84932 - BIOELETTRONICA E BIOSENSORI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente conosce le basi chimiche e chimico-fisiche dei processi di trasferimento elettronico e di trasduzione del segnale chimico insieme alla loro applicazione per la comprensione e sviluppo di sistemi bioelettrochimici nell'ambito della biosensoristica e della bioproduzione energetica industriale. In particolare, lo studente i) è in grado di analizzare, valutare e misurare i parametri energetici e cinetici dei processi di trasferimento elettronico, ii) acquisisce le metodologie di funzionalizzazione di differenti tipi di superfici e la loro caratterizzazione, iii) conosce i principi di funzionamento di una varietà di dispositivi biosensoristici e per la produzione sostenibile di energia.

Contenuti

1) Trasferimento elettronico eterogeneo

• cinetica del trasferimento elettronico eterogeneo;
• curve di energia libera elettrochimica
  
• derivazione dell'equazione di Butler-Volmer per la cinetica elettrodica;
• curve di polarizzazione;
• influenza del trasporto di massa.

 

2) Studio del trasferimento elettronico di specie in soluzione e tecniche elettrochimiche

• variazione del potenziale mediante step di potenziale e legge di Cottrell: tecnica della cronoamperometria;
• variazione lineare di potenziale e tecniche voltammetriche
  

 

3) Fondamenti di teoria del trasferimento elettronico

• teoria microscopica del trasferimento elettronico
• energia di riorganizzazione interna ed esterna
  
• derivazione della legge cinetica di Marcus per il trasferimento elettronico (legge quadratica di Marcus)
  
• regione normale e inversa di Marcus
• Esempi di fenomeni razionalizabili con la teoria di Marcus

 

4) Modificazione superficiale di elettrodi con specie molecolari e sistemi biologicamente attivi

• ancoraggio di specie su elettrodi conduttori di oro mediante self-assembled monolayer (SAM);
• modificazione di elettrodi grafitici o materiali a base di C;
• modificazione di elettrodi semiconduttori di Si e a base di ossidi metallici;
• funzionalizzazione di superfici isolanti di ossidi
  

 

5) Studio di elettrodi modificati mediante tecniche elettrochimiche 

• utilizzo di metodi voltammetrici: voltammetria di specie adsorbite
  
• metodi di spettroscopia di impedenza elettrochimica
  

 

6) Indagine di superfici modificate mediante tecniche di microscopia a scansione di sonda

• principi di microscopia a forza atomica (AFM);
• principi di microscopia a scansione di sonda elettrochimica (SECM)
  

 

7) Trasduzione del segnale chimico in dispositivi sensoristici

• categorie di sensori chimici e biochimici
• principi di funzionamento di sensori e biosensorsi amperometrici
• cenni di sensori ottici e principi della elettrochemiluminescenza
  

 

8) Conversione elettrochimica e bioelettrochimica di energia

• principi di funzionamento di celle a combustibile (FC)
• principi di celle fotoelettrochimiche con colorante
  

 

Le unità didattiche di laboratorio prevedono esercitazioni riguardanti aspetti del trasferimento elettronico studiati teoricamente e in particolare:

• tecniche elettrochimiche voltammetriche e amperometriche
• funzionalizzazione di superfici elettrodiche
• elettrochemiluminescenza
• microscopia SECM
  

Testi/Bibliografia

Chemical Sensors and Biosensors, Florinel-Gabriel Bănică; Wiley 2012

Electrochemical Methods - Fundamentals and Applications, A. J. Bard, L. R. Faulkner, Wiley (II edition)

Metodi didattici

Durante le lezioni verranno discusse tematiche riguardanti i vari aspetti del trasferimento elettronico omogeneo ed eterogeneo e dello sviluppo di dispositivi sensoristici utilizzando prevalentemente concetti del trasferimento elettronico.

Gli argomenti svolti a lezione saranno completati da Esercitazioni di laboratorio.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento del corso consisterà in un esame orale della durata di circa 45 minuti. L'esame sarà articolato su 3 quesiti riguardanti argomenti svolti a lezione e nella discussione dei risultati ottenuti nelle esperienze di laboratorio.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, videoproiettore per slide di lezione, PC

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Massimo Marcaccio

Consulta il sito web di Marco Malferrari