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.
La química analítica consta de métodos químicos húmedos clásicos y métodos instrumentales modernos. [2] Los métodos cualitativos clásicos utilizan separaciones como precipitación , extracción y destilación . La identificación puede basarse en diferencias de color, olor, punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad, radiactividad 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 pueden realizar análisis cualitativos y cuantitativos, a menudo con el mismo instrumento y pueden utilizar 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 mejoras en el diseño experimental , la quimiometría y la creación de nuevas herramientas de medición. La química analítica tiene amplias aplicaciones en la medicina, la ciencia y la ingeniería.
La química analítica ha sido importante desde los primeros días de la química, proporcionando métodos para determinar qué elementos y sustancias químicas están presentes en el objeto en cuestión. Durante este período, las contribuciones significativas a la química analítica incluyeron el desarrollo del análisis elemental sistemático por parte de Justus von Liebig y el análisis orgánico sistematizado basado en reacciones específicas de grupos funcionales.
El primer análisis instrumental fue la espectrometría de emisión de llama desarrollada por Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff, quienes descubrieron el rubidio (Rb) y el cesio (Cs) en 1860. [3]
La mayoría de los principales avances en química analítica tuvieron lugar después de 1900. Durante este período, el análisis instrumental se volvió progresivamente dominante en este campo. En particular, muchas de las técnicas espectroscópicas y espectrométricas básicas se descubrieron a principios del siglo XX y se perfeccionaron a finales del siglo XX. [4]
Las ciencias de la separación siguen una línea temporal de desarrollo similar y también se transformaron cada vez más en instrumentos de alto rendimiento. [5] En la década de 1970 muchas de estas técnicas comenzaron a utilizarse juntas como técnicas híbridas para lograr una caracterización completa de las muestras.
A partir de la década de 1970, la química analítica se volvió progresivamente más inclusiva en cuestiones biológicas ( química bioanalítica ), mientras que anteriormente se había centrado en gran medida en moléculas orgánicas inorgánicas u pequeñas . Los láseres se han utilizado cada vez más como sondas e incluso para iniciar e influir en una amplia variedad de reacciones. A finales del siglo XX también se produjo una expansión de la aplicación de la química analítica desde cuestiones químicas algo académicas a cuestiones forenses , ambientales , industriales y médicas , como en 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 una sustancia química presente en la sangre que aumenta el riesgo de cáncer sería un descubrimiento en el que podría participar un químico analítico. Un esfuerzo por desarrollar un nuevo método podría implicar el uso de un láser sintonizable para aumentar la especificidad y sensibilidad de una 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 control de calidad industrial (QA), aplicaciones forenses y medioambientales. 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 fármacos candidatos y en aplicaciones clínicas donde es fundamental comprender las interacciones entre el fármaco y el paciente.
Aunque la química analítica moderna está dominada por 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 todavía 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.
El análisis cualitativo determina la presencia o ausencia de un compuesto particular, pero no la masa o la concentración. Por definición, los análisis cualitativos no miden la cantidad.
Existen numerosas pruebas químicas cualitativas, por ejemplo, la prueba de ácido para detectar oro y la prueba de Kastle-Meyer para detectar la presencia de sangre .
El análisis cualitativo inorgánico generalmente se refiere a un esquema sistemático para confirmar la presencia de ciertos iones o elementos acuosos mediante la realización de una serie de reacciones que eliminan una variedad de posibilidades y luego confirman los iones sospechosos con una prueba de confirmación. A veces, en estos esquemas se incluyen pequeños iones que contienen carbono. Con la instrumentación moderna, estas pruebas rara vez se utilizan, pero pueden ser útiles con fines educativos y en trabajo de campo u otras situaciones donde el acceso a instrumentos de última generación no está disponible o no es conveniente.
El análisis cuantitativo es la medición de las cantidades de constituyentes químicos particulares presentes en una sustancia. Las cantidades se pueden medir en masa (análisis gravimétrico) o en volumen (análisis volumétrico).
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 universitaria es la determinación de la cantidad de agua en un hidrato calentando la muestra para eliminar el agua de modo que la diferencia de peso se deba a la pérdida de agua.
La titulación implica la adición gradual de un reactivo medible a un volumen exacto de una solución que se analiza hasta que se alcanza algún punto de equivalencia. Titular con precisión hasta el punto de media equivalencia o el punto final de una titulación permite al químico determinar la cantidad de moles utilizados, que luego pueden usarse para determinar la concentración o composición del titulante. Lo más familiar para quienes han estudiado química durante la educación secundaria es la titulación ácido-base que implica un indicador que cambia de color, como la fenolftaleína . Hay muchos otros tipos de valoraciones, por ejemplo, valoraciones potenciométricas o valoraciones por precipitación. Los químicos también pueden crear curvas de titulación en orden probando sistemáticamente el pH en cada gota para comprender las diferentes propiedades del titulante.
La espectroscopia mide la interacción de las moléculas con la radiación electromagnética . La espectroscopia consta de muchas aplicaciones diferentes, como espectroscopia de absorción atómica , espectroscopia de emisión atómica , espectroscopia ultravioleta-visible , espectroscopia de rayos X , espectroscopia de fluorescencia , espectroscopia infrarroja , espectroscopia Raman , interferometría de doble polarización , espectroscopia de resonancia magnética nuclear , espectroscopia de fotoemisión , espectroscopia de Mössbauer y pronto.
La espectrometría de masas mide la relación masa-carga de moléculas utilizando campos eléctricos y magnéticos . Existen varios métodos de ionización: ionización electrónica , ionización química , ionización por electropulverización , bombardeo atómico rápido, desorción/ionización 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 iones por transformada de Fourier , etc.
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 según qué aspectos de la célula se controlan y cuáles se miden. Las cuatro categorías principales son potenciometría (se mide la diferencia en los potenciales de los electrodos), coulometría (la carga transferida se mide a lo largo del tiempo), amperometría (la corriente de la celda se mide a lo largo del tiempo) y voltamperometría (la corriente de la celda se mide mientras se altera activamente la potencial de la célula).
La calorimetría y el análisis termogravimétrico miden la interacción de un material y el calor .
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.
La cromatografía se puede utilizar para determinar la presencia de sustancias en una muestra, ya que los diferentes componentes de una mezcla tienen diferentes tendencias a adsorberse en la fase estacionaria o disolverse en la fase móvil. Por tanto, los diferentes componentes de la mezcla se mueven a diferente velocidad. Por lo tanto, los diferentes componentes de una mezcla pueden identificarse por sus respectivos valores R ƒ , que es la relación entre la distancia de migración de la sustancia y la distancia de migración del frente del disolvente durante la cromatografía. En combinación con los métodos instrumentales, la cromatografía se puede utilizar para la determinación cuantitativa de sustancias.
Las combinaciones de las técnicas anteriores producen una técnica "híbrida" o "con guiones". [9] [10] [11] [12] [13] Varios ejemplos son de uso popular hoy en día y se están desarrollando nuevas técnicas híbridas. Por ejemplo, cromatografía de gases-espectrometría de masas , cromatografía de gases- espectroscopia infrarroja , cromatografía líquida-espectroscopia de masas , cromatografía líquida- espectroscopia de RMN , cromatografía líquida-espectroscopia de infrarrojos y electroforesis capilar-espectrometría de masas.
Las técnicas de separación con guiones se refieren a una combinación de dos (o más) técnicas para detectar y separar sustancias químicas 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 utiliza una barra diagonal en lugar de un guión , especialmente si el nombre de uno de los métodos contiene un guión.
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 de sonda de barrido . Recientemente, este campo está progresando rápidamente debido al rápido desarrollo de las industrias de computadoras y cámaras.
Dispositivos que integran (múltiples) funciones de laboratorio en un solo chip de un tamaño de sólo milímetros a unos pocos centímetros cuadrados y que son capaces de manejar volúmenes de fluidos extremadamente pequeños, de hasta menos de picolitros.
El error se puede definir como la diferencia numérica entre el valor observado y el valor verdadero. [15] El error experimental se puede dividir en dos tipos, error sistemático y error aleatorio. El error sistemático resulta de una falla en el equipo o el diseño de un experimento, mientras que el error aleatorio resulta de variables no controladas o incontrolables en el experimento. [dieciséis]
Por error, el valor verdadero y el valor observado en el análisis químico pueden relacionarse entre sí mediante la ecuación
dónde
Un error de una medición es una medida inversa de la medición exacta, 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 error porcentual también se puede calcular:
Si queremos utilizar estos valores en una función, es posible que también queramos calcular el error de la función. Sea una función con variables. Por lo tanto, se debe calcular la propagación de la incertidumbre para conocer el error en :
Un método general para el análisis de la concentración implica la creación de una curva de calibración . Esto permite determinar la cantidad de una sustancia química en un material comparando los resultados de una muestra desconocida con los de una serie de estándares conocidos. Si la concentración de un 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.
A veces se añade un estándar interno a una concentración conocida directamente a una muestra analítica para ayudar en la cuantificación. Luego se determina la cantidad de analito presente en relación con el estándar interno como calibrador. Un estándar interno ideal es un analito enriquecido isotópicamente que da lugar al método de dilución isotópica .
El método de adición de estándar se utiliza en 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 de estándar se puede aplicar a la mayoría de las técnicas analíticas y se utiliza en lugar de una curva de calibración para resolver el problema del efecto de la matriz .
Uno de los componentes más importantes de la química analítica es maximizar la señal deseada y minimizar el ruido asociado . [17] La figura de mérito analítica se conoce como relación señal-ruido (S/N o SNR).
El ruido puede surgir tanto de factores ambientales como de procesos físicos fundamentales.
El ruido térmico resulta 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 [17]
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 .
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 cuadrática media de la corriente viene dada por [17]
donde e es la carga elemental e I es la corriente promedio. El ruido de disparo es ruido blanco.
El ruido de parpadeo es ruido electrónico con un espectro de frecuencia de 1/ ƒ ; A medida que f aumenta, el ruido disminuye. El ruido de parpadeo surge de una variedad de fuentes, como impurezas en un canal conductor, ruido de generación y recombinación en un transistor debido a la corriente de base, etc. Este ruido se puede evitar modulando la señal a una frecuencia más alta, por ejemplo, mediante el uso de un amplificador lock-in .
El ruido ambiental surge del entorno del instrumento analítico. Las fuentes de ruido electromagnético son las líneas eléctricas , las estaciones de radio y televisión, los dispositivos inalámbricos , las lámparas fluorescentes compactas [18] y los motores eléctricos . Muchas de estas fuentes de ruido tienen un ancho de banda estrecho y, por lo tanto, pueden evitarse. Es posible que algunos instrumentos requieran aislamiento de temperatura y vibración .
La reducción de ruido se puede lograr ya sea en hardware o software de computadora . Ejemplos de reducción de ruido por hardware son el uso de cable blindado , filtrado analógico y modulación de señal. Ejemplos de reducción de ruido por software son el filtrado digital , el promedio de conjuntos , el promedio de furgones y los métodos de correlación . [17]
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La química analítica tiene aplicaciones que incluyen ciencia forense , 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 , exactitud, precisión y velocidad) y el costo (compra, operación, capacitación, tiempo y espacio). Entre las principales ramas de la espectrometría atómica analítica contemporánea, las más difundidas y universales son la espectrometría óptica y de masas. [19] En el análisis elemental directo de muestras sólidas, los nuevos líderes son la espectrometría de masas de ablación y ruptura inducida por láser , y las técnicas relacionadas con la transferencia de los productos de ablación por láser a plasma acoplado inductivamente . Los avances en el diseño de láseres de diodo y osciladores paramétricos ópticos promueven avances en la espectrometría de fluorescencia e ionización y también en técnicas de absorción donde se espera que se expandan los usos de cavidades ópticas para aumentar la longitud de la trayectoria de absorción efectiva. El uso de métodos basados en plasma y láser está aumentando. Ha resurgido el interés por el análisis absoluto (sin estándares), particularmente en la espectrometría de emisión. [ cita necesaria ]
Se están realizando grandes esfuerzos para reducir las técnicas de análisis al tamaño de un chip . Aunque hay pocos ejemplos de sistemas 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 avances mejoran el análisis de los sistemas biológicos. Ejemplos de campos en rápida expansión en esta área son la genómica , la secuenciación del ADN y la investigación relacionada con la toma de huellas genéticas y los microarrays de ADN ; proteómica , el análisis de las concentraciones y modificaciones de proteínas, especialmente en respuesta a diversos factores estresantes, en diversas etapas del desarrollo o en varias partes del cuerpo, metabolómica , que se ocupa de los metabolitos; transcriptómica , incluido el ARNm y campos asociados; lipidómica : lípidos y sus campos asociados; peptidomia: péptidos y sus campos asociados; y metalómica, que se ocupa de las concentraciones de metales y especialmente de su unión a proteínas y otras moléculas. [ cita necesaria ]
La química analítica ha desempeñado 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. [20]
Los recientes avances en la automatización informática y las tecnologías de la información han extendido la química analítica a varios campos biológicos nuevos. Por ejemplo, las máquinas automatizadas de secuenciación de ADN fueron la base para completar proyectos del genoma humano que condujeron al nacimiento de la genómica . La identificación de proteínas y la secuenciación de péptidos mediante espectrometría de masas abrieron un nuevo campo de la proteómica . Además de automatizar procesos específicos, se están realizando esfuerzos para automatizar secciones más grandes de las pruebas de laboratorio, como en empresas como Emerald Cloud Lab y Transcriptic. [21]
La química analítica ha sido un área indispensable en el desarrollo de la nanotecnología . Los instrumentos de caracterización de superficies, los microscopios electrónicos y los microscopios de sonda de barrido permiten a los científicos visualizar estructuras atómicas con caracterizaciones químicas.
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