Hóa phân tích là gì? Chức năng, phân loại, ứng dụng

Lĩnh vực nghiên cứu về các phương pháp định lượng thành phần hóa học cùng cấu trúc của các hợp chất hiện có trong chất phân tích được gọi là hóa phân tích.

Phân tích hoá học có thể xác định thuộc tính của một chất, bao gồm cấu trúc của chất đó bằng các nguyên tố và nhóm chức, cũng như cách các nguyên tố và nhóm chức đó được sắp xếp và kết nối với nhau (phân tích cấu tạo).

Để đánh giá thành phần định lượng của các yếu tố và hợp chất hóa học trong chất phân tích, phương pháp hóa phân tích được thực hiện và áp dụng các kỹ thuật phân tích định lượng.

Khoa học về các phương pháp và công cụ của phân tích hóa học, được gọi là hóa phân tích. Các công cụ trong đó bao gồm dụng cụ, thuốc thử và chất chuẩn. Hóa phân tích thường thay đổi cách thức và công cụ sử dụng, đưa ra những hướng mới và sử dụng những nguyên tắc mới, bao gồm cả những hiện tượng từ các lĩnh vực có từ xa xưa. Các phương pháp vật lý, như phương pháp quang phổ và vật lý hạt nhân, đóng vai trò quan trọng trong thực nghiệm phân tích hóa học hiện nay. Xác định cấu trúc hóa học là một mục tiêu quan trọng của hóa phân tích.

Để phân định giữa “phân tích hóa học” và “hóa học phân tích” cần thực hiện. Hóa học phân tích tập trung vào nghiên cứu về các phương pháp phân tích, trong khi phân tích hóa học tập trung vào sử dụng các phương pháp để xác định thành phần hóa học của chất phân tích trong thực tế.

Có sự phân định rõ ràng giữa các khái niệm ”kỹ thuật phân tích” và ”phương pháp phân tích”.

Để thu thập thông tin về thành phần hóa học của chất phân tích, chúng ta sử dụng các hiện tượng khoa học và áp dụng kỹ thuật phân tích tương ứng. Ví dụ như sử dụng kỹ thuật sắc ký lỏng hiệu năng cao hoặc kỹ thuật phổ cực để tiến hành phân tích.

Sử dụng kỹ thuật phân tích cụ thể để giải quyết một vấn đề phân tích là phương pháp xử lý. Phương pháp này có thể xác định, chứng minh rõ ràng và đánh giá toàn diện, để tìm ra thành phần của đối tượng được phân tích. Ví dụ, để phân tích nồng độ vitamin C, ta có thể sử dụng kỹ thuật phân tích phổ cực, trong khi để xác định hàm lượng phenol có trong nước sông, kỹ thuật sắc ký là phương pháp được áp dụng.

Có thể phân thành 3 lĩnh vực khoa học.

1. Xử lý những khía cạnh chung trong việc phân tích.2. Tìm ra những giải pháp mang tính hiệu quả cho từng vấn đề cụ thể.

Ví dụ: phát triển và hoàn thiện các lập luận liên quan đến các kỹ thuật phân tích.

Nghiên cứu các kỹ thuật phân tích.

3. Xử lý các tác vụ cụ thể của phân tích.

Ví dụ: việc thành lập chuyên ngành Hóa phân tích về các loại thuốc phòng chống dịch bệnh.

Phân tích chất lượng và phân tích số lượng là hai phần quan trọng của cấu trúc sâu của môn học này. Phân tích chất lượng tập trung vào việc xác định các thành phần có trong đối tượng phân tích, trong khi đó phân tích số lượng cung cấp thông tin về số lượng của tất cả hoặc từng thành phần.

Phân loại

1. Phân loại theo phương pháp phân tích đường lối.

Toàn thể – Chi tiết – Trực tiếp – Gián tiếp.

Phân rã – Không phân hủy – Gãy gập – Liên tục.

Phân loại được thực hiện dựa trên thể tích và khối lượng của chất được phân tích.

Phân tích thô: lượng mẫu thử chất rắn 0,1 – 1 g, lượng mẫu thử dung dịch từ 1 – 100.

Đánh giá về số lượng bán: lượng mẫu thử dao động từ 0,01 đến 0,1 g, trong khi dung dịch được sử dụng nằm trong khoảng từ 0,1 đến 0,3.

Phân tích vi lượng: khối lượng mẫu thử từ 0.001 đến 0.01 gam, dung dịch từ 0.01 đến 0.1.

Khảo sát vi mô vi chi tiết: mẫu thử có khối lượng từ 10-6 đến 10-12 gam, và chất lỏng có hàm lượng từ 10-3 đến 10-6.

Phân loại dựa trên tính chất của các thành phần của chất cần xác định.

Việc phân tích đồng vị là một lĩnh vực chuyên môn không được áp dụng phổ biến trong phân tích, tuy nhiên, nó lại thường xuất hiện trong nhiều ngành như vật lý, mỏ và sinh học. Ví dụ, việc xác định nồng độ của deuterium trong nước thường hay của oxy 18 trong hỗn hợp với oxy 16 phổ biến là một trong những ứng dụng của phương pháp phân tích đồng vị. Ngoài ra, phương pháp này còn rất hữu ích trong việc nghiên cứu các nguyên tố nhân tạo.

Để phân tích yếu tố (hạt nhân – ion), chúng ta cần xác định các yếu tố có trong vật thể nghiên cứu và số lượng của chúng là bao nhiêu.

Áp dụng kỹ thuật sắc ký, phân tích phân tử là quá trình tìm kiếm và xác định chất hóa học bằng cách đo khối lượng phân tử. Ví dụ, phân tích tổ hợp khí để xác định các thành phần chủ yếu trong không khí như Nitơ, Oxy, Carbon dioxide, Ozon và khí không có màu.

Để phân tích hóa hữu cơ, bên cạnh phân tích nguyên tố và phân tử, còn có một cách tiếp cận khác được gọi là phân tích nhóm chức. Ban đầu, phương pháp này sẽ xác định từng loại hữu cơ riêng biệt như carboxyl, hydroxyl, amin,… Để dễ dàng trong quá trình phân tích và giải thích.

Trong việc phân tích hóa học, chúng ta phải xác định số lượng và dạng của các thành phần cần được quan tâm trong mẫu phân tích. Ví dụ, chúng ta cần quan tâm đến mức độ oxy hóa của nguyên tố As (III) hoặc As (V), cũng như trạng thái hóa học của các nguyên tố khác như đồng trong chất. Chúng có thể có dạng oxyd, sulfit hoặc một hỗn hợp của những hợp chất này. Phân tích hóa học có nhiều điểm tương đồng với phân tích phân tử và tướng.

Phân tích tướng (pha) là việc phân tích các đối tượng trong hệ dị thể. Ví dụ, sunfit và oxyd kẽm có thể phân bố trong khóang chất không đồng thể và tạo thành các tướng khác nhau. Để xác định các hệ dị thể trong thành phần cấu trúc (các tướng) riêng biệt, ta sử dụng các phương pháp khác nhau. Các tướng này khác nhau về tính chất, cấu trúc vật lý và được phân tách bởi giới hạn bề mặt.

Phân loại theo bản chất lương pháp

Có thể phân loại theo thuộc tính của tính chất đo hoặc theo khả năng ghi nhận tín hiệu tương ứng.

Các phương pháp hóa học dựa trên các phản ứng hóa học, bao gồm phản ứng acid-base, oxy hóa-khử, kết tủa-hòa tan và tạo phức.

Các phương pháp vật lý dựa trên các hiện tượng và quá trình vật lý như phương pháp phân tích quang phổ, phương pháp đo màu sắc, và phương pháp nghiên cứu vật lý hạt nhân được xem là các phương pháp trong lĩnh vực hóa lý, vật lý.

Dựa trên các hiện tượng của cuộc sống như chuyển hóa chất, phát triển, kiềm chế của vi khuẩn, phương pháp sinh học đã được phát triển. Ví dụ, phương pháp phân tích vi khuẩn sử dụng quá trình chuyển hóa chất của vi khuẩn. Bằng cách sử dụng phương pháp vi khuẩn, con người có thể đo lường các loại thuốc kháng sinh, kháng nấm, vitamin,…

Phân tích định tính và phân tích định lượng

1. Phân tích định tính

Phân tích định tính là xác định các nguyên tố, các ion, các phân tử có trong thành phần chất phân tích.

Có rất nhiều cách tiếp cận để thực hiện phương pháp định tính, bao gồm sử dụng các kỹ thuật và phương pháp khác nhau như hóa học, vật lý và hóa lý.

a. Phương pháp hóa học

Các kỹ thuật hoá học là những phương pháp định lượng dựa trên những phản ứng hoá học. Trên thực tế, những kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong phân tích. Tuy nhiên, chúng có một số hạn chế như là: không phát hiện được một số lượng chất rất nhỏ, trong trường hợp cần phải tách chất ra khỏi các tạp chất và phải tách ở dạng tinh khiết thường rất khó khăn và đôi khi không thực hiện được.

b. Phương pháp vật lý và hóa lý

Các phương pháp sử dụng các thuộc tính vật lý của các chất cần phân tích được gọi là phương pháp vật lý và hóa học.

Các hợp chất bay hơi của một số nguyên tố hóa học như Na+ và K+ đã làm cho ngọn lửa đèn khí không màu trở nên có màu đặc trưng khi chúng được nhuộm màu bởi ngọn lửa.

Phương pháp so màu ngọn lửa: Ngọn lửa Na+ có màu vàng, K+ có màu tím, Ba2+ có màu xanh lục nhạt.

Các kỹ thuật như phân tích quang phổ hồng ngoại, đo quang (quang phổ hấp thụ), phổ cực, sắc ký và nhiều phương pháp khác được áp dụng để tiến hành các phân tích và đo lường.

Trong quá trình phân tích, việc sử dụng phương pháp vật lý và hóa lý là rất nhạy và chính xác. Tuy nhiên, để phân tách được các nguyên tố khó tách bằng cách sử dụng phương pháp hóa học, thiết bị phức tạp và đắt tiền cần phải được sử dụng. Không phải tất cả các cơ sở đều có thể trang bị các thiết bị này, cho nên phương pháp hóa học vẫn đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tích.

2. Phân tích định lượng

Phân tích định lượng là phương pháp cho phép xác định số lượng các thành phần của hợp chất hoặc hỗn hợp các chất. Tương phản với phân tích định tính, phân tích định lượng cho phép xác định chính xác hàm lượng của các thành phần riêng lẻ trong chất phân tích hoặc hàm lượng tổng của chất cần xác định trong mẫu nghiên cứu.

Các kỹ thuật được sử dụng trong phân tích số lượng:

a. Phương pháp phân tích hóa học

Phân tích khối lượng (phân tích trọng lượng).

Dựa trên phản ứng kết tủa của các chất cần xác định lượng với thuốc thử, phương pháp này được áp dụng. Kết tủa được tách ra khỏi dung dịch, sau đó được rửa thật kỹ và nung hoặc sấy khô trước khi cân. Từ khối lượng của kết tủa, ta có thể xác định khối lượng của chất cần xác định lượng.

Cách thức này tốn nhiều thời gian nhưng khá chính xác.

Phân tích theo thể tích (chuẩn hóa).

Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi và dựa trên các tác dụng phản ứng trung hòa, tạo phức, kết tủa, oxy hóa – khử. Phương pháp này dựa trên việc đo dung tích chính xác của dung dịch thuốc thử đã biết nồng độ để sử dụng cho phản ứng với chất cần được định lượng.

b. Phương pháp phân tích vật lý và hóa lý (phương pháp phân tích dụng cụ)

Phương pháp phân tích theo lĩnh vực vật lý.

Để xác định thành phần của hợp chất không cần sử dụng các phản ứng hóa học, ta có thể áp dụng các phương pháp phân tích định lượng. Các thông số liên quan đến các tính chất vật lý như hệ số khúc xạ, độ dẫn điện, nhiệt độ,… Có thể được đo lường để xác định thành phần của hợp chất.

Phương pháp hóa học.

Các phương pháp phân tích dựa trên sự biến đổi tính chất vật lý của một hệ cần được phân tích, sự thay đổi này xảy ra do các phản ứng hóa học xác định. Các phương pháp hóa lý, vật lý thường sử dụng: các phương pháp sắc ký, các phương pháp đo ánh sáng, phương pháp điện hóa, phổ cực, điện di,….

Các bước thực hiện của một phương trình phân tích

Bước 1: Mẫu thử – xác định vật thể.

Để phân tích mẫu thử, trước hết cần xác định rõ mục đích và yêu cầu phân tích, xem cần thu thập những thông tin nào và có tính chất định tính hay định lượng. Tiếp đó, lấy thông tin về mẫu thử, bao gồm phẩm chất của mẫu, nguồn gốc, phương pháp lấy mẫu, trạng thái và bảo quản của mẫu.

Bước hai: Chọn phương thức thích hợp.

Để đạt được kết quả phân tích tốt, phương pháp phân tích cần được lựa chọn dựa trên các thông tin có sẵn như: kích thước mẫu phân tích, công cụ phân tích, và yêu cầu phân tích. Sự lựa chọn phương pháp phân tích sẽ ảnh hưởng đến kết quả phân tích một cách quan trọng.

Bước 3: Thu thập mẫu thử.

Chọn mẫu đại diện có thành phần phản ánh đúng thành phần mẫu cần phân tích là bước quan trọng nhất trong cả quy trình phân tích. Sau đó, từ mẫu đại diện đã chọn, ta chuẩn bị mẫu làm thí nghiệm và phân tích theo yêu cầu.

B4: Tiến hành xử lý mẫu thử.

Bước quan trọng trong quá trình phân tích là loại bỏ các chất gây trở ngại khỏi hỗn hợp trước khi đo. Để tiến hành phân tích, mẫu thử cần được xử lý để thực hiện công việc này.

B5: Thực hiện việc đo lường các hợp chất phân tích.

Áp dụng các công cụ và thiết bị thích hợp để đo lường chất lượng cần phân tích.

B6: Xử lý dữ liệu và tính toán kết quả phân tích.

Để đánh giá tính đáng tin cậy của kết quả đo, các dữ liệu thu được sẽ được xử lý theo phương pháp thống kê. Các bước trong quá trình xử lý này liên quan chặt chẽ với nhau và có tác động lẫn nhau. Trong thực tế, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, quá trình xử lý có thể bị rút gọn hoặc bỏ qua một số bước, hoặc thực hiện đầy đủ theo trình tự chuẩn.

Hóa phân tích liên quan đến ngành khoa học khác

Hóa phân tích không chỉ đóng vai trò quan trọng trong ngành hóa học mà còn có mối liên hệ chặt chẽ với nhiều lĩnh vực khác như vật lý và kỹ thuật. Đa số các phương pháp phân tích hóa học được xây dựng dựa trên các kết quả của quang phổ (gồm quang học, phóng xạ…) Cùng với vật lý hạt nhân và nhiều lĩnh vực khác của vật lý.

Áp dụng những kiến thức từ các lĩnh vực hóa học như lý thuyết về cân bằng hóa học, điện hóa, động hóa học, hóa vô cơ, hóa hữu cơ, hóa keo và các phương pháp phân tích hóa học trên nền tảng, Hóa phân tích còn có liên hệ đến các lĩnh vực như toán học và sinh học.

Như vậy có thể nói rằng Hóa phân tích là đặc trưng của khoa học gồm nhiều ngành, khoa học liên quan.

Ứng dụng

Việc sử dụng phương pháp phân tích là rất quan trọng trong sự phát triển của nhiều môn khoa học tự nhiên như hóa học, địa chất, địa lý, khoáng vật học, vật lý, sinh học, sinh hóa, nông hóa và y dược học. Để thực hiện các công trình nghiên cứu khoa học trong những lĩnh vực này thì việc áp dụng các phương pháp phân tích là không thể thiếu. Nhờ thông tin được cung cấp bởi phân tích hóa học mà các nhà địa chất có thể tìm kiếm các khoáng chất. Đồng thời, kết quả phân tích máu cũng cho phép các thầy thuốc chẩn đoán được tình trạng sức khỏe của con người. Các nhà sinh lý học có thể nghiên cứu vai trò của các ion K+, Ca2+, Na+ trong dịch tế bào động vật thông qua việc định lượng chúng, nhờ đó, các cơ chế co và duỗi của các cơ cũng như sự dẫn truyền luồng thần kinh được giải thích rõ hơn. Các nhà hóa học có thể giải thích các cơ chế phản ứng hóa học thông qua việc nghiên cứu vận tốc phản ứng. Nhờ các phương pháp phân tích hiện đại, người ta có thể tổng hợp được nhiều chất hóa học mới.

Những xu hướng phát triển trong lĩnh vực hóa phân tích.

Để đáp ứng yêu cầu của ngành Hóa phân tích ngày càng tăng, các chuyên gia trong lĩnh vực này đang không ngừng hoàn thiện với sự phát triển của khoa học kỹ thuật tiên tiến. Để giải quyết được vấn đề này, cần phải giải quyết 5 thách thức sau:

A. Phân tích và giải quyết các vấn đề khó khăn trong lĩnh vực Hóa phân tích.

Để định rõ tình trạng cụ thể, cần phải xác minh những thông tin chi tiết như tính chất, số lượng, chất lượng và vai trò.

Thiết kế một quy trình phân tích dữ liệu.

Để triển khai một quy trình phân tích, cần xác định các tiêu chuẩn như độ chính xác, độ đúng, độ nhạy, chi phí, quy mô thực hiện và tiến độ thực hiện.

Phát hiện các thách thức. Chọn lựa cách thức thích hợp.

Thiết lập các chuẩn mực đánh giá. Phương pháp lấy mẫu.

C. Tiến hành và lấy thông tin.

Kiểm tra đồ dùng và trang bị.

Điều chỉnh chất lượng của thuốc thử.

Tập hợp thông tin.

D. Xử lí thông tin.

Thay đổi hoặc giảm thiểu dữ liệu. – Đánh giá kết quả.

Phân tích số liệu thống kê – Thể hiện kết quả.

E. Thực hiện đánh giá từ các tổ chức bên ngoài.

Thực hiện kiểm tra và đánh giá lại kết quả tại phòng thí nghiệm của một cơ sở ngoài.

Những yêu cầu đưa ra có thể không được giải quyết ngay đối với mỗi vấn đề, tùy thuộc vào tình trạng cụ thể của cơ sở. Tuy nhiên, từng giai đoạn giải quyết sẽ dần tiến tới mục tiêu hoàn thiện.

Tại Việt Nam, đã xuất hiện nhiều xí nghiệp sản xuất thuốc dược và liên doanh, cho thấy ngành Dược đang phát triển. Các phòng bào chế ở các khoa Dược trong các bệnh viện cũng đang phát triển không ngừng. Bên cạnh đó, nguồn cung cấp thuốc nhập khẩu từ các nước đang phát triển và phát triển rất đa dạng. Vì mục tiêu đảm bảo chất lượng thuốc sản xuất và nhập khẩu được đưa đến tay người tiêu dùng, công tác kiểm tra thuốc đang được chú trọng. Do đó, kiến thức về Hóa học phân tích rất quan trọng đối với các chuyên gia Dược sĩ. Ngoài công tác kiểm tra thuốc, các công việc khác trong các phòng thí nghiệm cũng đòi hỏi sự hiểu biết về Hóa học phân tích, bao gồm hóa dược, dược lý, dược liệu, dược lâm sàng, sinh hóa, độc chất,…