شیمی تجزیه شاخه‌ای از علم شیمی است که با به دست آوردن، پردازش و ارائه داده‌های کیفی و کمی مواد شیمیایی سروکار دارد. شیمیدانان تجزیه، ترکیب و ساختار مواد را در سطوح اتمی و مولکولی شناسایی می‌کنند. شناسایی، جداسازی و اندازه‌گیری ترکیبات سازنده مواد در شیمی تجزیه می‌تواند به روش‌های کلاسیک و دستگاهی انجام شود. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم شیمی تجزیه چیست و روش‌های اندازه‌گیری در آن کدام است.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم شیمی تجزیه چیست و با مفاهیم پایه آن آشنا می‌شویم. سپس می‌آموزیم اهداف شیمی تجزیه چیست و با اهمیت آن آشنا می‌شویم. در ادامه، انواع آنالیز و روش‌های آنالیز در شیمی تجزیه را توضیح می‌دهیم و با آماده سازی نمونه در شیمی تجزیه آشنا می‌شویم. پس از آن به توضیح دستگاه‌ها، کاربردها، روش‌های تحلیل داده و شاخه‌های شیمی تجزیه پرداخته و در نهایت تاریخچه آن را می‌آموزیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید شیمی تجزیه چیست.

شیمی تجزیه چیست؟

علم «شیمی تجزیه» (Analytical Chemistry)، یکی از شاخه‌های علم شیمی است که به جمع‌آوری، پردازش و اشتراک‌گذاری اطلاعات درباره ترکیبات تشکیل‌دهنده ساختار ماده می‌پردازد. به بیان دیگر، این شاخه از شیمی هنر و علم بررسی و کاوش این است که ماده چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است و مقدار هر یک از این اجزا چقدر است. شیمی تجزیه شامل آنالیز ترکیبات شیمیایی و جداسازی، شناسایی و اندازه‌گیری کمی مواد است.

شیمی تجزیه نقش مهمی در به دست آوردن اطلاعات مهم در مورد ترکیب شیمیایی، ساختار و رفتار مواد دارد. این شاخه از شیمی، علمی وسیع و گسترده است که در بسیاری از صنایع و زمینه‌های تحقیقاتی به کار می‌رود. برخی از رایج‌ترین کاربردهای شیمی تجزیه شامل اندازه‌گیری‌های زیست محیطی، کنترل ایمنی غذا، علوم جنایی، علم مواد، پیشرفت‌های دارویی و .. هستند.

مفاهیم پایه شیمی تجزیه

در بررسی و مطالعه شیمی تجزیه با مفاهیم و موارد مختلفی مانند تجزیه، آنالیز، نمونه، آنالیت و ماتریس برخورد می‌کنیم. شناخت مفاهیم این کلمات به ما کمک می‌کند بهتر درک کنیم شیمی تجزیه چیست.

نمونه

«نمونه» (Sample) ماده مورد بررسی در شیمی تجزیه است که شامل آنالیت و ماتریس ( یا ماده مورد بررسی و بستر) است.

آنالیت

«آنالیت« (Analyte) یا ماده مورد بررسی به بخشی از نمونه گفته می‌شود که در یک فرآیند تجزیه و تحلیل، خواص کیفی و کمی آن‌سنجیده می‌شود.

ماتریس

در شیمی تجزیه، «ماتریس» (Matrix) یا «بستر» به قسمتی از نمونه گفته می‌شود که شامل آنالیت نیست. به بیان دیگر، ماتریس یک نمونه، هر آنچه از نمونه است که در صورت جداسازی آنالیت باقی می‌ماند. ماتریس یا بستر می‌تواند تاثیر قابل توجهی روی نحوه انجام تجزیه و تحلیل و کیفیت نتایج داشته باشد. به این تاثیرات،‌ اثر ماتریس گفته می‌شود.

آنالیز

واژه آنالیز (Analysis) یا تجزیه و تحلیل، به بررسی اطلاعات شیمیایی یا فیزیکی یک نمونه گفته می‌شود.

یادگیری شیمی تجزیه با فرادرس

برای درک بهتر این موضوع که شیمی تجزیه چیست ابتدا باید با مفاهیمی چون فرآیند آنالیز، روش‏‌های کلاسیکی آنالیز، روش‏‌های دستگاهی آنالیز، استوکیومتری و … آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این مسائل و مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش شیمی تجزیه فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه شیمی تجزیه دسترسی داشته باشید.

اهداف شیمی تجزیه

شیمی تجزیه با هدف شناسایی ترکیبات شیمیایی و توسعه ابزارهایی برای تحلیل آن‌ها، سه پرسش کلی را در تجزیه و آنالیز هر نمونه‌ای مطرح می‌کند. این پرسش‌ها به شرح زیر هستند.

• چه ترکیباتی در نمونه وجود دارد؟
• ویژگی این ترکیبات چیست؟
• مقدار این ترکیبات در نمونه چقدر است؟

بدین ترتیب، شیمی تجزیه برای دست‌یابی به اطلاعات و مقدار ترکیبات تشکیل‌دهنده مواد مجهول، از روش‌های جداسازی، شناسایی و اندازه‌گیری‌های کمی استفاده می‌کند. این روش‌ها شامل روش‌های کلاسیک قدیمی در کنار روش‌های مدرن با دستگاه‌های پیچیده هستند.

در ادامه، این روش‌ها را توضیح می‌دهیم.

جداسازی

فرآیند جداسازی اجزای نمونه، مواد شیمیایی تشکیل دهنده ماده را از ترکیب جدا کرده و امکان بررسی و اندازه‌گیری ترکیبات را فراهم می‌کند. روش جداسازی در شیمی تجزیه می‌تواند به شکل کلاسیک یا با استفاده از دستگاه‌های کروماتوگرافی انجام شود.

شناسایی

شناسایی اجزای تشکیل‌دهنده ماده در شیمی تجزیه با روش‌های آنالیز کیفی و کمی مختلف ممکن می‌شود. در این روش‌ها، اجزا و ترکیبات شیمیایی موجود در یک نمونه مجهول شناسایی می‌شود. گاهی روش‌هاش شناسایی در کنار روش‌های جداسازی انجام می‌شود. برای مثال، دستگاه‌های کروماتوگرافی مایع – جرمی (LC-MS) می‌تواند مواد را جداسازی و شناسایی کند.

اندازه‌گیری کمی

اندازه‌گیری کمی آنالیت با استفاده از روش‌های آنالیز کمی با استفاده از روش‌های کلاسیک یا استفاده از دستگاه‌های مدرن انجام می‌شود. این اندازه‌گیری‌ها عموما غلظت یا جرم آنالیت را در نمونه مجهول اندازه‌گیری و گزارش می‌کند.

اهمیت شیمی تجزیه

شیمی تجریه یکی از مهم‌ترین شاخه‌های علم شیمی است زیرا اطلاعات دقیق و قابل اطمینانی درباره ترکیب و خواص مواد فراهم می‌کند. برای مثال، شیمیدان‌های تجزیه می‌توانند نمونه‌های آب را برای بررسی آلودگی‌های مختلف آزمایش کنند. همچنین، آن‌ها قادرند محتوای تغذیه‌ای مانند پروتئین، کربوهیدرات، چربی و … را شناسایی کنند.

از تکنیک‌های شیمی تجزیه برای شناسایی شواهد صحنه جرم مانند خون، اثر انگشت و غیره استفاده می‌شود و شناسایی و اندازه‌گیری ترکیبات موجود در داروهای جدید با استفاده از تکنیک‌های شیمی تجزیه انجام می‌گیرد. به دلیل این کاربردهای متنوع و مهم این علم، از آن در گسترده بسیار زیاد و متنوعی از تحقیقات و تولیدات و آزمایش‌ها استفاده می‌شود.

انواع آنالیز در شیمی تجزیه

در قسمت‌های قبل آموختیم شیمی تجزیه چیست و به شناسایی، اندازه‌گیری و جداسازی ترکیبات از نمونه‌های مختلف می‌پردازد. آنالیز مواد و ترکیبات مختلف در شیمی تجزیه می‌تواند به دو روش کمی و کیفی انجام شود. در ادامه، هر یک از این موارد را توضیح می‌دهیم.

آنالیز کمی

آنالیز کمی مقدار عددی و دقیق مقدار و غلظت مواد شیمیایی را در نمونه مجهول اندازه‌گیری می‌کند. تجزیه کمی‌روشی برای تعیین مقدار مطلق یا نسبی یک یا چند ماده در یک نمونه یا ترکیب خاص است. در این روش، مقادیر عددی نتیجه آنالیز گزارش می‌شود. برای مثال، روش‌های کمی آنالیز می‌تواند برای اندازه‌گیری حد کلسترول خون ، مقدار پروتئین موجود در نمونه و … انجام شود.

روش‌هایی مانند تست‌های شیمیایی، کروماتوگرافی و طیف‌سنجی به نتایج کمی می‌انجامد. برای مثال، اگر نمونه‌ای از یک ماده جامد ناشناخته داشته باشیم، شیمیدان ابتدا با استفاده از روش‌های کیفی نوع ترکیب موجود در نمونه را شناسایی می‌کند. سپس از روش‌های تجزیه کمی مانند وزن‌سنجی یا تیتراسیون برای مشخص‌کردن دقیق میزان آن ترکیب در نمونه استفاده می‌کند.

آنالیز کیفی

تجزیه کیفی روشی برای بررسی ویژگی‌های یک ترکیب خاص بدون توجه به مقدار یا غلظت آن است. آنالیز کیفی انواع اجزای تشکیل‌دهنده ترکیبات شیمیایی موجود در نمونه را بدون اندازه‌گیری دقیق مقدار عددی مواد موجود در آن‌ها به دست می‌آورد. برای مثال، با استفاده از آنالیز کیفی می‌توان ببه وسیله تست شعله یا واکنش های رسوبی تشخیص داد کدام ماده در نمونه وجود دارد.

به بیان ساده‌تر، تجزیه کیفی میزان یک ماده را اندازه‌گیری نمی‌کند، بلکه نوع آن را شناسایی می‌کند. یکی از مثال‌های رایج برای این روش، مشاهده واکنش شیمیایی و بررسی تغییر رنگ یا تشکیل رسوب در آن است. تجزیه کیفی معمولا در دو دسته تجزیه کیفی معدنی و آلی بررسی می‌شود.

• تجزیه کیفی آلی: بررسی وجود ترکیبات آلی در نمونه مورد آزمایش
• تجزیه کیفی معدنی: بررسی وجود ترکیبات معدنی در نمونه مورد آزمایش

تجزیه کیفی اغلب نقطه شروعی برای کشف ترکیبات پیچیده است و یافته‌های اولیه می‌توانند به انجام مطالعات کمی برای بررسی عمیق‌تر غلظت مواد منجر شوند. شناخت جنبه‌های کیفی همچنین به انتخاب روش‌های تحلیلی بعدی کمک می‌کند و به یک تحلیل و آنالیز جامع می‌انجامد.

روش‌های آنالیز در شیمی تجزیه

روش‌های آنالیز، روش‌های اندازه‌گیری هستند که برای شناسایی و اندازه‌گیری کمی مواد شیمیایی موجود در یک نمونه استفاده می‌شوند. برخی از مهم‌ترین روش‌های آنالیز در شیمی تجزیه را در ادامه نام برده‌ایم.

• طیف‌سنجی
• کروماتوگرافی
• طیف‌سنجی جرمی
• روش‌های الکتروتجزیه‌ای
• تیتراسیون (حجم‌سنجی)
• رزونانس مغناطیسی هسته
• طیف‌سنجی پرتو ایکس

این روش‌ها معمولا در دو دسته کلی روش‌های کلاسیک و روش‌های مدرن دسته‌بندی می‌شوند. روش‌های کلاسیک، روش‌هایی هستند که با دستگاه‌های ساده‌ی آزمایشگاهی تشخیص و اندازه‌گیری را انجام می‌دهند و در روش‌های مدرن، از دستگاه‌های تشخیص و اندازه‌گیری پیشرفته آنالیز مانند دستگاه جذب اتمی استفاده می‌شود.

روش‌های کلاسیک

روش‌های کلاسیک آنالیز روش‌هایی هستند که از دستگاه‌ها و سیستم‌های پیچیده تجزیه‌ای و آنالیز استفاده نمی‌کنند. این روش‌ها موارد‌ی مانند تیتراسیون، گراویمتری (وزن‌سنجی) ، حجم‌سنجی، کروماتوگرافی کاغذی، طیف‌سنجی فرابنفش مرئی و … هستند.

با وجود اینکه امروز شیمی تجزیه مدرن بر اساس کار با دستکاه های پیشرفته آنالیز برای حل مسائل پیچیده بنا شده است، برخی از روش‌های آنالیز کلاسیک همچنان در آزمایشگاه‌های شیمی تجزیه استفاده می‌شوند و اساس کار شیمی تجزیه مدرن دستگاهی را تشکیل می‌دهند. در ادامه برخی از روش‌های کلاسیک آنالیز را توضیح می‌دهیم.

آزمون شیمیایی

مواد شیمیایی و آنزیم‌های مختلفی را می‌توان برای اندازه‌گیری‌های مواد با واکنش شیمیایی استفاده کرد. برای مثال، می‌توان از اسید برای وجود طلا در یک نمونه استفاده کرد. برخی از تست‌های شیمیایی ساده و کوچک شده و در کیت‌هایی عرضه می‌شوند. برای مثال، کیت تشخیص کووید یکی از این انواع آنالیز شیمیایی است.

مثال دیگری از روش‌های کلاسیک برای تحلیل کیفی، آزمایش «کاستل – مایر» (Kastle-Meyer) است که از فنل‌فتالئین به‌عنوان شناساگر برای بررسی وجود هموگلوبین در آنالیت استفاده می‌کند. در ادامه برخی از آزمون های شیمیایی را معرفی می‌کنیم.

• واکنش ته‌نشینی: در این آزمایش‌ها آنالیت به وسیله انجام واکنش شیمیایی به شکل جامد از محلول جدا شده و ته نشین می‌شود.
• واکنش رنگ‌سنجی: در این واکنش‌ها تغییرات رنگ به وسیله واکنش شیمیایی نشانگر وجود یا عدم حضور برخی از یون‌ها خواهد بود.

آزمون شعله

آزمون شعله برای تشخیص حضور یا عدم حضور یون‌های مشخصی در نمونه‌های محلول‌های مختلف به‌کار می‌رود. در این آزمون، وجود یون‌های مختلف با استفاده از تغییر رنگ شعله حاصل از سوزاندن نمونه انجام می‌شود. این آزمون تنها می‌تواند به تشخیص مواد کمک کند و اندازه‌گیری‌های کمی به وسیله این روش انجام نمی‌گیرد.

تیتراسیون

تیتراسیون (حجم‌سنجی) شامل افزودن یک ماده واکنش‌دهنده به یک محلول شامل نمونه است. این افزودن با رسیدن به نقطه اکی‌والان و کامل شدن واکنش که معمولا با یک آشکارساز مانند تغییر رنگ شناساگر شیمیایی مشخص می‌شود، ادامه پیدا می‌کند. روش‌های تیتراسیون بسیار زیادی وجود دارند. برای مثال، تیتراسیون اسید – باز، تیتراسیون اکسایش – کاهش، تیتراسیون رسوبی و تیتراسیون کمپلکسومتری از این موارد هستند.

با این روش‌های تیتراسیون، مقدار غلظت ماده آنالیت در محلول مشخص می‌شود. در روش‌های تیتراسیون از وسایل ساده ازمایشگاهی مانند ترازو، ارلن، بشر، بورت، پیپت و … و روش‌های محلول‌سازی استفاده می‌شود.

روش‌های وزن‌سنجی

در روش‌های وزن‌سنجی آنالیز (گراویمتری) مقدار کمی مواد موجود در یک نمونه با استفاده از توزین نمونه قبل و بعد از انجام یک سری تغییرات انجام می‌شود. یکی از مثال‌های رایج روش گراویمتری، اندازه‌گیری مقدار موکلول‌های آب هیدراتاسیون با استفاده از توزین هیدرات، قبل و بعد از حرارت دادن به آن است.

تجزیه کیفی معدنی

تجزیه کیفی معدنی به مجموعه‌ای از روش‌های منظم گفته می‌شود که برای تشخیص وجود یون‌ها یا عناصر خاص که معمولا در فاز محلول آبی هستند، در یک نمونه به کار می‌رود. در این روش‌ها، واکنش‌های شیمیایی مختلف به‌صورت مرحله‌به‌مرحله انجام می‌شوند تا ابتدا یون‌های مزاحم حذف شده و گستره جواب‌های ممکن محدود شود.

سپس وجود یون‌های مشکوک با یک آزمایش تأییدی اثبات می‌شود. امروزه با پیشرفت دستگاه‌ها و روش‌های تجزیه‌ای مدرن، این آزمایش‌های کلاسیک کمتر در کاربردهای حرفه‌ای استفاده می‌شوند. اما این روش‌ها همچنان در آموزش شیمی دانشگاه‌ها و مدارس و در زمان‌هایی که دسترسی به ابزار پیشرفته وجود ندارد استفاده می‌شوند.

این روش‌ها کمک می‌کنند دانشجویان به‌صورت عملی با مفاهیمی مثل رسوب‌سازی، تشکیل کمپلکس، تغییر رنگ و تشکیل گاز آشنا شوند و منطق علمی پشت واکنش‌های شیمیایی را بهتر درک کنند.

روش‌های دستگاهی

ابزارهای تحلیلی در شیمی تجزیه نقشی اساسی ایفا می‌کنند و به دانشمندان امکان می‌دهند داده‌های دقیق و قابل اعتماد درباره ترکیب و مقدار مواد به دست آورند. پیشرفت فناوری باعث شده این ابزارها به مرور زمان پیچیده‌تر و پیشرفته‌تر شوند و توانایی‌ تجزیه، تحلیل و آنالیز نمونه‌های مجهول مواد شیمیایی را افزایش دهند.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با روش‌های دستگاهی تجزیه نمونه‌ها و دستگاه‌ها و اصول و محاسبات و دستگاه‌ها و روش‌های نوین مربوط به آن‌ها، فیلم آموزش مقدماتی شیمی تجزیه دستگاهی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

طیف سنجی

روش‌های طیف‌سنجی مقدار برهم‌کنش ماده مورد آزمایش را با امواج الکترومغناطیسی می‌سنجد. روش‌های طیف‌سنجی مختلفی وجود دارد که برای شناسایی و انداره‌گیری انواع مختلفی از ترکیبات شیمیایی مانند فلزات سنگین، آفت‌کش‌ها و … استفاده می‌شود.

تمامی اتم‌ها و مولکول ها وقتی در معرض انرژی یا حرارت قرار می‌گیرند، طول موج مشخصی از امواج الکترومغناطیسی را از خود ساطع می‌کنند. طیف‌های الکترومغناطیسی مختلف مواد مانند طیف فرابنفش، فروسرخ و … مانند اثر انگشت آن‌ها، اجزای تشکیل‌دهنده یک ماده مجهول را مشخص می‌کند.

انواع مختلفی از روش‌های طیف‌سنجی وجود دارد. در ادامه برخی از این روش‌ها را نام می‌بریم. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با انواع روش‌های طیف سنجی و سازو کار هریک از این روش‌ها در تجزیه و آنالیز ماده مجهول، مطلب انواع طیف سنجی چیست مجله فرادرس را مطالعه کنید.

• طیف‌سنجی جذب اتمی (atomic absorption spectroscopy)
• طیف‌سنجی نشر اتمی (atomic emission spectroscopy)
• طیف‌سنجی فرابنفش-مرئی (ultraviolet-visible spectroscopy)
• طیف‌سنجی فروسرخ (infrared spectroscopy)
• طیف‌سنجی رامان (Raman spectroscopy)
• طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته (nuclear magnetic resonance spectroscopy)
• طیف‌سنجی فوتوالکترونی (photoemission spectroscopy)
• طیف‌سنجی موسباور (Mössbauer spectroscopy)

طیف‌سنجی در بسیاری از موارد و صنایع مانند توسعه دارو، آنالیز دارویی، پایش محیط زیست، علوم جنایی و علم مواد کاربرد دارد.

آنالیز الکتروشیمیایی

یکی از روش‌های رایج ابزارمحور در حوزه شیمی تجزیه، «آنالیز الکتروشیمیایی» (Electrochemical Analysis) است. در این روش، آنالیت درون یک سلول الکتروشیمیایی قرار می‌گیرد و ولتاژ یا جریان عبوری از آن اندازه‌گیری می‌شود.

این تکنیک‌ها شامل ولتامتری، پتانسیومتری، و آمپرومتری هستند که در مطالعه واکنش‌های اکسایش-کاهش و تعیین غلظت یون‌ها کاربرد دارند. در ادامه این روش‌ها را معرفی می‌کنیم.

• ولتامترى: جریان را به عنوان تابعی از ولتاژ اعمال شده اندازه‌گیری می‌کند. تکنیک‌های مختلف ولتامتری مانند ولتامتری چرخه‌ای، اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار اکسایش-کاهش و سینتیک واکنش‌ها ارائه می‌دهند.
• پتانسیومتری: این روش ولتاژ یک سلول الکتروشیمیایی را اندازه‌گیری می‌کند تا غلظت یون‌ها در محلول را تعیین کند. کاربرد رایج آن در اندازه‌گیری pH است که در آن از الکترود شیشه‌ای برای تعیین غلظت یون‌های هیدروژن استفاده می‌شود.
• آمپرومتری: تغییرات جریان را در پاسخ به پتانسیل اعمال شده به الکترود اندازه‌گیری می‌کند. این روش به طور گسترده برای تشخیص سطوح ردیابی مواد در ماتریس‌های مختلف استفاده می‌شود.

آنالیز حرارتی

برهم‌کنش بین آنالیت و انرژی به صورت گرما، در شاخه‌ای از شیمی تجزیه به نام «کالری‌سنجی» (Calorimetry) مورد مطالعه قرار می‌گیرد. کالری‌متر یا گرماسنج (Calorimeter) ابزاری است که برای اندازه‌گیری گرمای واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود.

همچنین، نوعی آنالیز وزنی حرارتی نیز وجود دارد که در آن تغییرات وزن ماده در اثر افزایش دما بررسی می‌شود.

جداسازی

جداسازی اجزای یک ماده و سپس اندازه‌گیری مقادیر آن‌ها یکی از روش‌های آنالیز دستگاهی تجزیه است. جداسازی اجزای تشکیل‌دهنده یک ماده معمولا با روش‌های کروماتوگرافی مایع، کروماتوگرافی گازی، کروماتوکرافی لایه نازک، الکتروفورز و جداسازی با اعمال میدان خارجی انجام می‌شود.

«کروماتوگرافی» (Chromatography) یکی از روش‌های کلیدی در شیمی تجزیه برای جداسازی، شناسایی و تعیین مقدار اجزای یک مخلوط است. اساس این روش بر تفاوت رفتار اجزای مختلف یک مخلوط در برابر «فاز ساکن» (stationary phase) و «فاز متحرک» (mobile phase) است. به عبارت ساده‌تر، هر جزء از مخلوط تمایل متفاوتی به حل شدن در فاز متحرک یا جذب شدن به فاز ساکن دارد. این تفاوت باعث می‌شود اجزا با سرعت‌های متفاوتی حرکت کنند و از هم جدا شوند.

بلورنگاری

بلورنگاری (کریستالوگرافی) روشی است که در آن ساختار اتمی ماده با استفاده از الگوهای پراش اشعه ایکس تعیین می‌شود. با تحلیل و بررسی این الگو‌ها، محل دقیق قرارگیری اتم‌ها در فضا تعیین شده و ساختار مولکولی و بلوری مواد تعیین می‌شود.

میکروسکوپی

این روش‌ها برای تصویرسازی ساختارهای کوچک مانند سلول‌ها، مولکول‌ها و نانومواد استفاده می‌شوند. روش آنالیز میکروسکوپی به سه دسته میکروسکوپی نوری، میکروسکوپی الکترونی و میکروسکوپی روبشی هستند.

آزمایش روی تراشه

این ابزارها، سیستم‌های ریز‌مقیاس آنالیزی هستند که عملکرد یک آزمایشگاه کامل را روی یک تراشه کوچک پیاده‌سازی می‌کنند. این فناوری که در دسته‌ی ریزسیالات (Microfluidics) قرار دارد، امکان انجام آنالیز سریع و دقیق را با حجم‌های بسیار کم نمونه فراهم می‌کند.

روش‌های هیبریدی

در روش‌های هیبریدی (Hybrid Techniques) دو یا چند تکنیک ترکیب می‌شوند تا اطلاعات دقیق‌تر و کامل‌تری به دست آید. این روش‌ها به ویژه در شیمی دارویی و بیوشیمی کاربرد گسترده دارند. در ادامه برخی از تکنیک‌های هیبریدی را نام می‌بریم.

• GC-MS: ترکیب کروماتوگرافی گازی و طیف‌سنجی جرمی
• CE-MS: ترکیب الکتروفورز و طیف‌سنجی جرمی
• LC-NMR: ترکیب کروماتوگرافی مایع و طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته

آماده سازی نمونه در شیمی تجزیه

تکنیک‌های آماده‌سازی نمونه بخش حیاتی و کلیدی در شیمی تجزیه هستند که تاثیر زیادی بر دقت و قابلیت اطمینان نتایج تحلیلی دارند. آماده‌سازی صحیح نمونه برای واقعی بودن نمایندگی نمونه، آلوده نبودن نمونه و کاربردی بودن نمونه برای آنالیز نیاز است. آماده‌سازی نمونه ممکن است شامل روش‌های فیزیکی، شیمیایی یا مکانیکی مختلف باشد که بسته به نیازهای آنالیز انتخاب می‌شوند.

در ادامه برخی از مهم‌ترین روش‌های آماده سازی نمونه را توضیح می‌دهیم.

فیلتراسیون

فیلتراسیون برای جداسازی اجزای جامد از یک نمونه مایع به کار می‌رود. در این روش، انواع مختلف فیلترها مانند فیلترهای ممبران یا کاغذ فیلتر بسته به نوع نمونه به کار می‌روند.

استخراج مایع – مایع

در این روش ترکیبات بر اساس اختلاف حلالیت آن‌ها در دو مایع نامختلط جدا می‌شوند. این روش بخصوص برای جدا کردن ترکیبات آلی از محلول‌های آبی کاربرد دارد.

استخراج فاز جامد

در این روش، آنالیت از نمونه مایع با استفاده از فرآیند جذب شدن به یک ماده جامد جداسازی می‌شود. این روش به حفظ غلظت و خالص بودن آنالیت کمک کرده و حساسیت و دقت آنالیز را بالا می‌برد.

استخراج با کمک امواج ماکروویو

این روش از انرژی امواج ماکروویو برای استخراج ترکیبات از نمونه جامد استفاده می‌کنپ. با استخراج به کمک ماکروویو، سرعت جداسازی افزایش یافته و بازده بالا می‌رود.

همگن سازی نمونه

این روش با ایجاد مخلوط یکنواخت از نمونه‌های جامد یا مایع انجام می‌شود که برای اطمینان از نمایندگی کل نمونه ضروری است. همگن‌سازی شامل تکنیک‌های خردکردن، مخلوط‌کردن یا اولتراسونیک است.

دستگاه‌ های شیمی تجزیه

شیمی تجزیه با استفاده از تکنیک‌های تحلیلی و ابزارهای مختلفی انجام می‌شود تا نمونه‌ها بررسی، اندازه‌گیری‌های دقیقی انجام و داده‌های ارزشمندی جمع‌آوری شوند. در ادامه، برخی از مهم‌ترین ابزارهای مورد استفاده در شیمی تجزیه آورده شده‌اند که هرکدام قابلیت‌ها و محدودیت‌های خاص خود را دارند.

طیف سنج جرمی

طیف‌سنج جرمی (Mass Spectrometer) ابزاری قدرتمند است که برای شناسایی و جداسازی ترکیبات شیمیایی بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) استفاده می‌شود. این دستگاه قادر است با دقت بسیار بالا، ترکیبات مختلفی را در نمونه‌های پیچیده تشخیص داده و مقدار آن‌ها را نیز اندازه‌گیری کند. از جمله کاربردهای مهم آن می‌توان به شناسایی داروها و مواد مخدر در صحنه‌های جرم، بررسی آلودگی‌های زیست‌محیطی، و مطالعه فرآیندهای متابولیکی داروها اشاره کرد.

کروماتوگرافی گازی

دستگاه‌های «کروماتوگرافی گازی» (Gas Chromatograph) دستگاه‌هایی که هستند که به وسیله آن‌ها یک ترکیب فرار یا نیمه فرار از نمونه جداسازی می‌شود. این دستگاه‌ها ترکیبات موجود در نمونه را به گاز تبدیل کرده و با عبور آن‌ها از ستون کروماتوگرافی گازی، اجزا از هم جدا می‌شود. این دستگاه و روش آن در بسیاری از صنایع مانند تولید دارو، تشخیص سموم و آلاینده‌ها و بررسی کیفیت آب و هوا کاربرد دارد.

کروماتوگرافی مایع

«کروماتوگرافی مایع» (Liquid Chromatograph) ابزاری برای جداسازی ترکیبات در فاز مایع است. این تکنیک برای شناسایی و اندازه‌گیری دقیق مواد مختلف در نمونه‌های محلول به کار می‌رود. از جمله کاربردهای رایج آن می‌توان به بررسی بقایای آفت‌کش‌ها، تحلیل فلزات سنگین، توسعه داروهای جدید، و تجزیه نمونه‌های صحنه جرم اشاره کرد.

طیف سنج جذب اتمی

«طیف‌سنج جذب اتمی» (Atomic Absorption Spectrometer) برای اندازه‌گیری مقدار عناصر خاص مانند فلزات در یک نمونه طراحی شده است. طیف‌سنج جذب اتمی با تاباندن نور به نمونه و اندازه‌گیری جذب آن توسط اتم‌های خاص، می‌تواند غلظت آن عنصر را تعیین کند. این ابزار در تحلیل آلودگی‌های محیطی و بررسی عناصر موجود در نمونه‌های زیستی و جنایی کاربرد دارد.

رزونانس مغناطیسی هسته ای

دستگاه NMR یا «رزونانس مغناطیسی هسته‌ای» (Nuclear Magnetic Resonance) یکی از دقیق‌ترین روش‌های شناسایی ساختار مولکولی ترکیبات آلی و معدنی است. این دستگاه با استفاده از خواص مغناطیسی هسته‌های اتم، اطلاعاتی درباره پیوندها و محیط شیمیایی اتم‌ها ارائه می‌دهد. NMR نه تنها در تحقیقات شیمی و داروسازی کاربرد دارد، بلکه در تصویربرداری پزشکی (MRI) نیز به‌کار می‌رود.

تجهیزات الکتروفورز

«تجهیزات الکتروفورز» (Electrophoresis Equipment) روشی برای جداسازی مولکول‌ها (مانند DNA، RNA و پروتئین‌ها) بر اساس اندازه و بار الکتریکی آن‌ها است. در این روش، نمونه در ژل قرار داده شده و با اعمال میدان الکتریکی، مولکول‌ها به سمت قطب مخالف حرکت کرده و بر اساس ویژگی‌هایشان از هم جدا می‌شوند. این تکنیک در زیست‌شناسی مولکولی، ژنتیک و تحقیقات پزشکی کاربرد فراوانی دارد.

طیف سنج فرابنفش

طیف‌سنج فرابنفش (UV Spectrometer) ابزاری برای اندازه‌گیری جذب نور فرابنفش توسط مواد شیمیایی است. این روش می‌تواند غلظت ترکیباتی مانند پروتئین‌ها یا داروها را در نمونه‌های محلول اندازه‌گیری کند. این دستگاه در صنایع غذایی، بیوشیمی، علوم مواد، و حتی در تشخیص بیماری‌ها نقش کلیدی دارد.

کاربردهای شیمی تجزیه

شیمی تجزیه گستره وسیعی از کاربردها را در صنایع مختلف دارد. تقریبا تمامی صنایعی که با پردازش و استفاده مواد شیمیایی سروکار داشته باشند، از محاسبات و داده‌ها و اندازه‌گیری‌های شیمی تجزیه در تولید و کنترل کیفیت خود استفاده می‌کنند. در ادامه، برخی از مهم‌ترین کاربردهای شیمی تجزیه را در صنایع مختلف معرفی می‌کنیم.

پزشکی و داروسازی

شیمی تجزیه در علم پزشکی و در انجام آزمایش‌های تشخیص طبی استفاده می‌شود. این آزمایش‌ها می‌تواند از مواردی مانند تعیین گروه خونی تا شناسایی الگوهای ژنتیکی باشد. شیمی تجزیه در تضمین کیفیت، خلوص و ایمنی داروها نقشی اساسی دارد. ابزارهایی مانند کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) و طیف‌سنجی جرمی برای تعیین غلظت مواد موثره و بررسی ناخالصی‌ها به کار می‌روند.

علوم زیست محیطی

اندازه‌گیری مقدار مواد آلاینده در محیط زیست نیازمند آنالیزهای سریع و قابل اعتماد است که با استفاده از علم شیمی تجریه تعیین و استفاده می‌شوند. در برخی از موارد، آلاینده هایی که از قبل شناسایی شده‌اند را می‌توان با کمک تکنیک‌های شیمی تجزیه شناسایی و آنالیز کرد.

همچنین، از طریق تجزیه شیمیایی، می‌توان میزان مواد معدنی و مغذی خاک را بررسی کرد تا مناسب بودن آن برای رشد گیاهان مشخص شود.

تولیدات صنعتی

مقادیر بسیار دقیق مواد تشکیل‌دهنده و نسبت‌های بسیار دقیق مواد در تولیدات صنعتی دو فاکتور بسیار مهم هستند. شیمی تجزیه نقشی مهم در دست‌یابی به کیفیت تایید شده و محاسبه مقادیر دقیق مواد به کار رفته در تولیدات مختلف را دارد.

علوم غذایی

در فرآیندهای تولید صنعتی نیز انواع ناشناخته‌هایی ممکن است ظاهر شوند که شیمی تجزیه قادر به شناسایی آن‌هاست. این امر بسیار مهم است، چرا که دقت در اندازه‌گیری مقدار دقیق مواد شیمیایی یا ناخالصی‌ها در کالاهای تولیدی برای تضمین کیفیت و ایمنی محصولات ضروری است. با شیمی تجزیه می‌توان میزان باقیمانده آفت‌کش‌ها یا آلاینده‌ها را در نمونه‌های غذایی اندازه‌گیری کرد.

برای اطمینان از سلامت و کیفیت محصولات غذایی، تجزیه‌ شیمیایی بسیار حیاتی است. روش‌هایی مانند کروماتوگرافی گازی (GC) در بررسی طعم‌دهنده‌ها، آلرژن‌ها و ترکیبات مضر به کار می‌روند.

علم مواد

دست یابی به مواد جدید و نو مانند ابررساناها، ابرعایق‌ها، جامدات فوق سبک و نانو ماشین‌ها نیازمند دقت و صحت بالایی است. شیمی تجزیه نقش مهمی در انجام و بکارگیری تحقیقات در علم مواد را دارد.

علوم جنایی

شیمی تجزیه نقش مهمی را در اندازه‌گیری‌های مواد مختلف و شناسایی نشانگرهای ژنتیکی در صحنه‌های جرم دارد. برای مثال، اگر تعداد زیادی ماهی به طور ناگهانی در یک دریاچه بمیرند، شیمی تجزیه می‌تواند به ردیابی منبع مشکل و شناسایی مواد سمی احتمالی که منجر به مسمومیت آن‌ها شده کمک کند.

الکترونیک

با پیشرفت رایانه‌ها و فناوری اطلاعات، آزمایش‌های شیمیایی به‌صورت خودکار انجام می‌شوند. نمونه‌ای از این تحولات، دستگاه‌های اتوماتیک تعیین توالی DNA است که نقشی کلیدی در پروژه ژنوم انسانی داشت. همچنین، شناسایی پروتئین‌ها و پپتیدها از طریق طیف‌سنجی جرمی، زمینه جدیدی به‌نام پروتئومیکس ایجاد کرده است.

فناوری نانو

تجزیه و تحلیل‌های سطحی، میکروسکوپ‌های الکترونی و روبشی به دانشمندان کمک می‌کنند تا ساختارهای اتمی را با دقت بالا مشاهده و تحلیل کنند. این ابزارها پایه‌گذار بسیاری از دستاوردهای فناوری نانو هستند.

سایر کاربردها

شیمی تجزیه تقریبا در تمامی زمینه‌هایی که نیاز به بررسی اطلاعات و داده‌های مواد شیمیایی وجود دارد، کاربرد دارند. در ادامه، برخی دیگر از کاربردهای شیمی تجزیه را نام می‌بریم.

• بیوتکنولوژی: توسعه ابزارهای تشخیص بیماری و تحلیل زیست مولکولی
• پژوهش بالینی: بررسی اثربخشی درمان‌ها
• پتروشیمی: تحلیل و شناسایی ترکیبات سوخت‌ها و روان‌کننده‌ها

روش تحلیل داده در شیمی تجزیه

پس از انتخاب روش آنالیز و انجام دقیق آزمایش‌ها و محاسبات، داده‌های به دست آمده از آنالیت باید بررسی و تحلیل شوند. در شیمی تجزیه روش‌های مختلفی برای تحلیل داده وجود دارد که مهم‌ترین آن‌ها استفاده از منحنی استاندارد و استاندارد داخلی هستند.

استفاده از منحنی استاندارد

یکی از روش‌های رایج برای تحلیل غلظت مواد، ایجاد یک منحنی کالیبراسیون (منحنی استاندارد) است. این منحنی به ما اجازه می‌دهد مقدار یک ماده شیمیایی را در نمونه ناشناخته با مقایسه با نمونه‌هایی با غلظت معلوم تخمین بزنیم. در این روش، ممکن است غلظت آنالیت به دست آمده بسیار بالا یا بسیار کم باشد.

• اگر غلظت عنصر یا ترکیب در نمونه بیش از حد بالا باشد و خارج از محدوده تشخیص دستگاه قرار گیرد، می‌توان نمونه را با یک حلال خالص رقیق کرد.
• اگر مقدار آن بسیار پایین باشد، از روش افزودن استاندارد استفاده می‌شود. در این روش، مقدار معلوم و مشخصی از ماده مورد نظر به نمونه اضافه می‌شود، سپس تفاوت بین غلظت افزوده‌شده و مقدار نهایی، بیانگر مقدار واقعی موجود در نمونه است.

استفاده از استاندارد داخلی

در برخی موارد، به نمونه تجزیه‌ای مقدار مشخصی از استاندارد داخلی اضافه می‌شود تا فرآیند کمی‌سازی دقیق‌تری داشته باشد. در این روش، مقدار آنالیت نسبت به استاندارد داخلی سنجیده می‌شود.

شاخه های شیمی تجزیه

شیمی تجزیه که خود یکی از شاخه‌های علم شیمی است، زیرشاخه‌های متفاوت و متنوعی دارد که بسته به روش‌های آنالیز بکار برده شده در آن‌ها و کاربرد آن‌ها در صنایع مختلف دسته‌بندی می‌شوند. در ادامه برخی از این شاخه‌ها را نام می‌بریم.

• آنالیز کیفی
• آنالیز کمی
• آنالیز دستگاهی
• شیمی تجزیه زیستی
• شیمی تجزیه محیط زیستی
• آنالیز دارویی
• آنالیز غذایی

شیمی تجزیه با بسیاری از شاخه‌های دیگر شیمی، به‌ویژه شیمی آلی، معدنی و بیوشیمی، هم‌پوشانی دارد. برای نمونه، شاخه‌ای مانند «شیمی تجزیه زیستی» (Bioanalytical Chemistry) با هدف پاسخ دادن به پرسش‌های مرتبط با ترکیبات زیستی در حال رشد است. در ایران رشته شیمی تجزیه یکی از رشته های کارشناسی ارشد شیمی است که در بسیاری از دانشگاه‌ها ارائه می‌شود. همچنین رشته شیمی تجزیه در مقاطع بالاتر و دکتری شیمی تجزیه نیز در ایران ارائه می‌شود.

کار دانشمندان شیمی تجزیه چیست؟

شیمیدان‌ها در زمینه شیمی تجزیه از دانش خود در علم شیمی، دستگاه‌های آنالیز، رایانه‌ها و داده‌های کمی استفاده می‌کنند تا مسائل مختلف شیمی تجزیه را در بسیاری از صنایع و زمینه‌های علمی حل کنند و به اجزای ساختار ماده دست پیدا کنند.

یک شیمیدان تجزیه، ممکن است در زمینه‌های مختلفی فعالیت کند. از این موارد می‌توان به انجام تحقیقات پایه‌ای آزمایشگاهی، توسعه فرآیند‌ها و محصولات، طراحی ابزارهای مورد استفاده در بررسی‌های شیمیایی، تدریس و … اشاره کرد. در ادامه، مهم‌ترین وظایف یک شیمیدان در رشته شیمی تجزیه را شرح می‌دهیم.

• انجام آنالیزهای کمی و کیفی مختلف
• نمونه‌سازی، اندازه‌گیری، جداسازی، خالص‌سازی و نگهداری نمونه‌ها
• بررسی و تعریف محدوده خطا
• بررسی و راستی‌آزمایی نتایج آنالیز به وسیله کالیبراسیون و استانداردسازی
• انجام روش‌های جداسازی بسته به ویژگی‌ها و خواص شیمیایی مختلف
• ابداع شیوه‌های جدید اندازه‌گیری
• مستندسازی نتایج آزمایش‌ها و تهیه گزارش‌های فنی یا علمی
• گزارش نتایج آزمایش‌ها و آنالیزها

یادگیری شیمی دانشگاهی با فرادرس

در این مطلب آموختیم شیمی تجزیه چیست و چه کاربردهایی دارد. برای درک بهتر این شاخه از شیمی، باید با مفاهیمی چون تابش الکترومغناطیسی، روش‌های دستگاهی، طیف‌های اتمی، روش‌های محلول‌سازی، آماده سازی نمونه و … آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این مسائل و مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه شیمی تجزیه دسترسی داشته باشید.

تاریخچه شیمی تجزیه

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم شیمی تجزیه چیست. بخش زیادی از شیمی در دوران اولیه‌ خود (از سال ۱۶۶۱ تا حدود ۱۹۰۰ میلادی) در واقع در حوزه شیمی تجزیه قرار می‌گرفت. چرا که در آن دوران، یکی از مهم‌ترین پرسش‌های علمی این بود که چه عناصری در طبیعت وجود دارند و ماهیت آن‌ها چیست. این پرسش‌ها مستقیما با هدف و کاربردهای شیمی تجزیه هم راستا هستند. البته در کنار آن، پیشرفت‌هایی نیز در زمینه‌های دیگر مانند سنتز ترکیبات و نظریه‌پردازی‌های علمی صورت گرفت که به شیمی تجزیه مربوط نبودند.

نخستین روش دستگاهی در شیمی تجزیه نیز در همین دوره معرفی شد. طیف‌سنجی نشری شعله‌ای که توسط «روبرت بنزن» (Robert Bunsen) و «گوستاو کیرشهف» (Gustav Kirchhoff) توسعه یافت. آن‌ها در سال ۱۸۶۰ موفق به کشف عناصر روبیدیوم (Rb) و سزیم (Cs) شدند. بسیاری از تکنیک‌های طیف‌سنجی و طیف‌سنجی جرمی در اوایل قرن بیستم کشف و در دهه‌های بعدی گسترش پیدا کردند.

در اواخر قرن بیستم، دامنه‌ کاربردهای شیمی تجزیه بسیار گسترده‌تر شد و از حوزه‌های آکادمیک وارد مسائل کاربردی‌تر مانند پزشکی، علوم جنایی، محیط‌زیست، صنعت و حتی بافت‌شناسی شدند.

شیمی تجزیه مدرن

شیمی تجزیه مدرن امروزه به شکل گسترده‌ای با روش‌های دستگاهی انجام می‌شود. امروزه ابزارهای متنوع و پیشرفته در این حوزه به حدی زیاد است که گاهی شیمی تجزیه بیشتر از یک شاخه شیمی به مجموعه‌ای از اصطلاحات و اختصارات تخصصی شبیه است. بسیاری از شیمیدان‌های تجزیه روی یک ابزار خاص تمرکز می‌کنند و تمام تحقیقات و فعالیت‌های خود را پیرامون آن پیش می‌برند.

شیمیدان‌های تجزیه معمولا دو رویکرد برای انجام تحقیقات خود دارند. برخی به دنبال یافتن کاربردهای جدید برای روش‌های موجود هستند و برخی دیگر روی توسعه‌ی روش‌های نوین کار می‌کنند. برای مثال، شناسایی یک ترکیب شیمیایی در خون که با افزایش خطر ابتلا به سرطان مرتبط است، می‌تواند بخشی از پژوهش‌های یک شیمی‌دان تجزیه باشد. از طرفی، توسعه‌ی روشی جدید با استفاده از لیزرهای قابل تنظیم برای افزایش دقت و حساسیت طیف‌سنجی، نمونه‌ای از تحقیقات در زمینه‌ی بهبود روش‌هاست.

در حال حاضر، شیمی تجزیه نقش بسیار مهمی در صنعت داروسازی دارد. علاوه بر کنترل کیفیت، در کشف داروهای جدید و همچنین در مطالعات بالینی برای درک نحوه‌ی تأثیر دارو بر بدن نیز کاربرد فراوانی دارد.