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Química analítica

La química analítica estudia y utiliza instrumentos y métodos para separar, identificar y cuantificar la materia.[1]​ En la práctica, la separación, identificación o cuantificación puede constituir el análisis completo o combinarse con otro método. La separación aísla los analitos. El análisis cualitativo identifica los analitos, mientras que el análisis cuantitativo determina la cantidad o concentración numérica.

Laboratorio de cromatografía de gases.

La química analítica consiste en métodos químicos clásicos, húmedos y métodos instrumentales modernos.[2]​ Los métodos cualitativos clásicos usan separaciones como la precipitación, extracción y destilación. La identificación puede basarse en las diferencias de color, olor, punto de fusión, punto de ebullición, radioactividad o reactividad. El análisis cuantitativo clásico utiliza cambios de masa o volumen para cuantificar la cantidad. Se pueden utilizar métodos instrumentales para separar muestras mediante cromatografía, electroforesis o fraccionamiento de flujo de campo. Luego, se puede realizar un análisis cualitativo y cuantitativo, a menudo con el mismo instrumento y puede usar interacción de luz, interacción de calor , campos eléctricos o campos magnéticos. A menudo, el mismo instrumento puede separar, identificar y cuantificar un analito.

La química analítica también se centra en las mejoras en el diseño experimental, la quimiometría y la creación de nuevas herramientas de medición. La química analítica tiene amplias aplicaciones para la medicina forense, la medicina, la ciencia y la ingeniería.

Historia

 
Gustav Kirchhoff (izquierda) y Robert Bunsen (derecha)

La química analítica ha sido importante desde los primeros días de la química, ya que proporciona métodos para determinar qué elementos y sustancias químicas están presentes en la muestra en cuestión. Durante este período, las contribuciones significativas a la química analítica incluyen el desarrollo del análisis elemental sistemático por Justus von Liebig y el análisis orgánico sistematizado basado en las reacciones específicas de los grupos funcionales.

El primer análisis instrumental fue la espectrometría de emisión de llama desarrollada por Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff, quien descubrió el rubidio (Rb) y el cesio (Cs) en 1860.[3]

La mayoría de los principales desarrollos en química analítica tuvieron lugar después de 1900. Durante este período, el análisis instrumental se vuelve progresivamente dominante en el campo. En particular, muchas de las técnicas espectroscópicas y espectrométricas básicas se descubrieron a principios del siglo XX y se refinaron a finales del siglo XX.[4]

Las ciencias de la separación siguen una línea temporal similar de desarrollo y también se transforman cada vez más en instrumentos de alto rendimiento.[5]​ En la década de 1970, muchas de estas técnicas comenzaron a usarse juntas como técnicas híbridas para lograr una caracterización completa de las muestras.

Comenzando aproximadamente en la década de los 70 hasta la actualidad, la química analítica se ha ido haciendo cada vez más inclusiva de las cuestiones biológicas (química bioanalítica), mientras que anteriormente se había centrado en gran medida en moléculas orgánicas inorgánicas o pequeñas. Los láseres se han utilizado cada vez más en la química como sondas e incluso para iniciar e influir en una amplia variedad de reacciones. A finales del siglo XX también se observó una expansión de la aplicación de la química analítica de las cuestiones químicas académicas a las cuestiones forenses, ambientales, industriales y médicas, como en la histología.[6]

La química analítica moderna está dominada por el análisis instrumental. Muchos químicos analíticos se centran en un solo tipo de instrumento. Los académicos tienden a centrarse en nuevas aplicaciones y descubrimientos o en nuevos métodos de análisis. El descubrimiento de un químico presente en la sangre que aumenta el riesgo de cáncer sería un descubrimiento en el que podría estar involucrado un químico analítico. Un esfuerzo por desarrollar un nuevo método podría implicar el uso de un láser sintonizable para aumentar la especificidad y la sensibilidad de un método espectrométrico. Muchos métodos, una vez desarrollados, se mantienen deliberadamente estáticos para que los datos puedan compararse durante largos períodos de tiempo. Esto es particularmente cierto en el aseguramiento de la calidad industrial (QA), aplicaciones forenses y ambientales. La química analítica desempeña un papel cada vez más importante en la industria farmacéutica donde, además del control de calidad, se utiliza en el descubrimiento de nuevos candidatos a fármacos y en aplicaciones clínicas donde la comprensión de las interacciones entre el fármaco y el paciente es fundamental.

Métodos clásicos

 
La presencia de cobre en este análisis cualitativo está indicada por el color verde azulado de la llama.

Aunque la química analítica moderna está dominada por la instrumentación sofisticada, las raíces de la química analítica y algunos de los principios utilizados en los instrumentos modernos provienen de técnicas tradicionales, muchas de las cuales aún se utilizan en la actualidad. Estas técnicas también tienden a formar la columna vertebral de la mayoría de los laboratorios educativos de química analítica de pregrado.

Análisis cualitativo

Un análisis cualitativo determina la presencia o ausencia de un compuesto en particular, pero no la masa o la concentración. Por definición, los análisis cualitativos no miden la cantidad.

Pruebas químicas

Existen numerosas pruebas químicas cualitativas, por ejemplo, la prueba de ácido para el oro y la prueba de Kastle-Meyer para detectar la presencia de sangre .

Prueba de la llama

El análisis cualitativo inorgánico generalmente se refiere a un esquema sistemático para confirmar la presencia de ciertos iones o elementos, generalmente acuosos, al realizar una serie de reacciones que eliminan los rangos de posibilidades y luego confirman los iones sospechosos con una prueba de confirmación. A veces se incluyen pequeños iones que contienen carbono en tales esquemas. Con la instrumentación moderna, estas pruebas rara vez se usan, pero pueden ser útiles para fines educativos y en trabajos de campo u otras situaciones en las que el acceso a instrumentos de última generación no está disponible o no es conveniente.

Análisis cuantitativo

El análisis cuantitativo es la medida de las cantidades de constituyentes químicos particulares presentes en una sustancia.

Análisis gravimétrico

El análisis gravimétrico implica determinar la cantidad de material presente pesando la muestra antes y / o después de alguna transformación. Un ejemplo común utilizado en la educación de pregrado es la determinación de la cantidad de agua en un hidrato calentando la muestra para eliminar el agua de tal manera que la diferencia de peso se deba a la pérdida de agua.

Análisis volumétrico

La titulación implica la adición de un reactivo a una solución que se está analizando hasta que se alcanza algún punto de equivalencia. A menudo se puede determinar la cantidad de material en la solución que se está analizando. Lo más familiar para aquellos que han tomado química durante la educación secundaria es la titulación ácido-base que implica un indicador de cambio de color. Hay muchos otros tipos de titulaciones, por ejemplo titulaciones potenciométricas. Estas titulaciones pueden usar diferentes tipos de indicadores para alcanzar algún punto de equivalencia.

Métodos instrumentales

 
Diagrama de bloques de un instrumento analítico que muestra el estímulo y la medición de la respuesta.

Espectroscopia

La espectroscopia mide la interacción de las moléculas con la radiación electromagnética. La espectroscopia consta de muchas aplicaciones diferentes, como la espectroscopia de absorción atómica, la espectroscopia de emisión atómica, la espectroscopia ultravioleta-visible, la espectroscopia de fluorescencia de rayos X, la espectroscopia infrarroja , la espectroscopia Raman, la interferometría de polarización dual, la espectroscopia de polarización magnética , la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, la espectroscopia de fotoemisión, la espectroscopia de fotodisposición, espectroscopía de microscopía de Motsensis.

Espectrometría de masas

 
Un espectrómetro de masas de acelerador utilizado para la datación por radiocarbono y otros análisis.

La espectrometría de masas mide la relación masa-carga de las moléculas mediante campos eléctricos y magnéticos. Existen varios métodos de ionización: impacto de electrones, ionización química, electropulverización, bombardeo con átomos rápidos, ionización por desorción láser asistida por matriz, y otros. Además, la espectrometría de masas se clasifica según los enfoques de los analizadores de masas: sector magnético, analizador de masas cuadrupolo, trampa de iones cuadrupolo, tiempo de vuelo, resonancia de ciclotrón de ión de transformada de Fourier, etc.

Análisis electroquímico

Los métodos electroanalíticos miden el potencial ( voltios ) y / o la corriente (amperios) en una celda electroquímica que contiene el analito.[7][8]​ Estos métodos se pueden clasificar de acuerdo con los aspectos de la celda que se controlan y los que se miden. Las cuatro categorías principales son potenciometría (se mide la diferencia en los potenciales de los electrodos), coulometría (la carga transferida se mide con el tiempo), amperimetría (la corriente de la celda se mide con el tiempo) y voltametría (la corriente de la celda se mide mientras se modifica activamente potencial de la célula).

Análisis térmico

La calorimetría y el análisis termogravimétrico miden la interacción de un material y el calor.

Separación

 
Separación de tinta negra sobre una placa de cromatografía de capa fina .

Los procesos de separación se utilizan para disminuir la complejidad de las mezclas de materiales. La cromatografía, la electroforesis y el fraccionamiento de flujo de campo son representativos de este campo.

Técnicas híbridas

Las combinaciones de las técnicas anteriores producen una técnica "híbrida" o "con guion" [9][10][11][12][13]​ Varios ejemplos son de uso popular hoy en día y se están desarrollando nuevas técnicas híbridas. Por ejemplo, la cromatografía de gases-espectrometría de masas, la cromatografía de gases-espectroscopia infrarroja, la cromatografía líquida-espectrometría de masas, la cromatografía líquida-espectroscopía de RMN, la cromatografía líquida, la espectroscopía infrarroja, la electroforesis capilar y la espectrometría de masas.[cita requerida]

Las técnicas de separación con guion se refieren a una combinación de dos (o más) técnicas para detectar y separar los productos químicos de las soluciones. Muy a menudo, la otra técnica es alguna forma de cromatografía. Las técnicas con guiones se utilizan ampliamente en química y bioquímica. A veces se usa una barra oblicua en lugar de un guion, especialmente si el nombre de uno de los métodos contiene un guion.[cita requerida]

Microscopía

 
Imagen de microscopio de fluorescencia de dos núcleos de células de ratón en profase (la barra de escala es de 5 µm) [14]

La visualización de moléculas individuales, células individuales, tejidos biológicos y nanomateriales es un enfoque importante y atractivo en la ciencia analítica. Además, la hibridación con otras herramientas analíticas tradicionales está revolucionando la ciencia analítica. La microscopía se puede clasificar en tres campos diferentes: microscopía óptica, microscopía electrónica y microscopía con sonda de barrido. Recientemente, este campo está progresando rápidamente debido al rápido desarrollo de las industrias de computadoras y cámaras.

Lab-on-a-chip

Dispositivos que integran (múltiples) funciones de laboratorio en un solo chip de solo milímetros a unos pocos centímetros cuadrados de tamaño y que son capaces de manejar volúmenes de fluido extremadamente pequeños hasta menos que picolitros.

Los errores

El error se puede definir como una diferencia numérica entre el valor observado y el valor verdadero.[15]

Por error, el valor verdadero y el valor observado en el análisis químico se pueden relacionar entre sí mediante la ecuación

 

donde

  •   es el error absoluto.
  •   es el verdadero valor
  •   es el valor observado.

El error de una medición es una medida inversa de una medición precisa, es decir, cuanto menor sea el error, mayor será la precisión de la medición.

Los errores se pueden expresar relativamente. Dado el error relativo (  ):

 

El porcentaje de error también se puede calcular:

 

Si queremos usar estos valores en una función, también podemos querer calcular el error de la función. Dejar  ser una función con  variables Por lo tanto, la propagación de la incertidumbre se debe calcular para conocer el error en  :

 

Normas

Curva estándar

 
Un gráfico de curva de calibración que muestra el límite de detección (LOD), el límite de cuantificación (LOQ), el rango dinámico y el límite de linealidad (LOL)

Un método general para el análisis de la concentración implica la creación de una curva de calibración. Esto permite determinar la cantidad de un producto químico en un material al comparar los resultados de una muestra desconocida con los de una serie de estándares conocidos. Si la concentración de elemento o compuesto en una muestra es demasiado alta para el rango de detección de la técnica, simplemente se puede diluir en un disolvente puro. Si la cantidad en la muestra está por debajo del rango de medición de un instrumento, se puede utilizar el método de adición. En este método, se agrega una cantidad conocida del elemento o compuesto en estudio, y la diferencia entre la concentración agregada y la concentración observada es la cantidad realmente en la muestra.

Normas internas

A veces, se agrega un estándar interno en una concentración conocida directamente a una muestra analítica para ayudar en la cuantificación. La cantidad de analito presente se determina entonces en relación con el estándar interno como calibrante. Un estándar interno ideal es el analito enriquecido con isótopos que da lugar al método de dilución de isótopos.

Adición estándar

El método de adición estándar se usa en el análisis instrumental para determinar la concentración de una sustancia (analito) en una muestra desconocida en comparación con un conjunto de muestras de concentración conocida, similar al uso de una curva de calibración. La adición estándar se puede aplicar a la mayoría de las técnicas analíticas y se usa en lugar de una curva de calibración para resolver el problema del efecto de matriz.

Señales y ruido

Uno de los componentes más importantes de la química analítica es maximizar la señal deseada y minimizar el ruido asociado.[16]​ La figura analítica de mérito se conoce como la relación señal / ruido (S/N o SNR).

El ruido puede surgir de factores ambientales, así como de procesos físicos fundamentales.

Ruido térmico

El ruido térmico es el resultado del movimiento de los portadores de carga (generalmente electrones) en un circuito eléctrico generado por su movimiento térmico. El ruido térmico es ruido blanco, lo que significa que la densidad espectral de potencia es constante en todo el espectro de frecuencias .

El valor cuadrático medio del ruido térmico en una resistencia viene dado por[16]

 

donde k B es la constante de Boltzmann, T es la temperatura, R es la resistencia y   es el ancho de banda de la frecuencia  .

Disparo

El ruido de disparo es un tipo de ruido electrónico que se produce cuando el número finito de partículas (como electrones en un circuito electrónico o fotones en un dispositivo óptico) es lo suficientemente pequeño como para dar lugar a fluctuaciones estadísticas en una señal.

El ruido de disparo es un proceso de Poisson y los portadores de carga que forman la corriente siguen una distribución de Poisson. La fluctuación de la corriente cuadrática media está dada por [16]

 

donde e es la carga elemental y I es la corriente promedio. El ruido de disparo es el ruido blanco.

Ruido de parpadeo

El ruido de parpadeo es un ruido electrónico con un espectro de frecuencia de 1/ƒ; A medida que aumenta f , el ruido disminuye. El ruido de parpadeo surge de una variedad de fuentes, como las impurezas en un canal conductor, la generación y el ruido de recombinación en un transistor debido a la corriente de base, y así sucesivamente. Este ruido se puede evitar mediante la modulación de la señal a una frecuencia más alta, por ejemplo, mediante el uso de un amplificador de bloqueo .

Ruido ambiental

 
Ruido en un análisis termogravimétrico; un menor ruido en el medio de la trama se debe a una menor actividad humana (y ruido ambiental) durante la noche

El ruido ambiental surge del entorno del instrumento analítico. Las fuentes de ruido electromagnético son líneas eléctricas, estaciones de radio y televisión, dispositivos inalámbricos, lámparas fluorescentes compactas[17]​ y motores eléctricos. Muchas de estas fuentes de ruido tienen un ancho de banda limitado y, por lo tanto, pueden evitarse. Es posible que se requiera aislamiento de temperatura y vibración para algunos instrumentos.

Reducción de ruido

La reducción de ruido se puede lograr en hardware o software de computadora. Ejemplos de reducción de ruido de hardware son el uso de cable blindado, filtrado analógico y modulación de señal. Los ejemplos de reducción de ruido del software son el filtrado digital, el promedio de conjunto, el promedio de vagones y los métodos de correlación.[16]

Aplicaciones

 
Un científico de la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. Utiliza un dispositivo portátil de espectroscopia de infrarrojo cercano para detectar sustancias potencialmente ilegales

La química analítica tiene aplicaciones que incluyen ciencias forenses, bioanálisis, análisis clínico, análisis ambiental y análisis de materiales. La investigación en química analítica está impulsada en gran medida por el rendimiento (sensibilidad, límite de detección, selectividad, robustez, rango dinámico, rango lineal , precisión, precisión y velocidad) y costo (compra, operación, entrenamiento, tiempo y espacio). Entre las principales ramas de la espectrometría atómica analítica contemporánea, las más difundidas y universales son la espectrometría de masas y óptica.[18]​ En el análisis elemental directo de muestras sólidas, los nuevos líderes son la degradación inducida por láser y la espectrometría de masas de ablación con láser , y las técnicas relacionadas con la transferencia de los productos de ablación con láser al plasma acoplado inductivamente . Los avances en el diseño de láseres de diodo y osciladores paramétricos ópticos promueven desarrollos en la espectrometría de fluorescencia e ionización y también en técnicas de absorción donde se espera que se expandan los usos de las cavidades ópticas para aumentar la longitud de la ruta de absorción efectiva. El uso de métodos basados en plasma y láser está aumentando. El interés por el análisis absoluto (sin normas) ha revivido, particularmente en espectrometría de emisiones. Se está haciendo un gran esfuerzo para reducir las técnicas de análisis al tamaño del chip. Aunque hay pocos ejemplos de sistemas de este tipo que compitan con las técnicas de análisis tradicionales, las ventajas potenciales incluyen tamaño/portabilidad, velocidad y costo (sistema de análisis micro total (µTAS) o laboratorio en un chip). La química a microescala reduce las cantidades de productos químicos utilizados.

Muchos desarrollos mejoran el análisis de los sistemas biológicos. Algunos ejemplos de campos en rápida expansión en esta área son la genómica, la secuenciación del ADN y la investigación relacionada con la identificación genética y la micromatriz de ADN; proteómica , el análisis de las concentraciones y modificaciones de proteínas, especialmente en respuesta a diversos factores estresantes, en diversas etapas de desarrollo, o en diversas partes del cuerpo, metabolómica, que se ocupa de los metabolitos; transcriptómica, incluyendo ARNm y campos asociados; lipidomica - lípidos y sus campos asociados; peptidómica - péptidos y sus campos asociados; y metalómica , que trata de las concentraciones de metales y, especialmente, de su unión a proteínas y otras moléculas. La química analítica ha jugado un papel fundamental en la comprensión de la ciencia básica para una variedad de aplicaciones prácticas, como aplicaciones biomédicas, monitoreo ambiental, control de calidad de la fabricación industrial, ciencia forense, etc.[19]

Los desarrollos recientes de la automatización informática y las tecnologías de la información han extendido la química analítica a varios campos biológicos nuevos. Por ejemplo, las máquinas de secuenciación de ADN automatizadas fueron la base para completar los proyectos del genoma humano que llevaron al nacimiento de la genómica . La identificación de proteínas y la secuenciación de péptidos por espectrometría de masas abrió un nuevo campo de la proteómica .

La química analítica ha sido un área indispensable en el desarrollo de la nanotecnología . Los instrumentos de caracterización de superficie, los microscopios electrónicos y los microscopios de sonda de barrido permiten a los científicos visualizar estructuras atómicas con caracterizaciones químicas.

Véase también

Referencias

  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.; Holler, F. James; Crouch, Stanley R. (2007). Principles of Instrumental Analysis. Belmont, CA: Brooks/Cole, Thomson. p. 1. ISBN 978-0-495-01201-6. 
  3. Arikawa, Yoshiko (2001). «Basic Education in Analytical Chemistry» (pdf). Analytical Sciences 17 (Supplement): i571-i573. Consultado el 10 de enero de 2014. 
  4. Miller, K; Synovec, RE (2000). «Review of analytical measurements facilitated by drop formation technology». Talanta 51 (5): 921-33. PMID 18967924. doi:10.1016/S0039-9140(99)00358-6. 
  5. Bartle, Keith D.; Myers, Peter (2002). «History of gas chromatography». TrAC Trends in Analytical Chemistry 21 (9–10): 547. doi:10.1016/S0165-9936(02)00806-3. 
  6. Laitinen, H.A. (1989). «History of analytical chemistry in the U.S.A.». Talanta 36 (1–2): 1-9. PMID 18964671. doi:10.1016/0039-9140(89)80077-3. 
  7. Bard, A.J.; Faulkner, L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2000.[página requerida]
  8. Skoog, D.A.; West, D.M.; Holler, F.J. Fundamentals of Analytical Chemistry New York: Saunders College Publishing, 5th Edition, 1988.[página requerida]
  9. Wilkins, C. (1983). «Hyphenated techniques for analysis of complex organic mixtures». Science 222 (4621): 291-6. Bibcode:1983Sci...222..291W. PMID 6353577. doi:10.1126/science.6353577. 
  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. Ellis, Lyndon A; Roberts, David J (1997). «Chromatographic and hyphenated methods for elemental speciation analysis in environmental media». Journal of Chromatography A 774 (1–2): 3-19. PMID 9253184. doi:10.1016/S0021-9673(97)00325-7. 
  12. 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). «Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring». Journal of Chromatography A 976 (1–2): 229-38. PMID 12462614. doi:10.1016/S0021-9673(02)01228-1. 
  13. 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). «Hyphenated techniques in anticancer drug monitoring». Journal of Chromatography A 976 (1–2): 239-47. PMID 12462615. doi:10.1016/S0021-9673(02)01227-X. 
  14. Schermelleh, L.; Carlton, P. M.; Haase, S.; Shao, L.; Winoto, L.; Kner, P.; Burke, B.; Cardoso, M. C. et al. (2008). «Subdiffraction Multicolor Imaging of the Nuclear Periphery with 3D Structured Illumination Microscopy». Science 320 (5881): 1332-6. Bibcode:2008Sci...320.1332S. PMC 2916659. PMID 18535242. doi:10.1126/science.1156947. 
  15. GL David - Química Analítica
  16. Crouch, Stanley; Skoog, Douglas A. (2007). Principles of instrumental analysis. Australia: Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-495-01201-6. [página requerida]
  17. «Health Concerns associated with Energy Efficient Lighting and their Electromagnetic Emissions». Trent University, Peterborough, ON, Canada. Consultado el 12 de noviembre de 2011. 
  18. Bol'Shakov, Aleksandr A; Ganeev, Aleksandr A; Nemets, Valerii M (2006). «Prospects in analytical atomic spectrometry». Russian Chemical Reviews 75 (4): 289. Bibcode:2006RuCRv..75..289B. doi:10.1070/RC2006v075n04ABEH001174. 
  19. «Analytical Chemistry - American Chemical Society». American Chemical Society (en inglés). Consultado el 26 de mayo de 2017. 

Otras lecturas

  • Skoog, D.A.; West, D.M.; Holler, F.J. Fundamentals of Analytical Chemistry New York: Saunders College Publishing, 5th Edition, 1988.
  • Bard, A.J.; Faulkner, L.R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. New York: John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2000.
  • Bettencourt da Silva, R; Bulska, E; Godlewska-Zylkiewicz, B; Hedrich, M; Majcen, N; Magnusson, B; Marincic, S; Papadakis, I; Patriarca, M; Vassileva, E; Taylor, P; Analytical measurement: measurement uncertainty and statistics, 2012, ISBN 978-92-79-23070-7.

Enlaces externos

  •   Datos: Q2346
  •   Multimedia: Analytical chemistry
  •   Recursos didácticos: Química analítica

química, analítica, química, analítica, estudia, utiliza, instrumentos, métodos, para, separar, identificar, cuantificar, materia, práctica, separación, identificación, cuantificación, puede, constituir, análisis, completo, combinarse, otro, método, separación. La quimica analitica estudia y utiliza instrumentos y metodos para separar identificar y cuantificar la materia 1 En la practica la separacion identificacion o cuantificacion puede constituir el analisis completo o combinarse con otro metodo La separacion aisla los analitos El analisis cualitativo identifica los analitos mientras que el analisis cuantitativo determina la cantidad o concentracion numerica Laboratorio de cromatografia de gases La quimica analitica consiste en metodos quimicos clasicos humedos y metodos instrumentales modernos 2 Los metodos cualitativos clasicos usan separaciones como la precipitacion extraccion y destilacion La identificacion puede basarse en las diferencias de color olor punto de fusion punto de ebullicion radioactividad o reactividad El analisis cuantitativo clasico utiliza cambios de masa o volumen para cuantificar la cantidad Se pueden utilizar metodos instrumentales para separar muestras mediante cromatografia electroforesis o fraccionamiento de flujo de campo Luego se puede realizar un analisis cualitativo y cuantitativo a menudo con el mismo instrumento y puede usar interaccion de luz interaccion de calor campos electricos o campos magneticos A menudo el mismo instrumento puede separar identificar y cuantificar un analito La quimica analitica tambien se centra en las mejoras en el diseno experimental la quimiometria y la creacion de nuevas herramientas de medicion La quimica analitica tiene amplias aplicaciones para la medicina forense la medicina la ciencia y la ingenieria Indice 1 Historia 2 Metodos clasicos 2 1 Analisis cualitativo 2 1 1 Pruebas quimicas 2 1 2 Prueba de la llama 2 2 Analisis cuantitativo 2 2 1 Analisis gravimetrico 2 2 2 Analisis volumetrico 3 Metodos instrumentales 3 1 Espectroscopia 3 2 Espectrometria de masas 3 3 Analisis electroquimico 3 4 Analisis termico 3 5 Separacion 3 6 Tecnicas hibridas 3 7 Microscopia 3 8 Lab on a chip 4 Los errores 5 Normas 5 1 Curva estandar 5 2 Normas internas 5 3 Adicion 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Durante este periodo el analisis instrumental se vuelve progresivamente dominante en el campo En particular muchas de las tecnicas espectroscopicas y espectrometricas basicas se descubrieron a principios del siglo XX y se refinaron a finales del siglo XX 4 Las ciencias de la separacion siguen una linea temporal similar de desarrollo y tambien se transforman cada vez mas en instrumentos de alto rendimiento 5 En la decada de 1970 muchas de estas tecnicas comenzaron a usarse juntas como tecnicas hibridas para lograr una caracterizacion completa de las muestras Comenzando aproximadamente en la decada de los 70 hasta la actualidad la quimica analitica se ha ido haciendo cada vez mas inclusiva de las cuestiones biologicas quimica bioanalitica mientras que anteriormente se habia centrado en gran medida en moleculas organicas inorganicas o pequenas Los laseres se han utilizado cada vez mas en la quimica como sondas e incluso para iniciar e influir en una amplia variedad de reacciones A finales del siglo XX tambien se observo una expansion de la aplicacion de la quimica analitica de las cuestiones quimicas academicas a las cuestiones forenses ambientales industriales y medicas como en la histologia 6 La quimica analitica moderna esta dominada por el analisis instrumental Muchos quimicos analiticos se centran en un solo tipo de instrumento Los academicos tienden a centrarse en nuevas aplicaciones y descubrimientos o en nuevos metodos de analisis El descubrimiento de un quimico presente en la sangre que aumenta el riesgo de cancer seria un descubrimiento en el que podria estar involucrado un quimico analitico Un esfuerzo por desarrollar un nuevo metodo podria implicar el uso de un laser sintonizable para aumentar la especificidad y la sensibilidad de un metodo espectrometrico Muchos metodos una vez desarrollados se mantienen deliberadamente estaticos para que los datos puedan compararse durante largos periodos de tiempo Esto es particularmente cierto en el aseguramiento de la calidad industrial QA aplicaciones forenses y ambientales La quimica analitica desempena un papel cada vez mas importante en la industria farmaceutica donde ademas del control de calidad se utiliza en el descubrimiento de nuevos candidatos a farmacos y en aplicaciones clinicas donde la comprension de las interacciones entre el farmaco y el paciente es fundamental Metodos clasicos Editar La presencia de cobre en este analisis cualitativo esta indicada por el color verde azulado de la llama Aunque la quimica analitica moderna esta dominada por la instrumentacion sofisticada las raices de la quimica analitica y algunos de los principios utilizados en los instrumentos modernos provienen de tecnicas tradicionales muchas de las cuales aun se utilizan en la actualidad Estas tecnicas tambien tienden a formar la columna vertebral de la mayoria de los laboratorios educativos de quimica analitica de pregrado Analisis cualitativo Editar Un analisis cualitativo determina la presencia o ausencia de un compuesto en particular pero no la masa o la concentracion Por definicion los analisis cualitativos no miden la cantidad Pruebas quimicas Editar Articulo principal Prueba quimica Existen numerosas pruebas quimicas cualitativas por ejemplo la prueba de acido para el oro y la prueba de Kastle Meyer para detectar la presencia de sangre Prueba de la llama Editar Articulo principal Ensayo a la llama El analisis cualitativo inorganico generalmente se refiere a un esquema sistematico para confirmar la presencia de ciertos iones o elementos generalmente acuosos al realizar una serie de reacciones que eliminan los rangos de posibilidades y luego confirman los iones sospechosos con una prueba de confirmacion A veces se incluyen pequenos iones que contienen carbono en tales esquemas Con la instrumentacion moderna estas pruebas rara vez se usan pero pueden ser utiles para fines educativos y en trabajos de campo u otras situaciones en las que el acceso a instrumentos de ultima generacion no esta disponible o no es conveniente Analisis cuantitativo Editar Articulo principal Analisis cuantitativo quimica El analisis cuantitativo es la medida de las cantidades de constituyentes quimicos particulares presentes en una sustancia Analisis gravimetrico Editar Articulo principal Analisis gravimetrico El analisis gravimetrico implica determinar la cantidad de material presente pesando la muestra antes y o despues de alguna transformacion Un ejemplo comun utilizado en la educacion de pregrado es la determinacion de la cantidad de agua en un hidrato calentando la muestra para eliminar el agua de tal manera que la diferencia de peso se deba a la perdida de agua Analisis volumetrico Editar Articulo principal Analisis volumetrico La titulacion implica la adicion de un reactivo a una solucion que se esta analizando hasta que se alcanza algun punto de equivalencia A menudo se puede determinar la cantidad de material en la solucion que se esta analizando Lo mas familiar para aquellos que han tomado quimica durante la educacion secundaria es la titulacion acido base que implica un indicador de cambio de color Hay muchos otros tipos de titulaciones por ejemplo titulaciones potenciometricas Estas titulaciones pueden usar diferentes tipos de indicadores para alcanzar algun punto de equivalencia Metodos instrumentales Editar Diagrama de bloques de un instrumento analitico que muestra el estimulo y la medicion de la respuesta Articulo principal Quimica instrumental Espectroscopia Editar Articulo principal EspectroscopiaLa espectroscopia mide la interaccion de las moleculas con la radiacion electromagnetica La espectroscopia consta de muchas aplicaciones diferentes como la espectroscopia de absorcion atomica la espectroscopia de emision atomica la espectroscopia ultravioleta visible la espectroscopia de fluorescencia de rayos X la espectroscopia infrarroja la espectroscopia Raman la interferometria de polarizacion dual la espectroscopia de polarizacion magnetica la espectroscopia de resonancia magnetica nuclear la espectroscopia de fotoemision la espectroscopia de fotodisposicion espectroscopia de microscopia de Motsensis Espectrometria de masas Editar Un espectrometro de masas de acelerador utilizado para la datacion por radiocarbono y otros analisis La espectrometria de masas mide la relacion masa carga de las moleculas mediante campos electricos y magneticos Existen varios metodos de ionizacion impacto de electrones ionizacion quimica electropulverizacion bombardeo con atomos rapidos ionizacion por desorcion laser asistida por matriz y otros Ademas la espectrometria de masas se clasifica segun los enfoques de los analizadores de masas sector magnetico analizador de masas cuadrupolo trampa de iones cuadrupolo tiempo de vuelo resonancia de ciclotron de ion de transformada de Fourier etc Analisis electroquimico Editar Los metodos electroanaliticos miden el potencial voltios y o la corriente amperios en una celda electroquimica que contiene el analito 7 8 Estos metodos se pueden clasificar de acuerdo con los aspectos de la celda que se controlan y los que se miden Las cuatro categorias principales son potenciometria se mide la diferencia en los potenciales de los electrodos coulometria la carga transferida se mide con el tiempo amperimetria la corriente de la celda se mide con el tiempo y voltametria la corriente de la celda se mide mientras se modifica activamente potencial de la celula Analisis termico Editar Articulos principales Calorimetriay Analisis termico La calorimetria y el analisis termogravimetrico miden la interaccion de un material y el calor Separacion Editar Separacion de tinta negra sobre una placa de cromatografia de capa fina Los procesos de separacion se utilizan para disminuir la complejidad de las mezclas de materiales La cromatografia la electroforesis y el fraccionamiento de flujo de campo son representativos de este campo Tecnicas hibridas Editar Las combinaciones de las tecnicas anteriores producen una tecnica hibrida o con guion 9 10 11 12 13 Varios ejemplos son de uso popular hoy en dia y se estan desarrollando nuevas tecnicas hibridas Por ejemplo la cromatografia de gases espectrometria de masas la cromatografia de gases espectroscopia infrarroja la cromatografia liquida espectrometria de masas la cromatografia liquida espectroscopia de RMN la cromatografia liquida la espectroscopia infrarroja la electroforesis capilar y la espectrometria de masas cita requerida Las tecnicas de separacion con guion se refieren a una combinacion de dos o mas tecnicas para detectar y separar los productos quimicos de las soluciones Muy a menudo la otra tecnica es alguna forma de cromatografia Las tecnicas con guiones se utilizan ampliamente en quimica y bioquimica A veces se usa una barra oblicua en lugar de un guion especialmente si el nombre de uno de los metodos contiene un guion cita requerida Microscopia Editar Imagen de microscopio de fluorescencia de dos nucleos de celulas de raton en profase la barra de escala es de 5 µm 14 La visualizacion de moleculas individuales celulas individuales tejidos biologicos y nanomateriales es un enfoque importante y atractivo en la ciencia analitica Ademas la hibridacion con otras herramientas analiticas tradicionales esta revolucionando la ciencia analitica La microscopia se puede clasificar en tres campos diferentes microscopia optica microscopia electronica y microscopia con sonda de barrido Recientemente este campo esta progresando rapidamente debido al rapido desarrollo de las industrias de computadoras y camaras Lab on a chip Editar Dispositivos que integran multiples funciones de laboratorio en un solo chip de solo milimetros a unos pocos centimetros cuadrados de tamano y que son capaces de manejar volumenes de fluido extremadamente pequenos hasta menos que picolitros Los errores EditarEl error se puede definir como una diferencia numerica entre el valor observado y el valor verdadero 15 Por error el valor verdadero y el valor observado en el analisis quimico se pueden relacionar entre si mediante la ecuacion e a x x displaystyle varepsilon rm a x bar x donde e a displaystyle varepsilon rm a es el error absoluto x displaystyle x es el verdadero valor x displaystyle bar x es el valor observado El error de una medicion es una medida inversa de una medicion precisa es decir cuanto menor sea el error mayor sera la precision de la medicion Los errores se pueden expresar relativamente Dado el error relativo e r displaystyle varepsilon rm r e r e a x x x x displaystyle varepsilon rm r frac varepsilon rm a x left frac x bar x x right El porcentaje de error tambien se puede calcular e r 100 displaystyle varepsilon rm r times 100 Si queremos usar estos valores en una funcion tambien podemos querer calcular el error de la funcion Dejar f displaystyle f ser una funcion con N displaystyle N variables Por lo tanto la propagacion de la incertidumbre se debe calcular para conocer el error en f displaystyle f e a f i 1 N f x i e a x i f x 1 e a x 1 f x 2 e a x 2 f x N e a x N 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 Normas EditarCurva estandar Editar Un grafico de curva de calibracion que muestra el limite de deteccion LOD el limite de cuantificacion LOQ el rango dinamico y el limite de linealidad LOL Un metodo general para el analisis de la concentracion implica la creacion de una curva de calibracion Esto permite determinar la cantidad de un producto quimico en un material al comparar los resultados de una muestra desconocida con los de una serie de estandares conocidos Si la concentracion de elemento o compuesto en una muestra es demasiado alta para el rango de deteccion de la tecnica simplemente se puede diluir en un disolvente puro Si la cantidad en la muestra esta por debajo del rango de medicion de un instrumento se puede utilizar el metodo de adicion En este metodo se agrega una cantidad conocida del elemento o compuesto en estudio y la diferencia entre la concentracion agregada y la concentracion observada es la cantidad realmente en la muestra Normas internas Editar A veces se agrega un estandar interno en una concentracion conocida directamente a una muestra analitica para ayudar en la cuantificacion La cantidad de analito presente se determina entonces en relacion con el estandar interno como calibrante Un estandar interno ideal es el analito enriquecido con isotopos que da lugar al metodo de dilucion de isotopos Adicion estandar Editar El metodo de adicion estandar se usa en el analisis instrumental para determinar la concentracion de una sustancia analito en una muestra desconocida en comparacion con un conjunto de muestras de concentracion conocida similar al uso de una curva de calibracion La adicion estandar se puede aplicar a la mayoria de las tecnicas analiticas y se usa en lugar de una curva de calibracion para resolver el problema del efecto de matriz Senales y ruido EditarUno de los componentes mas importantes de la quimica analitica es maximizar la senal deseada y minimizar el ruido asociado 16 La figura analitica de merito se conoce como la relacion senal ruido S N o SNR El ruido puede surgir de factores ambientales asi como de procesos fisicos fundamentales Ruido termico Editar El ruido termico es el resultado del movimiento de los portadores de carga generalmente electrones en un circuito electrico generado por su movimiento termico El ruido termico es ruido blanco lo que significa que la densidad espectral de potencia es constante en todo el espectro de frecuencias El valor cuadratico medio del ruido termico en una resistencia viene dado por 16 v R M S 4 k B T R D f displaystyle v rm RMS sqrt 4k rm B TR Delta f donde k B es la constante de Boltzmann T es la temperatura R es la resistencia y D f displaystyle Delta f es el ancho de banda de la frecuencia f displaystyle f Disparo Editar El ruido de disparo es un tipo de ruido electronico que se produce cuando el numero finito de particulas como electrones en un circuito electronico o fotones en un dispositivo optico es lo suficientemente pequeno como para dar lugar a fluctuaciones estadisticas en una senal El ruido de disparo es un proceso de Poisson y los portadores de carga que forman la corriente siguen una distribucion de Poisson La fluctuacion de la corriente cuadratica media esta dada por 16 i R M S 2 e I D f displaystyle i rm RMS sqrt 2eI Delta f donde e es la carga elemental y I es la corriente promedio El ruido de disparo es el ruido blanco Ruido de parpadeo Editar El ruido de parpadeo es un ruido electronico con un espectro de frecuencia de 1 ƒ A medida que aumenta f el ruido disminuye El ruido de parpadeo surge de una variedad de fuentes como las impurezas en un canal conductor la generacion y el ruido de recombinacion en un transistor debido a la corriente de base y asi sucesivamente Este ruido se puede evitar mediante la modulacion de la senal a una frecuencia mas alta por ejemplo mediante el uso de un amplificador de bloqueo Ruido ambiental Editar Ruido en un analisis termogravimetrico un menor ruido en el medio de la trama se debe a una menor actividad humana y ruido ambiental durante la noche El ruido ambiental surge del entorno del instrumento analitico Las fuentes de ruido electromagnetico son lineas electricas estaciones de radio y television dispositivos inalambricos lamparas fluorescentes compactas 17 y motores electricos Muchas de estas fuentes de ruido tienen un ancho de banda limitado y por lo tanto pueden evitarse Es posible que se requiera aislamiento de temperatura y vibracion para algunos instrumentos Reduccion de ruido Editar La reduccion de ruido se puede lograr en hardware o software de computadora Ejemplos de reduccion de ruido de hardware son el uso de cable blindado filtrado analogico y modulacion de senal Los ejemplos de reduccion de ruido del software son el filtrado digital el promedio de conjunto el promedio de vagones y los metodos de correlacion 16 Aplicaciones Editar Un cientifico de la Administracion de Drogas y Alimentos de EE UU Utiliza un dispositivo portatil de espectroscopia de infrarrojo cercano para detectar sustancias potencialmente ilegales La quimica analitica tiene aplicaciones que incluyen ciencias forenses bioanalisis analisis clinico analisis ambiental y analisis de materiales La investigacion en quimica analitica esta impulsada en gran medida por el rendimiento sensibilidad limite de deteccion selectividad robustez rango dinamico rango lineal precision precision y velocidad y costo compra operacion entrenamiento tiempo y espacio Entre las principales ramas de la espectrometria atomica analitica contemporanea las mas difundidas y universales son la espectrometria de masas y optica 18 En el analisis elemental directo de muestras solidas los nuevos lideres son la degradacion inducida por laser y la espectrometria de masas de ablacion con laser y las tecnicas relacionadas con la transferencia de los productos de ablacion con laser al plasma acoplado inductivamente Los avances en el diseno de laseres de diodo y osciladores parametricos opticos promueven desarrollos en la espectrometria de fluorescencia e ionizacion y tambien en tecnicas de absorcion donde se espera que se expandan los usos de las cavidades opticas para aumentar la longitud de la ruta de absorcion efectiva El uso de metodos basados en plasma y laser esta aumentando El interes por el analisis absoluto sin normas ha revivido particularmente en espectrometria de emisiones Se esta haciendo un gran esfuerzo para reducir las tecnicas de analisis al tamano del chip Aunque hay pocos ejemplos de sistemas de este tipo que compitan con las tecnicas de analisis tradicionales las ventajas potenciales incluyen tamano portabilidad velocidad y costo sistema de analisis micro total µTAS o laboratorio en un chip La quimica a microescala reduce las cantidades de productos quimicos utilizados Muchos desarrollos mejoran el analisis de los sistemas biologicos Algunos ejemplos de campos en rapida expansion en esta area son la genomica la secuenciacion del ADN y la investigacion relacionada con la identificacion genetica y la micromatriz de ADN proteomica el analisis de las concentraciones y modificaciones de proteinas especialmente en respuesta a diversos factores estresantes en diversas etapas de desarrollo o en diversas partes del cuerpo metabolomica que se ocupa de los metabolitos transcriptomica incluyendo ARNm y campos asociados lipidomica lipidos y sus campos asociados peptidomica peptidos y sus campos asociados y metalomica que trata de las concentraciones de metales y especialmente de su union a proteinas y otras moleculas La quimica analitica ha jugado un papel fundamental en la comprension de la ciencia basica para una variedad de aplicaciones practicas como aplicaciones biomedicas monitoreo ambiental control de calidad de la fabricacion industrial ciencia forense etc 19 Los desarrollos recientes de la automatizacion informatica y las tecnologias de la informacion han extendido la quimica analitica a varios campos biologicos nuevos Por ejemplo las maquinas de secuenciacion de ADN automatizadas fueron la base para completar los proyectos del genoma humano que llevaron al nacimiento de la genomica La identificacion de proteinas y la secuenciacion de peptidos por espectrometria de masas abrio un nuevo campo de la proteomica La quimica analitica ha sido un area indispensable en el desarrollo de la nanotecnologia Los instrumentos de caracterizacion de superficie los microscopios electronicos y los microscopios de sonda de barrido permiten a los cientificos visualizar estructuras atomicas con caracterizaciones quimicas Vease tambien EditarLista de metodos de analisis quimico Listado de metodos de analisis de materiales Publicaciones importantes en quimica analitica Analisis sensorial en el campo de la ciencia alimentaria Instrumentacion virtual Rango de trabajo Metrologia Incertidumbre de medicion Microanalisis Calidad de los resultados analiticosReferencias Editar 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 Skoog Douglas A Holler F James Crouch Stanley R 2007 Principles of Instrumental Analysis Belmont CA Brooks Cole Thomson p 1 ISBN 978 0 495 01201 6 Arikawa Yoshiko 2001 Basic Education in Analytical Chemistry pdf Analytical Sciences 17 Supplement i571 i573 Consultado el 10 de enero de 2014 Miller K Synovec RE 2000 Review of analytical measurements facilitated by drop formation technology Talanta 51 5 921 33 PMID 18967924 doi 10 1016 S0039 9140 99 00358 6 Bartle Keith D Myers Peter 2002 History of gas chromatography TrAC Trends in Analytical Chemistry 21 9 10 547 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