الكيمياء التحليلية

الكيمياء التحليلية (أو التحليل الكيميائي ) هي فرع من فروع الكيمياء يهتم بتطوير وتطبيق طرق لتحديد التركيب الكيميائي للمواد وقياس كميات المكونات في المخاليط . وتركز على طرق تحديد المركبات المجهولة، سواء في المخاليط أو المحاليل، وقياس وجود المركب من حيث كمية المادة (في أي حالة)، أو التركيز (في الحالة المائية أو المحلول )، أو النسبة المئوية للكتلة، أو عدد المولات في خليط من المركبات (أو الضغط الجزئي في حالة الحالة الغازية).

يشمل هذا المجال كلاً من التقنيات الكلاسيكية (مثل المعايرة والتحليل الوزني ) والأساليب الآلية الحديثة (مثل التحليل الطيفي ، والكروماتوغرافيا ، وقياس الطيف الكتلي ، والأساليب الكهروكيميائية ). وترتبط الكيمياء التحليلية الحديثة ارتباطًا وثيقًا بتحليل البيانات وعلم القياس الكيميائي ، وتتأثر بشكل متزايد باتجاهات مثل الأتمتة والتصغير والاستشعار في الوقت الحقيقي ، مع تطبيقات في مجالات متنوعة مثل الكيمياء الحيوية ، والكيمياء الطبية ، وعلم الأدلة الجنائية ، وعلم الآثار ، وعلم التغذية ، والكيمياء الزراعية ، والتخليق الكيميائي ، وعلم المعادن ، والهندسة الكيميائية ، وعلم المواد .

في عصر " البيانات الضخمة "، أصبحت الكيمياء التحليلية، إلى جانب علم القياسات الكيميائية والمعلوماتية الحيوية ، أساسيةً لتفسير النتائج المعقدة لتقنيات الإنتاجية العالية مثل كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GCMS)، والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء ، ومطياف الكتلة بالبلازما المقترنة حثيًا ، ومطياف الكتلة عالي الدقة . ^{[ 1 ]} كما يوجد اتجاه قوي نحو التصغير والأتمتة وتطوير أجهزة استشعار تشخيصية فورية عند نقطة الرعاية. ^{[ 2 ]}

لطالما حظيت الكيمياء التحليلية بأهمية بالغة منذ بدايات علم الكيمياء، إذ وفرت طرقًا لتحديد العناصر والمواد الكيميائية الموجودة في العينة المدروسة. وخلال هذه الفترة، شملت الإسهامات البارزة في الكيمياء التحليلية تطوير التحليل العنصري المنهجي على يد جوستوس فون ليبيغ ، والتحليل العضوي المنهجي القائم على التفاعلات المحددة للمجموعات الوظيفية. ^{[ 3 ]}

كان أول تحليل آلي هو قياس الطيف الانبعاثي باللهب ، الذي طوره روبرت بونسن وجوستاف كيرشوف ، اللذان اكتشفا الروبيديوم (Rb) والسيزيوم (Cs) في عام 1860. ^{[ 4 ]}

حدثت معظم التطورات الرئيسية في الكيمياء التحليلية بعد عام 1900. وخلال هذه الفترة، أصبح التحليل الآلي مهيمناً بشكل متزايد في هذا المجال. وعلى وجه الخصوص، تم اكتشاف العديد من التقنيات الطيفية والقياس الطيفي الأساسية في أوائل القرن العشرين، وتم تطويرها في أواخر القرن العشرين. ^{[ 5 ]}

تتبع علوم الفصل مسارًا زمنيًا مشابهًا للتطور، وقد تحولت أيضًا بشكل متزايد إلى أجهزة عالية الأداء. ^{[ 6 ]} في سبعينيات القرن الماضي، بدأ استخدام العديد من هذه التقنيات معًا كتقنيات هجينة لتحقيق توصيف كامل للعينات.

ابتداءً من سبعينيات القرن العشرين، أصبح علم الكيمياء التحليلية أكثر شمولاً للمسائل البيولوجية ( الكيمياء التحليلية الحيوية )، بعد أن كان يركز سابقاً بشكل كبير على الجزيئات غير العضوية أو الجزيئات العضوية الصغيرة . وقد ازداد استخدام الليزر كأدوات بحث، بل وحتى لبدء مجموعة واسعة من التفاعلات والتأثير عليها. كما شهد أواخر القرن العشرين توسعاً في تطبيق الكيمياء التحليلية من المسائل الكيميائية الأكاديمية إلى مسائل الطب الشرعي ، والبيئة ، والصناعة، والطب ، كما هو الحال في علم الأنسجة . ^{[ 7 ]}

يهيمن التحليل الآلي على الكيمياء التحليلية الحديثة، حيث يركز العديد من الكيميائيين التحليليين على نوع واحد من الأجهزة. ويميل الأكاديميون إما إلى التركيز على التطبيقات والاكتشافات الجديدة أو على أساليب التحليل الجديدة. فعلى سبيل المثال، قد يساهم الكيميائي التحليلي في اكتشاف مادة كيميائية موجودة في الدم تزيد من خطر الإصابة بالسرطان. وقد تتضمن الجهود المبذولة لتطوير أسلوب جديد استخدام ليزر قابل للضبط لزيادة دقة وحساسية أسلوب قياس الطيف. وبعد تطوير العديد من الأساليب، تُحفظ ثابتة عمدًا لتمكين مقارنة البيانات على مدى فترات زمنية طويلة. وينطبق هذا بشكل خاص على ضمان الجودة الصناعية ، والطب الشرعي، والتطبيقات البيئية. وتلعب الكيمياء التحليلية دورًا متزايد الأهمية في صناعة الأدوية، حيث تُستخدم، إلى جانب ضمان الجودة، في اكتشاف مرشحين جدد للأدوية وفي التطبيقات السريرية التي يُعد فيها فهم التفاعلات بين الدواء والمريض أمرًا بالغ الأهمية. ^{[ 8 ]}

لقد تميز القرن الحادي والعشرون برقمنة الكيمياء التحليلية. وقد جعلت معالجة مجموعات البيانات الضخمة ("البيانات الكبيرة") من أجهزة مثل مطياف الكتلة أوربيتراب، تحليل البيانات المتقدم، بما في ذلك التعلم الآلي ، مهارة أساسية. ^{[ 9 ]} كما يركز هذا العصر بشدة على الاستدامة ، مما أدى إلى ظهور فرع الكيمياء الخضراء ، وهو الكيمياء التحليلية الخضراء، التي تهدف إلى تقليل الأثر البيئي للتحليلات الكيميائية. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

على الرغم من أن الكيمياء التحليلية الحديثة تعتمد بشكل أساسي على الأجهزة المتطورة، إلا أن جذورها وبعض المبادئ المستخدمة في هذه الأجهزة تعود إلى تقنيات تقليدية، لا يزال الكثير منها مستخدماً حتى اليوم. وتشكل هذه التقنيات أيضاً الركيزة الأساسية لمعظم مختبرات الكيمياء التحليلية التعليمية لطلاب البكالوريوس.

أدى الكم الهائل من البيانات التي تنتجها الأجهزة التحليلية الحديثة إلى جعل تحليل البيانات الحاسوبي جزءًا لا يتجزأ من هذا المجال. يستخدم مجال الكيمياء القياسية الأساليب الإحصائية والرياضية لتصميم إجراءات تجريبية مثلى واستخلاص معلومات ذات مغزى من البيانات الكيميائية. ^{[ 34 ]}

تشمل المجالات الرئيسية ما يلي:

• المعايرة متعددة المتغيرات: تُستخدم لتطوير نماذج تربط استجابات الجهاز (مثل الأطياف) بتركيزات المادة المراد تحليلها، وهي ضرورية في تقنيات مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء القريبة. ^{[ 35 ]}
• التعرف على الأنماط: يستخدم لتصنيف العينات بناءً على خصائصها التحليلية، مع تطبيقات في التحقق من أصالة الأغذية والتشخيص الطبي.
• التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي : تُستخدم هذه التقنيات بشكل متزايد في النمذجة التنبؤية، وتحسين الأساليب التحليلية، وأتمتة تفسير البيانات. ^{[ 36 ]}

يمكن تعريف الخطأ بأنه الفرق العددي بين القيمة المرصودة والقيمة الحقيقية. ^{[ 37 ]} ويمكن تقسيم الخطأ التجريبي إلى نوعين: الخطأ المنهجي والخطأ العشوائي. ينجم الخطأ المنهجي عن خلل في المعدات أو تصميم التجربة، بينما ينجم الخطأ العشوائي عن متغيرات غير مضبوطة أو لا يمكن التحكم بها في التجربة. ^{[ 38 ]}

في حالة الخطأ، يمكن ربط القيمة الحقيقية والقيمة المرصودة في التحليل الكيميائي ببعضهما البعض من خلال المعادلة

${\displaystyle \varepsilon _{\rm {a}}=|x-{\bar {x}}|}$

أين

• ${\displaystyle \varepsilon _{\rm {a}}}$هذا هو الخطأ المطلق.
• ${\displaystyle x}$هي القيمة الحقيقية.
• ${\displaystyle {\bar {x}}}$هي القيمة المرصودة.

خطأ القياس هو مقياس عكسي لدقة القياس (أي كلما قل الخطأ زادت دقة القياس).

يمكن التعبير عن الأخطاء بشكل نسبي. بالنظر إلى الخطأ النسبي (${\displaystyle \varepsilon _{\rm {r}}}$):

${\displaystyle \varepsilon _{\rm {r}}={\frac {\varepsilon _{\rm {a}}}{|x|}}=\left|{\frac {x-{\bar {x}}}{x}}\right|}$

ويمكن أيضاً حساب نسبة الخطأ:

${\displaystyle \varepsilon _{\rm {r}}\times 100\%}$

لاستخدام هذه القيم في دالة، قد يكون من المفيد حساب خطأ الدالة. إذا${\displaystyle f}$هي دالة مع${\displaystyle N}$يجب حساب انتشار عدم اليقين في المتغيرات لمعرفة الخطأ في${\displaystyle f}$:

${\displaystyle \varepsilon _{\rm {a}}(f)\approx \sum _{i=1}^{N}\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{i}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{i})=\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{1}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{1})+\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{2}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{2})+\ldots +\left|{\frac {\partial f}{\partial x_{N}}}\right|\varepsilon _{\rm {a}}(x_{N})}$

يُعدّ تعظيم الإشارة المطلوبة مع تقليل الضوضاء المصاحبة لها أحد أهم مكونات الكيمياء التحليلية . ^{[ 42 ]} يُعرف مقياس الجدارة التحليلي بنسبة الإشارة إلى الضوضاء (S/N أو SNR).

يمكن أن ينشأ الضجيج من العوامل البيئية وكذلك من العمليات الفيزيائية الأساسية.

الضوضاء البيئية

ينشأ الضجيج البيئي من محيط الجهاز التحليلي. تشمل مصادر الضجيج الكهرومغناطيسي خطوط نقل الطاقة ، ومحطات الراديو والتلفزيون، والأجهزة اللاسلكية ، ومصابيح الفلورسنت المدمجة ^{[ 45 ]،} والمحركات الكهربائية . تتميز العديد من هذه المصادر بنطاق ترددي ضيق، وبالتالي يمكن تجنبها. قد يتطلب الأمر عزل درجة الحرارة والاهتزازات لبعض الأجهزة. ^{[ 46 ]}

للكيمياء التحليلية تطبيقات في مختلف مجالات العلوم والصناعة. فهي أساسية في علم الأدلة الجنائية (مثل بصمة الحمض النووي وعلم السموم)، والتحليل الحيوي (مثل قياس تركيزات الأدوية في الدراسات الحركية الدوائية)، والتحليل السريري (مثل مراقبة مستوى الجلوكوز في الدم واختبار تفاعل البوليميراز المتسلسل للكشف عن فيروس كوفيد-19 )، والرصد البيئي (مثل اختبار الملوثات في الماء والهواء)، وعلم المواد (مثل مراقبة جودة أشباه الموصلات والمواد النانوية). ^{[ 47 ]}

تُبذل جهودٌ حثيثةٌ لتصغير تقنيات التحليل إلى حجم الرقاقة . ورغم قلة الأمثلة على هذه الأنظمة التي تُنافس تقنيات التحليل التقليدية، إلا أن مزاياها المحتملة تشمل الحجم/سهولة النقل، والسرعة، والتكلفة. يُعرف هذا النظام بنظام التحليل الكلي المصغر (μTAS) أو المختبر على رقاقة . تُقلل الكيمياء على المستوى المصغر من كمية المواد الكيميائية المستخدمة. ^{[ 48 ]}

تُسهم العديد من التطورات في تحسين تحليل الأنظمة البيولوجية. ومن أمثلة المجالات سريعة التوسع في هذا المجال: علم الجينوم ، وتسلسل الحمض النووي ، والأبحاث ذات الصلة في البصمة الوراثية ومصفوفات الحمض النووي الدقيقة ؛ وعلم البروتينات ، وهو تحليل تركيزات البروتينات وتعديلاتها، لا سيما استجابةً لمختلف الضغوطات، وفي مراحل النمو المختلفة، أو في أجزاء مختلفة من الجسم؛ وعلم الأيض ، الذي يُعنى بالمستقلبات؛ وعلم النسخ ، بما في ذلك الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) والمجالات المرتبطة به؛ وعلم الدهون ، الذي يُعنى بالدهون والمجالات ذات الصلة بها؛ وعلم الببتيدات، الذي يُعنى بالببتيدات والمجالات ذات الصلة بها؛ وعلم المعادن، الذي يُعنى بتركيزات المعادن، ولا سيما ارتباطها بالبروتينات والجزيئات الأخرى. ^{[ 49 ]}

لعبت الكيمياء التحليلية دوراً حاسماً في فهم العلوم الأساسية وتطبيقاتها العملية المتنوعة، مثل التطبيقات الطبية الحيوية، والرصد البيئي ، ومراقبة جودة التصنيع الصناعي، وعلم الأدلة الجنائية. ^{[ 50 ]}

أدت التطورات الحديثة في مجال أتمتة الحواسيب وتقنيات المعلومات إلى توسيع نطاق الكيمياء التحليلية لتشمل العديد من المجالات البيولوجية الجديدة. فعلى سبيل المثال، شكلت أجهزة تسلسل الحمض النووي الآلية أساسًا لإنجاز مشاريع الجينوم البشري، مما أدى إلى ظهور علم الجينوم . كما فتح تحديد البروتينات وتسلسل الببتيدات باستخدام مطياف الكتلة مجالًا جديدًا في علم البروتينات . وبالإضافة إلى أتمتة عمليات محددة، تُبذل جهود لأتمتة أقسام أكبر من الاختبارات المعملية، كما هو الحال في شركات مثل Emerald Cloud Lab وTranscriptic. ^{[ 51 ]}

لطالما شكلت الكيمياء التحليلية مجالاً لا غنى عنه في تطوير تقنية النانو . تمكّن أجهزة توصيف الأسطح، والمجاهر الإلكترونية ، ومجاهر المسح المجهري العلماء من تصوير البنى الذرية مع تحديد خصائصها الكيميائية. ^{[ 52 ]}

• المسعر
• الكيمياء السريرية
• الكيمياء البيئية
• تحليل حزمة الأيونات
• قائمة طرق التحليل الكيميائي
• منشورات هامة في الكيمياء التحليلية
• قائمة طرق تحليل المواد
• عدم اليقين في القياس
• علم القياس
• التحليل المجهري
• تحليل التفاعلات النووية
• جودة النتائج التحليلية
• الكيمياء التحليلية الإشعاعية
• مطيافية التشتت العكسي لروذرفورد
• التحليل الحسي - في مجال علوم الأغذية
• الأجهزة الافتراضية
• نطاق العمل

• رسوم بيانية ورسوم متحركة توضح تطور الكيمياء التحليلية
• مطياف الامتصاص الذري ( aas)