1661. gadā savā grāmatā “Skeptiskais ķīmiķis” (The Sceptical Chymist). R. Boils radīja ķīmiskā elementa jēdzienu, sāka sistematizēt analītiskās reakcijas un pirmais izmantoja indikatorus skābju un bāzu noteikšanai. 17. gs. Frīdrihs Hofmans (Friedrich Hoffmann) izgudroja gravimetrijas analīzi, bet 18. gs. zviedru zinātnieks Jenss Bercēliuss (Jöns Jakob Berzelius) ieviesa stehiometrijas jēdzienu. Torberns Bergmans (Torbern Olof Bergman) aizsāka sistemātisko katjonu analīzi, kuru pilnveidoja Karls Frezēniuss (Carl Remigius Fresenius), kurš izdeva arī pirmo analītiskās ķīmijas mācību grāmatu. Franču ķīmiķis Antuāns Lavuazjē (Antoine Laurent Lavoisier) pirmais sāka analizēt organiskās vielas un to degšanas produktus. Viņš tiek uzskatīts par modernās ķīmijas un kvantitatīvās analīzes aizsācēju. Žozefs Luijs Gē-Lisaks (Joseph Louis Gay-Lussac) 19. gs. sākumā radīja titrimetrisko analīzi. Viņš izveidoja titrimetrisko sudraba metodi ar precizitāti, kas ir augstāka par 0,05 %. Spektrālanalīzi kā analītisku metodi 1843. gadā ieviesa Viljams Tolbots (William Henry Fox Talbot) un turpināja Roberts Bunzens (Robert Bunsen) un Gustavs Kirhofs (Gustav Robert Kirchhoff), pētot daudzu elementu emisijas spektrus liesmās. Karls Mors (Karl Friedrich Mohr) izveidoja vairākus laboratorijas traukus, piemēram, skavas bireti un tilpuma pipeti. 1855. gadā viņa grāmata “Analītisko titrēšanas metožu mācību grāmata” (Lehrbuch der Chemisch-Analytischen Titromethode) radīja plašu interesi par titrimetrijas metodi. 1891. gadā Valters Nernsts (Walther Hermann Nernst) publicēja mūsdienās plaši pazīstamo Nernsta vienādojumu, kas ir pamatā potenciometrijai un potenciometriskajai titrēšana, elektrogravimetrijai, voltamperometrijai un amperometriskai titrēšanai. Līdz ar to V. Nernsts tiek dēvēts par modernās elektroanalītiskās ķīmijas pamatlicēju. 1894. gads bija ļoti nozīmīgs analītiskajā ķīmijā. Vilhelms Ostvalds (Wilhelm Ostwald) publicēja svarīgu un ļoti ietekmīgu rakstu par analītiskās ķīmijas zinātniskajiem pamatiem “Analītiskās ķīmijas zinātniskie pamati” (Die Wissenschaftichen Grundlagen der Analytischen Chemie). Viņš bija pirmais zinātnieks, kurš atzina analītiskās ķīmijas lomu ķīmijas kā zinātnes attīstībā. 20. gs. tika izstrādātas daudzas jaunas instrumentālās analīzes metodes un līdz galam izveidota analītiskās ķīmijas teorētiskā bāze (piemēram, elektrolītu teorija, mola jēdziens un citi). Pirms Otrā pasaules kara sākuma notika pāreja no klasiskām analīzes metodēm uz instrumentālām. Jaroslavs Heirovskis (Jaroslav Heyrovský) izveidoja praktiski izmantojamas elektroķīmiskas ierīces, tostarp polarogrāfu. 1959. gadā J. Heirovskim tika piešķirta Nobela prēmija par polarogrāfijas izveidi. Attīstījās arī citas instrumentālās iekārtas: spektrofotometrs (1941), infrasarkanais spektrometrs (1943), emisijas spektrofotometrs (1951), gāzu hromatogrāfs un kodolmagnētiskās rezonases spektrometrs (1953). Ap 1960. gadu tika izveidots atomabsorbcijas spektrometrs un citas jaunas spektrālās analīzes metodes. Masspektrometriju izotopu analīzē sāka izmantot no 1922. gada, bet no 20. gs. 50.–60. gadiem – organisko savienojumu identifikācijā un kvantificēšanā kopā ar gāzu un šķidruma hromatogrāfiju.
Attīstība mūsdienās
Mūsdienu analītiskajā ķīmija ir sācies nākamais – trešais – attīstības posms. Pirmais bija klasisko analīžu attīstības posms, otrais – instrumentālo metožu attīstības posms. Pašreizējais posms ilgst jau vairāk nekā 15 gadu. Tajā padziļināti tiek veltīta uzmanība metožu pareizībai un precizitātei, kā arī metodes ekonomiskumam. Pašreiz bez parauga kvalitatīvā sastāva un analītu kopējās koncentrācijas svarīga ir dziļāka informācija par paraugu un tā īpašībām. Liela nozīme ir specificēšanas analīzei, t. i., oksidācijas pakāpei, kādā organiskā savienojumā atrodas nosakāmais elements, kristāliskā struktūra, analīta sadalījums virsmā un tilpumā, nestabilo savienojumu dzīves laiks un citi parametri. Tas tiek risināts, izmantojot fundamentālās atziņas fizikā, matemātikā, elektronikā un citās ķīmijas apakšnozarēs. Tajās tiek izmantots datu iegūšanas ātrums, mērījumu objektivitāte, automatizācija, daudz efektīvāka datu novērtēšana un interpretācija, racionālāks eksperimenta dizains analītisko datu iegūšanai. Visa attīstība ir vērsta un koncentrēta virzienā, kas definēts 8. Eiroanalīzes (Euroanalysis VIII) konferencē Edinburgā 1993. gadā: “Analītiskā ķīmija ir apakšnozare, kura attīsta un lieto metodes, instrumentus un stratēģiju, lai iegūtu informāciju par matērijas saturu un dabu laikā un telpā”. Jaunas prasības mūsdienās nosaka arī nanotehnoloģijas, un metodes ir jāpiemēro nano izmēriem.
Nozīmīgākās pētniecības iestādes
Ķīnas Zinātņu akadēmija (中國科學院, Chinese Academy of Sciences) Pekinā; Nacionālais zinātnisko pētījumu centrs (Centre National de la recherche scientifique, CNRS) Parīzē, Francijā; Krievijas Zinātņu akadēmija (Российская академия наук) Maskavā; Nacionālā zinātņu padome (Consiglio Nazionale delle ricerche) Romā, Itālijā; Sanpaulu Universitāte (Universidade de Sao Paulo) Brazīlijā; Ķīnas Zinātņu akadēmijas universitāte (中國科學院大學, University of Chinese academy of sciences) Pekinā; Čehijas Zinātņu akadēmija (Akademie věd České Republiky) Prāgā; Tokijas Universitāte (東京大学, University of Tokyo) Japānā; Naņdzjinas Universitāte (南京大学, Nanjing University) Ķīnā.
Nozīmīgākie periodiskie izdevumi
Analytica Chimica Acta (kopš 1947. gada; Elsevier); Analytical Chemistry (kopš 1929. gada; ACS Publications); Analyst (kopš 1876. gada; RCS Publications); Talanta (kopš 1958. gada; Elsevier); Analytical and Bioanalytical Chemistry (kopš 1862. gada; Springer); Journal of Analytical Atomic Spectrometry (kopš 1986. gada; RSC Publications); Journal of Electroanalytical Chemistry (kopš 1959. gada; Elsevier); Journal of Analytical Science and Technology (kopš 2013. gada; Springer Link); International Journal of Environmental Analytical Chemistry (kopš 1971. gada; Francis & Tailor); Trends in Analytical Chemistry (kopš 1981. gada; Elsevier); Chemosphere (kopš 1972. gada; Elsevier); Journal of Chromatography A (kopš 1958. gada; Elsevier); Critical Reviews in Analytical Chemistry (kopš 1989. gada; Francis & Tailor).
Nozīmīgākie pētnieki
Par pētījumiem analītiskajā ķīmijā ir piešķirtas četras Nobela prēmijas: Fricam Preglam (Fritz Pregl) par organisko savienojumu mikroanalīzes metožu izveidi (1923); Ārčeram Mārtinam (Archer John Porter Martin) un Ričardam Singam (Richard Laurence Millington Synge) par papīra hromatogrāfijas atklāšanu (1952); Jaroslavam Heirovskim (Jaroslav Heyrovský) par polarogrāfisko metožu izveidi un attīstību (1959). Mūsdienās redzamākie zinātnieki analītiskās ķīmijas jomā ir Džozefs Vangs (Joseph Wang) – elektroanalītiskajā ķīmijā (elektroķīmiskie biosensori, modificētie elektrodi, sintētiskās nanoiekārtas); Janušs Pavlišins (Janusz Pawliszyn) – cietfāzes mikroekstrakcijas pamatlicējs; Daniels Jagners (Daniel Jagner) – stripinga potenciometrijas metodes izveide un attīstība; Franks Svecs (Frank Svec) – monolīto hromatogrāfisko kolonu atklājējs un jaunu monolīto materiālu pētnieks.
Multivide
Doktorantūras students Filips Reidekers (Philipp Raedecker) pēta kobalta šķīduma reakciju vienā no jaunajām Resursu tehnoloģiju institūta (Institute for Resource Technology (HIF)) laboratorijām. Freiberga, Vācija, 17.06.2016.