應用科學 BTEC 國家/實用化學分析
分析化學是一門科學，它尋求不斷改進測量物質化學成分的方法。化學成分是材料在化學尺度上的整個影像（成分），包括幾何特徵，例如分子形態和樣品中物種的分佈，以及單維特徵，例如百分比成分和物種身份。分析化學所帶來的分析結果在科學中發揮了關鍵作用，從對基礎科學的理解到各種實際應用，例如生物醫學應用、環境監測、工業製造的質量控制和w:法醫科學.
分析化學是w:化學的一個子學科，其廣泛任務是瞭解所有物質的化學成分並開發闡明這些成分的工具。這與化學的其他子學科不同，因為它並不旨在像w:物理化學那樣理解觀察到的化學的物理基礎，也不旨在控制或指導化學，就像在w:有機化學中經常出現的那樣，也不一定旨在提供工程策略，就像在w:材料科學中經常出現的那樣。分析化學通常不會試圖使用化學或理解其基礎；但是，這些是分析化學研究的常見結果。分析化學與化學的其他分支有很大的重疊，特別是那些專注於特定廣泛的化學物質的化學分支，例如有機化學、w:無機化學或w:生物化學，而不是特定理解化學的方式，例如w:理論化學。例如，生物分析化學領域是分析化學的一個不斷發展的領域，它解決生物化學（生命化學）中的所有分析問題。然而，分析化學和實驗物理化學之間有著獨特的關係，因為它們在任務上完全不相關，但在實驗中使用的工具上卻最常有共同之處。
分析化學特別關注“存在哪些化學物質，它們的特徵是什麼以及它們的量是多少？”這些問題通常涉及更具動態性的問題，例如什麼w:化學反應一個w:酶催化或它進行的速度有多快，甚至更具動態性，例如反應的w:過渡態是什麼。雖然分析化學解決了這些型別的問題，但在回答這些問題後就停止了。理解其含義、它如何融入更大的系統、如何將此結果概括為理論或如何使用此結果的邏輯下一步不是分析化學。由於分析化學基於牢固的實驗證據，並且將其限制在一些對公眾來說相當簡單的問題，因此它與硬資料最密切相關，例如“飲用水中含有多少鉛”。
現代分析化學以儀器分析為主。如今有如此多的不同型別儀器，以至於它看起來更像是一系列令人困惑的首字母縮略詞，而不是一個統一的研究領域。許多分析化學家專注於一種類型的儀器。學者們傾向於專注於新的應用和發現或新的分析方法。發現血液中存在一種化學物質會增加患癌風險，這將是一個分析化學家可能參與的發現。開發新方法的努力可能涉及使用w:可調諧雷射來提高光譜方法的特異性和靈敏度。許多方法一旦開發出來，就會有意保持靜止，以便能夠將資料進行長時間比較。這在工業質量保證 (QA)、法醫和環境應用中尤其如此。分析化學在製藥行業中發揮著越來越重要的作用，在那裡，除了 QA 之外，它還用於發現新的候選藥物，以及在臨床應用中，瞭解藥物與患者之間的相互作用至關重要。
傳統上，分析化學被分成兩種主要型別，定性和定量
- 定量分析 旨在確定樣品中給定元素或化合物的含量。
大多數現代分析化學分為兩種不同的方法，例如分析目標或分析方法。 w:Analytical Chemistry (journal) 每年第 12 期輪流介紹兩種不同的方法。
- 生物分析化學
- 材料分析
- 化學分析
- 環境分析
- 法醫
儘管現代分析化學以複雜儀器為主，但分析化學的根源以及現代儀器中使用的某些原理來自傳統技術，其中許多技術至今仍在使用。 這些技術也往往構成大多數本科分析化學教育實驗室的基礎。 例如
滴定涉及將反應物新增到待分析溶液中，直到達到某個當量點。 通常，可以確定待分析溶液中物質的量。 那些學習過大學化學的人最熟悉的是涉及顏色變化指示劑的酸鹼滴定。 還有許多其他型別的滴定，例如電位滴定。
重量分析法涉及透過在某些轉化之前和/或之後稱重樣品來確定存在的物質量。 本科教育中常用的一個例子是透過加熱樣品去除水來確定水合物中的水量，從而使重量差歸因於損失的水。
無機定性分析通常是指一個系統化的方案，透過進行一系列反應來確認某些通常是水溶液的離子或元素的存在，這些反應消除了各種可能性，然後用確認測試來確認懷疑的離子。 有時，這些方案中會包含少量含碳離子。 隨著現代儀器的出現，這些測試很少使用，但對於教育目的以及無法或不便使用最先進儀器的野外工作或其他情況可能有用。
光譜學測量分子與 電磁輻射 的相互作用。 光譜學包含許多不同的應用，例如 w:原子吸收光譜法、原子發射光譜法、w:紫外可見光譜法、w:紅外光譜法、w:拉曼光譜法、w:核磁共振波譜法、w:光電子能譜法、w:穆斯堡爾譜 等。
有色化學物質吸收光譜可見光部分的電磁波。 吸收的能量
導致分子電子能量發生變化。 電子從“基態”轉變為“激發態”。
大多數躍遷不是由可見光引起的。 許多吸收紫外線輻射。 吸收紫外線輻射的化學物質是無色的（除非它們發出熒光）。 下圖說明了有色化合物和無色化合物的分子在能量變化時的情況
請記住，表觀顏色是由吸收互補顏色的光子引起的。 藍色化合物是藍色的，因為它吸收黃光。
具有對應於可見光的激發態的化學結構稱為生色團。 主要有兩類
1. 過渡金屬配合物。
過渡金屬 形成絡離子——金屬與稱為配體的較小分子或陰離子結合。 如果電子吸收可見光光子，配體將允許金屬離子的電子進入激發態。
例如，四氯合銅(II)離子和六水合銅(II)離子
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過渡金屬化合物中部分填充的 d 軌道在賦予過渡金屬配合物顏色方面很重要。 請參見圖（它可以代表 V+2、Cr+3、Mn+4 等）。
①. 在未配合的離子中，所有 d 軌道具有相同的能量。
②. 當配體包圍離子時，配體的負電荷使 d 軌道變得不穩定（能量更高）。
③. 重要的是，配體與某些 d 軌道的距離比與其他 d 軌道的距離更近。 通常，兩個或三個軌道將比其餘軌道更不穩定。
一個位於較低 d 軌道上的電子可以獲得能量，從而被激發到較高的 d 軌道。
這種機制使得過渡金屬配合物能夠吸收可見光的光子。
2. 共軛/離域電子體系。
當單鍵和雙鍵交替出現時，雙鍵中的電子如果吸收可見光光子，可以進入激發態。例如，β-胡蘿蔔素（上圖）有十個共軛的 C=C 鍵。
上圖顯示了共軛醛的激發能量。n 是共軛 C=C 雙鍵的數量。最簡單的（n=1）是 CH3-CH=CH-CH=O。注意，隨著共軛鍵數量的增加，激發能量如何降低。
| n | 波長 (nm) | 能量 (kJ mol−1) |
| 1 | 220 | 544 |
| 2 | 270 | 443 |
| 3 | 312 | 384 |
| 4 | 343 | 349 |
| 5 | 370 | 324 |
| 6 | 393 | 305 |
| 7 | 415 | 289 |
染料分子的髮色團通常包含不飽和基團，例如>C=O 和 -N=N-，它們是共軛鍵體系的一部分，通常包含芳香環。金黃色素，一種鹼性染料，如下所示。
注意，-N=N- 基團只是共軛體系的中心，該體系延伸到所有十二個碳原子，幷包括七個雙鍵。所有偶氮染料都包含 -N=N- 排列。
助色團：連線到髮色團上的兩個 -NH2 基團與髮色團相互作用，改變橙色。連線到髮色團上的一組原子，它修改了髮色團吸收光的能力，被稱為助色團。它們可以修改或增強染料的顏色。例如：-OH，- NH2，醛。
新增的官能團也可以
- 改變染料在水或其他溶劑中的溶解度。
- 將染料分子結合到布料、紙張或其他基材上。
參考文獻
[edit | edit source]另見
[edit | edit source]質譜
[edit | edit source]w:質譜法 質譜法使用電場和w:磁場測量分子的質荷比。有幾種電離方法：電子轟擊、化學電離、電噴霧、基質輔助雷射解吸電離等。此外，質譜法還按質譜儀方法分類：w:磁扇區、w:四極杆質譜儀、w:四極杆離子阱、w:飛行時間、w:傅立葉變換離子迴旋共振，等等。
晶體學
[edit | edit source]w:Crystallography
晶體學是一種技術，透過分析（通常為）w:衍射模式來表徵材料在原子水平上的化學結構，這些模式是由材料中原子偏轉的（通常）w:X 射線產生的。從原始資料中可以確定原子在空間中的相對位置。
電化學分析
[edit | edit source]熱分析
[edit | edit source]w:量熱法、w:熱重分析 量熱法和熱重分析測量材料與w:熱量的相互作用。
分離
[edit | edit source]分離過程用於降低材料混合物的複雜性。w:色譜法和w:電泳是該領域具有代表性的方法。
混合技術
[edit | edit source]上述技術的組合產生了“混合”或“聯用”技術。今天，許多聯用技術被廣泛使用，而新的聯用技術也在不斷開發中。例如，w:氣相色譜-質譜聯用、LC-MS、GC-IR、LC-NMR、CE-MS 等等。
聯用分離技術是指將兩種（或多種）技術結合起來，以檢測和分離溶液中的化學物質。最常見的是另一種技術是某種形式的w:色譜法。聯用技術廣泛應用於w:化學和w:生物化學中。
有時使用斜槓代替w:連字元，尤其是在其中一種方法的名稱本身包含連字元的情況下。
聯用技術列表
顯微鏡
[edit | edit source]單個分子、單個細胞、生物組織和奈米/微米材料的視覺化在分析科學中非常重要且引人入勝。此外，與其他傳統分析工具的雜交正在徹底改變分析科學。顯微鏡可以分為三個不同的領域：光學顯微鏡、電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡。近年來，由於計算機和照相機行業的快速發展，該領域正在迅速發展。
晶片實驗室
[edit | edit source]微型分析儀器，也稱為微流控或微型化全分析系統 (μTAS)。晶片實驗室系統的優點在於，整個裝置可以在顯微鏡下觀察到。
分析濃度的一種標準方法是建立w:校準曲線。透過將未知樣品的分析結果與一系列已知標準品的分析結果進行比較，可以確定物質中化學物質的含量。如果樣品中元素或化合物的濃度超出了該技術的檢測範圍，則可以將其簡單地用純溶劑稀釋。如果樣品中的含量低於儀器的測量範圍，則可以使用新增法。在這種方法中，會新增已知量的待測元素或化合物，然後，新增的濃度與觀察到的濃度之間的差值就是樣品中實際存在的量。
有時會將w:內標以已知濃度直接新增到分析樣品中，以幫助進行定量分析。然後，以內標為校準劑，確定存在的分析物的含量。
分析化學研究很大程度上受效能（靈敏度、選擇性、穩健性、w:線性範圍、準確度、精密度和速度）和成本（購買、操作、培訓、時間和空間）的驅動。
許多努力都投入到將分析技術縮小到w:晶片大小。儘管此類系統中只有少數例子能夠與傳統的分析技術相媲美，但潛在的優勢包括尺寸/便攜性、速度和成本。（微型w:全分析系統 (µTAS) 或w:晶片實驗室）。w:微型化學減少了所用化學物質的量。
還有許多努力投入到分析生物系統。該領域快速發展的領域包括
- w:基因組學 - w:DNA測序及其相關研究。w:基因指紋和w:DNA晶片是極受歡迎的工具和研究領域。
- w:蛋白質組學 - 蛋白質濃度和修飾的分析，尤其是在各種壓力、不同發育階段或身體不同部位的反應中。
- w:代謝組學 - 與蛋白質組學相似，但處理的是代謝物。
- w:轉錄組學- mRNA及其相關領域
- w:脂質組學 - 脂類及其相關領域
- 肽組學 - 肽及其相關領域
- 金屬組學 - 與蛋白質組學和代謝組學相似，但處理的是金屬濃度，尤其是金屬與蛋白質和其他分子的結合。
分析化學在從基礎科學到各種實際應用（例如生物醫學應用、環境監測、工業製造質量控制、法醫科學等）的理解中發揮了至關重要的作用。
計算機自動化和資訊科技最近的發展促使分析化學啟動了多個新的生物學領域。例如，自動 DNA 測序儀是完成人類基因組計劃的基礎，從而催生了w:基因組學。透過質譜法進行的蛋白質鑑定和肽測序開闢了w:蛋白質組學的新領域。此外，基於分析化學的多個組學領域已成為現代生物學中的重要領域。
此外，分析化學在w:奈米技術的發展中也發揮了不可或缺的作用。表面表徵儀器、w:電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡使科學家能夠以化學表徵的方式視覺化原子結構。
分析化學更注重實用應用和商業儀器的開發，而不是闡明科學原理。這可能與物理化學和生物物理學等重疊的科學領域存在爭議，儘管在當代科學技術中學科之間沒有明確的界限。然而，這一方面可能會吸引許多工程師的興趣；因此，在分析化學期刊中看到來自工程系的論文並不難。
在當代活躍的分析化學研究領域中，微型w:全分析系統被認為是革命性技術的巨大希望。在這種方法中，正在開發整合的微型分析系統來控制和分析單個細胞和單個分子。這種尖端技術具有在科學領域引領新革命的巨大潛力，就像積體電路在計算機發展中的作用一樣。
- ↑ Streitwieser, A & Heathcock, CH (1985) 有機化學導論（第 3 版）第 628 頁，Macmillan，紐約
- AOAC 國際期刊 ISSN: 1060-3271，AOAC 國際
改編自w:分析化學
能夠製備並標準化指定濃度的溶液
摩爾濃度：涉及摩爾量的計算；包括使用稀釋因子來計算濃度，這些因子是產生一系列標準溶液（來自給定濃度的標準溶液）所必需的。
標準溶液：製備固定濃度的溶液；合適的滴定以確定濃度或標準化給定溶液；稀釋儲備溶液以得到一系列相關的標準溶液。
瞭解所選光譜儀器的設計和工作原理，並能夠使用光譜方法分析化學物質
光譜儀器：例如紫外/可見光譜法、紅外光譜法、1H 核磁共振光譜法、原子光譜法、質譜法；顯示關鍵元件的框圖；基本工作原理，例如能源、光學元件、磁鐵、探測器
光譜技術：例如紅外光譜法、吸收帶和相關圖、有機官能團的識別、指紋區的起源和用途；紫外/可見光譜法、比爾-朗伯定律、吸光度的測量、校準曲線的構建、濃度的測量、摩爾吸光係數的測定；原子光譜法、吸收和發射光譜法的應用、選擇方法的標準、在定量分析中的應用、校準曲線和內標；1H 核磁共振光譜法、核磁共振活性的條件、除 H 以外的其他核磁共振活性核的例子、TMS 作為內標、相關圖、積分軌跡、自旋-自旋分裂、從 1H 核磁共振光譜中識別簡單的有機化合物；質譜法、相對分子質量的測量、簡單的碎片模式
瞭解色譜分離組分的原理，並能夠使用色譜方法分離和分析化學物質
色譜原理：固定相和流動相；吸附（液固）色譜；液液色譜；氣相色譜 (GLC)；離子交換色譜；Rf 值；餾分的視覺化/檢測；定量和定性用途；基本儀器（在適當的情況下）
色譜方法：例如色譜分離的實際應用，例如紙色譜、柱色譜、薄層色譜、GLC、高效液相色譜 (HPLC)、離子交換色譜、分子排阻（凝膠滲透）色譜
化學物質：簡單混合物，例如葡萄糖-麥芽糖混合物，七種食用色素混合物溶解在水中（赤蘚紅、亮黑 BN、快紅 E、萘酚紅 S、黃橙 S、胭脂紅 4R 和檸檬黃）
'紙色譜 是一種用於分離和鑑定 有顏色或可以是 有顏色的化合物的分析技術，尤其是色素。這種方法在很大程度上已被薄層色譜取代，但它仍然是一種強大的教學工具。 雙向紙色譜 也稱為 二維色譜，涉及使用兩種溶劑，並在兩者之間將紙旋轉 90°。這對於分離複雜混合物中的相似化合物很有用，例如氨基酸。
在距離紙張底部約 1 釐米的位置將一小滴含有樣品的溶液點在色譜紙條上。該樣品被吸附到紙上，並可能與紙發生相互作用。任何與紙發生反應或鍵合的物質都不能使用這種技術進行測量。然後將紙浸入合適的溶劑中，如乙醇或水，並放置在密封容器中。
溶劑透過毛細作用向上移動，毛細作用是由於溶劑分子對紙和彼此之間的吸引力而產生的。當溶劑向上移動透過紙張時，它會遇到並溶解樣品混合物，然後樣品混合物會隨著溶劑一起向上移動。樣品混合物中不同的化合物由於在溶劑中的溶解度不同，以及它們對紙張纖維的吸引力不同而以不同的速度移動。紙色譜需要幾分鐘到幾小時的時間。
在某些情況下，紙色譜不能完全分離色素；當兩種物質在特定溶劑中似乎具有相同的 Rf 值時，就會發生這種情況。在這些情況下，使用雙向色譜法分離多色素斑點。將色譜圖旋轉九十度，並以與之前相同的方式放置在不同的溶劑中；一些斑點分離成多個斑點，表明存在多種色素。與之前一樣，計算 Rf 值，並識別兩種色素。
薄層色譜 (TLC) 是一種廣泛使用的色譜技術，用於分離化學化合物。它包括一個固定相，該固定相由一層薄薄的吸附劑組成，通常是固定在平坦的惰性載體片上的矽膠、氧化鋁或纖維素。一個流動相，由待分離的溶液溶解在溶劑中組成，透過毛細作用被吸入板中，從而分離實驗溶液。它可以用於確定植物中所含的色素，檢測食品中的農藥或殺蟲劑，在法醫鑑定中分析纖維的染料成分，或識別給定物質中存在的化合物，以及其他用途。
TLC 板透過將吸附劑（如矽膠）與少量惰性粘合劑（如硫酸鈣（石膏））和水混合製成。將這種混合物作為濃漿塗抹在惰性載體片上，通常是玻璃、厚鋁箔或塑膠，然後將所得的板乾燥並在烤箱中加熱以活化。吸附劑層的厚度通常在分析用途方面約為 0.1-0.25 毫米，在製備 TLC 方面約為 1-2 毫米。
該過程類似於紙色譜法，但具有執行速度更快、分離效果更好以及可以選擇不同固定相的優點。由於其簡單性和速度，TLC 通常用於監測化學反應和對反應產物的定性分析。
將一小滴含有樣品的溶液點在板上，距離底部約一釐米。然後將板浸入合適的溶劑中，如乙醇或水，並放置在密封容器中。溶劑透過毛細作用向上移動，並遇到樣品混合物，樣品混合物被溶解並被溶劑向上移動。樣品混合物中不同的化合物由於在溶劑中的溶解度不同，以及它們對固定相的吸引力不同而以不同的速度移動。
顯影后，可以透過顏色、紫外線、茚三酮或用碘蒸氣處理來找到對應於不同化合物的斑點。最終的色譜圖可以與其他已知混合物色譜圖進行比較，使用 Rf 值識別樣品混合物。
與大多數其他形式的色譜法一樣，紙色譜法使用 Rf 值來幫助識別化合物。Rf 值透過將色素移動的距離除以溶劑移動的距離（溶劑前沿）來計算。由於 Rf 值對於給定化合物是標準的，因此已知的 Rf 值可用於幫助識別實驗中的未知物質。
由於被分離的化學物質可能無色，因此存在幾種方法可以使斑點視覺化。
- 通常，在吸附劑中新增少量的熒光化合物，通常是錳活化矽酸鋅，這使得可以在黑光 (UV254) 下觀察斑點。因此，吸附劑層本身會發出淡綠色的熒光，但分析物的斑點會淬滅這種熒光。
- 碘蒸氣是一種通用的非特異性顯色劑。
- 存在特異性顯色劑，將 TLC 板浸入其中或噴塗到板上。
一旦可見，可以透過將產物移動的距離除以溶劑移動的總距離（溶劑前沿）來確定每個斑點的Rf 值。這些值取決於所使用的溶劑和 TLC 板的型別，而不是物理常數。
瞭解工業或商業實驗室的運作方式。
實驗室型別：任何多功能實驗室，例如醫院臨床化學實驗室、政府公共衛生實驗室、工業質量控制實驗室
流程：一系列分析程式；資料記錄和處理；資料呈現；質量保證；
參見案例研究
Edexcel 推薦以下資源，除了 *，這些資源已新增到他們的列表中。
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學校與學院實用化學（英國皇家化學會）
學校與學院光譜學（英國皇家化學會）