ECTS - University of Pisa
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ANALYTICAL CHEMISTRY III
ILARIA BONADUCE
Academic year2023/24
CourseCHEMISTRY
Code177CC
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
CHIMICA ANALITICA IIICHIM/01LEZIONI48
ILARIA BONADUCE unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Al termine del corso avrá acquisito conoscenze relative a:

  • approcci analtici, agli strumenti e alle metodologie per lo studio di materiali organici e inorganici in matrici complesse
  • tecniche di analisi di superficie, e di analisi in bulk.
  • tecniche di microscopia che impiegano radiazioni visibili e non per l'indagine del campione
  • scelta ragionata della tecnica analitica appropriata per la caratterizzazione di un campione complesso di tipo inorganico e organico, sulla base della natura dell'oggetto di indagine, della tipologia di campione, alla natura del problema analitico e della tipologia di informazione richiesta.
Knowledge
  • analytical approaches, tools and methodologies for the study of organic and inorganic materials in complex matrices
  • surface and bulk analysis techniques.
  • microscopy techniques that use visible and non-visible radiation for the sample investigation
  • choice of the appropriate analytical technique for the characterization of a complex inorganic and organic samples, on the basis of the nature of the object of investigation, the type of sample, the nature of the analytical problem and the type of information required.
Modalità di verifica delle conoscenze

La verifica delle conoscenze sarà oggetto della valutazione di un esame orale
Assessment criteria of knowledge

Knowledge will be assesed based on a final oral exam
Capacità

Al termine del corso:

  • lo studente sarà in grado di comprendere le potenzialità e limitazioni delle tecniche studiate
  • lo studente sarà in grado di affrontare la caratterizzazione di materiali organici e inorganici
  • lo studente sarà in grado di determinare quale tecnica e quale approccio analitico impiegare per la caratterizzazione chimica di campioni complessi, contenenti miscele di materiali organici – naturali e sintetici- e materiali inorganici

 
Skills
  • the student will be able to understand the potential and limitations of the techniques studied
  • the student will be able to undertake the characterization of organic and inorganic materials
  • the student will be able to determine which technique and analytical approach to use for the chemical characterization of complex samples containing mixtures of organic - natural and synthetic materials - and inorganic materials

 
Modalità di verifica delle capacità

La verifica delle capacità sarà oggetto della valutazione dell'esame orale
Assessment criteria of skills

Skills will be assessed based on a final oral exam
Comportamenti

Lo studente acquisirà una comprensione degli aspetti da prendere in considerazione nella scelta di un approccio analitico per la soluzione di un problema
Behaviors

The student will acquire knowledge on the aspectc to be taken into consideration to devise the analytical approach to be used for the solution of a problem
Modalità di verifica dei comportamenti

sarà oggetto della valutazione dell'esame orale
Assessment criteria of behaviors

Behaviours will be assessed during the final exam
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Conoscenza dei principi di base di spettroscopia infrarossa e UV-vis, cromatografia e basi di spettrometria di massa. Conoscenza della chimica di glicerolipidi, proteine, polisaccaridi, cenni sui polimeri di sintesi.
Prerequisites

Knowledge on working principles of infrared and UV-vis spectroscopies, chromatography and base knowledge of mass spectrometry. Knowledge of the chemistry of glycerolipids, proteins, polysaccharides, and synthetic polymers.
Indicazioni metodologiche
  • le lezioni sono frontali - quando necessario attraverso piattaforme Teams , con ausilio di slide e filmati
  • occasionalmente il corso si avvale di seminari di personale esterno esperto di problematiche rilevanti al corso
  • il materiale didattico verrà reso disponibile sito di elearning del corso
  • ricevimenti, Teams. e posta elettronica sono comunemente adottati come mezzo di comunicazione docente-studenti
  • il docente è disponibile a sostenere il corso, o alcune sue parti, in lingua inglese, qualora fosse richiesto dalla classe

 
Teaching methods
  • Lessons with the support of slides and movie clips
  • Occasionally the course will have seminars on relevant topics by experts in the field
  • the teaching material will be available on the course e-learning site
  • Teams, meetings, and e-mails are commonly used as a teacher-student communication means
  • Lectures can be given in English

 
Programma (contenuti dell'insegnamento)
  1. Introduzione alla chimica analitica. Il problema analitico: analisi quantitative, analisi di caratterizzazione e analisi fondamentali. La questione del campione e della natura del campione nel determinare la scelta dell'approccio analitico. Cenni sulla questione dell'analisi dei dati.
  2. Cenni sulla rivelazione di materiale genetico virale, tramite RT-PCR. Cenni su saggi immunoenzimatici -ELISA diretta, indiretta, sandwich e competitiva
  3. Interazione luce materia (assorbimento, scattering, diffrazione, riflessione e rifrazione). Indice di rifrazione. Legge di Snell. Riflessione totale. Dispersione della luce. Riflettivitá.
  4. Microscopia ottica. obiettivo e condensatore di un microscopio ottico. fattori che influenzano la generazione di una immagine in microscopia ottica. Microscopia a luce trasmessa in campo chiaro e in campo scuro. Microscopia in luce riflessa in campo chiaro e in campo scuro. Microscopia a luce polarizzata. Risoluzione di un microscopio ottico e apertura numerica di un microscopio.
  5. Fattori che determinano un colore: sorgenti luminose (sistema sottrattivo). Fattori che determinano un colore: sensibilitá del sistema ricevente. Occhio. Visione umana, sensibilitá spettrale di coni e bastoncelli. Teorie della visione del colore: Teoria Tricromatica e Teoria della Opponenza. Sistemi per rivelazione e imaging di immagini nel visibile. Diodi, polarizzazione diretta e polarizzazione inversa. Fotodiodi. Dispositivi CCD- cenni di funzionamento e resa del colore. Fattori che determinano il colore: interazione luce materia. Riflettanza diffusa. Principio alla base della produzione dello stimolo di colore (sistema additivo e sottrattivo). Il colore e la sua misura. Legge di Grassmann. Colorimetria. Colour matching. Colour difference. gli attributi del colore (tinta, saturazione, luminositá).Valori tristimolo, coordinate cromatiche lunghezza d'onda dominante. Misurazione del colore tramite spettrofotometro e colorimetro. FORS: Fiber Optics Reflectance Spectroscopy. Trasformata di Kubelka Munch per analisi in riflettanza diffusa. Metodi di documentazione nel visibile, e fluorescenza UV. Reflection Visible Light Imaging Microspectroscopy.
  6. Spettroscopia infrarossa. Sorgenti, rivelatori, contenitori per campioni. I detector a semiconduttori: MCT. Strumentazione per spettrofotometria infrarossa in dispersione, e spettrofotometria infrarossa in trasformata di Fourier. Interferometro di Michelson. La trasformata di Fourier. Vantaggi di Fellgett, Jacquinot e Connes. Frequenze infrarosso di uso analitico: vicino, medio e lontano infrarosso. Considerazioni sulle informazioni che si possono ottere dall'analisi di uno spettro infrarosso. Modalitá di lavoro in IR: trasmittanza e riflettanza. Trasmittanza: set-up strumentale, preparazione del campione, e analisi dei dati (trasmittanza e assorbanza). Riflettanza: distinzione tra la riflettanza diffusa e quella speculare. Riflettanza diffusa (DRIFT): set-up strumentale, preparazione del campione e analisi dei dati (trasformata di Kubelka Munk). DRIFT con strumentazione portatile per analisi in situ di superfici opache. Riflettanza speculare. set-up strumentale. La qustione dell'indice di rifrazione e comportamento alla frequenza di assorbimento. analisi dei dati: trasformata di Kramers Kronig. FTIR in trasflettanza. Riflettanza totale attenuata, onda evanescente, e modalità di lavoro. imaging e mapping. Micro FTIR in trasmissione. Micro-FTIR in riflessione speculare e in ATR. Set-up strumentale, tipologia di campioni e risoluzione. Cenni su termografia, acqusizioni di immagini multispettrali, tricromia in falso colore, riflettografia infrarossa, imaging multispettrale e imaging iperspettrale.
  7. Analisi di superficie che impiegano i raggi X. Effetto fotoelettrico. XRF: Fluorescenza X. nomenclatura livelli elettronici nelle tecniche che impiegano i raggi X, nomenclatura transizioni fluorescenti. assorbimento fotoelettrico e resa di fluorescenza. strumentazione per XRF: tubi a raggi X, sorgenti radiative, strumentazione a dispersione di lunghezze d'onda WDXRF. scintillator e detector proporzionali al flusso di fotoni. XRF con rivelazione a dispersione di energia. Rivelatori a semiconduttore. single photon counting. cenni all'analisi quantitativa con XRF. vantaggi e limitazioni della tecnica. X ray fluorescence microscopy. Micro X-ray fluorescence. ottiche policapillari (riflessione totale esterna). Macro X-ray fluorescence. X-ray phtoelectron spectroscopy. Prinicpio del metodo. Energia di legame del fotoelettrone, chemical shift. Analisi di superficie, e analisi di profilo: sputtering. Strumentazione, cenni. considerazione su analisi qualitative e quantitative tramite XPS. Spettroscopia Auger. Principio, nomenclatura delle transizioni e chemical shift. Impiego analitico. Uso del cannone elettronico per l'indagine del campione e conseguenze in termini di risoluzione laterale. risoluzione di profonditá di tecniche XPS, XRF e AEF. Tecniche radiografiche e tomografia computerizzata. cenni su set-up strumentale per micro CT e per microscopia di raggi X.
  8. Diffrazione dei raggi X. Principio del metodo, cenni di geometria stumentale e regole per l'interferenza costruttiva della radiazione diffratta. Diffrazione di cristalli e di polveri. Diffrazione di un cristallo singolo: diffrazione di Laue. Diffrazione di Bragg di polveri. Impiego della diffrazione a raggi X.
  9. Sorgente di sincrotrone. Linac, booster, storage ring, e produzione della radiazione di sincrotrone. Caratteristiche della sorgente di sincrotrone. Spettroscopie di assorbimento dei raggi X. XANES e EXAFS. fattezze dello spettro e tipologie di informazioni ottenibili con le due tecniche.
  10. Microsocpia elettronica: SEM e TEM. Set up strumentali, e modalitá di lavoro: SEM-BSE, SEM-EXD, SEM-SE, TEM-BE, TEM-diffrazione elettronica
  11. Scanning probe microscopies. Cenni sulle tecniche a scansansione di sonda. Principio di funzionamento della scanning tunneling microscopy (microscopia a scansione a effetto tunnell), e accoppiamento alla spettrofotometria infrarossa. Principio di funzionamento della atomic force microscopy (microscopia di forza atomica), modalitá di lavoro a contatto e a contatto dinamico, e accoppiamento alla spettrofotometria infrarossa.
  12. Introduzione alla spettrometria di massa e carrellata dei metodi di ionizzazione: impatto elettronico, ionizzazione chimica, matrix assisted laser desorption ionization, electronspray, athmospheric pressure chemical ionisation, atmospheric pressure photo-ionization, inductively coupled plasma; secondary ion mass spectrometry. Carrellata di analizzatori in spettrometria di massa: quadrupolo, settore magnetico, trappola ionica, risonanza ionica ciclotronica a trasformata di Fourier, ToF, Orbitrap.
  13. Spettrometria di massa per specie inorganiche, tramite SIMS e ICP-MS. risoluzione di specie isobariche. Accelerator Mass spectrometry (e datazione al radiocarbonio: principio del metodo)
  14. Spettrometria di massa imaging: applicazione in ambito biomedico
  15. Analisi in gas cromatografia accoppiata alla spettrometria di massa. Carrellata di approcci analitici sulla base della volatilitá, stabilitá termica e struttura molecolare dell'analita. Introduzione alla pirolisi analitica. Set-up strumentali, e meccanismi di degradazione termica. Esempio di applicazione all'analisi di polimieri di sintesi. Pirolisi analitica: flesh pyrolysis GC-MS, multi-shot/pyrolysis - GC-MS, Evolved gas anlaysis mass spectrometry EGA-MS. Esempi di applicazioni.
  16. HPLC nell'analisi di macromolecole: esempio delle proteine e diversi set-up analitici per la loro caratterizzazione tramite HPLC. Proteomica. approcci bottom up e top down. spettri di massa / massa di peptidi e proteine. Tripsina per la digestione enzimatica. cenni all'interpretazione di dati di massa: MASCOT e parametri di valutazione dei dati. approcci analitici: MALDI peptide mass fingerprinting; HPLC-MS/MS. esempio di applicazione della proteomica nei beni culturali. problemi analitici relativi allo studio in proteomica di proteine degradate.
  17. Caratterizzazione di materiali lipidici e resine terpenoidi tramite GC-MS, HPLC-MS e Py-GC-MS e loro applicazione in contesti acheologici
  18. Il contributo della chimica analitica nel campo della sostenibilità: introduzione al concetto di sostenibilità chimica, definizione di biomassa e sua composizione chimica, pirolisi analitica nello studio delle biomasse, co-pirolisi analitica, cambiamenti chimici indotti dalla macinazione e dall’irraggiamento UV sulla cellulosa e sulla lignina, metodi di estrazione innovativi basati di CO2 supercritica e DES.
  19. Le tecniche calorimetriche e termoanalitiche. La termogravimetria: principio della tecnica, strumentazione e applicazione alla caratterizzazione di un materiale. Le tecniche calorimetriche accoppiate e la termogravimetria isoterma. La calorimetria a scansione differenziale: principio della tecnica, strumentazione e applicazione alla caratterizzazione di un materiale.  
Syllabus
  1. Introduction to analytical chemistry. The analytical problem: quantitative analyses, characterization analyses and fundamental analyses. the question of the sample and the nature of the sample in determining the choice of the analytical approach. Notes on the question of data analysis.
  2. Notes on the detection of viral genetic material, by RT-PCR. Outline of enzyme immunoassays - direct, indirect, sandwich and competitive ELISA
  3. Light-matter interaction (absorption, scattering, diffraction, reflection and refraction). Refractive index. Snell's law. Total reflection. Light scattering. Reflectivity.
  4. Optical microscopy. objective and condenser of an optical microscope. factors that influence the generation of an optical microscopy image. Transmitted light microscopy in bright and dark field. Bright field and dark field reflected light microscopy. Polarized light microscopy. Resolution of an optical microscope and numerical aperture of a microscope.
  5. Factors that determine a color: light sources (subtractive system). Factors that determine a color: sensitivity of the receiving system. Eye. Human vision, spectral sensitivity of cones and rods. Color vision theories: Trichromatic Theory and Opponence Theory. Systems for the detection and imaging of visible images. Diodes, forward bias and reverse bias. Photodiodes. CCD devices. Factors that determine color: light matter interaction. Diffuse reflectance. Principle underlying the production of the color stimulus (additive and subtractive system). The color and its measure. Grassmann's law. Colorimetry. Color matching. Color difference. the attributes of the color (hue, saturation, brightness). Tristimulus values, chromatic coordinates of dominant wavelength. Color measurement by a spectrophotometer and a colorimeter. FORS: Fiber Optics Reflectance Spectroscopy. Kubelka Munch transform for diffuse reflectance analysis. Documentation methods in the visible, and UV fluorescence. Reflection Visible Light Imaging Microspectroscopy.
  6. Infrared spectroscopy. Sources, detectors, sample holders. Semiconductor detectors: MCT. Instrumentation for dispersive infrared spectrophotometry, and infrared spectrophotometry in Fourier transform. Michelson interferometer. The Fourier transform. Advantages of Fellgett, Jacquinot and Connes. Infrared frequencies for analytical use: near, medium and far infrared. Considerations on the information that can be obtained from the analysis of an infrared spectrum. IR working mode: transmittance and reflectance. Transmittance: instrumental set-up, sample preparation, and data analysis (transmittance and absorbance). Reflectance: distinction between diffuse and specular reflectance. Diffuse reflectance (DRIFT): instrumental set-up, sample preparation and data analysis (Kubelka Munk transform). DRIFT with portable instrumentation for in situ analysis of opaque surfaces. Specular reflectance. instrumental set-up. The effect of the refractive index and behavior at the absorption frequency. data analysis: Kramers Kronig transform. FTIR in transflection. Total attenuated reflectance, evanescent wave, and working methods. imaging and mapping. Micro FTIR in transmission. Micro-FTIR in specular reflection and in ATR. Instrumental set-up, type of samples and resolution. Thermography, multispectral image acquisition, false color trichromy, infrared reflectography, multispectral imaging and hyperspectral imaging.
  7. Surface analysis using X-rays. Photoelectric effect. XRF: X-ray fluorescence. Electronic level nomenclature in X-ray techniques, fluorescent transitions nomenclature. photoelectric absorption and fluorescence yield. instrumentation for XRF: X-ray tubes, radiation sources, WDXRF wavelength dispersion instrumentation. scintillator and detector proportional to the photon flux. XRF with energy dispersion detection. Semiconductor detectors. single photon counting. outline of quantitative analysis with XRF. advantages and limitations of the technique. X ray fluorescence microscopy. Micro X-ray fluorescence. polycapillary optics (total external reflection). Macro X-ray fluorescence. X-ray phtoelectron spectroscopy. Principle of the method. Binding energy of the photoelectron, chemical shift. Surface analysis, and profile analysis: sputtering. Instrumentation, notes. consideration of qualitative and quantitative analyzes through XPS. Auger spectroscopy. Principle, nomenclature of transitions and chemical shift. Analytical use. Use of the electron gun for sample investigation and consequences in terms of lateral resolution. depth resolution of XPS, XRF and AEF techniques. Radiographic techniques and computed tomography. outline of instrumental set-up for micro CT and X-ray microscopy.
  8. X-ray diffraction. Principle of the method, outline of instrumental geometry and rules for the constructive interference of diffracted radiation. Diffraction of crystals and powders. Diffraction of a single crystal: Laue diffraction. Bragg diffraction of powders. Use of X-ray diffraction.
  9. Synchrotron source. Linac, booster, storage ring, and production of synchrotron radiation. Characteristics of the synchrotron source. X-ray absorption spectroscopies. XANES and EXAFS. features of the spectrum and types of information obtainable with the two techniques.
  • Electron microsocpy: SEM and TEM. Instrumental set up, and working methods: SEM-BSE, SEM-EXD, SEM-SE, TEM-BE, TEM-electronic diffraction
  • Scanning probe microscopies. Outline of probe scanning techniques. Operating principle of scanning tunneling microscopy, and coupling to infrared spectrophotometry. Working principle of atomic force microscopy (atomic force microscopy), working mode in contact and dynamic contact, and coupling to infrared spectrophotometry.
  • Introduction to mass spectrometry and overview of ionization methods: electronic impact, chemical ionization, matrix assisted laser desorption ionization, electronspray, athmospheric pressure chemical ionization, atmospheric pressure photo-ionization, inductively coupled plasma; secondary ion mass spectrometry. Overview of mass spectrometry analyzers: quadrupole, magnetic sector, ion trap, cyclotronic ion resonance with Fourier transform, ToF, Orbitrap.
  • Mass spectrometry for inorganic species, using SIMS and ICP-MS. resolution of isobaric species. Accelerator Mass spectrometry (and radiocarbon dating: principle of the method)
  • Imaging mass spectrometry: application in the biomedical field
  • Gas chromatography coupled with mass spectrometry. Overview of analytical approaches based on the volatility, thermal stability and molecular structure of the analyte. Introduction to analytical pyrolysis. Instrumental set-up, and thermal degradation mechanisms. Example of application to the analysis of synthetic polymers. Analytical pyrolysis: flesh pyrolysis GC-MS, multi-shot / pyrolysis - GC-MS, Evolved gas anlaysis mass spectrometry EGA-MS.
  • HPLC in the analysis of macromolecules: example of proteins and different analtyical set-ups for their characterization by HPLC. Proteomics. bottom up and top down approaches. MS/MS spectra of peptides and proteins. Trypsin for enzymatic digestion. Interpretation of mass data: MASCOT and data evaluation parameters. analytical approaches: MALDI peptide mass fingerprinting; HPLC-MS / MS. example of application of proteomics in cultural heritage. analytical problems related to the study in proteomics of degraded proteins.
  • Characterization of lipid materials and terpenoid resins by GC-MS, HPLC-MS and Py-GC-MS and their application in acheological contexts
  • The contribution of analytical chemistry in the field of sustainability: introduction to the concept of chemical sustainability, definition of biomass and its chemical composition, analytical pyrolysis in the study of biomass, analytical co-pyrolysis, chemical changes induced by grinding and UV radiation on the cellulose and lignin, innovative extraction methods based on supercritical CO2 and DES.
  • Calorimetric and thermoanalytical techniques. Thermogravimetry: principle of the technique, instrumentation and application to the characterization of a material. Differential scanning calorimetry: principle of the technique, instrumentation and application to the characterization of a material.
Bibliografia e materiale didattico

Il corso viene annualmente aggiornato dal docente, e pertanto la bibliografia, spesso articoli di riviste scientifiche, varia di anno in anno. Gli studenti interessati ad approfondire gli argomenti presentati possono richiedere direttamente al docente, il quale sceglierà la bibliografia più idonea caso per caso
Bibliography

The course is updated annually , and therefore the bibliography, often articles from scientific journals, varies from year to year. Students interested in deepening some topics may apply directly to the teacher, who will choose the most appropriate bibliography case by case
Indicazioni per non frequentanti

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. Il programma e le modalità di esame sono gli stessi per tutti. Qualora lo studente non frequentante avesse bisogno di chiarimenti o bibliografia per approfondire, il docente è disponibile su appuntamento.
Non-attending students info

he program and the assessment methods will be the same as for attending students. clarifications and extra references can be provided to students interested
Modalità d'esame

La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente. Il colloquio mediamente dura un’ora. La prova orale è superata se il candidato mostra di aver acquisito le informazioni relative alle tecniche analitiche discusse nel corso, al loro impiego e se sa mostrare di mettere in relazione le varie parti del programma presentato.
Assessment methods

The oral examination consists of an interview between the candidate and the lecturer. The interview normally lasts about one hour. The oral exam is passed if the candidate shows that he/she has acquired the information on the analytical techniques discussed in the course, on their use,  and if he/she can show how to relate the different parts of the program.
Updated: 02/08/2023 12:04