Kimika analitiko

Kimika analitikoa material natural zein artifizialen osagai kimikoen banaketa, identifikazioa eta kuantifikazioaren azterketa da ^[1]. Banaketaren bitartez analitoak fisikoki bereizten dira. Analisi kualitatiboak lagina osatzen duten espezie kimikoen izaera adierazten du, eta analisi kuantitatiboak osagai horietako baten edo gehiagoren kantitatea determinatzen du. Osagaien banaketa sarritan analisia baino lehen egiten da.

Metodo analitikoak bi multzotan bana daitezke, klasikoak eta instrumentalak edo tresnen bidezkoak ^[2]. Metodo klasikoek prezipitazioa, erauzketa eta distilazioa bezalako banaketa teknikak erabiltzen dituzte. Metodo klasiko kualitatiboan, analitoen identifikazioa kolorearen, usainaren edo urtze-puntuaren, irakite-puntuaren, erradioaktiboaren edo erreaktibotasunaren arabera determinatzen da. Analisi klasiko kuantitatiboaten pisuaren eta bolumenaren neurketak erabiltzen dira analito kantitatea kuntifikatzeako. Bestalde, metodo instrumentaletan tresnak erabiltzen dira analizatutako analitoaren ezaugarri fisikoak (adibidez, argi-absortzioa, fluoreszentzia edo eroankortasun elektrikoa) neurtzeko. Materialen banaketarako kromatografia edo elektroforesi metodoak erabiltzen dira.Ondoren, analisi kualitatibo eta kuantitatibo bat egin daiteke, askotan tresna berbera erabiliz, argiaren, beroaren elkarrekintzaren, eremu elektrikoen edo eremu magnetikoen elkarreragina erabiliz. Askotan, tresna berberak analito bat bereizi, identifikatu eta kuantifika dezake.

Kimika analitikoak, diseinu esperimentaleko hobekuntzak, kimiometria eta neurtzeko tresna berrien sorrera ditu ardatz. Horrez gain, kimika analitikoak hainbat esparrutan ere aplikatzen da: bioanalisian, auzitegi medikuntzan, kimika klinikoan, ingurumen analisian, etab.

Historia

Gustav Kirchhoff (ezkerrean) y Robert Bunsen (eskuinean)

Kimika analitikoa garrantzitsua izan da kimikaren lehenengo egunetatik, laginean zer elementu eta substantzia kimiko dauden zehazteko metodoak ematen baititu. Kimika analitikoari egindako ekarpen garrantzitsuenen artean daude Justus von Liebig-en analisi sistematiko elementalaren garapena eta talde funtzionalen erreakzio espezifikoetan oinarritutako analisi organiko sistematizatua.

Lehen analisi instrumentala Robert Bunsenek eta 1860an rubidioa eta zesioa aurkitu zuen Gustav Kirchhoffek garatutako sugarraren emisio-espektrometria izan zen^[3].

1900etik aurrera eman ziren kimika analitikoko garapen nagusi gehienak. Denboraldi horretan, analisi instrumentala pixkanaka nagusitu zen kimikaren eremuan. Bereziki, espektroskopia- eta espektrometria-teknika elemental asko XX. mendearen hasieran aurkitu ziren, eta XX. mendearen amaieran hobetu ziren^[4].

Banaketa prozesu tekniken garapenak antzeko denbora-lerroari jarraitzen diote, eta gero eta errendimendu handiagoko tresnak lortu ziren ^[5]. 1970eko hamarkadan, teknika horietako asko konbinatuta lortutako teknika hibridoak erabiltzen hasi ziren, laginen karakterizazio osoa lortzeko.

Gutxi gorabehera 70eko hamarkadan hasi eta gaur egun arte, kimika analitikoa gero eta inklusiboagoa bihurtu da arazo biologikoetan (kimika bioanalitikoa); lehenago, ostera, molekula organiko, ez-organiko edo molekula txikietan zentratzen zen batez ere. Horrez gain, laserrak gero eta gehiago erabili dira kimika anailitkoan zunda gisa, baita era askotariko erreakzioak hasteko eta erreakzioan eragiteko ere .XX. mendearen amaieran, kimika analitikoaren aplikazioa beste alor batzuetara hedatu zen, hala nola, auzitegi-medikuntzako, ingurumeneko, industriako, medikuntzako eta histologiako gaietara ^[6].

Kimika analitiko modernoa analisi instrumentalaren mende dago. Kimikari analitikari asko instrumentu-mota bakar batean zentratzen dira. Akademikoak aplikazio eta aurkikuntza berrietan edo analisi-metodo berrietan zentratzen dira. Odolean dagoen eta minbizi-arriskua areagotzen duen substantzia kimiko baten aurkikuntza, kimikari analitiko batek parte har lezakeen aurkikuntza bat litzateke.

Metodo berri bat garatzeak laser sintonizagarri baten erabilera inplikatu dezake, metodo espektrometriko baten espezifikotasuna eta sentikortasuna handitzeko. Metodo asko, garatu ondoren, aldatu gabe mantentzen dira datuak denbora luzez konparatu ahal izateko. Hori bereziki industria-kalitatean ematen da, auzitegiko aplikazioetan eta ingurumen-aplikazioetan.

Kimika analitikoak gero eta garrantzi handiagoa du farmazia-industrian, kalitate-kontrolean erabiltzeaz gain, sendagai berriak aurkitzeko eta botikaren eta pazientearen arteko elkarreraginak ulertzeko aplikazio klinikoetan erabiltzen da.

Metodo klasikoak

Kimika analitiko modernoan nagusiki instrumentazio sofistikatua erabiltzen den arren, kimika analitikoaren erroak eta tresna modernoetan erabiltzen diren printzipio batzuk teknika tradizionaletatik eratorritakoak dira, eta horietako asko oraindik erabiltzen dira. Teknika horiek gradu-aurreko kimika analitikoko hezkuntza-laborategi gehienetan ere ikasi eta erabiltzen da.

Analisi kualitatibo horretan sugarraren kolore berde urdinxkak kobrearen presentzia adierazten du.

Analisi kualitatiboa

Analisi kualitatibo batek subastantzia batean konposatu jakin bat dagoen edo ez zehazten du, baina ez masa edo kontzentrazioa. Definizioz, analisi kualitatiboek ez dute kantitatea neurtzen.

Proba kimikoak

Proba kimiko kualitatibo ugari daude, hala nola, urrea detektatzeko azido-proba eta odolik dagoen detektatzeko Kastle-Meyer-en proba.

Sugarraren proba

Analisi kualitatibo ez-organikoan, oro har, zenbait ioi edo elementu, eskuarki akuosoak, badaudela baieztatzeko erabiltzen dira. Horretarako, zenbait erreakzio egiten dira aukera tarteak ezabatzeko eta, ondoren, ioi susmagarriak baieztatzeko, berrespen-proba bat egiten da. Batzuetan, prozesura horietan karbonoa duten ioi txikiak sartzen dira. Gaur egungo, instrumentazio modernoaren ondorioz, proba horiek oso gutxitan erabiltzen dira. Hala ere, baliagarriak izan daitezke hezkuntza-helburuetarako edolanda-lanetarako, baita, azken belaunaldiko tresnetarako sarbidea erabilgarririk ez dagoenerako edo komenigarria ez den beste egoera batzuetarako.

Analisi kuantitatiboa

Analisi kuantitatiboa substantzia batean dauden osagai kimiko partikularren kantitatea neurtzea da.

Analisi grabimetrikoa

Analisi grabimetrikoan substantzia baten kantitatea determinatzen da, lagina saiakuntza baten aurretik edota ondoren pisatuz. Gradu-aurreko hezkuntzan erabilitako adibide arrunt bat hidrato baten kantitatea determinatzea da. Prozeduran lagina berotzen da ura galtzeko. Pisu-diferentziak galdutako ur kantitatea adierazten du.

Analisi bolumetrikoa

Analisi bolumetrikoa balorazio kimiko izenez ere ezagutzen da. Balorazioan kontzentrazio ezaguneko (estandarizatuta dagoen) erreaktibo bat gehitzen zaio analizatu nahi den disoluzioa bati, baliokidetasun-puntura iritsi arte. Baliokidetasun puntura iristeko behar izan den kontzentrazio ezaguneko erreaktiboaren bolumena neurturik, analizatu nahi den disoluzioaren substantzia kantitatea determinatu daiteke, bi substantzien arteko erlazio estekiometrikoak kontuan izanik. Analisi bolumetriko ezagunenetarikoa, azido-base balorazioa da eta horietan adierazleak erabiltzen dira kolore aldaketa ikusteko (baliokidetasun-puntua adierazten du). Beste titulazio mota asko ere badaude, adibidez, titulazio potentziometrikoak. Titulazio horiek hainbat adierazle-mota erabil ditzakete baliokidetza-punturen bat lortzeko.

Metodo instrumentalak

Tresna analitiko baten bloke-diagrama, estimulua eta erantzunaren neurketa erakusten dituena.

Espektroskopia

Espektroskopiak molekulek erradiazio elektromagnetikoarekin duten elkarreragina neurtzen du. Espektroskopiak hainbat aplikazio ditu, hala nola, absortzio atomikoko espektroskopia, emisio atomikoko espektroskopia, ultramore-ikuskor espektroskopia, X izpien fluoreszentziaren espektroskopia, infragorrien espektroskopia, Raman espektroskopia, polarizazio dualeko interferometria, polarizazio magnetikoko espektroskopia, erresonantzia magnetiko nuklearraren (RMN) espektroskopia, fotoemisioko espektroskopia, fotodisposizioko espektroskopia, Motsensisen mikroskopia-espektroskopia.

Irrati-karbono bidezko dataziorako eta beste analisi batzuetarako erabiltzen den azeleragailu bidezko masa-espektrometroa.

Masa espektrometria

Masa-espektrometriak eremu elektriko eta magnetikoaren bitartez molekulen masa-karga erlazioa neurtzen du. Hainbat ionizazio-metodo daude: elektroien inpaktua, ionizazio kimikoa, elektropulberizazioa, atomo azkarren bidezko bonbardaketa, matrize bidez lagundutako laser desortzio bidezko ionizazioa, etab. Gainera, masa-espektrometria masa-analizatzaileen ikuspegiaren arabera sailkatzen da: sektore magnetikoa, masa-analizatzaile kuadripoloa, ioi-tranpa kuadripoloa, hegaldi-denbora, etab.

Analisi elektrokimikoa

Metodo elektroanalitikoek potentziala (voltak) edota korrontea (ampereak) neurtzen dituzte analitoa duen zelda elektrokimiko batean ^[7][8]. Metodo horiek kontrolatu eta neurtzen diren zeldaren ezaugarrien arabera sailka daitezke. Lau kategoria nagusiak hauek dira: potentziometria (elektrodoen arteko potentzial diferentzia neurtzen da), coulometria (transferitutako karga denborarekin neurtzen da), amperimetria (zeldako korrontea denborarekin neurtzen da) eta boltametria (zeldako korrontea zelularen potentziala aldatzen den bitartean neurtzen da).

Analisi termikoa

Kalorimetriak eta analisi termograbimetrikoak materialaren eta beroaren arteko elkarreragina neurtzen dute.

Tinta beltzaren banaketa geruza fineko kromatografia-plaka baten gainean.

Banaketa

Banaketa-metodoak substantzia nahasteen konplexutasuna murrizteko erabiltzen dira. Kromatografia, elektroforesia eta eremu-fluxuaren zatikatzea dira banaketa-metodoen adierazgarri.

Teknika hibridoak

Aurreko tekniken konbinazioek teknika hibridoak sortzen dituzte ^{[9][10][11][12][13]}. Horren zenbait adibide gaur egun asko erabiltzen dira, eta egun teknika hibrido berriak garatzen ari dira.Esate baterako,  gas kromatografia-masa-espektrometria; gas kromatografia-infragorrien espektroskopia; likido kromatografia -masa-espektrometria; likido kromatografia-RMN espektroskopia; likido kromatografia, infragorrien espektroskopia, elektroforesi kapilarra eta masa-espektrometria.

Gidoi bidezko banaketa teknikak, disoluzioetan substantzia kimikoak detektatzeko eta banatzeko bi (edo gehiago) teknikaren konbinazioak dira. Askotan tekniketako bat kromatografia teknikaren bat izaten da. Gidoi bidezko teknikak asko erabiltzen dira kimikan eta biokimikan.

Profasean dauden bi sagu-zelulen fluoreszentzia-mikroskopioaren irudia (eskala-barra 5 µm-koa da)^[14].

Mikroskopia

Banakako molekulak, banakako zelulak, ehun biologikoak eta nanomaterialak ikusteko gai izatea garrantzitsua eta erakargarria da zientzia analitikoan. Gainera, beste analisi-tresna tradizional batzuekin egindako hibridazioak  iraultza ekarri du zientzia analitikoan. Mikroskopia hiru eremutan sailka daiteke: mikroskopia optikoa, mikroskopia elektronikoa eta ekorketa-zundazko mikroskopia. Egun, konputagailuen eta kameren industriak azkar garatzen ari direnez, mikroskopia eremu hau azkar ari da aurreratzen.

Lab-on-a-chip

Milimetro karratu eta zentimetro karratu arteko tamaina duten dispositiboak dira, funtzio ugari integratzen dituztenak eta oso jariakin-bolumen txikiak (pikolitroak) maneiatzeko gai direnak.

Erroreak

Behatutako balioaren eta benetako balioaren arteko zenbakizko diferentzia gisa defini daiteke errorea^[15].

Errorea kalkulatzeko formulan, analisi kimikoaren benetako balioa eta ikusitako balioa elkarrekin erlazionatzen dira:

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

Non:

• ${\displaystyle \varepsilon _{\rm {a}}}$ balore absolutua den.
• ${\displaystyle x}$ benetako balioa den.
• ${\displaystyle {\bar {x}}}$ behatutako balioa den.

Neurketa baten errorea, neurketa zehatz baten alderantzizko neurria da, hau da, errorea zenbat eta txikiagoa izan, orduan eta zehaztasun handiagoa izango du neurketak.

Erroreak erlatiboki adieraz daitezke. Errore erlatiboa ( ${\displaystyle \varepsilon _{\rm {r}}}$):

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

Errorearen portzentajea honela kalkula daiteke:

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

Balio horiek funtzio batean erabili nahi baditugu, funtzioaren errorea ere kalkula dezakegu. ${\displaystyle N}$ aldagai duen ${\displaystyle f}$ funtzioan, ziurgabetasunaren hedapena kalkulatu behar da ${\displaystyle f}$-ren errorea ezagutzeko:

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

Kalibrazio kurba

Detektatze-muga (LOD), kuantifikazio-muga (LOQ), tarte dinamikoa eta linealtasun-muga (LOL) erakusten dituen kalibrazio-kurbaren grafikoa.

Kontzentrazioa aztertzeko metodo orokor batek kalibrazio-kurba bat sortzea eskatzen du. Horri esker, substantzia batean analito baten kantitatea zehaztu daiteke, lagin ezezagun horren emaitzak, lagin estandar ezagun batzuen emaitzekin konparatuz. Horretarako, kontzentrazio ezaguneko lagin estandarren emaitzekin kalibrazio-kurba bat sortu behar da, kalibrazio-kurbako ekuazioa lortuz. Ondoren, lagin ezezagunean lortutako emaitza kalibrazio-kurbako ekuazioan sartuz, aztertzen ari den analitoaren kontzentrazioa lortzen da.

Lagin bateko elementuaren edo konposatuaren kontzentrazioa teknikaren detekzio-mugarako altuegia bada, disolbatzaile puru batean diluitu daiteke. Lagineko substantzia kantitatea tresna baten neurketa-tartearen azpitik badago, ostera, adizio metodoa erabil daiteke. Metodo horretan, aztergai den elementuaren edo konposatuaren kantitate ezagun bat gehitzen da, eta gehitutako kontzentrazioaren eta behatutako kontzentrazioaren arteko aldea laginean benetan dagoen kantitatea da..

Adizio estandarra

Batzuetan, aztertu nahi den laginari kontzentrazio ezaguneko barne-estandar bat gehitzen zaio zuzenean, kuantifikatzen laguntzeko. Laginean dagoen analito kantitatea, kalibratzeko erabili den barne-estandarraren kontzentrazio erlazioaren arabera zehazten da. Barne-estandar ideal bat isotopoekin aberastutako analito bat da, isotopoen diluzio-metodoa ahalbidetzen duena.

Erreferentziak

1. Skoog, Douglas A.; West, Donald M.; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (2014). Fundamentals of Analytical Chemistry. Belmont: Brooks/Cole, Cengage Learning. p. 1. ISBN 978-0-495-55832-3
2. Skoog, Douglas A.. (2007). Principles of instrumental analysis. (Sixth edition. argitaraldia) ISBN 978-0-495-01201-6. PMC 77224390. (Noiz kontsultatua: 2022-03-07).
3. (Ingelesez) ARIKAWA, YOSHIKO. (2002). Basic Education in Analytical Chemistry. The Japan Society for Analytical Chemistry  doi:10.14891/analscisp.17icas.0.i571.0. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
4. Miller, K. (2000-04-28). «Review of analytical measurements facilitated by drop formation technology» Talanta 51 (5): 921–933.  doi:10.1016/S0039-9140(99)00358-6. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
5. (Ingelesez) Bartle, Keith D.; Myers, Peter. (2002-09). «History of gas chromatography» TrAC Trends in Analytical Chemistry 21 (9-10): 547–557.  doi:10.1016/S0165-9936(02)00806-3. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
6. (Ingelesez) Laitinen, H.A.. (1989-01). «History of analytical chemistry in the U.S.A.» Talanta 36 (1-2): 1–9.  doi:10.1016/0039-9140(89)80077-3. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
7. Bard, A.J.; Faulkner, L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2000.
8. Skoog, D.A.; West, D.M.; Holler, F.J. Fundamentals of Analytical Chemistry New York: Saunders College Publishing, 5th Edition, 1988.
9. (Ingelesez) Wilkins, Charles L.. (1983-10-21). «Hyphenated Techniques for Analysis of Complex Organic Mixtures» Science 222 (4621): 291–296.  doi:10.1126/science.6353577. ISSN 0036-8075. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
10. Holt, R. M.; Newman, M. J.; Pullen, F. S.; Richards, D. S.; Swanson, A. G. (1997). «High-performance Liquid Chromatography/NMR Spectrometry/Mass Spectrometry:Further Advances in Hyphenated Technology». Journal of Mass Spectrometry 32 (1): 64-70. Bibcode:1997JMSp...32...64H. PMID 9008869. doi:10.1002/(SICI)1096-9888(199701)32:1<64::AID-JMS450>3.0.CO;2-7.
11. (Ingelesez) Ellis, Lyndon A; Roberts, David J. (1997-07). «Chromatographic and hyphenated methods for elemental speciation analysis in environmental media» Journal of Chromatography A 774 (1-2): 3–19.  doi:10.1016/S0021-9673(97)00325-7. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
12. (Ingelesez) Guetens, G; De Boeck, G; Wood, M; Maes, R.A.A; Eggermont, A.A.M; Highley, M.S; van Oosterom, A.T; de Bruijn, E.A et al.. (2002-11). «Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring» Journal of Chromatography A 976 (1-2): 229–238.  doi:10.1016/S0021-9673(02)01228-1. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
13. (Ingelesez) Guetens, G; De Boeck, G; Highley, M.S; Wood, M; Maes, R.A.A; Eggermont, A.A.M; Hanauske, A; de Bruijn, E.A et al.. (2002-11). «Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring» Journal of Chromatography A 976 (1-2): 239–247.  doi:10.1016/S0021-9673(02)01227-X. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
14. (Ingelesez) Schermelleh, Lothar; Carlton, Peter M.; Haase, Sebastian; Shao, Lin; Winoto, Lukman; Kner, Peter; Burke, Brian; Cardoso, M. Cristina et al.. (2008-06-06). «Subdiffraction Multicolor Imaging of the Nuclear Periphery with 3D Structured Illumination Microscopy» Science 320 (5881): 1332–1336.  doi:10.1126/science.1156947. ISSN 0036-8075. PMID 18535242. PMC PMC2916659. (Noiz kontsultatua: 2022-03-03).
15. GL David - Química Analítica

Kanpo estekak

• Datuak: Q2346
• Multimedia: Analytical chemistry / Q2346