Principle of spectroscopy and applications to quantitative biology

A.A. 2021/2022
10
Crediti massimi
104
Ore totali
SSD
CHIM/01 CHIM/02 CHIM/03 CHIM/06
Lingua
Inglese
Obiettivi formativi
The primary objective of this course is to introduce the basic concepts, principles, and techniques of modern analytical chemistry that would provide students with an analytical mind shape and abilities to solve diverse analytical problems, involved in the biotechnologies, in an efficient, quantitative and qualitative way. One of the aim is to provide to the students adequate preparation in order to identify the different components of the biological system and to convey the importance of accuracy and precision of the analytical results.
Risultati apprendimento attesi
On successful completion of this course, students will be able:
1) to understand the different analytical methods for molecular and supramolecular analysis.
2) to establish an appreciation of the role of chemistry and molecular spectroscopy in quantitative analysis, in measurement and problem solving for analytical tasks.
Moreover students will be able to select molecular probes and to design experiments in order to understand the mechanism of cellular uptake, or to better visualize the different components of biological system.
Through the experimental part of the course, the students will be trained to correctly interpret and to communicate the experimental results.
Programma e organizzazione didattica

Edizione unica

Responsabile
Periodo
Primo semestre
In relazione alle modalità di erogazione delle attività formative per l'a.a. 2021/22, verranno date indicazioni più specifiche nei prossimi mesi, in base all'evoluzione della situazione sanitaria.
Programma
Gli argomenti sono:
Introduzione
Classificazione dei metodi analitici
Tipi di metodi strumentali
Selezione di un metodo analitico
Valutazione dei dati analitici: precisione e accuratezza, metodo dei minimi quadrati

Introduzione alla chimica elettroanalitica
Celle elettrochimiche
Potenziali di cella
Potenziali degli elettrodi
Calcolo dei potenziali di cella dai potenziali di elettrodo
Tipi di metodi elettroanalitici

Metodi potenziometrici
Elettrodi di riferimento
Elettrodi indicatori metallici
Elettrodi indicatori di membrana iono-selettivi
Potenziali di giunzione
Strumento per misurare i potenziali di cella e metodi di calibrazione,
Misure potenziometriche dirette
Titolazioni potenziometriche

Metodi spettrofotometrici
Proprietà della radiazione elettromagnetica: una panoramica
Proprietà meccaniche quantistiche della radiazione e interazione luce/materia
Spettroscopia di assorbimento ultravioletto/visibile molecolare: termini impiegati nella spettroscopia di assorbimento
Aspetti quantitativi delle misure di assorbimento: l'equazione di Lambert-Beer
Le specie assorbenti
Applicazione delle misure di assorbimento all'analisi qualitativa
Titolazioni spettrofotometriche
Componenti dello strumento per la misurazione dell'assorbimento nella regione UV-Vis.

Spettroscopia di emissione molecolare
Teoria della fluorescenza e della fosforescenza: percorsi di disattivazione fotofisica dello stato eccitato
Cinetica del quenching degli stati eccitati
Spettroscopia di emissione allo stato stazionario e risolta nel tempo: resa quantica e misura del tempo di vita.
Strumenti per misurare la fluorescenza e la fosforescenza
Applicazioni e metodi di fotoluminescenza nell'analisi quantitativa.
Sonde luminescenti per l'imaging cellulare.

Spettroscopia di assorbimento infrarosso
Teoria dell'assorbimento infrarosso: principi fondamentali.
Frequenza di assorbimento infrarosso e struttura chimica.
Spettrofotometro a infrarossi e trasformata di Fourier IR (FT-IR).
Applicazioni qualitative dell'assorbimento infrarosso.
Applicazioni quantitative della spettroscopia IR.
Risonanza magnetica nucleare (NMR)
Principi generali, proprietà nucleari, campo magnetico e radiazione elettromagnetica (radiofrequenza).
Risonanza nucleare dei protoni: 1H NMR chemical shift e struttura, equivalenza dei chemical shift: protoni casuali, isocroni, protoni omotopici, enantiotopici, diasterotopici.
Equivalenza magnetica. Pratica su una collezione di spettri protonici di semplici composti aromatici, simulazione di sistemi di spin (diagrammi a cascata), lettura di sistemi di spin (determinazione di costanti di accoppiamento e chemical shift).
Esperimenti differenziali NOe con esempi.
Risonanza magnetica nucleare del carbonio-13: principi generali, sensibilità relativa e assoluta di un esperimento NMR, spostamenti chimici, accoppiamento protone-protone e protone-carbonio, esempi di composti semplici aromatici e non aromatici, spettri 13C-NMR registrati con le tecniche APT e DEPT.
Spettroscopia di risonanza magnetica bidimensionale (2D). COSY.

Metodi di separazione cromatografica
Una descrizione generale della cromatografia
Velocità di migrazione delle specie
Allargamento della banda ed efficienza della colonna
Ottimizzazione delle prestazioni della colonna
Applicazioni della cromatografia
Gas-cromatografia: principi della cromatografia gas-liquido
Strumenti per la gascromatografia
Colonne gascromatografiche e fasi stazionarie
Cromatografia liquida ad alte prestazioni: scopo dell'HPLC
Efficienza delle colonne nella cromatografia liquida
Strumenti per la cromatografia liquida
Cromatografia su strato sottile.

Spettrometria di massa
Principi generali e strumentazione.
Sorgenti (EI, CI, FAB, MALDI, ESI APCI), analizzatori (magnetico, quadrupolo, trappola ionica), rivelatori.
Identificazione di composti puri tramite spettrometria di massa
Prerequisiti
Conoscenza dei principi base della chimica generale e inorganica, della chimica organica, della fisica e della matematica.
Metodi didattici
Il corso si articola in lezioni in aula, in cui gli argomenti vengono illustrati sia con diapositive che con lo svolgimento di esercizi alla lavagna. Alla fine del corso viene organizzato un laboratorio didattico sperimentale in cui gli studenti, organizzati in piccoli gruppi, realizzano quattro diverse esperienze di analisi quantitativa sia tradizionale che strumentale.
Materiale di riferimento
Skoog, West, Holler, Crouch, Fondamenti di Chimica Analitica. EdiSES. (3° ed. italiana 2015)
Slides of the lessons available on Ariel website of the course
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
La conoscenza degli argomenti del corso sarà valutata attraverso una prova scritta di tre ore in cui verrà chiesto allo studente di risolvere quattro esercizi riguardanti l'elaborazione e l'interpretazione dei dati raccolti dall'analisi strumentale di molecole biofarmaceutiche. Negli esercizi saranno presenti anche due o tre domande teoriche riguardanti approcci analitici per la caratterizzazione degli analiti.
Esempi di problemi e domande e la loro valutazione saranno forniti durante il corso.
CHIM/01 - CHIMICA ANALITICA - CFU: 0
CHIM/02 - CHIMICA FISICA - CFU: 0
CHIM/03 - CHIMICA GENERALE ED INORGANICA - CFU: 0
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 0
Esercitazioni: 48 ore
Lezioni: 56 ore
Docente: Panigati Monica
Docente/i
Ricevimento:
Tutti i giorni dalle 10,00 alle 17,00
Dipartimento di Chimica - 1° Piano lato A