分析化学

分析化学は、物質を分離、識別、定量化するための機器や方法を研究し、使用します。 ^[1]実際には、分離、識別、定量化が分析全体を構成する場合もあれば、別の方法と組み合わせる場合もあります。分離は分析対象物を分離します。定性分析は分析対象物を識別し、定量分析は数値的な量または濃度を決定します。

分析化学は、古典的な湿式化学法と現代の分析技術で構成されています。^{[2] [3]}古典的な定性的な方法では、沈殿、抽出、蒸留などの分離を使用します。識別は、色、臭い、融点、沸点、溶解度、放射能または反応性の違いに基づいて行われます。古典的な定量分析では、質量または体積の変化を使用して量を定量します。機器による方法は、クロマトグラフィー、電気泳動、またはフィールドフローフラクショネーションを使用してサンプルを分離するために使用できます。その後、定性分析と定量分析を実行できますが、多くの場合、同じ機器を使用し、光の相互作用、 熱の相互作用、電場、または磁場を使用する場合があります。多くの場合、同じ機器で分析対象物を分離、識別、定量できます。

分析化学は、実験設計、ケモメトリクス、新しい測定ツールの作成 の改善にも重点を置いています。分析化学は、医学、科学、工学に幅広く応用されています。

分析化学は化学の黎明期から重要であり、対象物に含まれる元素や化学物質を判定する方法を提供してきました。この時期、分析化学への重要な貢献としては、ユストゥス・フォン・リービッヒによる体系的な元素分析の開発や、官能基の特定の反応に基づく体系化された有機分析が挙げられます。

最初の機器分析は、1860年にルビジウム（Rb）とセシウム（Cs）を発見したロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフによって開発された炎放射分光法でした。^[4]

分析化学における主要な発展のほとんどは1900年以降に起こりました。この期間中、機器分析がこの分野で徐々に主流になりました。特に、基本的な分光学的および分光測定技術の多くは20世紀初頭に発見され、20世紀後半に改良されました。^[5]

分離科学も同様の発展のタイムラインをたどり、高性能機器への変革が進みました。^[6] 1970年代には、これらの技術の多くがハイブリッド技術として併用され、サンプルの完全な特性評価が達成されるようになりました。

1970年代以降、分析化学は、それまで無機分子や小さな有機分子に主眼を置いていたのに対し、次第に生物学的な問題も扱うようになっていった（生体分析化学）。レーザーはプローブとして、さらにはさまざまな反応を開始したり影響を与えたりするために、ますます使われるようになっている。20世紀後半には、分析化学の応用範囲が、やや学術的な化学の問題から、組織学などの法医学、環境、産業、医療の問題へと拡大した。^[7]

現代の分析化学は、機器分析が主流です。多くの分析化学者は、1 種類の機器に焦点を当てています。学者は、新しいアプリケーションや発見、または新しい分析方法のいずれかに焦点を当てる傾向があります。血液中に存在する、がんのリスクを高める化学物質の発見は、分析化学者が関与する可能性のある発見です。新しい方法を開発する取り組みには、分光法の特異性と感度を高めるために、可変レーザーの使用が含まれる場合があります。多くの方法は、いったん開発されたら、長期間にわたってデータを比較できるように意図的に静的に保たれます。これは、産業品質保証(QA)、法医学、環境アプリケーションで特に当てはまります。分析化学は、QA 以外にも、新薬候補の発見や、薬物と患者の相互作用を理解することが重要な臨床アプリケーションで使用されている製薬業界でますます重要な役割を果たしています。

現代の分析化学は高度な機器が主流ですが、分析化学のルーツと現代の機器で使用されている原理の一部は伝統的な技術に由来しており、その多くは今日でも使用されています。これらの技術は、ほとんどの学部の分析化学教育実験室のバックボーンを形成する傾向もあります。

定性分析では、特定の化合物の有無は判定しますが、質量や濃度は判定しません。定義上、定性分析では量は測定しません。

金の酸試験や血液の存在を調べるカストル・マイヤー試験など、定性的な化学試験は数多くあります。

無機定性分析とは、一般的に、一連の反応を実行してさまざまな可能性を排除し、疑わしいイオンを確認テストで確認することにより、特定の水性イオンまたは元素の存在を確認する体系的なスキームを指します。このようなスキームには、小さな炭素含有イオンが含まれる場合があります。最新の機器では、これらのテストはほとんど使用されませんが、教育目的やフィールドワーク、または最先端の機器にアクセスできない、またはアクセスするのが不便なその他の状況では役立ちます。

定量分析は、物質中に存在する特定の化学成分の量を測定することです。量は質量（重量分析）または体積（体積分析）で測定できます。

重量分析では、何らかの変化の前または後にサンプルの重量を測定することで、存在する物質の量を決定します。学部教育でよく使用される例としては、サンプルを加熱して水分を除去し、重量の違いが水分の損失によるものであるようにすることで、水和物中の水分量を測定することが挙げられます。

滴定では、測定可能な反応物を、ある当量点に達するまで、分析対象の溶液の正確な容量に徐々に加えていきます。滴定は、分析対象の濃度を決定するために使用される一連の技術です。^[8]滴定の半当量点または終点のいずれかに正確に滴定することで、化学者は使用したモル数を決定し、それを使用して滴定剤の濃度または組成を決定できます。中等教育で化学を学んだ人にとって最も馴染みのあるのは、フェノールフタレインなどの色が変わる指示薬を使用する酸塩基滴定です。電位差滴定や沈殿滴定など、他の多くのタイプの滴定があります。化学者は、滴定剤のさまざまな特性を理解するために、一滴ごとに系統的に pH をテストして滴定曲線を作成することもできます。

分光法は、分子と電磁放射の相互作用を測定します。分光法には、原子吸光分光法、原子発光分光法、紫外可視分光法、X線分光法、蛍光分光法、赤外分光法、ラマン分光法、二重偏光干渉法、核磁気共鳴分光法、光電子分光法、メスバウアー分光法など、さまざまなアプリケーションがあります。

質量分析は、電場と磁場を使用して分子の質量電荷比を測定します。質量分析計では、少量のサンプルがイオン化されて気体イオンに変換され、質量電荷比に応じて分離および分析されます。^{[8]イオン化方法には、}電子イオン化、化学イオン化、エレクトロスプレーイオン化、高速原子衝撃、マトリックス支援レーザー脱離/イオン化など、いくつかあります。また、質量分析は、磁気セクター、四重極質量分析器、四重極イオントラップ、飛行時間、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴などの質量分析器のアプローチによって分類されます。

電気分析法は、分析対象物を含む電気化学セル内の電位(ボルト) および/または電流(アンペア) を測定します。 ^{[9] [10]} これらの方法は、セルのどの側面を制御し、どの側面を測定するかによって分類できます。4 つの主なカテゴリは、電位差測定法(電極電位の差を測定)、電量測定法(移動した電荷を時間の経過とともに測定)、電流測定法(セルの電流を時間の経過とともに測定)、およびボルタンメトリー(セルの電位を積極的に変更しながらセルの電流を測定) です。

電位測定法はセルの電位を測定し、電量測定法はセルの電流を測定し、電圧測定法はセルの電位が変化したときの電流の変化を測定します。^{[11] [12]}

熱量測定と熱重量分析は、物質と熱の相互作用を測定します。

分離プロセスは、物質混合物の複雑さを軽減するために使用されます。 クロマトグラフィー、電気泳動、フィールド フローフラクショネーションがこの分野の代表例です。

クロマトグラフィーは、混合物中の異なる成分が固定相に吸着したり移動相に溶解したりする傾向が異なるため、サンプル中の物質の存在を決定するために使用できます。したがって、混合物の異なる成分は異なる速度で移動します。したがって、混合物の異なる成分は、それぞれのR _ƒ値によって識別できます。これは、クロマトグラフィー中の物質の移動距離と溶媒前面の移動距離の比です。機器による方法と組み合わせて、クロマトグラフィーを物質の定量測定に使用できます。クロマトグラフィーは、分析対象物をサンプルの残りの部分から分離し、他の化合物の干渉なしに測定できるようにします。^[8]分析対象物とサンプルを分離するために使用する媒体が異なるさまざまな種類のクロマトグラフィーがあります。^[13]薄層クロマトグラフィーでは、分析対象物の混合物が揮発性移動相の下のコーティングされたシートに沿って移動し、分離します。ガスクロマトグラフィーでは、ガスが揮発性分析対象物を分離します。液体を移動相として使用するクロマトグラフィーの一般的な方法は、高性能液体クロマトグラフィーです。

上記の技術を組み合わせることで、「ハイブリッド」または「ハイフン付き」技術が生まれます。^{[14] [15] [16] [17] [18]} いくつかの例が今日広く使用されており、新しいハイブリッド技術が開発されています。たとえば、ガスクロマトグラフィー-質量分析、ガスクロマトグラフィー-赤外分光法、液体クロマトグラフィー-質量分析、液体クロマトグラフィー-NMR分光法、液体クロマトグラフィー-赤外分光法、およびキャピラリー電気泳動-質量分析です。

ハイフンで区切られた分離技術とは、溶液から化学物質を検出して分離するための 2 つ (またはそれ以上) の技術の組み合わせを指します。ほとんどの場合、もう 1 つの技術は何らかの形のクロマトグラフィーです。ハイフンで区切られた技術は、化学および生化学で広く使用されています。特に、いずれかの方法の名前にハイフンが含まれている場合は、ハイフンの代わりにスラッシュが使用されることがあります。

単一分子、単一細胞、生物組織、ナノ材料の可視化は、分析科学において重要かつ魅力的なアプローチです。また、他の従来の分析ツールとのハイブリッド化により、分析科学に革命が起こっています。 顕微鏡法は、光学顕微鏡法、電子顕微鏡法、走査型プローブ顕微鏡法の 3 つの異なる分野に分類できます。最近、この分野は、コンピューターおよびカメラ産業の急速な発展により急速に進歩しています。

数ミリメートルから数平方センチメートルの大きさの単一チップに（複数の）実験機能を統合し、ピコリットル未満までの極めて微量の液体を処理できるデバイス。

誤差は、観測値と真の値の間の数値的な差として定義できます。^[20]実験誤差は、系統的誤差とランダム誤差の2種類に分けられます。系統的誤差は、機器や実験の設計上の欠陥から生じますが、ランダム誤差は、実験において制御されていない、または制御できない変数から生じます。^[21]

化学分析における真の値と観測値は、次の式で互いに関係付けられる。

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

どこ

• ${\displaystyle \varepsilon _{\rm {a}}}$絶対誤差です。
• ${\displaystyle x}$真の価値です。
• ${\displaystyle {\bar {x}}}$観測値です。

測定誤差は正確な測定の逆の尺度であり、つまり誤差が小さいほど測定の精度が高くなります。

誤差は相対的に表現できます。相対誤差( )を考えると、 ${\displaystyle \varepsilon _{\rm {r}}}$

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

パーセント誤差も計算できます。

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

これらの値を関数で使用したい場合、関数の誤差も計算する必要があります。 を変数を持つ関数とします。したがって、の誤差を知るには、不確実性の伝播を計算する必要があります。 ${\displaystyle f}$${\displaystyle N}$${\displaystyle f}$

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

濃度分析の一般的な方法は、検量線を作成することです。これにより、未知のサンプルの結果を一連の既知の標準の結果と比較することで、物質内の化学物質の量を決定できます。サンプル内の元素または化合物の濃度が技術の検出範囲に対して高すぎる場合は、純粋な溶媒で希釈するだけで済みます。サンプル内の量が機器の測定範囲を下回る場合は、添加法を使用できます。この方法では、調査対象の元素または化合物の既知量が追加され、追加された濃度と観察された濃度の差がサンプル内の実際の量になります。

定量化を容易にするために、既知の濃度の内部標準が分析サンプルに直接追加されることがあります。存在する分析物の量は、較正物質としての内部標準と比較して決定されます。理想的な内部標準は、同位体希釈法を生み出す同位体濃縮分析物です。

標準添加法は、機器分析において、検量線を使用するのと同様に、濃度が既知のサンプルのセットと比較して、未知のサンプル内の物質 (分析対象物) の濃度を決定するために使用されます。標準添加はほとんどの分析技術に適用でき、マトリックス効果の問題を解決するために検量線の代わりに使用されます。

分析化学の最も重要な要素の一つは、関連するノイズを最小限に抑えながら、目的の信号を最大化することです。^{[22]分析の性能指数は、}信号対雑音比（S / NまたはSNR）として知られています。

ノイズは、基本的な物理プロセスだけでなく、環境要因からも発生する可能性があります。

熱雑音は、熱運動によって生成される電気回路内の電荷キャリア（通常は電子）の運動から生じます。熱雑音はホワイト ノイズであり、周波数スペクトル全体にわたってパワースペクトル密度が一定であることを意味します。

抵抗器の熱雑音の二乗平均平方根値は[22]で与えられる^。

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

ここで、k _Bはボルツマン定数、Tは温度、Rは抵抗、は周波数の帯域幅です。 ${\displaystyle \Delta f}$${\displaystyle f}$

ショット ノイズは、有限数の粒子 (電子回路内の電子や光学デバイス内の光子など) が信号に統計的な変動を引き起こすほど小さい 場合に発生する電子ノイズの一種です。

ショットノイズはポアソン過程であり、電流を構成する電荷キャリアはポアソン分布に従います。電流変動の二乗平均平方根は^{[22]で与えられます。}

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

ここで、eは素電荷、I は平均電流です。ショット ノイズはホワイト ノイズです。

フリッカーノイズは、1/ ƒ周波数スペクトルを持つ電子ノイズです。f が増加すると、ノイズは減少します。フリッカーノイズは、導電チャネル内の不純物、ベース電流によるトランジスタ内の生成および再結合ノイズなど、さまざまなソースから発生します。このノイズは、ロックインアンプを使用するなどして、信号をより高い周波数で変調することで回避できます。

環境ノイズは分析機器の周囲から発生します。電磁ノイズの発生源としては、電力線、ラジオやテレビ局、無線機器、小型蛍光灯^[23]、電気モーターなどがあります。これらのノイズ源の多くは帯域幅が狭いため、回避することができます。機器によっては、温度と振動の隔離が必要な場合があります。

ノイズ低減はコンピュータのハードウェアでもソフトウェアでも実現できます。ハードウェアによるノイズ低減の例としては、シールドケーブルの使用、アナログフィルタリング、信号変調などが挙げられます。ソフトウェアによるノイズ低減の例としては、デジタルフィルタリング、アンサンブル平均、ボックスカー平均、相関法などが挙げられます。^[22]

分析化学は、法医学、生物分析、臨床分析、環境分析、材料分析などの分野で応用されています。分析化学の研究は、主に性能（感度、検出限界、選択性、堅牢性、ダイナミックレンジ、線形範囲、正確さ、精度、速度）とコスト（購入、操作、トレーニング、時間、スペース）によって推進されています。現代の分析原子分光法の主な分野のうち、最も普及し普遍的なのは光学分析と質量分析です。^{[24]固体サンプルの直接元素分析では、}レーザー誘起ブレークダウンとレーザーアブレーション質量分析、およびレーザーアブレーション生成物を誘導結合プラズマに転送する関連技術が新たなリーダーとなっています。ダイオードレーザーと光パラメトリック発振器の設計の進歩により、蛍光およびイオン化分光法の発展が促進され、有効吸収経路長を増大させる光キャビティの使用が拡大すると予想される吸収技術の発展も促進されています。プラズマベースとレーザーベースの方法の使用が増加しています。絶対（標準なし）分析、特に発光分光分析への関心が再燃している。^[要出典]

分析技術をチップサイズに縮小することに多大な努力が払われています。従来の分析技術と競合するシステムの例はほとんどありませんが、潜在的な利点としては、サイズ/携帯性、速度、コストなどがあります。(マイクロトータル分析システム(μTAS) またはラボオンチップ)。マイクロスケールの化学により、使用する化学物質の量が削減されます。

多くの開発により、生物システムの分析が改善されています。この分野で急速に拡大している分野の例としては、ゲノミクス、DNA シーケンシング、遺伝子フィンガープリンティングおよびDNA マイクロアレイの関連研究、プロテオミクス(特にさまざまなストレス要因、さまざまな発達段階、または体のさまざまな部分に対するタンパク質の濃度と変化の分析)、メタボロミクス (代謝物を扱う)、トランスクリプトミクス(mRNA と関連分野を含む)、リピドミクス(脂質と関連分野)、ペプチドミクス (ペプチドと関連分野)、メタロミクス (金属濃度、特に金属とタンパク質や他の分子との結合を扱う) などがあります。^{[出典が必要]}

分析化学は、基礎科学の理解から、生物医学への応用、環境モニタリング、工業製造における品質管理、法医学など、さまざまな実用的応用に至るまで、重要な役割を果たしてきました。^[25]

近年のコンピュータ自動化と情報技術の発展により、分析化学は多くの新しい生物学分野に拡大しました。たとえば、自動化されたDNAシーケンシングマシンは、ヒトゲノムプロジェクトを完成させるための基礎となり、ゲノミクスの誕生につながりました。質量分析によるタンパク質の同定とペプチドのシーケンシングは、プロテオミクスという新しい分野を切り開きました。特定のプロセスの自動化に加えて、 Emerald Cloud LabやTranscripticなどの企業では、ラボテストのより大きなセクションを自動化する取り組みが行われています。^[26]

分析化学はナノテクノロジーの発展に欠かせない分野です。表面特性評価装置、電子顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡により、科学者は化学特性に基づいて原子構造を視覚化することができます。

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