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分析化学（または化学分析）とは、物質の化学組成を特定し、混合物中の成分量を定量化するための方法の開発と応用を扱う化学の一分野です。分析化学は、混合物や溶液中に存在する可能性のある未知の化合物を特定し、物質量（あらゆる相）、濃度（水溶液または溶液相）、混合物中の質量パーセントまたはモル数（気相の場合は分圧）の観点から化合物の存在量を定量化する方法に焦点を当てています。
分析化学は、古典的な手法（滴定、重量分析など）と最新の機器分析手法（分光法、クロマトグラフィー、質量分析法、電気化学的手法など）の両方を包含しています。現代の分析化学は、データ分析やケモメトリクスと深く結びついており、自動化、小型化、リアルタイムセンシングなどのトレンドによってますます形作られており、生化学、医薬品化学、法医学、考古学、栄養科学、農業化学、化学合成、冶金学、化学工学、材料科学など、多岐にわたる分野に応用されています。
「ビッグデータ」の時代において、分析化学は、ケモメトリクスやバイオインフォマティクスとともに、ガスクロマトグラフィー質量分析法（GCMS）、高性能液体クロマトグラフィー、誘導結合プラズマ質量分析法、高分解能質量分析法などのハイスループット技術から得られる複雑な結果を解釈する上で中心的な役割を担うようになった。[ 1 ]また、小型化、自動化、リアルタイムのポイントオブケア診断センサーの開発といった強い傾向も見られる。 [ 2 ]
分析化学は化学の黎明期から重要であり、対象となる物質にどのような元素や化学物質が存在するかを決定する方法を提供してきた。この期間、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的な有機分析などが挙げられる。[ 3 ]
最初の機器分析は、1860年にルビジウム（Rb）とセシウム（Cs）を発見したロベルト・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフによって開発された炎発光分光法であった。 [ 4 ]
分析化学における主要な発展のほとんどは1900年以降に起こった。この期間、機器分析がこの分野で次第に主流になっていった。特に、多くの基本的な分光法および分光測定法は20世紀初頭に発見され、20世紀後半に改良された。[ 5 ]
分離科学も同様の発展のタイムラインをたどり、高性能な機器へとますます変化してきました。[ 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組み合わされ、サンプルの完全な特性評価を実現するようになりました。
1970年代以降、分析化学は、それまで主に無機物や小さな有機分子に焦点を当てていたのに対し、生物学的な問題（生物分析化学）を次第に包含するようになった。レーザーはプローブとして、またさまざまな反応を開始および影響を与えるためにますます使用されるようになった。20世紀後半には、分析化学の応用が、やや学術的な化学的問題から、法医学、環境、産業、組織学などの医学的問題へと拡大した。[ 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単一の種類の機器に特化しています。研究者は新しい応用や発見、あるい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。新しい方法の開発には、分光法の特異性と感度を高めるために波長可変レーザーを使用することが含まれる場合があります。多くの方法は、一度開発されると、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、および環境応用において特に当てはまります。分析化学は、医薬品業界でますます重要な役割を果たしており、QAに加えて、新しい医薬品候補の発見や、医薬品と患者間の相互作用の理解が重要な臨床応用にも使用されています。[ 8 ]
21世紀は分析化学のデジタル化によって特徴づけられてきました。Orbitrap質量分析計などの機器からの大規模なデータセット（「ビッグデータ」）の処理により、機械学習を含む高度なデータ分析が必須のスキルとなっています。[ 9 ]この時代はまた、持続可能性に強く焦点を当てており、化学分析の環境への影響を最小限に抑えることを目的としたグリーン分析化学というグリーンケミストリーのサブ分野につながっています。[ 10 ] [ 11 ]
現代の分析化学は高度な機器によって支配されているが、分析化学のルーツや現代の機器で使用されている原理の一部は、伝統的な手法に由来しており、その多くは今日でも使用されている。これらの手法は、ほとんどの学部レベルの分析化学教育実験の基盤を形成している。
定性的な化学試験は数多くあり、例としては金の酸性試験や血液の存在を調べるカストル・マイヤー試験などがある。[ 12 ] [ 13 ]
無機定性分析とは一般的に、一連の反応によって様々な可能性を排除し、疑わしいイオンを確定試験で確認することによって、水溶液中の特定のイオンや元素の存在を確認する体系的な手法を指します。このような手法には、炭素を含む小さなイオンが含まれる場合もあります。現代の機器では、これらの試験はほとんど使用されませんが、教育目的や、最先端の機器が利用できない、あるいは利用が適切でない野外調査などの状況では有用です。
定量分析とは、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ある。量は質量（重量分析）または体積（体積分析）によって測定できる。[ 14 ]
重量分析では、試料を何らかの変換処理の前後に計量することで、存在する物質の量を決定します。学部教育でよく用いられる例としては、試料を加熱して水分を除去し、その重量差が水分の損失によるものであることで、水和物中の水分量を決定する方法があります。[ 15 ]
滴定とは、分析対象の溶液の正確な体積に測定可能な反応物を徐々に加え、当量点に達するまで続けることです。滴定は、分析対象物の濃度を決定するために使用される一連の手法です。[ 16 ]滴定を半当量点または終点まで正確に行うことで、化学者は使用したモル量を決定でき、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深いのは、フェノールフタレインなどの変色性pH指示薬を用いた酸塩基滴定です。電位差滴定や沈殿滴定など、他の多くの種類の滴定があります。化学者は、滴定剤のさまざまな特性を理解するために、滴定曲線を作成するために、滴定剤を1滴加えるごとにpHを系統的にテストすることもあります。[ 16 ]
分光法は、分子と電磁放射線との相互作用を測定する手法です。分光法には、時間分解ラマン分光法、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、さまざまな応用分野があります。
質量分析法は、電場と磁場を用いて分子の質量電荷比を測定する。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、そこで質量電荷比に応じて分離および分析される。[ 16 ]
イオン化法には、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、いくつかの種類があります。また、質量分析法は、磁場セクター、四重極質量分析器、四重極イオントラップ、飛行時間型、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴など、質量分析器の方式によって分類されます。[ 17 ]
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。 [ 18 ] これらの方法は、セルのどの側面が制御され、どの側面が測定されるかに応じて分類できます。主な 4 つのカテゴリは、電位測定法（電極電位の差を測定）、クーロメトリー（移動した電荷を時間とともに測定）、アンペロメトリー（セルの電流を時間とともに測定）、およびボルタンメトリー（セルの電位を積極的に変化させながらセルの電流を測定）です。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
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、フィールドフロー分画は、この分野の代表例です。[ 24 ]
クロマトグラフィーは、試料中の物質の存在を判定するために使用できます。混合物中の異なる成分は、固定相への吸着性や移動相への溶解性が異なるため、それぞれ異なる速度で移動します。したがって、混合物中の異なる成分は、クロマトグラフィー中の物質の移動距離と溶媒前線の移動距離の比であるRf値によって識別できます。
クロマトグラフィーは、機器分析法と組み合わせることで、物質の定量分析に利用できます。クロマトグラフィーには、分析対象物と試料を分離するために使用する媒体によって異なる種類があります。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、コーティングされたシートに沿って上昇し、分離されます。ガスクロマトグラフィーでは、気相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一般的なクロマトグラフィー法は、高速液体クロマトグラフィーです。[ 25 ]
上記の技術の組み合わせにより、「ハイブリッド」または「ハイフン付き」技術が生まれます。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] 現在、いくつかの例が広く使用されており、新しいハイブリッド技術が開発中です。たとえば、ガスクロマトグラフィー質量分析法、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法、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、キャピラリー電気泳動質量分析法などです。[ 30 ]
ハイフン付き分離技術とは、溶液から化学物質を検出および分離するための2つ（またはそれ以上）の技術の組み合わせを指します。多くの場合、もう一方の技術はクロマトグラフィーの一種です。ハイフン付き技術は、化学および生化学で広く使用されています。特に、方法の名前自体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。 [ 30 ]
単一分子、単一細胞、生体組織、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は、分析科学に革命をもたらしています。 顕微鏡は、光学顕微鏡、電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡の 3 つの異なる分野に分類できます。近年、この分野はコンピュータ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。[ 32 ]
数ミリメートルから数平方センチメートルの単一チップ上に（複数の）実験室機能を統合し、ピコリットル以下の極めて小さな流体量を扱うことができるデバイス。[ 33 ]
現代の分析機器によって生成される膨大な量のデータにより、計算データ解析はこの分野に不可欠な部分となっています。ケモメトリクスの分野では、統計的および数学的手法を使用して最適な実験手順を設計し、化学データから有意義な情報を抽出します。[ 34 ]
主な分野は以下のとおりです。
誤差は、観測値と真の値との数値的な差として定義できます。[ 37 ]実験誤差は、系統誤差とランダム誤差の2種類に分けられます。系統誤差は、装置の欠陥または実験設計に起因するものであり、ランダム誤差は、実験における制御されていない、または制御不可能な変数に起因するものです。[ 38 ]
化学分析における真の値と観測値は、以下の式で関連付けることができます。
どこ
測定誤差は、測定精度の逆数である（つまり、誤差が小さいほど測定精度が高い）。
誤差は相対的に表現できます。相対誤差（):
誤差率も計算できます。
これらの値を関数で使用するには、関数の誤差を計算すると便利な場合があります。は関数です変数の誤差を知るためには、不確実性の伝播を計算する必要があります。:
濃度分析の一般的な方法として、検量線の作成があります。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、物質中の化学物質の量を決定することができます。サンプル中の元素または化合物の濃度が分析手法の検出範囲を超える場合は、純粋な溶媒で希釈するだけで済みます。サンプル中の量が測定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、分析対象の元素または化合物の既知量を添加し、添加した濃度と観測された濃度の差が、サンプル中の実際の量となります。[ 39 ]
定量分析を補助するために、内部標準物質を既知濃度で分析試料に直接添加することがある。分析対象物質の量は、内部標準物質を較正剤として用いて相対的に決定される。理想的な内部標準物質は同位体濃縮分析対象物質であり、これが同位体希釈法につながる。[ 40 ]
標準添加法は、機器分析において、検量線を用いるのと同様に、既知濃度のサンプル群と比較することによって、未知サンプル中の物質（分析対象物）の濃度を決定するために用いられる。標準添加法はほとんどの分析手法に適用でき、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用いられる。[ 41 ]
分析化学の最も重要な要素の1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。[ 42 ]分析の性能指標は、信号対雑音比（S/NまたはSNR）として知られています。
騒音は、環境要因だけでなく、基本的な物理プロセスからも発生する可能性がある。
熱雑音は、電気回路内の電荷キャリア（通常は電子）の熱運動によって発生する雑音です。熱雑音は白色雑音であり、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[ 42 ]で与えられる。
ショットノイズとは、電子回路内の電子や光学機器内の光子など、有限個の粒子の数が十分に少ない場合に、信号に統計的な変動が生じる電子ノイズの一種である。
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[ 42 ]で与えられます。
ここで、eは素電荷、Iは平均電流である。ショットノイズはホワイトノイズである。
フリッカーノイズは、1/ f の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、さまざまな原因で発生します。このノイズは、ロックインアンプの使用などにより、より高い周波数で信号を変調することで回避できます。[ 43 ] [ 44 ]
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、送電線、ラジオ局やテレビ局、無線機器、コンパクト蛍光灯[ 45 ] 、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。一部の機器では、温度や振動の遮断が必要になる場合があります。[ 46 ]
ノイズ低減は、コンピュータのハードウェアまたはソフトウェアのどちらでも実現できます。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、信号変調などがあります。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、相関法などがあります。[ 42 ]
分析化学は、科学と産業の幅広い分野で応用されています。法医学（例：DNAフィンガープリンティングと毒物学）、生物分析（例：薬物動態研究における薬物濃度の測定）、臨床分析（例：血糖値モニタリングとCOVID-19 PCR検査）、環境モニタリング（例：水と空気中の汚染物質の検査）、材料科学（例：半導体とナノ材料の品質管理）の基礎となっています。[ 47 ]
分析技術をチップサイズに縮小するための努力が盛んに行われている。このようなシステムで従来の分析技術に匹敵するものはまだ少ないが、サイズ/携帯性、速度、コストなどの潜在的な利点がある。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。マイクロスケール化学は使用する化学物質の量を削減する。[ 48 ]
生物システムの解析を改善する多くの発展があります。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やDNA マイクロアレイに関する関連研究、プロテオミクス、特にさまざまなストレス要因、さまざまな発生段階、または体のさまざまな部分におけるタンパク質濃度と修飾の解析、メタボロミクス、代謝物を扱うもの、トランスクリプトミクス、mRNA および関連分野を含むもの、リピドミクス、脂質および関連分野を扱うもの、ペプチドミクス、ペプチドおよび関連分野を扱うもの、メタロミクス、金属濃度、特にタンパク質や他の分子への結合を扱うものなどがあります。[ 49 ]
分析化学は、基礎科学の理解から、生物医学応用、環境モニタリング、工業製造の品質管理、法医学などのさまざまな実用的応用まで、重要な役割を果たしてきました。[ 50 ]
近年のコンピュータ自動化と情報技術の発展により、分析化学はいくつかの新しい生物学分野にまで拡大しました。例えば、自動DNAシーケンシング装置はヒトゲノムプロジェクトを完了するための基盤となり、ゲノミクスの誕生につながりました。質量分析法によるタンパク質同定とペプチドシーケンシングは、プロテオミクスという新しい分野を切り開きました。特定のプロセスを自動化することに加えて、 Emerald Cloud LabやTranscripticのような企業では、ラボテストのより大きな部分を自動化する取り組みが行われています。[ 51 ]
分析化学はナノテクノロジーの開発において不可欠な分野であった。表面特性評価装置、電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡により、科学者は化学的特性評価とともに原子構造を可視化することができる。[ 52 ]
