Química Analítica

Laboratório de cromatografia de gás

química analítica estuda e usa instrumentos e métodos para separar, identificar e quantificar a matéria. Na prática, a separação, identificação ou quantificação pode constituir toda a análise ou ser combinada com outro método. A separação isola os analitos. A análise qualitativa identifica os analitos, enquanto a análise quantitativa determina a quantidade ou concentração numérica.

A química analítica consiste em métodos químicos clássicos e úmidos e métodos instrumentais modernos. Métodos qualitativos clássicos usam separações como precipitação, extração e destilação. A identificação pode ser baseada em diferenças de cor, odor, ponto de fusão, ponto de ebulição, solubilidade, radioatividade ou reatividade. A análise quantitativa clássica usa mudanças de massa ou volume para quantificar a quantidade. Métodos instrumentais podem ser usados para separar amostras usando cromatografia, eletroforese ou fracionamento de fluxo de campo. Em seguida, análises qualitativas e quantitativas podem ser realizadas, geralmente com o mesmo instrumento e podem usar interação de luz, interação de calor, campos elétricos ou campos magnéticos. Frequentemente, o mesmo instrumento pode separar, identificar e quantificar um analito.

A química analítica também está focada em melhorias no design experimental, quimiometria e na criação de novas ferramentas de medição. A química analítica tem amplas aplicações na medicina, ciência e engenharia.

História

Gustav Kirchhoff (à esquerda) e Robert Bunsen (à direita)

A química analítica tem sido importante desde os primórdios da química, fornecendo métodos para determinar quais elementos e substâncias químicas estão presentes no objeto em questão. Durante este período, contribuições significativas para a química analítica incluíram o desenvolvimento da análise elementar sistemática por Justus von Liebig e a análise orgânica sistematizada baseada nas reações específicas de grupos funcionais.

A primeira análise instrumental foi a espectrometria emissiva de chama desenvolvida por Robert Bunsen e Gustav Kirchhoff, que descobriram o rubídio (Rb) e o césio (Cs) em 1860.

A maioria dos principais desenvolvimentos na química analítica ocorreu após 1900. Durante este período, a análise instrumental tornou-se progressivamente dominante no campo. Em particular, muitas das técnicas espectroscópicas e espectrométricas básicas foram descobertas no início do século XX e refinadas no final do século XX.

As ciências da separação seguem uma linha de tempo semelhante de desenvolvimento e também se transformaram cada vez mais em instrumentos de alto desempenho. Na década de 1970, muitas dessas técnicas começaram a ser usadas em conjunto como técnicas híbridas para obter uma caracterização completa das amostras.

A partir da década de 1970, a química analítica tornou-se progressivamente mais inclusiva de questões biológicas (química bioanalítica), ao passo que anteriormente se concentrava amplamente em moléculas inorgânicas ou pequenas orgânicas. Os lasers têm sido cada vez mais usados como sondas e até mesmo para iniciar e influenciar uma ampla variedade de reações. O final do século 20 também viu uma expansão da aplicação da química analítica de questões químicas um tanto acadêmicas para questões forenses, ambientais, industriais e médicas, como na histologia.

A química analítica moderna é dominada pela análise instrumental. Muitos químicos analíticos se concentram em um único tipo de instrumento. Os acadêmicos tendem a se concentrar em novas aplicações e descobertas ou em novos métodos de análise. A descoberta de uma substância química presente no sangue que aumenta o risco de câncer seria uma descoberta na qual um químico analítico poderia estar envolvido. Um esforço para desenvolver um novo método pode envolver o uso de um laser sintonizável para aumentar a especificidade e a sensibilidade de um método espectrométrico. Muitos métodos, uma vez desenvolvidos, são mantidos propositalmente estáticos para que os dados possam ser comparados por longos períodos de tempo. Isso é particularmente verdadeiro na garantia de qualidade industrial (QA), aplicações forenses e ambientais. A química analítica desempenha um papel cada vez mais importante na indústria farmacêutica onde, além do controle de qualidade, é usada na descoberta de novos candidatos a medicamentos e em aplicações clínicas onde a compreensão das interações entre o medicamento e o paciente é crítica.

Métodos clássicos

A presença de cobre nesta análise qualitativa é indicada pela cor azulada-verde da chama

Embora a química analítica moderna seja dominada por instrumentação sofisticada, as raízes da química analítica e alguns dos princípios usados em instrumentos modernos são de técnicas tradicionais, muitas das quais ainda são usadas hoje. Essas técnicas também tendem a formar a espinha dorsal da maioria dos laboratórios educacionais de química analítica de graduação.

Análise qualitativa

A análise qualitativa determina a presença ou ausência de um determinado composto, mas não a massa ou concentração. Por definição, as análises qualitativas não medem a quantidade.

Exames químicos

Existem inúmeros testes químicos qualitativos, por exemplo, o teste de ácido para ouro e o teste de Kastle-Meyer para a presença de sangue.

Teste de chama

A análise qualitativa inorgânica geralmente se refere a um esquema sistemático para confirmar a presença de certos íons ou elementos aquosos, realizando uma série de reações que eliminam uma gama de possibilidades e, em seguida, confirmam os íons suspeitos com um teste de confirmação. Às vezes, pequenos íons contendo carbono são incluídos em tais esquemas. Com instrumentação moderna, esses testes raramente são usados, mas podem ser úteis para fins educacionais e em trabalho de campo ou outras situações em que o acesso a instrumentos de última geração não está disponível ou conveniente.

Análise quantitativa

A análise quantitativa é a medição das quantidades de determinados constituintes químicos presentes em uma substância. As quantidades podem ser medidas por massa (análise gravimétrica) ou volume (análise volumétrica).

Análise gravimétrica

A análise gravimétrica envolve a determinação da quantidade de material presente pela pesagem da amostra antes e/ou após alguma transformação. Um exemplo comum usado no ensino de graduação é a determinação da quantidade de água em um hidrato pelo aquecimento da amostra para retirar a água de forma que a diferença de peso seja devido à perda de água.

Análise volumétrica

A titulação envolve a adição de um reagente a uma solução que está sendo analisada até que algum ponto de equivalência seja alcançado. Freqüentemente, a quantidade de material na solução que está sendo analisada pode ser determinada. Mais familiar para aqueles que estudaram química durante o ensino médio é a titulação ácido-base envolvendo um indicador que muda de cor. Existem muitos outros tipos de titulações, por exemplo, titulações potenciométricas. Essas titulações podem usar diferentes tipos de indicadores para atingir algum ponto de equivalência.

Métodos instrumentais

Diagrama de bloco de um instrumento analítico mostrando o estímulo e medição da resposta

Espectroscopia

A espectroscopia mede a interação das moléculas com a radiação eletromagnética. A espectroscopia consiste em muitas aplicações diferentes, como espectroscopia de absorção atômica, espectroscopia de emissão atômica, espectroscopia ultravioleta-visível, espectroscopia de raios X, espectroscopia de fluorescência, espectroscopia de infravermelho, espectroscopia Raman, interferometria de dupla polarização, espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de fotoemissão, espectroscopia Mössbauer e breve.

Espectrometria de massa

Um espectrômetro de massa acelerador usado para datação por radiocarbono e outras análises

A espectrometria de massa mede a razão massa/carga de moléculas usando campos elétricos e magnéticos. Existem vários métodos de ionização: ionização por elétrons, ionização química, ionização por eletropulverização, bombardeio de átomos rápidos, dessorção/ionização a laser assistida por matriz e outros. Além disso, a espectrometria de massa é categorizada por abordagens de analisadores de massa: setor magnético, analisador de massa quadrupolo, armadilha de íons quadrupolo, tempo de voo, ressonância de ciclotron de íons de transformação de Fourier e assim por diante.

Análise eletroquímica

Métodos eletroanalíticos medem o potencial (volts) e/ou corrente (ampères) em uma célula eletroquímica contendo o analito. Esses métodos podem ser categorizados de acordo com quais aspectos da célula são controlados e quais são medidos. As quatro categorias principais são potenciometria (a diferença nos potenciais do eletrodo é medida), coulometria (a carga transferida é medida ao longo do tempo), amperometria (a corrente da célula é medida ao longo do tempo) e voltametria (a corrente da célula é medida ao longo do tempo). A corrente é medida enquanto altera ativamente o potencial da célula).

Análise térmica

A calorimetria e a análise termogravimétrica medem a interação de um material e calor.

Separação

Separação de tinta preta em uma placa de cromatografia de camada fina

Os processos de separação são usados para diminuir a complexidade das misturas de materiais. Cromatografia, eletroforese e fracionamento de fluxo de campo são representativos deste campo.

Técnicas híbridas

As combinações das técnicas acima produzem um "híbrido" ou "hifenizado" técnica. Vários exemplos estão em uso popular hoje e novas técnicas híbridas estão em desenvolvimento. Por exemplo, cromatografia gasosa-espectrometria de massa, cromatografia gasosa-espectroscopia de infravermelho, cromatografia líquida-espectrometria de massa, cromatografia líquida-espectroscopia de NMR, cromatografia líquida-espectroscopia de infravermelho e eletroforese capilar-espectrometria de massa.

Técnicas de separação hifenizadas referem-se a uma combinação de duas (ou mais) técnicas para detectar e separar produtos químicos de soluções. Na maioria das vezes, a outra técnica é alguma forma de cromatografia. Técnicas hifenizadas são amplamente utilizadas em química e bioquímica. Às vezes, uma barra é usada em vez de hífen, especialmente se o nome de um dos métodos contiver um hífen.

Microscopia

Imagem de microscópio de fluorescência de dois núcleos de células do mouse em profase (a barra de escala é de 5 μm)

A visualização de moléculas únicas, células únicas, tecidos biológicos e nanomateriais é uma abordagem importante e atraente na ciência analítica. Além disso, a hibridização com outras ferramentas analíticas tradicionais está revolucionando a ciência analítica. A microscopia pode ser categorizada em três campos diferentes: microscopia óptica, microscopia eletrônica e microscopia de sonda de varredura. Recentemente, este campo está progredindo rapidamente devido ao rápido desenvolvimento das indústrias de computadores e câmeras.

Laboratório em um chip

Dispositivos que integram (múltiplas) funções de laboratório em um único chip de apenas milímetros a alguns centímetros quadrados de tamanho e que são capazes de lidar com volumes de fluidos extremamente pequenos até menos de picolitros.

Erros

O erro pode ser definido como a diferença numérica entre o valor observado e o valor real. O erro experimental pode ser dividido em dois tipos, erro sistemático e erro aleatório. O erro sistemático resulta de uma falha no equipamento ou no projeto de um experimento, enquanto o erro aleatório resulta de variáveis não controladas ou incontroláveis no experimento.

Em erro, o valor verdadeiro e o valor observado na análise química podem ser relacionados entre si pela equação

ε ε um= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =|x- Sim. - Sim. x? ? |{displaystyle varepsilon _{rm {a}}=|x-{bar {x}}|}

onde

• ε ε um{displaystyle varepsilon _{rm {a}}} é o erro absoluto.
• xNão. é o verdadeiro valor.
• x? ? (x) é o valor observado.

Um erro de medição é uma medida inversa da medição precisa, ou seja, quanto menor o erro, maior a precisão da medição.

Erros podem ser expressos relativamente. Dado o erro relativo(ε ε R{displaystyle varepsilon _{rm {r}}}:

ε ε R= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =ε ε um|x|= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =|x- Sim. - Sim. x? ? x|{displaystyle varepsilon _{rm {r} = frac - Sim. {a}}}{|x|}}=left|{frac {x-{bar {x}}}{x}}right|}

O erro percentual também pode ser calculado:

ε ε R× × 100.% % {displaystyle varepsilon _{rm {r}}times 100%}

Se quisermos usar esses valores em uma função, também podemos querer calcular o erro da função. Vamos. fNão. ser uma função com NNão. variáveis. Portanto, a propagação da incerteza deve ser calculada para saber o erro em fNão.:

ε ε um(f)? ? Gerenciamento Gerenciamento Eu...= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =1N|∂ ∂ f∂ ∂ xEu...|ε ε um(xEu...)= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =|∂ ∂ f∂ ∂ x1|ε ε um(x1)+|∂ ∂ f∂ ∂ x2|ε ε um(x2)+...... +|∂ ∂ f∂ ∂ xN|ε ε um(xN){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 - Não. x_{N}}}right|varepsilon _{rm {a}}(x_{N})}

Padrões

Curva padrão

Um gráfico de curva de calibração mostrando limite de detecção (LOD), limite de quantificação (LOQ), faixa dinâmica e limite de linearidade (LOL)

Um método geral para análise de concentração envolve a criação de uma curva de calibração. Isso permite a determinação da quantidade de um produto químico em um material comparando os resultados de uma amostra desconhecida com os de uma série de padrões conhecidos. Se a concentração do elemento ou composto em uma amostra for muito alta para a faixa de detecção da técnica, ela pode ser simplesmente diluída em um solvente puro. Se a quantidade na amostra estiver abaixo da faixa de medição de um instrumento, o método de adição pode ser usado. Neste método, adiciona-se uma quantidade conhecida do elemento ou composto em estudo, sendo que a diferença entre a concentração adicionada e a concentração observada é a quantidade realmente presente na amostra.

Padrões internos

Às vezes, um padrão interno é adicionado em uma concentração conhecida diretamente a uma amostra analítica para auxiliar na quantificação. A quantidade de analito presente é então determinada em relação ao padrão interno como um calibrador. Um padrão interno ideal é um analito enriquecido isotopicamente que dá origem ao método de diluição de isótopos.

Adição padrão

O método de adição de padrão é usado na análise instrumental para determinar a concentração de uma substância (analito) em uma amostra desconhecida por comparação com um conjunto de amostras de concentração conhecida, semelhante ao uso de uma curva de calibração. A adição padrão pode ser aplicada à maioria das técnicas analíticas e é usada em vez de uma curva de calibração para resolver o problema do efeito de matriz.

Sinais e ruídos

Um dos componentes mais importantes da química analítica é maximizar o sinal desejado enquanto minimiza o ruído associado. A figura analítica de mérito é conhecida como relação sinal-ruído (S/N ou SNR).

O ruído pode surgir de fatores ambientais, bem como de processos físicos fundamentais.

Ruído térmico

O ruído térmico resulta do movimento de portadores de carga (geralmente elétrons) em um circuito elétrico gerado por seu movimento térmico. O ruído térmico é um ruído branco, o que significa que a densidade espectral de potência é constante em todo o espectro de frequência.

O valor quadrático médio do ruído térmico em um resistor é dado por

vRMS= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =4kBTR? ? f,{displaystyle v_{rm {RMS}}={sqrt {4k_{rm {B}}TRDelta f}},}

Onde? k_B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, R é a resistência, e ? ? fNão. é a largura de banda da frequência fNão..

Ruído de tiro

O ruído shot é um tipo de ruído eletrônico que ocorre quando o número finito de partículas (como elétrons em um circuito eletrônico ou fótons em um dispositivo óptico) é pequeno o suficiente para dar origem a flutuações estatísticas em um sinal.

O ruído de tiro é um processo de Poisson, e os portadores de carga que compõem a corrente seguem uma distribuição de Poisson. A raiz quadrada média da flutuação da corrente é dada por

Eu...RMS= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2eEu...? ? f{displaystyle i_{rm {RMS}}={sqrt {2eIDelta f}}}

onde e é a carga elementar e I é a corrente média. O ruído de disparo é um ruído branco.

Ruído de oscilação

O ruído flicker é um ruído eletrônico com um espectro de frequência de 1/ƒ; conforme f aumenta, o ruído diminui. O ruído de cintilação surge de uma variedade de fontes, como impurezas em um canal condutor, geração e ruído de recombinação em um transistor devido à corrente de base e assim por diante. Esse ruído pode ser evitado pela modulação do sinal em uma frequência mais alta, por exemplo, através do uso de um amplificador lock-in.

Ruído ambiental

Ruído em uma análise termogravimétrica; menor ruído no meio do enredo resulta de menos atividade humana (e ruído ambiental) à noite

O ruído ambiental surge dos arredores do instrumento analítico. Fontes de ruído eletromagnético são linhas de energia, estações de rádio e televisão, dispositivos sem fio, lâmpadas fluorescentes compactas e motores elétricos. Muitas dessas fontes de ruído são de largura de banda estreita e, portanto, podem ser evitadas. Isolamento de temperatura e vibração pode ser necessário para alguns instrumentos.

Redução de ruído

A redução de ruído pode ser realizada em hardware ou software de computador. Exemplos de redução de ruído de hardware são o uso de cabo blindado, filtragem analógica e modulação de sinal. Exemplos de redução de ruído de software são filtragem digital, média de conjunto, média de boxcar e métodos de correlação.

Aplicativos

O cientista da Food and Drug Administration dos EUA usa dispositivo portátil de espectroscopia quase infravermelho para detectar substâncias potencialmente ilegais

A química analítica tem aplicações inclusive em ciência forense, bioanálise, análise clínica, análise ambiental e análise de materiais. A pesquisa em química analítica é amplamente impulsionada pelo desempenho (sensibilidade, limite de detecção, seletividade, robustez, faixa dinâmica, faixa linear, exatidão, precisão e velocidade) e custo (compra, operação, treinamento, tempo e espaço). Dentre os principais ramos da espectrometria atômica analítica contemporânea, os mais difundidos e universais são a espectrometria óptica e de massa. Na análise elementar direta de amostras sólidas, os novos líderes são a quebra induzida por laser e a espectrometria de massa por ablação a laser, e as técnicas relacionadas com a transferência dos produtos de ablação a laser para plasma acoplado indutivamente. Avanços no design de lasers de diodo e osciladores paramétricos ópticos promovem desenvolvimentos em espectrometria de fluorescência e ionização e também em técnicas de absorção, onde se espera que o uso de cavidades ópticas para aumentar o caminho de absorção efetivo se expanda. O uso de métodos baseados em plasma e laser está aumentando. O interesse pela análise absoluta (sem padrão) ressuscitou, particularmente na espectrometria de emissão.

Grande esforço está sendo feito para reduzir as técnicas de análise ao tamanho do chip. Embora existam poucos exemplos de tais sistemas competitivos com as técnicas de análise tradicionais, as vantagens potenciais incluem tamanho/portabilidade, velocidade e custo. (micro sistema de análise total (µTAS) ou lab-on-a-chip). A química em microescala reduz as quantidades de produtos químicos usados.

Muitos desenvolvimentos melhoram a análise de sistemas biológicos. Exemplos de campos em rápida expansão nesta área são genômica, sequenciamento de DNA e pesquisas relacionadas em impressões digitais genéticas e microarranjos de DNA; proteômica, a análise das concentrações e modificações de proteínas, especialmente em resposta a vários estressores, em vários estágios de desenvolvimento ou em várias partes do corpo; metabolômica, que lida com metabólitos; transcriptômica, incluindo mRNA e campos associados; lipidômica - lipídios e seus campos associados; peptidomics - peptídeos e seus campos associados; e metalômica, lidando com concentrações de metais e especialmente com sua ligação a proteínas e outras moléculas.

A química analítica tem desempenhado um papel crítico na compreensão da ciência básica para uma variedade de aplicações práticas, como aplicações biomédicas, monitoramento ambiental, controle de qualidade da fabricação industrial, ciência forense e assim por diante.

Os desenvolvimentos recentes em automação de computadores e tecnologias de informação estenderam a química analítica a uma série de novos campos biológicos. Por exemplo, máquinas automatizadas de sequenciamento de DNA foram a base para a conclusão de projetos de genoma humano que levaram ao nascimento da genômica. A identificação de proteínas e o sequenciamento de peptídeos por espectrometria de massa abriram um novo campo da proteômica. Além de automatizar processos específicos, há um esforço para automatizar seções maiores de testes de laboratório, como em empresas como Emerald Cloud Lab e Transcriptic.

A química analítica tem sido uma área indispensável no desenvolvimento da nanotecnologia. Instrumentos de caracterização de superfície, microscópios eletrônicos e microscópios de sonda de varredura permitem que os cientistas visualizem estruturas atômicas com caracterizações químicas.