כימיה אנליטית

כימיה אנליטית (באנגלית: Analytical Chemistry) היא אחת ממדעי המשנה של כימיה, שעוסקת בשיטות לבדיקה ובחינה של חומרים (אנליזה), על מנת לברר את הרכבם הכימי, את נוסחת המבנה שלהם, דרגת הניקיון של המדגם מחומרים מזהמים ונתונים אחרים.

הכימיה האנליטית עוסקת באפיון הרכב חומרים בדוגמאות ממקורות שונים מבחינת איכותית - כלומר מהי הזהות שלהם, וכמותית - כלומר כמה יש בכל דוגמה. המומחיות של הכימאי האנליטי אינה באה לידי ביטוי בביצוע אנליזה כימית שגרתית, כזו שכמעט כל כימאי עוסק בה, אלא בשיפור שיטות קיימות, בהרחבה שלהן לדוגמאות מסוגים חדשים, כמו גם בפיתוח שיטות וטכנולוגיות חדשות כדי למדוד תופעות כימיות שונות ומגוונות. ברגע שפותחה שיטה או טכניקה או טכנולוגיה חדשה, היא הופכת להיות שגרתית, ואז היא עוברת לידי כלל המדענים לשימוש באנליזות הכימיות שלהם.

היסטוריה

כימיה אנליטית היא אחד התחומים הבסיסים והקדומים ביותר בענף הכימיה. באמצעות שיטות של אנליזה כימית ניתן לקבוע נוכחות של חומרים שונים בכל מיני עצמים.

ההתקדמות העיקרית בתחום זה הייתה במאה ה-19 כאשר החלה התפתחות בתחום האנליזה של יסודות בידי יוסטוס וון לייביג והתפתחות של ניתוח מדעי מדויק של תרכובות אורגניות לפי אופן התגובות בהן הן משתתפות ולפי הקבוצות הפונקציונליות שלהן. המכשור האנליטי הראשון היה ספקטרוסקופית להבה שפותחה על-ידי רוברט בונסן וגוסטב קירכהוף אשר גילה את היסודות רובידיום וצסיום. רוב ההתפתחויות שהתחוללו בכימיה אנליטית התרחשו לאחר 1900 כאשר מכשור אנליטי לזיהוי חומרים נעשה תחום מוביל בכימיה. בחלק ניכר מאותן שיטות בסיסיות שפותחו בראשית המאה ה-20 הייתה התקדמות לקראת סופה של אותה מאה.

החל משנות ה-70 ועד לימינו חלה התקדמות של תחום הכימיה האנליטית והוא הפך להיות תחום מטרייה המכסה תחתיו גם את תחום הכימיה הביו-אנליטית, כאשר אנליזה וכימות של חומרים ביולוגים נעשה נפוץ יותר בהשוואה לעבר בו לרוב בוצע מחקר על חומרים אי-אורגנים ומולקולות אורגניות קטנות. לייזרים גם הם היוו תפנית בתחום המחקר שכן הם מאפשרים לחולל ולהשפיע על מגוון רחב של תגובות. חשוב מכל, בסוף המאה ה-20 חל מפנה בתחום הכימיה האנליטית ומתחום אקדמי טהור הוא נהפך לתחום שיש לו גם יישומים אזרחיים כמו פתירת בעיות רפואיות, סביבתיות ופורנזיות.

בעיות טיפוסיות בכימיה אנליטית

הכימיה האנליטית נועדה לשפר את יכולת המדענים השונים כמו כימאים רפואיים, משפטיים, סביבתיים, חקלאיים ורוקחיים לבצע מדידות מדעיות בעלות משמעות ואמינות. האתגרים שלה הם בעיקר כאשר כמויות החומרים קטנות מאוד, מורכבות ורבות כאשר נדרש זמן קצר מאוד והחומרים הנבדקים נמצאים בריכוזים נמוכים מאוד. הכימאים האנליטיים מפתחים טכנולוגיות מיכשוריות מתקדמות ומשוכללות המבוססות על ספקטרוסקופיה, שיטות הפרדה כמו כרומטוגרפיה ואלקטרופורזה, על טכנולוגיות תרמוכימיות וכן אלקטרוכימיה.

אנליזה איכותית וכמותית

אנליזה איכותית היא בדיקה של מה נוכח בדוגמה ואנליזה כמותית היא בדיקה של כמות החומר בדוגמה. אנליזות זיהוי וכימות בכימיה אנליטית הן יותר מאשר אוסף אקראי של שיטות כמותיות ואיכותיות לבדיקת חומרים. הן בעצם מדע איסוף אינפורמציה על הדוגמה הנבדקת בצורה מושכלת. קודם כל יש לבצע זיהוי ראשוני של הכימיה והפיזיקה של הדוגמה, ואז לוודא שהחומר הנבדק נמצא בכלל בתוך הדוגמה וקביעה ראשונית של זהותו. לאחר מכן מגיע החלק של הקביעה הכמותית.

בדיקות אפיון

בדיקות אפיון בודקות מה הם החומרים הכימיים, ומה הן התכונות הפיזיקליות שלהם. בדיקות אפיון הן חלק אחר חשוב מאוד של כימיה אנליטית, שכולל מדידת תכונות כימיות ופיזיקליות של חומרים, קביעת המבנה שלהם, קבועים שונים שלהם, מורפולוגיה שלהם וכו'.

אנליזות בסיסיות

אנליזות בסיסיות בודקות איך עובדים מכשירים ומה השיטות שלהם, וכיצד ניתן לשפרם. האנליזות הבסיסיות באות להרחיב את היריעה התאורטית והמעשית של טכניקות ושיטות הבדיקה של חומרים, בדיקת מגבלותיהן וחידושן כדי לאפשר פריצות דרך מדעיות בשטחים שונים.

גישה לפתרון בעיות בכימיה אנליטית

הגישה לפתרון בעיות של הכימיה האנליטית מבוססת על השלבים הבאים:

1. זיהוי הבעיה והגדרתה, צעד שמחייב שיתוף פעולה בין הכימאי האנליטי לבין אנשי מדע אחרים, שכן הבעיה בדרך כלל נובעת מהשאלות שהם מציבים, והכימיה האנליטית באה לספק כלים לפתרונותיהן.
2. תכנון התהליך הניסיוני, שהוא בעצם בחירה או פיתוח טכנולוגיות חדשניות לפי קריטריונים מבוססים על דיוק, אמינות, רגישות וסף גילוי. דחיפות התוצאות הנדרשת, עלות האנליזה, מס' הדוגמאות הנדרש לבדיקות, כמות הדוגמה הזמינה לאנליזה וכו'. מציאת המאזן הנכון בין הגורמים הללו לעיתים קרובות מורכבת משום שאינם תלויים זה בזה. שיקולים נוספים הם גם צורת איסוף הדוגמאות, אחסונן ודרך הכנתן, וכן ההפרעות הכימיות והפיזיקליות שעלולות להתרחש בתהליך הבדיקה. כשהתכנון של התהליך לקוי ייתכן שהוא יניב תוצאות לקויות ובלתי אמינות ולכן יש צורך גם בתכנון דרך לאשרור (ולידציה) של השיטה המתוכננת.
3. ביצוע הניסוי במעבדה ואיסוף הנתונים. החלק הנראה לעין בתהליך האנליזה הוא ביצוע בפועל של הניסוי במעבדה. בשנות האלפיים רוב הניסויים בכימיה אנליטית נעשים באמצעות מכשירים אנליטיים. הניסוי חייב לכלול סטנדרטים כימיים או פיזיקליים כדי לכייל את המיכשור הזה כדי לדעת מה כמויות החומרים בהם משתמשים בניסוי.
4. ניתוח הנתונים הניסיוניים. במהלך הניסוי האנליטי נאספים נתונים גולמיים ואז עוברים עיבוד חישובי וסטטיסטי כדי להעריך את האמינות והדיוק של התוצאות ולאשרר את התהליך. משווים את התוצאות עם דרישות וקריטריונים אותם מבססים בזמן תכנון הניסוי, ומידת התאמתן קובעת האם לתכנן מחדש את הניסוי ולשנות בו גורמים עד שהתהליך האנליטי המוצע יהווה פתרון אמין ומדויק למדידות.
5. הצעת פתרון חדש לבעיה, כזה שלא היה קיים קודם לכן. התוצאות נתונות להערכה חיצונית על ידי המדען שהציג את הבעיה מלכתחילה. אם הפתרון לא מספק, התהליך מתחיל מחדש עד לקבלת פתרון מספק ואשרורו.

סוגים

הכימיה האנליטית מתחלקת לשני סוגים עיקריים:

• אנליזה איכותית (Qualitative analysis) - בדיקה האם יסוד או תרכובת ספציפיים נמצאים בחומר הנבדק או לא וקביעת זהותו.
• אנליזה כמותית (Quantitative analysis) - בדיקת הכמות של יסוד או תרכובת מסוימים בחומר נתון.

הכימיה האנליטית המודרנית הפכה ליותר ויותר מיכשורית - instrumental, ממוחשבת - computerized, ועוסקת בעיבוד נתוני-עתק, בייחוד בתחום מדעי החיים והרפואה.

טכניקות ושיטות

קיים מגוון רחב של טכניקות לאנליזה של החומרים. הכימיה האנליטית מתחלקת לכימיה אנליטית קלאסית הכוללת שיטות גרבימטריה וטיטרציות, וכימיה אנליטית מיכשורית הכוללת ספקטרוסקופיה, שיטות הפרדה, שיטות תרמיות ואלקטרוכימיה.

כימיה אנליטית קלאסית

גרווימטריה

ערך מורחב – גרווימטריה

גרווימטריה היא הפרדת החומר על מנת למדוד את המסה או הנפח של התוצר הסופי. שיטה זו מבוססת על שיקוע גרוויטציוני ומכאן שמה. באמצעות מסת החומר (או נפח החומר) שהוסף ניתן לחשב את כמות החומר ששקע. שיטה זו נחשבת לפשוטה מאוד וקלה לביצוע, אך היא מדויקת פחות משיטות אנליטיות רבות ולכן אינה נמצאת בשימוש נרחב. כיום כבר כמעט אינה בשימוש יומיומי, והשיטות המיכשוריות החליפו אותה.

טיטרציות

ערך מורחב – טיטור

הבסיס לשיטת הטיטרציות הוא ריאקציה של תמיסת הנעלם עם תמיסה של חומר בריכוז ידוע וקבוע המגיב איתו. ניתן לחשב את ריכוז הנעלם על ידי מדידת ומציאת כמות המולים שהגיבו מתוך ידיעת הנפח והריכוז המדויקים של הטיטרנט. ישנם סוגים רבים של טיטרציות, כגון טיטרציה של חומצה בסיס מאפשרת קביעת PH -מציאת ריכוז יוני הידרוניום (⁺H₃O), בתמיסה הנעלמת.

ארגנטומטריה, היא טיטרציה עם יוני כסף, בעיקר למדידת ריכוז (או המצאות) של הלוגנים. מדידה איכותית תבוצע באמצעות טפטוף כמה טיפות של יוני כסף. אם נוצר משקע לבן, סיכוי רב שהתמיסה מכילה הלוגנים.

השיטה עדיין קיימת במעבדות התעשייה הפרמצבטית בהן מייצרים תרופות ותיקות מאוד ששיטות האנליזה שלהן היסטוריות ואין דרישה מרשויות הבריאות לשנותן.

כימיה אנליטית מיכשורית

ספקטרוסקופיה

ערך מורחב – ספקטרוסקופיה

המדידות האנליטיות המבוססות על אור וצורות אחרות של הקרינה האלקטרומגנטית נפוצות בכל תחומי הכימיה האנליטית. האינטראקציות של הקרינה האלקטרומגנטית עם החומר הם בבסיסו של המדע הנקרא ספקטרוסקופיה אופטית. השיטות האנליטיות בספקטרוסקופיות האופטיות מבוססות על המדידה של עצמת הקרינה הנפלטת או נבלעת על ידי הצורון המולקולרי או האטומי שנבדקים. השיטות הספקטרוסקופיות מספקות גם כלים משמעותיים ביותר לפיענוח מבנים מולקולריים כמו גם זיהוי איכותי וכימות של חומרים אורגניים ואי-אורגניים כאחד.

נהוג למיין את השיטות הספקטרוסקופיות לפי תחומי הקרינה האלקטרומגנטית שבשימוש או שנוצרה במהלך המדידה. התחומים העיקריים הם קרני גמא, קרני X, קרינת אור אולטרא-סגול וקרינת אור נראה, קרינת אור אינפרא-אדום, גלי מיקרו וגלי רדיו.

שיטות ספקטרוסקופיות אחרות שאינן מתבססות על קרינה אלקטרומגנטית הן ספקטרוסקופית מסות, ספקטרוסקופיה אקוסטית, ספקטרוסקופית אלקטרונים וכן תהודה מגנטית גרעינית (NMR) המבוססת על תגובה לגלי רדיו בנוכחות שדה מגנטי. 

אחד השימושים של ספקטרוסקופית המסות הוא בעיקר לבדיקה איכותית וכמותית של יסודות, היא ICP-MS ‏(Inductively-Coupled Plasma - Mass Spectrometry), בשיטה זו דוגמה מומסת של חומר, עוברת דרך להבה חמה ביותר (עד עשרות אלפי מעלות צלזיוס) אשר הופכת את התמיסה לפלזמה, ולאחר מכן נבדקת הבליעה של הדוגמה או המסות של האטומים המרכיבים אותה. לעיתים שיטה זו משולבת בהפרדה באמצעות שיטה כרומטוגרפית.

בליעת אור ופליטתו בתחום נראה ואולטרא סגול של הקרינה האלקטרומגנטית

תחומי אורכי הגל של הקרינה האלקטרומגנטית ושימושים עיקריים

בספקטרוסקופיית בליעה אלומת קרינה אלקטרומגנטית עוברת דרך דגימה. חלק ניכר מהקרינה מועברת ללא אובדן עוצמה. בתדרים שנבחרו, עם זאת, עוצמת הקרינה מונחתת. תהליך הנחתה זה נקרא בליעה. כדי שזה יתרחש חייב להיות מנגנון אשר בו השדה החשמלי או השדה המגנטי של הקרינה מקיימים עמו אינטראקציה. בקרינת האולטרה סגול ובקרינת האור הנראה, אינטראקציה זו כוללת שינוי ברמות האנרגיה של אלקטרוני הערכיות שלהם עקב בליעת האור. לעומת זאת בליעת קרינת אינפרא אדום משנה את אנרגיית הויברציות של הקשרים הכימים בחומר הנבדק.

אורכי הגל שלו λ של האור בתחום הנראה והאולטרא-סגול שנבלע בחומר, זה שגורם בו לשינויים ברמות האנרגיה של האלקטרונים, נמדדים ביחידות של ננומטרים - nanometers nm. השימוש בספקטרוסקופית בליעת אור בתחום הנראה (400–800 nm) והאולטרא-סגול ( nm 100-400) של הקרינה האלקטרומגנטית מסתמך על כך שעוצמת האור העובר דרך מדיום נוזלי המכיל חומר שבולע אותו יורדת בצורה יחסית לכמות החומר הזה, ולכן ניתן להשתמש בה לכימות של החומר הזה. היחס בין הירידה בעוצמת האור לבין ריכוז החומר מתואר על ידי חוק בר-למברט.

תחומי ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית מתוארים באיור.

השימוש בספקטרוסקופית פליטת אור עקב פלואורסצנציה שמתרחשת בחומר המומס כאשר מעבירים דרכו אור בתחום הנראה והאולטרא-סגול, האור נבלע, מערער את המבנה האנרגטי של החומר ואז נפלט אור עקב חזרתו למצב היסוד שלו. עצמת האור הנפלט היא יחסית לכמות החומר שעבר את תהליך הפלואורסצנציה ולכן היא משמשת לקביעת כמותו.

בליעת אור בתחום האינפרא-אדום של הקרינה האלקטרומגנטית

ערך מורחב – תת-אדום

ספקטרוסקופיית תת-אדום היא אנליזה של הקרינה האלקטרומגנטית בתחום האינפרא-אדום כאשר היא באינטראקציה עם המולקולה הנבדקת. ניתן לנתח זאת בשלוש דרכים על ידי מדידת בליעה, פליטה והחזרה. השימוש העיקרי בטכניקה זו הוא בכימיה אורגנית ואי-אורגנית. כימאים משתמשים בו לקביעת קבוצות פונקציונליות המרכיבות את המולקולות. ספקטרוסקופיית IR מודדת את תנודות האטומים, ועל סמך זה ניתן לקבוע את הקבוצות הפונקציונליות במולקולה. באופן כללי, קשרים כימיים חזקים יותר או אטומי קלים יותר יתנודדו בתדירויות גבוהות יותר כפי שנמדד ביחידות של מספרי גל ולא של אורכי גל.

אלקטרוכימיה

ערך מורחב – אלקטרוכימיה

אלה הן שיטות אנליטיות בהן מדידה של פוטנציאל או מתח חשמלי, זרם חשמלי או מטען בתא אלקטרוכימי משמש כאות אנליטי. בשיטות אלקטרוכימיות נבדק שינוי במתח או בזרם שהתמיסה מוליכה בעקבות תהליכי חימצון-חיזור בתוך תא אלקטרוכימי, זאת על מנת לקבוע את ריכוז החומר בתמיסה. אף על פי שמדובר רק במדידות מתח וזרם יש מספר גדול מאוד של סוגי שיטות וארכיטקטורות ניסיוניות ומיכשוריות באנליזה האלקטרוכימית. הסוגים כוללים בין היתר פוטנציומטריה וכן וולטמטריה.

שיטות הפרדה

כרומטוגרפיה

ערך מורחב – כרומטוגרפיה

השיטות הכרומטוגרפיות, בייחוד HPLC - High Performance Liquid Chromatography וכן GC - Gas Chromatography, נפוצות מאוד ושימושיות במיוחד באנליזות של רוב סוגי החומרים אורגניים, תוך כדי הפרדה, קביעת זהות וכימות של החומרים הנבדקים.

אלקטרופורזה

ערך מורחב – אלקטרופורזה

השיטות האלקטרופורטיות משמשות בעיקר במדעי החיים להפרדות בין חלבונים וכן גם בין חומצות גרעין והן מבוססות על הבדלי נדידה על גבי מצע קבוע תחת שדה חשמלי

קישורים חיצוניים

• David Harvey, Modern analytical chemistry, ‏2000 (באנגלית)
• Douglas A Skoog; Donald M West; F James Holler; Stanley R Crouch, Fundamentals of analytical chemistry, ‏2014 (באנגלית)
• כימיה אנליטית, דף שער בספרייה הלאומית