분석화학

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분석 화학은 물질을 분리, 식별 및 정량화하는 데 사용되는 기기와 방법을 연구하고 사용한다.^[1]실무에서 분리, 식별 또는 계량화는 전체 분석을 구성하거나 다른 방법과 결합할 수 있다.분리는 분석물질을 격리시킨다.정성적 분석은 분석물질을 식별하는 반면, 정량적 분석은 수치적 양이나 농도를 결정한다.분석화학은 물질의 구성과 구조에 관한 정보를 얻고 처리하며 전달하는 과학이다.즉, 물질이 무엇이고 얼마나 존재하는지 결정하는 것은 예술과 과학이다.그것은 ACS 화학자들에게 가장 인기 있는 분야 중 하나이다.

해석 화학은 고전적이고 습한 화학적 방법과 현대적이고 기악적인 방법으로 구성된다.^[2]고전적인 질적 방법은 강수, 추출, 증류 등의 분리를 사용한다.식별은 색상, 냄새, 녹는점, 비등점, 용해성, 방사능 또는 반응성의 차이를 기반으로 할 수 있다.고전적 정량적 분석은 질량 또는 부피 변화를 사용하여 양을 정량화한다.크로마토그래피, 전기영동 또는 필드 흐름 분율을 사용하여 표본을 분리하는 데 도구적 방법을 사용할 수 있다.그런 다음 종종 동일한 기기로 정성적 및 정량적 분석을 수행할 수 있으며 빛 상호작용, 열 상호작용, 전기장 또는 자기장을 사용할 수 있다.종종 동일한 기기가 분석물질을 분리, 식별 및 정량화할 수 있다.

해석 화학은 또한 실험 설계, 화학 측정법 및 새로운 측정 도구의 생성의 개선에도 초점을 맞추고 있다.분석 화학은 의학, 과학, 공학에 광범위하게 응용된다.

역사

분석 화학은 화학의 초기부터 중요했는데, 문제의 물체에 어떤 원소와 화학물질이 있는지를 판단하는 방법을 제공했다.이 기간 동안 분석화학에 대한 유의미한 기여는 저스투스 폰 리빅에 의한 체계적 요소 분석의 개발 및 기능 그룹의 구체적인 반응을 바탕으로 한 체계화된 유기적 분석을 포함한다.

첫 번째 기악분석은 1860년 루비듐(Rb)과 세슘(Cs)을 발견한 로버트 분센과 구스타프 키르호프가 개발한 불꽃 에미시브 분광법이었다.^[3]

분석 화학의 주요 발전은 대부분 1900년 이후에 이루어진다.이 기간 동안 기구의 분석은 현장에서 점진적으로 우세해진다.특히 20세기 초에 발견되어 20세기 후반에 정제된 기본적인 분광기법과 분광기법의 많은 부분이 발견되었다.^[4]

분리과학은 유사한 개발시기를 따르고 또한 점차 고성능 도구로 변모하게 된다.^[5]1970년대에 이러한 기술들 중 많은 것들이 표본의 완전한 특성화를 달성하기 위한 혼합 기법으로 함께 사용되기 시작했다.

약 1970년대에 시작하여 오늘날까지 분석 화학은 생물학적 질문(생물학적 분석 화학)을 점점 더 포괄적으로 포함하게 된 반면, 이전에는 주로 무기물 또는 작은 유기 분자에 초점을 맞추었다.레이저가 화학에서 프로브로서 그리고 심지어 매우 다양한 반응을 시작하고 영향을 미치도록 점점 더 많이 사용되어 왔다.또한 20세기 후반에는 다소 학술적인 화학 질문에서 역사학 등 법의학, 환경학, 산업 및 의학 질문으로 분석 화학의 적용이 확대되었다.^[6]

현대 분석 화학은 기악분석에 의해 지배된다.많은 분석 화학자들은 하나의 기구에 초점을 맞춘다.학자들은 새로운 응용과 발견에 초점을 맞추거나 새로운 분석 방법에 초점을 맞추는 경향이 있다.암의 위험을 증가시키는 혈액 속에 존재하는 화학 물질의 발견은 분석 화학자가 관여할 수 있는 발견일 것이다.새로운 방법을 개발하기 위한 노력에는 분광법의 특수성과 민감도를 높이기 위해 튜닝 가능한 레이저를 사용하는 것이 포함될 수 있다.일단 개발된 많은 방법들은 데이터를 장기간에 걸쳐 비교할 수 있도록 의도적으로 정적인 상태로 유지된다.이것은 특히 산업 품질 보증(QA), 법의학 및 환경 적용에서 사실이다.분석 화학은 QA를 제외하고 신약 후보물질 발굴과 약물과 환자 간의 상호작용을 이해하는 데 중요한 임상적 응용 분야에서 점점 더 중요한 역할을 한다.

고전적 방법

현대 분석 화학은 정교한 계측에 의해 지배되고 있지만, 분석 화학의 뿌리와 현대 악기에 사용되는 몇몇 원리들은 전통적인 기법에서 비롯된 것으로, 그 중 많은 것들이 오늘날에도 여전히 사용되고 있다.이러한 기술들은 또한 대부분의 학부 분석 화학 교육 연구소의 중추적인 역할을 하는 경향이 있다.

정성분석

질적 분석은 특정 화합물의 유무를 결정하지만 질량이나 농도는 결정하지 않는다.정의에 따르면 질적 분석은 양을 측정하지 않는다.

화학시험

예를 들어, 금에 대한 산성시험과 혈액의 존재에 대한 카스틀-마이어시험과 같은 수많은 질적 화학시험이 있다.

불꽃 시험

무기질질적 분석은 일반적으로 가능성 범위를 제거한 뒤 확인시험으로 의심 이온을 확인하는 일련의 반응을 통해 특정 수성 이온이나 원소의 존재를 확인하는 체계적 방법을 말한다.때때로 작은 탄소 함유 이온이 그러한 계획에 포함된다.현대적인 계측기로, 이러한 시험은 거의 사용되지 않지만, 교육 목적과 현장 작업 또는 최첨단 계측기에 접근할 수 없거나 편리하지 않은 다른 상황에서 유용할 수 있다.

정량분석

정량적 분석은 물질에 존재하는 특정 화학 성분의 양을 측정하는 것이다.양은 질량(중력 분석)이나 부피(체적 분석)로 측정할 수 있다.

중력 분석

중력 분석은 일부 변환 전 및/또는 후에 샘플의 무게를 재서 존재하는 물질의 양을 결정하는 것을 포함한다.학부교육에서 흔히 쓰이는 예로는 중량의 차이가 수분손실에 의한 것이라고 할 수 있도록 시료를 가열하여 수분을 제거함으로써 수산화물의 물의 양을 결정하는 것이다.

부피 분석

적정화에는 일부 등가점에 도달할 때까지 분석되는 용액에 반응제를 첨가하는 것이 포함된다.분석 중인 용액의 재료 양을 결정할 수 있는 경우가 많다.중등교육에서 화학을 배운 사람들에게 가장 친숙한 것은 색 변화 지표를 포함하는 산성 염기적합이다.예를 들어 전위차계적 적정성 등 많은 다른 유형의 적정성이 있다.이러한 적정치는 어떤 등가점에 도달하기 위해 다른 유형의 지표를 사용할 수 있다.

기악법

분광학

분광학은 분자와 전자기 방사선의 상호작용을 측정한다.분광학은 원자 흡수 분광학, 원자 방출 분광학, 자외선 분광학, X선 분광학, 형광 분광학, 적외선 분광학, 라만 분광학, 이중 분광 상호 계량학, 핵 자기 공명 분광학, 광분광 분광학, 광분광학 등 다양한 응용 분야로 구성된다.뫼스바우어 분광법 등

질량분석법

질량분석법은 전기장과 자기장을 이용한 분자의 질량 대 충전 비율을 측정한다.전자 이온화, 화학 이온화, 전기화 이온화, 고속 원자 폭격, 매트릭스 어시스턴스 레이저 탈착/이온화 등 여러 방법이 있다.또한 질량 분광기는 자기 부문, 4극 질량 분석기, 4극 이온 트랩, 비행 시간, 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 등 질량 분석기의 접근법에 따라 분류된다.

전기화학적 분석

전기 분석 방법은 분석 물질을 포함하는 전기화학 셀의 전위(볼트) 및/또는 전류(암페어)를 측정한다.^[7][8]이러한 방법은 셀의 어떤 측면이 제어되고 어떤 면이 측정되는지에 따라 분류할 수 있다.4가지 주요 범주는 전위차 측정(전극 전위차 측정), 쿨로메트리(전위차 측정) 및 암페로메트리(전위차 측정 시 셀 전류 측정), 전압측정(전위차 측정 시 셀 전위차 측정 시 셀 전위를 능동적으로 변경하면서 셀 전류를 측정한다.

열해석

열량측정과 열가비계 분석은 물질과 열의 상호작용을 측정한다.

분리

분리 프로세스는 재료 혼합물의 복잡성을 줄이기 위해 사용된다.크로마토그래피, 전기영양, 자기장 흐름분석이 이 분야를 대표한다.

하이브리드 기법

위의 기법의 조합은 "하이브리드" 또는 "하이페네이트" 기법을 생산한다.^{[9][10][11][12][13]}오늘날 몇 가지 예가 널리 사용되고 있으며 새로운 하이브리드 기법이 개발 중에 있다.예를 들어 기체크로마토그래피-질량분광법, 기체크로마토그래피-적외선분광법, 액체크로마토그래피-질량분광법, 액체크로마토그래피-NMR 분광법, 액체크로마토그래피-적분광법, 모세혈관전기크로포리스-질량분광학 등이 있다.

하이픈으로 연결된 분리 기법은 용액에서 화학물질을 검출하고 분리하는 두 가지(또는 그 이상) 기법의 조합을 말한다.가장 흔히 다른 기술은 크로마토그래피의 어떤 형태다.하이픈으로 연결된 기술은 화학이나 생화학에 널리 사용된다.특히 방법 중 하나의 이름에 하이픈 자체가 포함되어 있는 경우 하이픈 대신 슬래시를 사용하는 경우가 있다.

현미경 검사

단일 분자, 단일 세포, 생물 조직, 나노 물질의 시각화는 분석 과학에서 중요하고 매력적인 접근법이다.또한, 다른 전통적인 분석 도구들과 혼합하는 것은 분석 과학을 혁명적으로 변화시키고 있다.현미경 검사는 광학 현미경, 전자 현미경, 스캐닝 프로브 현미경의 세 가지 분야로 분류할 수 있다.최근 이 분야는 컴퓨터와 카메라 산업의 급속한 발전으로 인해 빠르게 발전하고 있다.

랩온어칩

단 밀리미터에서 몇 평방 센티미터의 단일 칩에 실험실 기능을 통합(복수)하고 극소량의 유체 볼륨을 피콜리터 미만으로 처리할 수 있는 장치.

오류

오차는 관측값과 참값의 수적 차이로 정의할 수 있다.^[15]실험오차는 계통오차와 무작위오차의 두 종류로 나눌 수 있다.계통 오류는 장비의 결함 또는 실험 설계에서 발생하는 반면 무작위 오류는 실험에서 통제되지 않거나 통제할 수 없는 변수에 의해 발생한다.^[16]

오류에서 화학 분석의 참값과 관측값은 방정식에 의해 서로 연관될 수 있다.

${\displaystyle \varepsilon _{\rm {a}= x-{\bar {x}}}$

어디에

• ${\displaystyle {\epsilon }_{}}$ ${\$이(가) 절대 오차임.
• ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle x}$이(가) 참 값이다.
• $'{\$가 관측값이다.

측정 오차는 정확한 측정의 역 측정이다. 즉, 오차가 작을수록 측정 정확도가 높아진다.

오류는 비교적 표현될 수 있다.상대적 오류(${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {r\mathrm{}}_{}}$ ${\$

${\displaystyle \varepsilon _{\rm{r}={\frac {a}{\rm {a}{\bar}}}{x-{x}}}}오른쪽}$

백분율 오류도 다음과 같이 계산할 수 있다.

${\displaystyle \varepsilon _{\rm {r}\rem 100\%}$

함수에 이러한 값을 사용하려면 함수의 오차를 계산하는 것도 좋을 것이다.$f{\displaystyle }$ ${\displaystyle f}$을(를) N ${\displaystyle N}$ 변수의$$ 함수가 되도록$$ 한다.$따라서{\displaystyle }$ 불확실성의$$전파를 $계산$하여 f {\displaystyle $f}$의 오류를 파악해야 한다$.$

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

표준

표준곡선

농도분석을 위한 일반적인 방법은 검정곡선의 작성을 포함한다.이를 통해 알려지지 않은 샘플의 결과와 일련의 알려진 표준의 결과를 비교함으로써 물질의 화학 물질의 양을 결정할 수 있다.시료 내 원소나 화합물의 농도가 기법의 검출 범위에 비해 지나치게 높을 경우 순수 용매로 희석하면 된다.샘플의 양이 계측기의 측정 범위 이하일 경우, 추가 방법을 사용할 수 있다.이 방법에서는 연구 대상인 원소 또는 화합물의 알려진 양이 첨가되며, 첨가된 농도와 관측된 농도의 차이는 표본에 실제로 함유된 양이다.

내부표준

정량화를 돕기 위해 분석 표본에 직접 알려진 농도로 내부 표준을 추가하는 경우도 있다.그런 다음 존재하는 분석물질의 양은 교정제로서 내부 표준에 비례하여 결정된다.이상적인 내부 표준은 동위원소 희석 방법을 발생시키는 동위원소 농축 분석 물질이다.

표준첨가

표준 첨가 방법은 측정 곡선을 사용하는 것과 유사하게 알려진 농도의 표본 집합과 비교하여 미지의 표본에 있는 물질(분석)의 농도를 결정하기 위해 기압 분석에 사용된다.표준 첨가제는 대부분의 분석 기법에 적용할 수 있으며 매트릭스 효과 문제를 해결하기 위해 검정 곡선 대신 사용한다.

신호 및 노이즈

해석 화학의 가장 중요한 요소 중 하나는 관련 노이즈를 최소화하면서 원하는 신호를 최대화하는 것이다.^[17]공적의 해석 수치는 신호 대 잡음 비(S/N 또는 SNR)로 알려져 있다.

소음은 기본적인 물리적 과정뿐만 아니라 환경적 요인으로부터 발생할 수 있다.

열 잡음

열 소음은 열 움직임에 의해 생성된 전기 회로 내 전하 전달기(일반적으로 전자)의 움직임에서 발생한다.열 노이즈는 백색 노이즈로, 전력 스펙트럼 밀도가 주파수 스펙트럼 전체에 걸쳐 일정하다는 것을 의미한다.

저항기 내 열 소음의 루트 평균 제곱 값은 다음과^[17] 같다.

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

여기서 k는_B 볼츠만의 상수, T는 온도, R은 저항, $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \Delta f}$는 주파수 $f{\displaystyle }$ ${\displaystyle f}$의 대역폭이다$.$

숏 노이즈

숏 노이즈(shot noise)는 한정된 입자 수(전자 회로의 전자나 광 소자의 광자 등)가 신호의 통계적 변동을 일으킬 정도로 작을 때 발생하는 전자 노이즈의 일종이다.

숏 노이즈는 포아송 공정이며 전류를 구성하는 충전 캐리어는 포아송 분포를 따른다.루트 평균 제곱 전류 변동은 다음과^[17] 같다.

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

여기서 e는 기본 충전이고 나는 평균 전류다.사격 소음은 백색 소음이다.

깜박임 소음

플리커 노이즈는 1/2 주파수 스펙트럼의 전자 노이즈로, f가 증가하면 노이즈가 감소한다.플리커 소음은 전도성 채널의 불순물, 발생, 기저 전류로 인한 트랜지스터의 재조합 소음 등 다양한 소스에서 발생한다.이러한 소음은 예를 들어 잠금 증폭기의 사용을 통해 더 높은 주파수에서 신호를 변조하여 방지할 수 있다.

환경소음

환경 소음은 분석 기기 주변으로부터 발생한다.전자기 잡음의 원천은 전선, 라디오 및 텔레비전 방송국, 무선 장치, 소형 형광등^[18] 및 전기 모터 등이다.이러한 소음원의 대부분은 대역폭이 좁기 때문에 피할 수 있다.일부 계측기에는 온도 및 진동 격리가 필요할 수 있다.

소음 감소

소음 감소는 컴퓨터 하드웨어나 소프트웨어에서 이루어질 수 있다.하드웨어 노이즈 감소의 예로는 차폐 케이블, 아날로그 필터링 및 신호 변조가 있다.소프트웨어 소음 감소의 예로는 디지털 필터링, 앙상블 평균, 박스카 평균, 상관관계 방법이 있다.^[17]

적용들

분석화학은 법의학, 생물분석, 임상분석, 환경분석, 재료분석 등 응용분야가 있다.분석 화학 연구는 주로 성능(감성, 검출 한계, 선택성, 강건성, 동적 범위, 선형 범위, 정확도, 정밀도, 속도)과 비용(구매, 운용, 훈련, 시간, 공간)에 의해 추진된다.현대 분석 원자 분광학의 주요 분야 중 가장 널리 보급되고 보편적인 것은 광학 분광학과 질량 분광학이다.^[19]고형 검체의 직접 원소 분석에서 새로운 리더는 레이저 유도 분해 및 레이저 절제 질량 분광법이며, 레이저 절제 제품을 유도 결합 플라즈마로 이전하는 관련 기법이다.다이오드 레이저와 광학 파라메트릭 오실레이터 설계의 발전은 형광 및 이온화 분광기의 개발을 촉진하고 유효 흡수 경로 길이 증가를 위한 광학적 공동의 사용이 확대될 것으로 예상되는 흡수 기법에서도 촉진된다.플라즈마 방식과 레이저 방식의 활용이 증가하고 있다.절대(표준 없는) 분석에 대한 관심이 되살아났고, 특히 방출 분광 분석에서 그렇다.^[20]

분석 기법을 칩 크기로 축소하는 데 많은 노력을 기울이고 있다.전통적인 분석 기법으로 경쟁하는 그러한 시스템의 예는 거의 없지만, 잠재적인 장점은 크기/포털리티, 속도 및 비용을 포함한다.(마이크로 토털 분석 시스템(µTAS) 또는 랩 온 어 칩).마이크로 스케일 화학은 사용되는 화학 물질의 양을 줄인다.

많은 발전이 생물학적 시스템의 분석을 향상시킨다.이 영역에서 빠르게 확장되는 분야의 예로는 유전체학, DNA 염기서열 및 유전자 지문채취와 DNA 마이크로어레이에 관한 관련 연구; 단백질학, 특히 다양한 스트레스 요인에 대한 단백질 농도와 변형의 분석, 다양한 발달 단계 또는 신체의 여러 부위에서 대사학 등이 있다.대사물이 있는 eals, mRNA 및 관련 분야를 포함한 transcentomics, 지질학 - 지질 및 관련 분야, 펩타이드 - 펩타이드 및 관련 분야, 금속 농도와 특히 단백질 및 기타 분자에 대한 결합을 다루는 금속학.^{[citation needed]}

분석 화학은 생물의학 응용, 환경 감시, 공업 제조의 품질 관리, 법의학 등 다양한 실용적 응용에 기초 과학을 이해하는 데 중요한 역할을 해왔다.^[21]

최근 컴퓨터 자동화와 정보 기술의 발전은 분석 화학이 많은 새로운 생물학적 분야로 확장되었다.예를 들어, 자동화된 DNA 염기서열 분석기는 유전체학의 탄생으로 이어지는 인간 게놈 프로젝트를 완성하는 기초였다.질량분석에 의한 단백질 식별과 펩타이드 염기서열은 단백질학의 새로운 분야를 열었다.특정 프로세스를 자동화하는 것 외에도, 에메랄드 클라우드 랩이나 Transcriptic과 같은 회사에서와 같은 더 큰 연구실 테스트 섹션을 자동화하려는 노력이 있다.^[22]

분석 화학은 나노기술 발전에 없어서는 안 될 영역이었다.표면 특성화 기구, 전자 현미경, 스캐닝 프로브 현미경은 과학자들이 화학적 특성화로 원자 구조를 시각화할 수 있게 해준다.

참고 항목

참조

추가 읽기

외부 링크

위키다양성에서는 분석화학과의 분석화학에 대해 더 많이 배우고 다른 사람들에게 가르칠 수 있다.

위키미디어 커먼즈에는 분석 화학 관련 미디어가 있다.

• 컬리의 해석 화학
• 분석 화학의 진보를 보여주는 인포그라픽과 애니메이션
• aas 원자 흡수 분광도계