84932 - BIOELETTRONICA E BIOSENSORI

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Salute e benessere Energia pulita e accessibile

Anno Accademico 2021/2022

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