Analyse chimique

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La chimie analytique est l'étude de la composition chimique des matériaux naturels et artificiels. Les études de propriétés en chimie analytique comportent aussi bien les aspects géométriques comme les morphologies moléculaires et la distribution des espèces que la composition et l'identification de celle-ci. Au contraire des sous disciplines chimie inorganique et chimie organique , la chimie analytique n'est pas limitée à un type particulier de composé chimique ou de réaction. Les chimistes analystes ont contribué de manière importante tant à l'étude de concepts et de théories ( science pure) qu'à une variété d'applications pratiques comme les applications biomédicales, la surveillance de l'environnement, le contrôle de qualité de la production industrielle et la médecine légale.  
La chimie analytique  est une sous-discipline de la chimie qui a la large mission de comprendre la composition chimique de toute la matière et de développer les instruments et les expériences pour exécuter des mesures qualitatives et quantitatives. En général, la chimie analytique applique les principes de mesure scientifiques alliés à une connaissance des systèmes chimiques pour obtenir des informations utiles et il y a une superposition importante avec les autres branches de la chimie
Par exemple, le champ de la bio-analyse est un domaine de la chimie analytique en croissance qui répond à des questions de biochimie.
La chimie-physique expérimentale et la chimie analytique montrent des similarités dans le sens que tous les deux ont un objectif de mesure scientifique. . Quoiqu'il y ait des superpositions occasionnelles des deux disciplines, l'objectif des expériences en chimie physique est de déterminer comment l'énergie affecte un système chimique faisant des mesures cinétiques, thermodynamiques, et spectroscopiques., tandis que la chimie analytique utilise parfois ces mesures basées sur l'énergie pour déterminer des propriétés de la matière comme l'identité chimique et la quantité.
La chimie analytique est aussi dirigée vers le développement de schémas expérimentaux et vers la création de nouveaux instruments pour obtenir de meilleures informations chimiques.
Traditionnellement, la chimie analytique s'occupe de répondre aux questions « Quelles espèces chimiques sont-elles présentes?  Quelles sont leurs caractéristiques? Et en quelle quantité sont-elles présentes?» .Ces questions sont parfois incluses dans des questions plus dynamiques comme « Quelle est la réaction chimique  ou quel est le catalyseur?  Ou quelle est la vitesse de réaction ou quel est l'état de transition de la réaction?». L'étape logique suivante de la compréhension est ce que cela signifie, comment cela s'encadre dans un système plus grand, comment ce résultat peut être généralisé par une théorie ou comment on peut utiliser tous les résultats fournis par les méthodes analytiques. Les chimistes analytiques travaillent à améliorer la fiabilité des techniques existantes pour répondre à la demande de la société. Ils adaptent les méthodologies à de nouveaux types de matériaux ou pour répondre à de nouvelles questions sur leur composition. Ils engagent des recherches pour découvrir complètement des nouveaux principes de mesure et sont à l'avant-garde de l'utilisation à des fins pratiques des plus grandes découvertes comme le laser et le microchip . Ils ont donné des contributions importantes à d'autres domaines comme la médecine légale, l'archéologie et la science de l'espace.

  La chimie analytique moderne
  
 

        La chimie analytique moderne est dominée par l'analyse instrumentale. Beaucoup d'analystes s'occupent du même type d'instrument  mais ils recherchent de nouvelles applications ou de nouvelles méthodes d'analyse. La découverte d'une substance chimique dans le sang qui augmente le risque de cancer est une découverte qui implique un analyste. Un effort pour développer une nouvelle méthode peut comprendre l'utilisation d'un laser accordable pour augmenter la spécificité et la sensibilité d'une méthode spectrométrique. Beaucoup de méthodes , une fois développées, sont maintenues volontairement statiques pour permettre la comparaison des données sur une longue période. C'est particulièrement vrai dans l'assurance de qualité industrielle (AQ), dans les applications judiciaires et d'environnement. La chimie analytique joue un rôle important croissant dans l'industrie pharmaceutique où à côté de l'AQ , elle est utilisée dans la découverte de nouvelle molécules et en application clinique où la compréhension des interactions entre les médicaments et le patient est critique.

Histoire
        La chimie « analytique » a été importante dès les premiers jours de la chimie fournissant des méthodes pour la détermination quels éléments et produits chimiques était présents dans le monde autour de nous. Pendant cette période, des contributions importantes ont inclus le développement de l'analyse élémentaire systématique par Justus von Liebig et l'analyse organique systématique basée sur les réactions spécifiques des groupes fonctionnels. La première analyse instrumentale fut la spectrométrie d'émission de flamme développée par Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff qui découvrit le rubidium et le césium en 1860. La plus grande partie du développement de la chimie analytique eut lieu après 1900. Durant cette période, l'analyse instrumentale devint peu à peu dominante. En particulier, beaucoup de techniques basiques spectroscopiques et spectrométriques furent découvertes au début du 20e siècle et raffinées à la fin du siècle. Les sciences de séparations suivirent une chronologie semblable et se transformèrent en des instruments très performants. Vers 1970 , beaucoup de ces techniques commencèrent à être utilisées ensemble pour permettre une caractérisation complète de l'échantillon. À partir de 1970, la chimie analytique s'est progressivement dirigée vers l'analyse biologique. L'utilisation des lasers s'est amplifiée même pour initier et influencer certaines réactions. À la fin du 20e siècle, les recherches analytiques ont augmenté sur les questions judiciaires, d'environnement, industrielles et médicales comme l'histologie. La plus grande partie de la chimie analytique moderne peut être classés en fonction du but de l'analyse (problème ou le champ d'application), et des méthodes d'analyse utilisées. La revue Analytical Chemistry publie une revue des recherches récentes soit en fonction des éléments recherchés soit en fonction des méthodes d'analyse, en alternance par année.

Techniques d'analyse traditionnelles
        Quoique la chimie analytique moderne soit dominée par une instrumentation sophistiquée, la racine de l'analyse chimique et quelques-uns des principes utilisés dans l'instrumentation moderne proviennent de techniques traditionnelles qui sont encore utilisées aujourd'hui. Ces techniques tendent aussi à être la colonne dorsale de beaucoup de laboratoires de chimie analytique. Voici quelques-unes: 

  Titrage
        Le titrage est l'addition d'un réactif à une solution à analyser jusqu´à ce qu' un point d'équivalence soit atteint. Le plus connu au collège de chimie est le titrage acide-base comprenant un indicateur qui change de couleur..Il y a plusieurs types de titrage par exemple les titrages potentiométriques. Ces titrages peuvent utiliser différents types d'indicateurs pour atteindre des points d'équivalence différents.    

Gravimétrie
        La gravimétrie est la détermination de la quantité de matériel présent par pesage de l'échantillon avant et après une transformation. Un exemple commun est la détermination de la teneur en eau dans un hydrate en chauffant l'échantillon et le pesant avant et après cette opération.

L'analyse qualitative inorganique 

        L'analyse qualitative inorganique , en général, est un schéma systématique pour confirmer, en solution aqueuse, la présence d'ions ou d'éléments en exécutant une série de réactions qui éliminent diverses possibilités et ensuite confirmant les ions qui sont supposés présents avec des tests spécifiques. Avec l'instrumentation moderne, ces tests sont rarement utilisés mais peuvent l'être à titre d'éducation ou dans des situations où l'instrument n'est pas disponible.

L'analyse instrumentale
Spectroscopie 
        La spectroscopieSpectrométrie de masse, mesure les interactions des molécules avec les radiations électromagnétiques. La spectroscopie consiste en diverses applications telles que la spectrométrie d'absorption atomique, la spectrométrie d'émission atomique, la spectrométrie visible- ultraviolet, la spectroscopie de fluorescence-X, la spectrométrie infrarouge, la spectroscopie Raman ,la spectroscopie de résonance nucléaire, la spectroscopie de photo émission, la spectroscopie Mössbauer et ainsi de suite..  

Spectrométrie de masse.   
        La spectrométrie de masse mesure le rapport entre la masse  et la charge des molécules en utilisant des champs électriques et magnétiques. Il existe plusieurs méthodes d'ionisation: impact électronique, ionisation chimique, electrospray, le bombardement d'atomes rapides, désorption-ionisation laser assistée par matrice , et autres. Aussi, la spectrométrie de masse est classée par types d'analyseurs de masse. Il existe des analyseurs

à basse résolution : le quadripôle ou quadrupôle (Q), le piège à ions 3D (IT) ou linéaire (LIT),
à haute résolution, permettant de mesurer la masse exacte des analytes : le secteur magnétique couplé à un secteur électrique, le temps de vol (TOF), la résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FTICR) et l'Orbitrap.

Cristallographie
        La cristallographie est une technique qui caractérise la structure chimique des matériaux jusqu'au niveau atomique par l'analyse des spectres de diffraction des rayons X  déviés par des atomes dans la matière. À partir des données brutes, la position relative des atomes dans l'espace peut être déterminée.

Analyse électrochimique 
        Les méthodes électroanalytiques mesurent le  potentiel (volts) et / ou le courant (ampères) dans une cellule électrochimique contenant l'analyte. Ces méthodes peuvent être classés en fonction de la manière de contrôler la cellule et de ce qui est mesuré. Les trois principales catégories sont la potentiométrie (on mesure une différence de potentiel), la coulométrie (le courant de la cellule est mesuré en fonction du temps), et voltamétrie (le courant de la cellule est mesuré en fonction de variations du potentiel.) 

 Analyse Thermique 
          La calorimétrie et l'analyse thermogravimétrique mesurent  l'interaction entre un matériau et la chaleur.

  Séparations   
         Les procédés de séparation sont utilisés pour diminuer la complexité des mélanges de matériaux. La .chromatographie et l'électrophorèse sont représentatifs de ce domaine.

  Techniques couplées
         Des combinaisons de ces techniques produisent des techniques couplées .Elles sont très utilisées aujourd'hui et de nouvelles techniques couplées sont en développement.
Par exemple, la chromatographie gazeuse / spectrométrie de masse, LC-MS, GC-IR, LC-RMN, LC-IR, CE-MS, et ainsi de suite.   Les techniques de séparation couplées utilisent  une combinaison de deux (ou plus) des techniques pour détecter  des produits chimiques et les séparer à partir d'une solution. Le plus souvent, l'autre technique est une forme de chromatographie. Des techniques couplées sont largement utilisés en chimie et en biochimie.
Une barre oblique est parfois utilisée à la place de trait d'union, surtout si le nom de l'une des méthodes de lui-même contient un trait d'union.   Exemples de techniques couplées:   LC-MS (ou HPLC-MS)   CLHP / ESI-MS   LC-DAD   CE-MS   CE-UV   GC-MS   LC-IR  

Microscopie
        La visualisation de molécules , de cellules individuelles, de tissus biologiques et nano-matériaux micro est très importante et une approche attrayante  de la science analytique.  Le couplage  avec d'autres outils traditionnels d'analyse est en train de révolutionner la science analytique. La microscopie peut être classée en trois domaines différents: la microscopie optique, la microscopie électronique, et microscopie à sonde locale. Ce domaine progresse rapidement en raison du développement  de l'informatique et de l'industrie des  caméras

Le laboratoire sur puce  
        Ce sont des appareils  qui intègrent des multiples fonctions de laboratoire sur une seule puce de quelques millimètres seulement à quelques centimètres carrés et qui sont capables de traiter de très faibles volumes jusqu'à  moins de un pico litre de liquide.

  Courbe standard
         Une méthode standard pour l'analyse de la concentration comporte la création d'une courbe d'étalonnage. Cela permet de déterminer la quantité d'un produit chimique dans un matériau en comparant les résultats de l'échantillon inconnu avec ceux d'une série de standards connus. Si la concentration de l'élément ou le composé dans un échantillon est plus élevée que la gamme de détection de la technique, il peut être simplement dilué dans le solvant pur. Si la teneur dans  l'échantillon est inférieure au seuil de détermination l' instrument de mesure, la méthode d'addition peut être utilisé. Dans cette méthode une quantité connue de l'élément ou composé mesuré est ajoutée, et la différence entre la concentration ajoutée, et la concentration observée est la  teneur réelle  dans l'échantillon.

  Standards internes
          Parfois, un étalon interne de concentration  connue est ajouté directement à un échantillon  pour aider à le quantifier. Le montant de l'analyte présent est alors déterminé par rapport à l'´étalon interne.

Tendances futures
           La recherche en chimie analytique est largement déterminée par les performances (sensibilité, la sélectivité, la robustesse, la plage linéaire, l'exactitude, la précision et vitesse), et le coût (achat, fonctionnement, formation, temps et espace). Parmi les principales branches de la spectrométrie atomique analytique contemporaine, les plus répandues et universelles sont la spectrométrie optique et la spectrométrie de masse.

        En analyse élémentaire directe d'échantillons solides, les nouveaux leaders sont le spectromètre de plasma induit par laser et ablation et les techniques liées au transfert des produits d'ablation par laser dans le plasma à couplage inductif.   Des progrès dans la conception des lasers à diode et des oscillateurs paramétriques favorisent les développements en spectrométrie de fluorescence et ionisation aussi que les techniques d'absorption où l'utilisation de cavités optiques pour l'augmentation effectif du chemin optique. Des progrès constants et une croissance sont perceptibles dans les méthodes basées sur l'application du plasma et laser.  Un intérêt vers l'analyse absolue (sans standards) se renouvelle, en particulier en  spectrométrie d'émission.   Beaucoup d'efforts sont dépensés pour réduire les techniques d'analyse de la taille de la puce. Bien qu'il existe peu d'exemples de tels systèmes en concurrence avec les techniques d'analyse traditionnelles, les avantages potentiels en sont notamment la taille / la portabilité, la rapidité et le coût. La chimie en échelle micrométrique réduit les  quantités de produits chimiques utilisés.   Beaucoup d'efforts sont également déployés dans l'analyse des systèmes biologiques.Exemples de domaines en plein essor dans ce domaine sont les suivants: 

Génomique - séquençage de l'ADN et les recherches connexes. Les empreintes génétiques et les puces à ADN sont des outils très populaires et des champs de recherche.  
Protéomique - l'analyse des concentrations des protéines et des modifications, notamment en réponse aux différents stress, à différents stades de développement, ou dans diverses parties du corps.  
Métabolomique - semblable à la protéomique, mais traitant de métabolites.  
Transcriptome-ARNm et son champ associé  
Lipidomique - lipides et son champ associé  
Peptidomique - peptides et son champ associé  
Metalomique - semblable à la protéomique et la métabolomique, mais traitant des concentrations en métaux et en particulier de leurs liaisons  avec les  protéines et d'autres molécules.
 
        La chimie analytique a joué un rôle essentiel depuis la  compréhension de la science fondamentale jusqu'à une variété d'applications pratiques, telles que les applications biomédicales, la surveillance de l'environnement, le contrôle qualité de la fabrication industrielle, la science médico-légale et ainsi de suite.   Les récents développements de l'automatisation informatisée et des technologies de l'information ont impulsionné la chimie analytique pour lancer dans un certain nombre de nouveaux champs biologiques. Par exemple, les machines automatiques de séquençage d'ADN ont été la base de projets sur le génome humain complet menant à la naissance de la génomique. L'identification des protéines et le séquençage de peptides par spectrométrie de masse a ouvert un nouveau champ de la protéomique. En outre, un certain nombre de ~ omique basée sur la chimie analytique sont devenus des zones importantes de la biologie moderne.   Aussi, la chimie analytique est un domaine indispensable dans le développement de la nanotechnologie. Des instruments de caractérisation de surface, des microscopes électroniques et des microscopes à balayage de sonde permettent aux scientifiques de visualiser des structures atomiques avec des caractérisations chimiques.  

        La chimie analytique poursuit le développement d'applications pratiques et des instruments commerciaux plutôt que de l'élucidation des lois scientifiques. Parmi les champs de recherche contemporaine actifs en chimie analytique, les  micro-systèmes d'analyse total sont considérés comme une grande promesse de la technologie révolutionnaire. Dans cette approche,  des systèmes d'analyse intégrés et miniaturisés  sont en cours de développement pour contrôler et analyser les cellules et des molécules simples. Cette technologie de pointe a le potentiel prometteur de provoquer  la même  nouvelle révolution dans la science que les circuits intégrés ont provoqués  dans les développements informatiques.

inspiré de cet article

publié le 20 février 2010  dernière modification 26/06/2010