应用科学 BTEC 国家/实用化学分析
分析化学是一门科学，它寻求不断改进测量物质化学成分的方法。化学成分是材料在化学尺度上的整个图像（成分），包括几何特征，例如分子形态和样品中物种的分布，以及单维特征，例如百分比成分和物种身份。分析化学所带来的分析结果在科学中发挥了关键作用，从对基础科学的理解到各种实际应用，例如生物医学应用、环境监测、工业制造的质量控制和w:法医科学.
分析化学是w:化学的一个子学科，其广泛任务是了解所有物质的化学成分并开发阐明这些成分的工具。这与化学的其他子学科不同，因为它并不旨在像w:物理化学那样理解观察到的化学的物理基础，也不旨在控制或指导化学，就像在w:有机化学中经常出现的那样，也不一定旨在提供工程策略，就像在w:材料科学中经常出现的那样。分析化学通常不会试图使用化学或理解其基础；但是，这些是分析化学研究的常见结果。分析化学与化学的其他分支有很大的重叠，特别是那些专注于特定广泛的化学物质的化学分支，例如有机化学、w:无机化学或w:生物化学，而不是特定理解化学的方式，例如w:理论化学。例如，生物分析化学领域是分析化学的一个不断发展的领域，它解决生物化学（生命化学）中的所有分析问题。然而，分析化学和实验物理化学之间有着独特的关系，因为它们在任务上完全不相关，但在实验中使用的工具上却最常有共同之处。
分析化学特别关注“存在哪些化学物质，它们的特征是什么以及它们的量是多少？”这些问题通常涉及更具动态性的问题，例如什么w:化学反应一个w:酶催化或它进行的速度有多快，甚至更具动态性，例如反应的w:过渡态是什么。虽然分析化学解决了这些类型的问题，但在回答这些问题后就停止了。理解其含义、它如何融入更大的系统、如何将此结果概括为理论或如何使用此结果的逻辑下一步不是分析化学。由于分析化学基于牢固的实验证据，并且将其限制在一些对公众来说相当简单的问题，因此它与硬数据最密切相关，例如“饮用水中含有多少铅”。
现代分析化学以仪器分析为主。如今有如此多的不同类型仪器，以至于它看起来更像是一系列令人困惑的首字母缩略词，而不是一个统一的研究领域。许多分析化学家专注于一种类型的仪器。学者们倾向于专注于新的应用和发现或新的分析方法。发现血液中存在一种化学物质会增加患癌风险，这将是一个分析化学家可能参与的发现。开发新方法的努力可能涉及使用w:可调谐激光来提高光谱方法的特异性和灵敏度。许多方法一旦开发出来，就会有意保持静止，以便能够将数据进行长时间比较。这在工业质量保证 (QA)、法医和环境应用中尤其如此。分析化学在制药行业中发挥着越来越重要的作用，在那里，除了 QA 之外，它还用于发现新的候选药物，以及在临床应用中，了解药物与患者之间的相互作用至关重要。
传统上，分析化学被分成两种主要类型，定性和定量
- 定量分析 旨在确定样品中给定元素或化合物的含量。
大多数现代分析化学分为两种不同的方法，例如分析目标或分析方法。 w:Analytical Chemistry (journal) 每年第 12 期轮流介绍两种不同的方法。
- 生物分析化学
- 材料分析
- 化学分析
- 环境分析
- 法医
尽管现代分析化学以复杂仪器为主，但分析化学的根源以及现代仪器中使用的某些原理来自传统技术，其中许多技术至今仍在使用。 这些技术也往往构成大多数本科分析化学教育实验室的基础。 例如
滴定涉及将反应物添加到待分析溶液中，直到达到某个当量点。 通常，可以确定待分析溶液中物质的量。 那些学习过大学化学的人最熟悉的是涉及颜色变化指示剂的酸碱滴定。 还有许多其他类型的滴定，例如电位滴定。
重量分析法涉及通过在某些转化之前和/或之后称重样品来确定存在的物质量。 本科教育中常用的一个例子是通过加热样品去除水来确定水合物中的水量，从而使重量差归因于损失的水。
无机定性分析通常是指一个系统化的方案，通过进行一系列反应来确认某些通常是水溶液的离子或元素的存在，这些反应消除了各种可能性，然后用确认测试来确认怀疑的离子。 有时，这些方案中会包含少量含碳离子。 随着现代仪器的出现，这些测试很少使用，但对于教育目的以及无法或不便使用最先进仪器的野外工作或其他情况可能有用。
光谱学测量分子与 电磁辐射 的相互作用。 光谱学包含许多不同的应用，例如 w:原子吸收光谱法、原子发射光谱法、w:紫外可见光谱法、w:红外光谱法、w:拉曼光谱法、w:核磁共振波谱法、w:光电子能谱法、w:穆斯堡尔谱 等。
有色化学物质吸收光谱可见光部分的电磁波。 吸收的能量
导致分子电子能量发生变化。 电子从“基态”转变为“激发态”。
大多数跃迁不是由可见光引起的。 许多吸收紫外线辐射。 吸收紫外线辐射的化学物质是无色的（除非它们发出荧光）。 下图说明了有色化合物和无色化合物的分子在能量变化时的情况
请记住，表观颜色是由吸收互补颜色的光子引起的。 蓝色化合物是蓝色的，因为它吸收黄光。
具有对应于可见光的激发态的化学结构称为生色团。 主要有两类
1. 过渡金属配合物。
过渡金属 形成络离子——金属与称为配体的较小分子或阴离子结合。 如果电子吸收可见光光子，配体将允许金属离子的电子进入激发态。
例如，四氯合铜(II)离子和六水合铜(II)离子
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过渡金属化合物中部分填充的 d 轨道在赋予过渡金属配合物颜色方面很重要。 请参见图（它可以代表 V+2、Cr+3、Mn+4 等）。
①. 在未配合的离子中，所有 d 轨道具有相同的能量。
②. 当配体包围离子时，配体的负电荷使 d 轨道变得不稳定（能量更高）。
③. 重要的是，配体与某些 d 轨道的距离比与其他 d 轨道的距离更近。 通常，两个或三个轨道将比其余轨道更不稳定。
一个位于较低 d 轨道上的电子可以获得能量，从而被激发到较高的 d 轨道。
这种机制使得过渡金属配合物能够吸收可见光的光子。
2. 共轭/离域电子体系。
当单键和双键交替出现时，双键中的电子如果吸收可见光光子，可以进入激发态。例如，β-胡萝卜素（上图）有十个共轭的 C=C 键。
上图显示了共轭醛的激发能量。n 是共轭 C=C 双键的数量。最简单的（n=1）是 CH3-CH=CH-CH=O。注意，随着共轭键数量的增加，激发能量如何降低。
| n | 波长 (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 |
染料分子的发色团通常包含不饱和基团，例如>C=O 和 -N=N-，它们是共轭键体系的一部分，通常包含芳香环。金黄色素，一种碱性染料，如下所示。
注意，-N=N- 基团只是共轭体系的中心，该体系延伸到所有十二个碳原子，并包括七个双键。所有偶氮染料都包含 -N=N- 排列。
助色团：连接到发色团上的两个 -NH2 基团与发色团相互作用，改变橙色。连接到发色团上的一组原子，它修改了发色团吸收光的能力，被称为助色团。它们可以修改或增强染料的颜色。例如：-OH，- NH2，醛。
添加的官能团也可以
- 改变染料在水或其他溶剂中的溶解度。
- 将染料分子结合到布料、纸张或其他基材上。
参考文献
[edit | edit source]另见
[edit | edit source]质谱
[edit | edit source]w:质谱法 质谱法使用电场和w:磁场测量分子的质荷比。有几种电离方法：电子轰击、化学电离、电喷雾、基质辅助激光解吸电离等。此外，质谱法还按质谱仪方法分类：w:磁扇区、w:四极杆质谱仪、w:四极杆离子阱、w:飞行时间、w:傅里叶变换离子回旋共振，等等。
晶体学
[edit | edit source]w:Crystallography
晶体学是一种技术，通过分析（通常为）w:衍射模式来表征材料在原子水平上的化学结构，这些模式是由材料中原子偏转的（通常）w:X 射线产生的。从原始数据中可以确定原子在空间中的相对位置。
电化学分析
[edit | edit source]热分析
[edit | edit source]w:量热法、w:热重分析 量热法和热重分析测量材料与w:热量的相互作用。
分离
[edit | edit source]分离过程用于降低材料混合物的复杂性。w:色谱法和w:电泳是该领域具有代表性的方法。
混合技术
[edit | edit source]上述技术的组合产生了“混合”或“联用”技术。今天，许多联用技术被广泛使用，而新的联用技术也在不断开发中。例如，w:气相色谱-质谱联用、LC-MS、GC-IR、LC-NMR、CE-MS 等等。
联用分离技术是指将两种（或多种）技术结合起来，以检测和分离溶液中的化学物质。最常见的是另一种技术是某种形式的w:色谱法。联用技术广泛应用于w:化学和w:生物化学中。
有时使用斜杠代替w:连字符，尤其是在其中一种方法的名称本身包含连字符的情况下。
联用技术列表
显微镜
[edit | edit source]单个分子、单个细胞、生物组织和纳米/微米材料的可视化在分析科学中非常重要且引人入胜。此外，与其他传统分析工具的杂交正在彻底改变分析科学。显微镜可以分为三个不同的领域：光学显微镜、电子显微镜和扫描探针显微镜。近年来，由于计算机和照相机行业的快速发展，该领域正在迅速发展。
芯片实验室
[edit | edit source]微型分析仪器，也称为微流控或微型化全分析系统 (μTAS)。芯片实验室系统的优点在于，整个设备可以在显微镜下观察到。
分析浓度的一种标准方法是创建w:校准曲线。通过将未知样品的分析结果与一系列已知标准品的分析结果进行比较，可以确定物质中化学物质的含量。如果样品中元素或化合物的浓度超出了该技术的检测范围，则可以将其简单地用纯溶剂稀释。如果样品中的含量低于仪器的测量范围，则可以使用添加法。在这种方法中，会添加已知量的待测元素或化合物，然后，添加的浓度与观察到的浓度之间的差值就是样品中实际存在的量。
有时会将w:内标以已知浓度直接添加到分析样品中，以帮助进行定量分析。然后，以内标为校准剂，确定存在的分析物的含量。
分析化学研究很大程度上受性能（灵敏度、选择性、稳健性、w:线性范围、准确度、精密度和速度）和成本（购买、操作、培训、时间和空间）的驱动。
许多努力都投入到将分析技术缩小到w:芯片大小。尽管此类系统中只有少数例子能够与传统的分析技术相媲美，但潜在的优势包括尺寸/便携性、速度和成本。（微型w:全分析系统 (µTAS) 或w:芯片实验室）。w:微型化学减少了所用化学物质的量。
还有许多努力投入到分析生物系统。该领域快速发展的领域包括
- w:基因组学 - w:DNA测序及其相关研究。w:基因指纹和w:DNA芯片是极受欢迎的工具和研究领域。
- w:蛋白质组学 - 蛋白质浓度和修饰的分析，尤其是在各种压力、不同发育阶段或身体不同部位的反应中。
- w:代谢组学 - 与蛋白质组学相似，但处理的是代谢物。
- w:转录组学- mRNA及其相关领域
- w:脂质组学 - 脂类及其相关领域
- 肽组学 - 肽及其相关领域
- 金属组学 - 与蛋白质组学和代谢组学相似，但处理的是金属浓度，尤其是金属与蛋白质和其他分子的结合。
分析化学在从基础科学到各种实际应用（例如生物医学应用、环境监测、工业制造质量控制、法医科学等）的理解中发挥了至关重要的作用。
计算机自动化和信息技术最近的发展促使分析化学启动了多个新的生物学领域。例如，自动 DNA 测序仪是完成人类基因组计划的基础，从而催生了w:基因组学。通过质谱法进行的蛋白质鉴定和肽测序开辟了w:蛋白质组学的新领域。此外，基于分析化学的多个组学领域已成为现代生物学中的重要领域。
此外，分析化学在w:纳米技术的发展中也发挥了不可或缺的作用。表面表征仪器、w:电子显微镜和扫描探针显微镜使科学家能够以化学表征的方式可视化原子结构。
分析化学更注重实用应用和商业仪器的开发，而不是阐明科学原理。这可能与物理化学和生物物理学等重叠的科学领域存在争议，尽管在当代科学技术中学科之间没有明确的界限。然而，这一方面可能会吸引许多工程师的兴趣；因此，在分析化学期刊中看到来自工程系的论文并不难。
在当代活跃的分析化学研究领域中，微型w:全分析系统被认为是革命性技术的巨大希望。在这种方法中，正在开发集成的微型分析系统来控制和分析单个细胞和单个分子。这种尖端技术具有在科学领域引领新革命的巨大潜力，就像集成电路在计算机发展中的作用一样。
- ↑ Streitwieser, A & Heathcock, CH (1985) 有机化学导论（第 3 版）第 628 页，Macmillan，纽约
- AOAC 国际期刊 ISSN: 1060-3271，AOAC 国际
改编自w:分析化学
能够制备并标准化指定浓度的溶液
摩尔浓度：涉及摩尔量的计算；包括使用稀释因子来计算浓度，这些因子是产生一系列标准溶液（来自给定浓度的标准溶液）所必需的。
标准溶液：制备固定浓度的溶液；合适的滴定以确定浓度或标准化给定溶液；稀释储备溶液以得到一系列相关的标准溶液。
了解所选光谱仪器的设计和工作原理，并能够使用光谱方法分析化学物质
光谱仪器：例如紫外/可见光谱法、红外光谱法、1H 核磁共振光谱法、原子光谱法、质谱法；显示关键组件的框图；基本工作原理，例如能源、光学元件、磁铁、探测器
光谱技术：例如红外光谱法、吸收带和相关图、有机官能团的识别、指纹区的起源和用途；紫外/可见光谱法、比尔-朗伯定律、吸光度的测量、校准曲线的构建、浓度的测量、摩尔吸光系数的测定；原子光谱法、吸收和发射光谱法的应用、选择方法的标准、在定量分析中的应用、校准曲线和内标；1H 核磁共振光谱法、核磁共振活性的条件、除 H 以外的其他核磁共振活性核的例子、TMS 作为内标、相关图、积分轨迹、自旋-自旋分裂、从 1H 核磁共振光谱中识别简单的有机化合物；质谱法、相对分子质量的测量、简单的碎片模式
了解色谱分离组分的原理，并能够使用色谱方法分离和分析化学物质
色谱原理：固定相和流动相；吸附（液固）色谱；液液色谱；气相色谱 (GLC)；离子交换色谱；Rf 值；馏分的可视化/检测；定量和定性用途；基本仪器（在适当的情况下）
色谱方法：例如色谱分离的实际应用，例如纸色谱、柱色谱、薄层色谱、GLC、高效液相色谱 (HPLC)、离子交换色谱、分子排阻（凝胶渗透）色谱
化学物质：简单混合物，例如葡萄糖-麦芽糖混合物，七种食用色素混合物溶解在水中（赤藓红、亮黑 BN、快红 E、萘酚红 S、黄橙 S、胭脂红 4R 和柠檬黄）
'纸色谱 是一种用于分离和鉴定 有颜色或可以是 有颜色的化合物的分析技术，尤其是色素。这种方法在很大程度上已被薄层色谱取代，但它仍然是一种强大的教学工具。 双向纸色谱 也称为 二维色谱，涉及使用两种溶剂，并在两者之间将纸旋转 90°。这对于分离复杂混合物中的相似化合物很有用，例如氨基酸。
在距离纸张底部约 1 厘米的位置将一小滴含有样品的溶液点在色谱纸条上。该样品被吸附到纸上，并可能与纸发生相互作用。任何与纸发生反应或键合的物质都不能使用这种技术进行测量。然后将纸浸入合适的溶剂中，如乙醇或水，并放置在密封容器中。
溶剂通过毛细作用向上移动，毛细作用是由于溶剂分子对纸和彼此之间的吸引力而产生的。当溶剂向上移动通过纸张时，它会遇到并溶解样品混合物，然后样品混合物会随着溶剂一起向上移动。样品混合物中不同的化合物由于在溶剂中的溶解度不同，以及它们对纸张纤维的吸引力不同而以不同的速度移动。纸色谱需要几分钟到几小时的时间。
在某些情况下，纸色谱不能完全分离色素；当两种物质在特定溶剂中似乎具有相同的 Rf 值时，就会发生这种情况。在这些情况下，使用双向色谱法分离多色素斑点。将色谱图旋转九十度，并以与之前相同的方式放置在不同的溶剂中；一些斑点分离成多个斑点，表明存在多种色素。与之前一样，计算 Rf 值，并识别两种色素。
薄层色谱 (TLC) 是一种广泛使用的色谱技术，用于分离化学化合物。它包括一个固定相，该固定相由一层薄薄的吸附剂组成，通常是固定在平坦的惰性载体片上的硅胶、氧化铝或纤维素。一个流动相，由待分离的溶液溶解在溶剂中组成，通过毛细作用被吸入板中，从而分离实验溶液。它可以用于确定植物中所含的色素，检测食品中的农药或杀虫剂，在法医鉴定中分析纤维的染料成分，或识别给定物质中存在的化合物，以及其他用途。
TLC 板通过将吸附剂（如硅胶）与少量惰性粘合剂（如硫酸钙（石膏））和水混合制成。将这种混合物作为浓浆涂抹在惰性载体片上，通常是玻璃、厚铝箔或塑料，然后将所得的板干燥并在烤箱中加热以活化。吸附剂层的厚度通常在分析用途方面约为 0.1-0.25 毫米，在制备 TLC 方面约为 1-2 毫米。
该过程类似于纸色谱法，但具有运行速度更快、分离效果更好以及可以选择不同固定相的优点。由于其简单性和速度，TLC 通常用于监测化学反应和对反应产物的定性分析。
将一小滴含有样品的溶液点在板上，距离底部约一厘米。然后将板浸入合适的溶剂中，如乙醇或水，并放置在密封容器中。溶剂通过毛细作用向上移动，并遇到样品混合物，样品混合物被溶解并被溶剂向上移动。样品混合物中不同的化合物由于在溶剂中的溶解度不同，以及它们对固定相的吸引力不同而以不同的速度移动。
显影后，可以通过颜色、紫外线、茚三酮或用碘蒸气处理来找到对应于不同化合物的斑点。最终的色谱图可以与其他已知混合物色谱图进行比较，使用 Rf 值识别样品混合物。
与大多数其他形式的色谱法一样，纸色谱法使用 Rf 值来帮助识别化合物。Rf 值通过将色素移动的距离除以溶剂移动的距离（溶剂前沿）来计算。由于 Rf 值对于给定化合物是标准的，因此已知的 Rf 值可用于帮助识别实验中的未知物质。
由于被分离的化学物质可能无色，因此存在几种方法可以使斑点可视化。
- 通常，在吸附剂中添加少量的荧光化合物，通常是锰活化硅酸锌，这使得可以在黑光 (UV254) 下观察斑点。因此，吸附剂层本身会发出淡绿色的荧光，但分析物的斑点会淬灭这种荧光。
- 碘蒸气是一种通用的非特异性显色剂。
- 存在特异性显色剂，将 TLC 板浸入其中或喷涂到板上。
一旦可见，可以通过将产物移动的距离除以溶剂移动的总距离（溶剂前沿）来确定每个斑点的Rf 值。这些值取决于所使用的溶剂和 TLC 板的类型，而不是物理常数。
了解工业或商业实验室的运作方式。
实验室类型：任何多功能实验室，例如医院临床化学实验室、政府公共卫生实验室、工业质量控制实验室
流程：一系列分析程序；数据记录和处理；数据呈现；质量保证；
参见案例研究
Edexcel 推荐以下资源，除了 *，这些资源已添加到他们的列表中。
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学校与学院实用化学（英国皇家化学会）
学校与学院光谱学（英国皇家化学会）