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Scheda programma d'esame
MICROSISTEMI PER L’ANALISI CHIMICA
PIETRO SALVO
Anno accademico2023/24
CdSCHIMICA
Codice317CC
CFU3
PeriodoSecondo semestre
LinguaItaliano

ModuliSettore/iTipoOreDocente/i
MICROSISTEMI PER L’ANALISI CHIMICACHIM/01LEZIONI24
PIETRO SALVO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo scopo di questo corso multidisciplinare è fornire allo studente le nozioni fondamentali per l’analisi chimica in sistemi dominati da dimensioni e interazioni micro- e nano-scopiche. Lo studente apprenderà come diverse funzioni di strumentazione da laboratorio possono essere miniaturizzate e integrate in un singolo modulo. Lo studente sarà in grado di comprendere microsistemi quali i lab on a chip, apprenderà le tecniche strumentali principali per la loro caratterizzazione e avrà le nozioni basilari per l'uso di strumenti di analisi dei dati come il machine learning.
Knowledge

The purpose of this multidisciplinary course is to provide the student with the fundamental notions for chemical analysis in systems dominated by microscopic and nano dimensions and interactions. The student will learn how different functions of laboratory instrumentation can be miniaturized and integrated into a single module. The student will be able to understand microsystems such as lab-on-a-chip, will learn the main instrumental techniques for their characterization and will have the basic notions for the use of data analysis tools such as machine learning.
Modalità di verifica delle conoscenze

È previsto un colloquio individuale alla fine del corso.
Assessment criteria of knowledge

The student will take an individual oral exam at the end of the course.
Capacità

Lo studente sarà in grado di comprendere e progettare sistemi di dimensioni microscopiche per la misura di analiti e selezionare le tecniche di analisi più adeguate per una specifica applicazione.
Skills

The student will be able to understand and design microfluidic systems for the measurement of analytes and select the most suitable analysis techniques for a specific application.
Modalità di verifica delle capacità

Allo studente verrà chiesto di sfruttare le conoscenze acquisite per risolvere uno specifico problema.
Assessment criteria of skills

The student will be asked to use the concepts learnt during the course to solve a specific problem.
Comportamenti

Alla fine del corso, lo studente potrà

  • Padroneggiare il linguaggio appropriato per esporre e commentare gli argomenti trattati.
  • Sviluppare sensibilità relativamente relative alle problematiche per sviluppo di microsistemi.
Behaviors

At the end of the course, the student will

  • Handle the appropriate scientific language to expose and comment on the topics covered during course.
  • Develop a sensitivity towards the issues related to the development of microsystems for chemical analysis.
Modalità di verifica dei comportamenti
  • Durante le lezioni frontali sarà stimolata la discussione tra il docente e gli studenti.
  • Sarà valutata la padronanza degli argomenti trattati in base alla chiarezza espositiva e alla capacità di affrontare casi applicativi specifici.
Assessment criteria of behaviors
  • During the lectures, the discussion between the professor and the students will be encouraged.
  • The student will be evaluated based on the clarity of the exposition and the ability to deal with specific application cases.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Analisi matematica e fisica di base, chimica generale.
Prerequisites

Basic mathematics and physics, general chemistry.
Indicazioni metodologiche
  • Lezioni frontali.
  • Alcune lezioni tenute da altri docenti.
  • Dispense fornite dal docente.
  • Il docente è disponile a ricevimento su richiesta.
Teaching methods
  • Lectures.
  • Some lectures held by other professors.
  • Lecture notes provided by the professor.
  • The professor is available for reception upon request.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Programma dettagliato

 

  1. Fondamenti di microfluidica: definizione di fluido, definizione di cammino libero medio, definizione di viscosità cinematica e dinamica, flusso laminare e turbolento, equazione Stokes, equazione di Poiseuille, lunghezza caratteristica per un canale circolare e rettangolare, numero di Reynolds, numero di Knudsen.
  2. Miscibilità tra due fluidi, Filtrazione idrodinamica per la separazione delle particelle trasportate da un fluido (migrazione inerziale, forze di lift, influenza del diametro, numero di Reynolds per una particella, lunghezza minima del canale); Filtrazione in circuiti microfluidici a spirale, numero di Dean, problema di Graetz applicato all'interazione analita-siti di legame (condizioni ottimali per l'interazione ottimale tra analiti e siti attivi), numero di Damköhler, numero di Peclèt, numero di Graetz.
  3. Microfluidica a gocce per la sintesi e l'analisi chimica.
  4. Tecniche analitiche su micro e nanoscala (es. tecniche di microestrazione in fase liquida e solida, liquid and gas chromatography on chip, nano-liquid chromatography, capillary electrochromatography)
  5. PDMS (proprietà e usi del polidimetilsilossano), fotoresist positivo e negativo, soft-lithography.
  6. Transistor a effetto di campo (struttura MOS, funzionamento, relazione corrente-tensione), Transistor organici, ISFET, misura del pH con un ISFET, BIOFET, lunghezza di Debye.
  7. Dielettroforesi (principio di funzionamento, formulazione Maxwell-stress tensor).
  8. Potenziale zeta (definizione e applicazioni), metodi di misura del potenziale zeta (elettroforesi e flusso elettro-osmotico).
  9. Reti neurali (definizione, esempi, perceptron).
  10. Reti neurali (algoritmo di backpropagation), applicazioni.
  11. Logica fuzzy (definizione, esempi, inferenza di Mamdani, inferenza di Sugeno), applicazioni in ambito chimico;
  12. Inferenza Bayesiana (definizione e applicazioni), K-means clustering (definizione e applicazioni), K-nearest neighbours (definizione e applicazioni), esempi.
  13. Matrice di Confusione. Curva ROC (definizione e esempi).
  14. Neuro-fuzzy Designer
Syllabus
  1. Microfluidics: defintions of fluid, viscosity, laminar and turbolent flow, Stokes equation, Poiseuille equation, characteristic length for rectangular and circolar channels, Reynolds number, Knudsen number.
  2. Hydrodynamic filtration for particles separation (e.g., inertial migration, lift force, Reynlds number for particles); Filtration in spiral microchannels, Dean number, Graetz problem for the interaction analyte-binding sites.
  3. Droplet microfluidics for chemical analysis.
  4. Analytical techniques on micro- and nano-scale (es. solid and liquid phase microextraction tecniques, liquid and gas chromatography on chip, nano-liquid chromatography, capillary electrochromatography)
  5. PDMS, Photoresist and soft-lithography.
  6. Field Effect Transistor, Organic Transistor, ISFET, BIOFET, Debye length.
  7. Dielectrophoresis (Maxwell-stress tensor).
  8. Zeta potential, measurement methods (electrophoresis and osmotic flow).
  9. Neural networks (perceptron, backpropagation, examples).
  10. Fuzzy logic (Mamdani and Sugeno inferences, examples).
  11. Bayesian inference, K-means clustering, K-nearest neighbours.
  12. Confusion matrix. ROC curve.
  13. Neuro-fuzzy Designer
Bibliografia e materiale didattico
  1. Dispense del corso fornite dal docente.
  2. E. Iannone, Labs on Chip: Principles, Design and Technology. CRC Press, 2015.
  3. V. Kecman, Learning and Soft Computing: Support Vector Machines, Neural Networks, and Fuzzy Logic Models. MIT Press, 2001.
  4. I. Goodfellow, Y. Bengio, A. Courville, Deep Learning. MIT Press, 2016. Link
Bibliography
  1. Lecture notes of the course provided by the professor.
  2. E. Iannone, Labs on Chip: Principles, Design and Technology. CRC Press, 2015.
  3. V. Kecman, Learning and Soft Computing: Support Vector Machines, Neural Networks, and Fuzzy Logic Models. MIT Press, 2001.
  4. Goodfellow, Y. Bengio, A. Courville, Deep Learning. MIT Press, 2016. Link
Indicazioni per non frequentanti

Ai non frequentanti è consigliato richiedere al docente le dispense del corso.
Non-attending students info

Non-attending students are advised to ask the professor for the lecture notes.
Modalità d'esame

L'esame consiste in una prova orale dove sarà chiesto allo studente di utilizzare le conoscenze acquisite nel corso per risolvere un caso applicativo.
Assessment methods

The exam consists of an oral test where the student will be asked to use the concepts learnt in the course to solve an application case.
Ultimo aggiornamento 21/07/2023 00:32