Analüütiline keemia

Analüütiline keemia on keemia haru, mis tegeleb ainete koostise, struktuuri ja koguse määramisega. Selleks kasutatakse mitmesuguseid määramismeetodeid.

Bürett on kvantitatiivse tiitrimise oluline tarvik

Analüütiline keemia kasutab ainete keemiliste ja füüsikaliste omaduste erinevusi proovi koostise osaliseks või täielikuks määramiseks ja koostisosade kindlakstegemiseks. Analüütilise keemia alla kuuluvad ka proovide võtmise ja analüüsiks ettevalmistamise tehnikad, mõõtmistulemuste töötlemine, metoodikate valideerimine, analüüsimetoodikate arendamine jm. Analüütiline keemia leiab rakendust paljudes valdkondades: keemiatööstuses, keemiateaduses, biokeemias, meditsiinis, toiduainete tootmisel, keskkonnauuringutes, kohtukeemias, materjalide analüüsil jt.

Uuritava materjali olemuse põhjal jaguneb analüütiline keemia anorgaaniliseks ja orgaaniliseks analüüsiks.

Eesmärgid

Analüüsi eesmärgid puudutavad kas ühte, mõnd (näiteks ainete gruppi) või kõiki aine komponente ja eesmärgid võivad olla järgmised:

kvalitatiivne analüüs – see on uuritava aine keemilise koostise ja struktuuri määramine või kas mingi uuritav ühend esineb analüüsitavas proovis. Eesmärk võib olla aine koostisesse kuuluvate elementide või funktsionaalsete rühmade kindlakstegemine või ühendi keemilise struktuuri identifitseerimine;
kvantitatiivne analüüs – see on proovis sisalduva(te) komponendi (komponentide) kvantitatiivse sisalduse määramine, s.t ühendite koguse määramine. Fraktsioneerimine või komponentide lahutamine füüsikalis-keemiliste meetoditega (destillatsioon, ekstraktsioon, kromatograafia jt) ning vastavate koguste määramine võib olla omaette eesmärk või see eelneb edasisele analüüsile;
keemiliste reaktsioonide ja protsesside ajaline seire (monitooring) ning mitmesuguste keemiliste vastasmõjude uurimine, näiteks ühendite bioaktiivsuse määramine jms;
analüüsimetoodikate arendamine – see on uute täiuslikumate ja täpsemate määramismeetodite väljatöötamine.

Meetodid

Analüütilise keemia põhilised meetodid jagunevad järgmiselt:

klassikalised (traditsioonilised) keemilise analüüsi meetodid – analüütide määramiseks kasutatakse spetsiifilisi keemilisi reagente ja testreaktsioone ning meetodeid nagu mahtanalüüs (tiitrimine) ja kaalanalüüs. Kasutatakse ka füüsikalis-keemiliste karakteristikute (sulamistemperatuuri, keemistemperatuuri, tiheduse, murdumisnäitaja) määramisandmeid;
instrumentaalanalüüsi meetodid – kasutatakse mitmesuguseid aparaate ja instrumente. Enimkasutatavad on kromatograafia meetodid, spektraalmeetodid, elektroforeesi meetodid jt. Nüüdisaegses analüütilises keemias domineerivad just tundlikul aparatuuril põhinevad meetodid, sealhulgas kombineeritud (hübriid-) tehnikad. Komplitseeritud ainesegude korral osutub põhjendatuks niinimetatud põhikomponendi analüüs, lühend PCA (principal component analysis);
kemomeetria – kasutatakse matemaatilise statistika meetodeid, et kavandada optimaalseid eksperimendi protseduure ja ekstraheerida mõõtmistulemustest maksimaalset infot proovi koostise kohta.

Instrumentaalanalüüsi meetodite rakendamine

Pikemalt artiklis Instrumentaalanalüüs

Ainete segu komponentideks lahutamine on tihti vajalik aine puhta proovi saamiseks ja edasiseks identifitseerimiseks näiteks spektroskoopia abil. Suure efektiivsusega lahutusmeetoditest (efektiivsuse tagab protsessi toimumine loendamatu arv kordi) on levinumad gaasikromatograafia, vedelikukromatograafia ja kapillaarelektroforees. Need meetodid on vastava metoodika rakendamisel kasutatavad ka segu kvalitatiivseks ja kvantitatiivseks analüüsiks, näiteks retentsiooniindeksite määramise või proovile sisestandardi lisamise abil.

Kromatograafias lahutatakse ainete segu komponendid paljukordse sorptsiooni ja desorptsiooni tingimustes. Kasutatava aparatuurse lahenduse iseloom ja erinevat tüüpi statsionaarse faasi (see määrab kromatograafilise lahutamise mehhanismi) valik on võimaldanud välja töötada seadmeid erinevat tüüpi ühendite lahutamiseks gaasidest polümeerideni.
Kapillaarelektroforeesi seadmes segu komponendid liiguvad elektriväljas elektroosmootse voo mõjul erinevate kiirustega vastavalt osakeste laengule ja mõõtmetele. Põhimõtteliselt on see elektriliselt laetud (ioonsete) osakeste lahutamise meetod, kuid modifitseeritud kapillaarelektroforeesi meetodid võimaldavad lahutada ka orgaanilisi ühendeid ja makromolekule (biomolekule) ning uurida bioaktiivsete ühendite aktiivsust.
Geelelektroforeesi kasutatakse nukleiinhapete ja valkude fraktsioneerimiseks.

Spektromeetri põhimõtteline skeem proovi füüsikalisest mõjutamisest kuni muutuste registreerimiseni: a) energia- (kiirgus-)allikas, b) proov küvetis, c) tajur, d) signaaliprotsessor, e) tulemuse registreerimine isekirjuti või arvutiga

Keemiliste ainete kvalitatiivseks või kvantitatiivseks määramiseks (tihti identifitseerimiseks) on kasutusel suur hulk erinevaid instrumentaalmeetodeid, milles uuritakse teatud füüsikalise mõjuri (elektromagnetiline kiirgus, magnetväli) vastastikust toimet aine aatomituumadega, elektronidega, aatomitega, molekulidega või kristallidega. Seejuures registreeritakse ainele iseloomulik spekter. Olulisemad spektraalmeetodid on järgmised:

aatomiemissioonispektroskoopia (AES) tegeleb aatomitest kiiratava kiirguse spektrite uurimisega;
aatomiabsorptsioonispektroskoopia (AAS) tegeleb aatomites neelduva kiirguse spektrite uurimisega;
fluorestsentsspektroskoopia uurib mõnele ainele iseloomulikku elektronide ergastamise (tavaliselt ultraviolettkiirguse toimel) tulemusena tekkivat fluorestsentsi;
spektrofotomeetria võimaldab aineid määrata valguse absorptsiooni või peegeldumise intensiivsuse muutusest erinevatel lainepikkustel. Üldiselt on need meetodid kasutatavad nii kvalitatiivseks kui ka kvantitatiivseks ainete määramiseks;
- UV-Vis spektroskoopia uurib neeldumisspektreid lähi-ultraviolettkiirguse ja nähtava valguse piirkonnas;
- infrapunaspektroskoopia (IP või IR) uurib neeldumisspektreid lähi-infrapunases piirkonnas; Fourier' spektroskoopia (FTIR);
- kolorimeetria võimaldab määrata värviliste ühendite kontsentratsiooni sõltuvalt nähtava valguse neeldumisest;
  - mikrotsoonanalüüs paberil on kolorimeetria modifitseeritud meetod, kus analüüdi ja standardi värvusreaktsioone analüüsitakse filterpaberile kantud mikrotsoonide värvuse intensiivsuste võrdlemisel;
tuumamagnetresonantsspektroskoopias uuritakse aatomituumade ja magnetvälja vastastikust toimet, saadakse ainele iseloomulik TMR-spekter;
massispektromeetria – uuritav aine ioniseeritakse näiteks elektronkiire toimel, mille tulemusel moodustuvad ioniseeritud molekulid ja molekulifragmendid, mida saab registreerida kui ainele karakteerset MS-spektrit;
röntgenkristallograafia – aine kristallile langev röntgenikiir hajub ainele omaselt spetsiifilistes suundades, näidates aatomite paigutust aine kristallis.

Analüütiliste seadmete järjestikune ühendamine, nii et esmalt toimub proovis sisalduvate komponentide lahutamine ja seejärel lahutatud ühendite spektroskoopiline analüüs, võimaldab määrata individuaalsete komponentide sisaldust ja keemilist struktuuri. Seejuures vajalik proovi kogus on väga väike ja tulemused saadakse kiiresti. Mõned tänapäeval levinumad tandemtehnikad on järgmised:

gaasikromatograafia-massispektromeetria (GC-MS või GC/MS);
gaasikromatograafia-infrapunaspektroskoopia (GC-IR või GC/IR);
vedelikukromatograafia-massispektromeetria (LC-MS või LC/MS või HPLC-MS);
vedelikukromatograafia-tuumamagnetresonantsspektroskoopia (LC-NMR või HPLC-NMR);
kapillaarelektroforees-massispektromeetria (CE-MS või CE/MS).

Analüüsi käik

Kalibreerimisgraafik, punasega on näidatud avastamispiir (LOD), määramispiir (LOQ) ja tööala kuni lineaarala piirini (LOL), seejuures lineaarala tõusunurk näitab tundlikkust. Lisaks on näidatud müra foon (kollane)

Pikemalt artiklis Keemiline analüüs

Keemiline analüüs tähendab üldjuhul proovi võtmist, proovi ettevalmistust, metoodika valimist, võimalike kõrvaltoimete elimineerimist, vajalike reaktiivide lahuste valmistamist, analüüsi läbiviimist (füüsikaliste või keemiliste suuruste mõõtmist), tulemuse arvutamist ja selle usaldatavuse hindamist.

Analüüsiaparatuuri korral on enamasti vajalik selle kalibreerimine, s.t tehakse kindlaks mõõdetud tulemuse ja aine kontsentratsiooni sõltuvus. Kõrvaloleval joonisel on illustratsiooniks toodud tüüpiline kalibreerimisgraafik.

Vaata ka

Kirjandus

Ivo Leito, Anu Viitak. Kvaliteeditagamine analüütilises keemias. TTÜ Kirjastus 2007, 163 lk.
Mihkel Kaljurand. Kemomeetria. TTÜ Kirjastus 2008, 139 lk.