分析化學

分析化學係化學嘅分支，係一門研究物質樣本，從而分析佢哋入面啲化學成分同埋物理結構嘅科學。分析化學通常都會用一啲各個化學門派通用嘅實驗工具同埋方法。呢啲通用嘅方法喺理論化學以外嘅各個門派都會用到。

分析化學包含咗傳統嘅，濕化學同埋現代嘅分析技術。^[1]^[2] 傳統嘅定性方法會用到一啲分離技術，好似沉澱、萃取、同埋蒸餾噉。辨認嘅方法可以基於顏色、氣味、熔點、沸點、溶解度、放射性或者反應性嘅差異。傳統嘅定量分析會用質量或者體積嘅變化嚟量化數量。儀器分析方法可以用嚟分離樣本，用到嘅技術包括色層分析、電泳或者場流分離法。之後就可以做定性同定量分析，通常會用同一部儀器，可能會用到光嘅相互作用、熱嘅相互作用、電場或者磁場。通常同一部儀器可以分離、辨認同量化一種分析物。

分析化學都關注喺改善實驗設計、化學計量學，同埋創造新嘅測量工具。分析化學喺醫學、科學同工程學方面都有廣泛嘅應用。

歷史

自從化學嘅早期開始，分析化學就一直都好重要，佢提供咗方法去確定喺研究對象入面存在啲乜嘢元素同化學物質。喺呢段時期，對分析化學嘅重大貢獻包括咗尤斯圖斯·馮·李比希開發嘅系統性元素分析，同埋基於官能基嘅特定反應嘅系統化有機分析。

第一個儀器分析係火焰發射光譜法，由羅伯特·本生同埋古斯塔夫·基爾霍夫開發，佢哋喺 1860 年發現咗銣 (Rb) 同埋銫 (Cs)。^[3]

大部分分析化學嘅重大發展都係喺 1900 年之後發生嘅。喺呢段時期，儀器分析喺呢個領域入面逐漸佔據主導地位。特別係，好多基本嘅光譜學同光譜測量技術都係喺 20 世紀初發現，然後喺 20 世紀後期完善嘅。^[4]

分離科學嘅發展時間線都係類似嘅，而且都逐漸轉變為高性能儀器。^[5] 喺 1970 年代，好多呢啲技術開始一齊用，變成咗混合技術，嚟實現對樣本嘅完整表徵。

由 1970 年代開始，分析化學逐漸更加包容生物學問題 (生物分析化學)，而佢之前主要係關注無機或者細有機分子。激光越來越多噉俾人用嚟做探針，甚至用嚟啟動同影響各種各樣嘅反應。20 世紀後期亦都見證咗分析化學嘅應用範圍擴大，由有啲學術性嘅化學問題，擴展到法證、環境、工業同埋醫學問題，例如喺組織學入面。^[6]

現代分析化學主要係儀器分析。好多分析化學家都專注喺單一類型嘅儀器。學術界人士傾向於專注喺新嘅應用同發現，或者係新嘅分析方法。如果發現血液入面有一種化學物質會增加患癌風險，呢個發現可能會涉及到分析化學家。開發新方法嘅努力可能會涉及到使用可調激光器嚟提高光譜測量方法嘅特異性同靈敏度。好多方法一旦開發出嚟，就會特登保持靜態，以便可以喺長時間入面比較數據。喺工業質量保證 (QA)、法證同埋環境應用方面尤其係噉。分析化學喺製藥行業入面扮演著越嚟越重要嘅角色，除咗 QA 之外，佢仲被用於發現新嘅候選藥物，同埋喺臨床應用方面，理解藥物同患者之間嘅相互作用都好關鍵。

傳統方法

雖然現代分析化學主要係用精密儀器，但係分析化學嘅根基，同埋現代儀器用到嘅一啲原理，都係嚟自傳統技術，而其中好多技術到今日都仲用緊。呢啲技術亦都傾向於構成大多數本科分析化學實驗室嘅骨幹。

定性分析

定性分析係確定特定化合物嘅存在與否，而唔係質量或者濃度。根據定義，定性分析唔會量度數量。

化學測試

有好多定性化學測試，例如，酸性測試用嚟測試金，而 Kastle-Meyer 測試用嚟測試血嘅存在。

火焰測試

無機定性分析通常係指一個系統性嘅方案，通過進行一系列反應嚟確認某啲水溶液離子或者元素嘅存在，呢啲反應會排除一系列可能性，然後再用一個確認測試嚟確認懷疑嘅離子。有時，細嘅含碳離子都會包含喺呢啲方案入面。喺現代儀器嘅情況下，呢啲測試好少用，但係對於教育目的，同埋喺野外工作或者其他無法使用最先進儀器嘅情況下，佢哋可能都幾有用。

定量分析

定量分析係量度物質入面存在嘅特定化學成分嘅量。數量可以用質量 (重量分析) 或者體積 (容量分析) 嚟量度。

重量分析法

重量分析法包括喺某啲轉變之前同/或之後，通過稱重樣本嚟確定存在嘅物質量。一個本科教育入面常用嘅例子係，通過加熱樣本嚟移除水份，從而確定水合物入面嘅水量，噉樣重量嘅差異就係由於水份嘅流失造成嘅。

容量分析法

滴定法包括將可測量嘅反應物逐步添加到被分析溶液嘅精確體積入面，直到達到某個當量點。滴定法係一類用嚟確定分析物濃度嘅技術。^[7] 精確滴定到半當量點或者滴定終點，可以俾化學家確定所用嘅摩爾數，然後可以用嚟確定滴定劑嘅濃度或者組成。對於喺中學教育期間學過化學嘅人嚟講，最熟悉嘅係酸鹼滴定法，佢會用到變色指示劑，例如酚酞。仲有好多其他類型嘅滴定法，例如，電位滴定法或者沉澱滴定法。化學家亦都可能會創建滴定曲線，方法係系統性噉測試每滴嘅 pH 值，以便了解滴定劑嘅唔同性質。

儀器分析方法

光譜學

光譜學係量度分子同電磁輻射之間嘅相互作用。光譜學包含咗好多唔同嘅應用，例如原子吸收光譜法、原子發射光譜法、紫外-可見光譜法、X 射線光譜法、螢光光譜法、紅外光譜法、拉曼光譜法、雙極化干涉測量法、核磁共振光譜法、光電子能譜法、穆斯堡爾譜學等等。

質譜法

質譜法係量度分子嘅質荷比，用到電場同埋磁場。喺質譜儀入面，少量嘅樣本會被電離同轉化為氣態離子，然後根據佢哋嘅質荷比進行分離同分析。^[7] 有幾種電離方法：電子電離、化學電離、電噴霧電離、快速原子轟擊、基質輔助激光解吸/電離，等等。另外，質譜法仲可以根據質量分析器嘅方法嚟分類：磁扇形、四極桿質量分析器、四極桿離子阱、飛行時間、傅里葉變換離子迴旋共振，等等。

電化學分析

電分析方法係量度包含分析物嘅電化學電池入面嘅電勢 (伏特) 同/或電流 (安培)。^[8]^[9] 呢啲方法可以根據電池嘅邊啲方面被控制，邊啲方面被量度嚟分類。四個主要類別係電位法 (量度電極電勢嘅差異)、庫侖法 (量度隨時間轉移嘅電荷)、安培法 (量度電池隨時間嘅電流)，同埋伏安法 (喺主動改變電池電勢嘅同時量度電池嘅電流)。

電位法係量度電池嘅電勢，庫侖法係量度電池嘅電流，而伏安法係量度當電池電勢改變時電流嘅變化。^[10]^[11]

熱分析

量熱法同埋熱重量分析法係量度材料同熱之間嘅相互作用。

分離

分離過程係用嚟降低物質混合物嘅複雜性。色層分析、電泳同埋場流分離法係呢個領域嘅代表。

色譜分析

色層分析可以用嚟確定樣本入面物質嘅存在，因為混合物入面唔同嘅成分有唔同嘅傾向去吸附到固定相上面，或者溶解喺流動相入面。因此，混合物嘅唔同成分會以唔同嘅速度移動。唔同嘅成分可以通過佢哋各自嘅 R_ƒ 值嚟識別，R_ƒ 值係物質嘅遷移距離同色層分析期間溶劑前沿嘅遷移距離之間嘅比率。結合儀器分析方法，色層分析可以用於物質嘅定量測定。色層分析將分析物同樣本嘅其餘部分分開，噉樣就可以喺唔受其他化合物干擾嘅情況下量度佢。^[7] 有唔同類型嘅色層分析，佢哋嘅區別在於佢哋用嚟分離分析物同樣本嘅介質。^[12] 喺薄層色譜法入面，分析物混合物喺揮發性流動相嘅作用下向上移動，並沿住塗層片分離。喺氣相色譜法入面，氣體會分離揮發性分析物。一種以液體作為流動相嘅色層分析常用方法係高效液相色譜法。

混合技術

上面技術嘅組合會產生「混合」或者「連字符」技術。^[13]^[14]^[15]^[16]^[17] 今日有幾個例子喺普及使用，而且新嘅混合技術仲喺開發緊。例如，氣相色譜-質譜聯用法、氣相色譜-紅外光譜聯用法、液相色譜-質譜聯用法、液相色譜-核磁共振光譜聯用法、液相色譜-紅外光譜聯用法，同埋毛細管電泳-質譜聯用法。

連字符分離技術係指結合兩種 (或者更多種) 技術，嚟檢測同分離溶液入面嘅化學物質。通常另一種技術係某種形式嘅色層分析。連字符技術廣泛用於化學同生物化學。有時會用斜線代替連字符，尤其係當其中一種方法嘅名稱本身就包含連字符嘅時候。

顯微鏡學

單分子、單細胞、生物組織同埋納米材料嘅可視化，係分析科學入面一個重要且吸引人嘅方法。另外，同其他傳統分析工具嘅雜交，正喺度徹底改變分析科學。顯微鏡學可以分為三個唔同嘅領域：光學顯微鏡、電子顯微鏡，同埋掃描探針顯微鏡。最近，由於電腦同相機行業嘅快速發展，呢個領域正喺度快速發展。

晶片實驗室

將 (多個) 實驗室功能整合到單個晶片上面嘅設備，晶片嘅尺寸只有幾毫米到幾平方厘米，並且能夠處理極細嘅液體體積，細到皮升以下。

誤差

誤差可以定義為觀測值同真值之間嘅數值差異。^[19] 實驗誤差可以分為兩種類型，系統誤差同隨機誤差。系統誤差係由於設備嘅缺陷或者實驗設計嘅缺陷造成嘅，而隨機誤差係由於實驗入面不受控制或者無法控制嘅變數造成嘅。^[20]

喺誤差入面，化學分析入面嘅真值同觀測值可以通過以下方程式相互關聯

\varepsilon _{\rm {a}}=|x-{\bar {x}}|

其中

$\varepsilon _{\rm {a}}$ 係絕對誤差。

$x$ 係真值。

${\bar {x}}$ 係觀測值。測量嘅誤差係精確測量嘅反向度量，即誤差越細，測量嘅準確度越高。

誤差可以用相對值嚟表示。給定相對誤差( $\varepsilon _{\rm {r}}$ )：

\varepsilon _{\rm {r}}={\frac {\varepsilon _{\rm {a}}}{|x|}}=\left|{\frac {x-{\bar {x}}}{x}}\right|

百分比誤差亦都可以計算：

\varepsilon _{\rm {r}}\times 100\%

如果我哋想喺函數入面使用呢啲值，我哋可能仲想計算函數嘅誤差。假設 $f$ 係一個有 $N$ 個變數嘅函數。因此，必須計算不確定性嘅傳播，先至可以知道 $f$ 嘅誤差：

\varepsilon _{\rm {a}}(f)\approx \sum _{i=1}^{N}\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{i}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{i})=\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{1})+\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{2})+\ldots +\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{N}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{N})

標準品

標準曲線

一種通用嘅濃度分析方法包括創建校準曲線。噉樣就可以通過比較未知樣本嘅結果同埋一系列已知標準品嘅結果，嚟確定材料入面化學物質嘅量。如果樣本入面元素或者化合物嘅濃度對於技術嘅檢測範圍嚟講太高，可以簡單噉喺純溶劑入面稀釋。如果樣本入面嘅量低於儀器嘅量度範圍，就可以用添加方法。喺呢種方法入面，會添加已知量嘅研究元素或者化合物，而添加濃度同觀測濃度之間嘅差異，就係樣本入面實際嘅量。

內標法

有時，會直接喺分析樣本入面添加已知濃度嘅內標物，嚟幫助定量。然後，分析物嘅存在量係相對於內標物作為校準劑嚟確定嘅。一種理想嘅內標物係同位素富集分析物，佢會產生同位素稀釋方法。

標準加入法

標準加入法係用於儀器分析入面嘅方法，通過同埋一組已知濃度嘅樣本進行比較，嚟確定未知樣本入面物質 (分析物) 嘅濃度，類似於使用校準曲線。標準加入法可以應用於大多數分析技術，並且取代校準曲線嚟解決基質效應問題。

信號同雜訊

分析化學最重要嘅組成部分之一，係最大化所需嘅信號，同時最小化相關嘅雜訊。^[21] 分析嘅品質因數被稱為信噪比 (S/N 或者 SNR)。

雜訊可能嚟自環境因素，亦都可能嚟自基本嘅物理過程。

熱雜訊

熱雜訊係由電荷載體 (通常係電子) 喺電路入面嘅運動產生嘅，呢啲運動係由佢哋嘅熱運動產生嘅。熱雜訊係白雜訊，意思係功率譜密度喺成個頻率譜入面都係恆定嘅。

電阻器入面熱雜訊嘅均方根值由下式給出^[21]

v_{\rm {RMS}}={\sqrt {4k_{\rm {B}}TR\Delta f}},

其中 k_B 係玻爾茲曼常數，T 係溫度，R 係電阻，而 $\Delta f$ 係頻率 $f$ 嘅帶寬。

散粒雜訊

散粒雜訊係一種電子雜訊，當有限數量嘅粒子 (例如電子喺電路入面，或者光子喺光學設備入面) 細到足以引起信號嘅統計波動時，就會發生散粒雜訊。

散粒雜訊係一個泊松過程，而構成電流嘅電荷載體遵循泊松分佈。均方根電流波動由下式給出^[21]

i_{\rm {RMS}}={\sqrt {2eI\Delta f}}

其中 e 係基本電荷，而 I 係平均電流。散粒雜訊係白雜訊。

閃爍雜訊

閃爍雜訊係電子雜訊，佢嘅頻率譜係 1/ƒ；隨著 f 嘅增加，雜訊會減少。閃爍雜訊嚟自各種各樣嘅來源，例如導電通道入面嘅雜質、晶體管入面由於基極電流引起嘅產生同複合雜訊，等等。呢種雜訊可以通過喺更高頻率下對信號進行調製嚟避免，例如，通過使用鎖相放大器。

環境雜訊

環境雜訊嚟自分析儀器嘅周圍環境。電磁雜訊嘅來源包括電力線、電台同埋電視台、無線設備、慳電膽^[22] 同埋電動機。好多呢啲雜訊源都係窄帶寬嘅，因此可以避免。一啲儀器可能需要溫度同隔振。

雜訊降低

雜訊降低可以喺電腦硬件或者軟件入面實現。硬件雜訊降低嘅例子包括使用屏蔽線、模擬濾波，同埋信號調製。軟件雜訊降低嘅例子包括數字濾波、系綜平均、箱車平均，同埋相關方法。^[21]

應用

分析化學嘅應用包括法證科學、生物分析、臨床分析、環境分析，同埋材料分析。分析化學研究主要係由性能 (靈敏度、檢測限、選擇性、穩健性、動態範圍、線性範圍、準確度、精確度，同埋速度)，同埋成本 (購買、操作、培訓、時間，同埋空間) 驅動嘅。喺現代分析原子光譜學嘅主要分支入面，最廣泛同通用嘅係光譜學同質譜法。^[23] 喺固體樣本嘅直接元素分析入面，新嘅領導者係激光誘導擊穿同埋激光剝蝕質譜法，以及將激光剝蝕產物轉移到電感耦合等離子體入面嘅相關技術。二極管激光器同光學參量振盪器設計嘅進步，促進咗螢光同電離光譜學嘅發展，亦都促進咗吸收技術嘅發展，喺吸收技術入面，預計使用光學腔嚟增加有效吸收路徑長度會擴大。基於等離子體同激光嘅方法嘅使用正喺度增加。對於絕對 (無標準品) 分析嘅興趣已經復甦，尤其係喺發射光譜學入面。^{[未記出處或冇根據]}

好多努力正喺度投入到將分析技術縮細到晶片尺寸。雖然呢啲系統競爭傳統分析技術嘅例子唔多，但係潛在嘅優勢包括尺寸/便攜性、速度，同埋成本。(微型全分析系統 (μTAS) 或者晶片實驗室)。微型化學減少咗化學品嘅使用量。

好多發展都改善咗生物系統嘅分析。喺呢個領域入面快速擴展嘅領域嘅例子包括基因組學、DNA 測序同埋遺傳指紋同 DNA 微陣列嘅相關研究；蛋白質組學，蛋白質濃度同修飾嘅分析，尤其係喺唔同壓力源、唔同發育階段，或者身體唔同部位嘅反應；代謝組學，佢處理代謝物；轉錄組學，包括 mRNA 同相關領域；脂質組學 - 脂質同佢嘅相關領域；肽組學 - 肽同佢嘅相關領域；同埋金屬組學，處理金屬濃度，尤其係佢哋同蛋白質同其他分子嘅結合。^{[未記出處或冇根據]}

分析化學喺理解基礎科學，到各種各樣嘅實際應用方面，都扮演咗關鍵嘅角色，例如生物醫學應用、環境監測、工業製造嘅質量控制、法證科學，等等。^[24]

近期電腦自動化同信息技術嘅發展，已經將分析化學擴展到好多新嘅生物學領域。例如，自動化 DNA 測序機器係完成人類基因組計劃嘅基礎，從而誕生咗基因組學。通過質譜法進行蛋白質鑑定同肽測序，開創咗蛋白質組學嘅新領域。除咗自動化特定過程之外，仲有努力去自動化更大範圍嘅實驗室測試，例如喺 Emerald Cloud Lab 同 Transcriptic 呢啲公司入面。^[25]

分析化學一直都係納米技術發展入面不可或缺嘅領域。表面表徵儀器、電子顯微鏡同掃描探針顯微鏡，令科學家能夠通過化學表徵嚟可視化原子結構。

睇埋

感官分析 - 喺食品科學領域

參考文獻

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延伸閱讀

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出面網頁

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睇埋

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[isbn0-03-002078-6-1] Skoog, Douglas A.; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (2007). Principles of Instrumental Analysis. Belmont, CA: Brooks/Cole, Thomson. p. 1. ISBN 978-0-495-01201-6.

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