66218 - SPETTROMETRIA DI MASSA CON ESERCITAZIONI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sa interpretare gli spettri di massa delle principali classi di molecole organiche ottenuti mediante ionizzazione elettronica e riconoscere le caratteristiche di quelli generati mediante altre tecniche di ionizzazione. Conosce, degli spettrometri di massa: - i principali costituenti (sorgenti e analizzatori di ioni, rivelatori, pompe da vuoto); - il loro principio di funzionamento; - le loro applicazioni a problemi analitici.

Contenuti

Note generali sul corso

Struttura del corso

6 CFU, pari a 56 ore, di cui:
4 CFU di lezioni in aula, pari a 32 ore (Modulo 1, Spettrometria di massa)
2 CFU di laboratorio informatico, pari a 24 ore (Modulo 2, Chemiometria)

VOTO FINALE DEL CORSO: media pesata sui CFU tra i voti ottenuti nei due Moduli.

I contenuti specifici dei due moduli sono specificati in seguito.
Ad entrambi i moduli si applicano le seguenti considerazioni.

Uso dell’intelligenza artificiale
L’IA generativa può costituire uno strumento utile per coadiuvare lo studio individuale, ad esempio attraverso approfondimenti, sintesi, riformulazioni e percorsi di autovalutazione.
Per quanto riguarda la verifica dell’apprendimento, è consentito un uso limitato, dichiarato e non sostanziale dell’IA generativa per attività di supporto, quali sintesi, revisione linguistica o riformulazione di testi prodotti da studenti/studentesse.
Non è invece consentito un uso sostanziale dell’IA per la generazione acritica di testi, contenuti, bibliografia, interpretazioni dei dati o materiali comunicativi da presentare come elaborato personale.

Studenti con caratteristiche speciali nell’apprendimento
A Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it ):
sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti in fase di apprendimento e di verifica. Tali adattamenti dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

MODULO 1 – SPETTROMETRIA DI MASSA (4 CFU di lezioni in aula, pari a 32 ore)

Prerequisiti

Lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione nei fondamenti della chimica analitica, e delle tecniche analitiche strumentali di base, inoltre una buona conoscenza della chimica generale e della chimica organica.

Obiettivi

Il corso si propone di fornire allo studente la conoscenza fondamentale della spettrometria di massa, con una parte teorica dedicata alla generazione degli spettri di massa mediante l’introduzione della strumentazione e una seconda parte applicativa durante la quale lo studente acquisirà la capacità di interpretare gli spettri di massa a scopo identificativo.

Programma

- PRINCIPI GENERALI. Rappresentazione di uno spettro di massa. Definizioni di massa media, nominale, monoisotopica, esatta. Risoluzione. Accuratezza. Ioni isotopici.

- SORGENTI DI IONIZZAZIONE. Ionizzazione elettronica o a impatto elettronico (EI). Ionizzazione chimica (CI). Fast Atom Bombardment (FAB). Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI). ThermoSpray Ionization (TSP). Electrospray Ionization (ESI). Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI). Inductively Coupled Plasma Ionization (ICP). Tipologia di ioni formati (radical cationi, ioni cationizzati, ioni addotto, ioni multicarica (riconoscimento di ioni multicarica e metodi di calcolo del numero di cariche).

- ANALIZZATORI DI IONI. Introduzione agli analizzatori magnetico ed elettrostatico (E). Tipi di analizzatori e loro funzionamento: Quadrupolo (Q), trappola ionica tridimensionale e lineare (3DIT, LIT), tempo di volo (TOF), Orbitrap, analizzatori ibridi. Caratteristiche operative degli analizzatori: range di massa, risoluzione, modalità di acquisizione.

- TECNICHE COMBINATE. Accoppiamenti gascromatografia/spettrometria di massa (GC/MS) e Cromatografia Liquida/Spettrometria di Massa (LC/MS).

- INTERPRETAZIONE DEGLI SPETTRI DI MASSA. Caratteristiche degli spettri di massa ottenuti con le diverse sorgenti di ionizzazione (EI, CI, ESI, APCI, MALDI), loro rappresentazione, termini tecnici. Procedura per interpretare uno spettro di massa. Ioni a numero di elettroni pari e dispari (cationi, radical-cationi, ioni addotto). Identificazione dello ione molecolare. Fattori che influenzano l'abbondanza ionica. Even-electron rule. Regole di frammentazione nell’EI. Esempi di spettri di massa di piccole molecole organiche, macromolecole; composti alogenati. Identificazione spettri di massa incogniti. Ricerca in library NIST di spettri di massa incogniti (criteri per la comparazione degli spettri incogniti con quelli della library).

MODULO 2 – CHEMIOMETRIA (2 CFU di laboratorio informatico, pari a 24 ore)

Prerequisiti

Lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione nei fondamenti della chimica analitica e delle tecniche analitiche strumentali di base.

Obiettivi

Il corso si propone di fornire allo studente la capacità di progettare una metodologia chimico-analitica dal campionamento all’analisi del dato, partendo dalla progettazione di esperimenti per arrivare alla corretta elaborazione dei dati e presentazione del report tecnico finale.

Con tali obiettivi, vengono fornite le seguenti conoscenze matematiche e statistiche:

· Elementi di analisi statistica multivariata

· Metodi di esplorazione dei dati multivariati

· Metodi di modellizzazione multivariata: classificazione e regressione multivariata

· Design of experiments (DOE)

Lo studente acquisirà le abilità informatiche per l’applicazione di metodi chemiometrici appresi.

Infine, lo studente maturerà la competenza specifica del Chemiometra: ottimizzare un intero processo di analisi chimica.

Programma

· ANALISI STATISTICA UNIVARIATA

Intervallo di confidenza. Test di significatività. Calibrazione mediante regressione su retta. Validazione. Effetto matrice. Limite di rivelabilità. Propagazione degli errori.

· ESPLORAZIONE DEI DATI MULTIVARIATI.

Analisi delle componenti principali. Analisi dei clusters.

· MODELLIZZAZIONE MULTIVARIATA

Modelli. Ordine e linearità di un modello. Parametri di controllo. Validazione di un modello.

Classificazione: modelli qualitativi. Parametri di valutazione della classificazione. Analisi discriminante (DA). Il metodo di classificazione SIMCA.

Calibrazione: modelli quantitativi. Regressione multivariata: MLR, PCR, PLS. Validazione di un modello di regressione. Metodi diagnostici per un modello di regressione.

· PROGETTAZIONE DI ESPERIMENTI

Metodi multivariati per la scelta dei campioni standard e delle variabili per la costruzione dei modelli. Full Factorial Design. D-Optimal Design.

Testi/Bibliografia

Modulo 1

- Slides PowerPoint mostrate a lezione, che saranno disponibili su “Virtuale” (https://virtuale.unibo.it) e gli appunti presi a lezione sono indispensabili per la preparazione dell'esame.

Testi di consultazione

- E. de Hoffmann, V. Stroobant, Mass Spectrometry – Principles and Applications, Third Edition, Wiley, 2007.

- T.A. Lee, A Beginner's Guide to Mass Spectral Interpretation, Wiley, 1998.

- F. W. McLafferty, F. Turecek, Interpretation of Mass Spectra, University Science Books, Fourth Edition, 1993.

- J. H. Gross, Mass Spectrometry – A textbook, Springer, Second Edition, 2011.

- J. T. Watson, O. D. Sparkman, Introduction to Mass Spectrometry – Instrumentation, Applications and Strategies for Data Interpretation, Wiley, Fourth Edition, 2007.

- R. E. March, J. F. J. Todd, Practical Aspects of Trapped IonMass Spectrometry, Volume V, Applications of Ion Trapping Devices, pp 491-507, CRC Press, 2010.

- O. D. Sparkman, Z. E. Penton, F. G. Kitson, Gas Chromatography and Mass Spectrometry – A Practical Guide, Academic Press, Second Edition, 2011.

- M. C. McMaster, LC/MS – A Practical User's Guide, Wiley, 2005.

- R. B. Cole, Electrospray and MALDI Mass Spectrometry – Fundamentals, Instrumentation, Practicalities, and Biological Applications, Wiley, Second Edition, 2010.

Modulo 2

Fondamentali sono gli appunti che gli studenti possono prendere seguendo le lezioni in presenza oppure ascoltando la registrazione delle lezioni.
Per ogni lezione, il docente produce un documento pdf corrispondente a ciò che il docente scrive sulla lavagna elettronica utilizzata per le spiegazioni; tale documento è pubblicato sulla piattaforma virtuale.unibo.it
Tutti i contenuti del corso sono presenti nelle dispense che il docente pubblica sulla piattaforma virtuale.unibo.it,la cui lettura è consigliata.

Testi di consultazione per approfondimento:

- Roberto Todeschini, Introduzione alla chemiometria, Edises, 1998.

- J.C. Miller, J.N. Miller, Statistics and Chemometrics for Analytical Chemistry, Pearson Education, 2010.

- Richard G. Brereton, Applied Chemometrics for Scientists, Wiley, 2007.

Metodi didattici

- Modulo 1

Lezioni frontali in cui sono presentati e discussi gli argomenti del corso, con esempi pratici.

Dopo la parte teorica gli studenti svolgono autonomamente esercizi sull’interpretazione degli spettri simili a quelli guidati, con l’assistenza del docente

I mezzi didattici sono le diapositive PowerPoint e scrittura alla lavagna.

- Modulo 2

Il modulo si svolge in parte nel laboratorio informatico, in parte in aula.

Ogni lezione precede una parte teorica ed una parte pratica consistente in esercizi guidati, con acquisizione di strumenti informatici specifici (software per applicazioni statistiche multivariate).

Gli studenti svolgono poi autonomamente esercizi simili a quelli guidati, con l’assistenza del docente.

In considerazione della tipologia di attività e dei metodi didattici adottati, la frequenza di questa attività formativa richiede la preventiva partecipazione di tutti gli studenti ai moduli 1 e 2 di formazione sulla sicurezza nei luoghi di studio, in modalità e-learning.

Tutte le lezioni ed esercitazioni saranno registrate e rese visibili su virtuale.unibo.it, allo scopo di agevolare gli studenti che siano impossibilitati a partecipare in presenza o che vogliano rivedere le lezioni per verificare passaggi non chiari.

- Per entrambi i moduli, fondamentale sarà l'utilizzo di materiale distribuito dal docente reso disponibile in rete [https://virtuale.unibo.it/] e degli appunti di lezione.

È fortemente raccomandata la frequenza in presenza di tutte le attività didattiche; si ricorda che non sarà più possibile seguire le attività didattiche in diretta a distanza.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso il solo esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una relazione scritta (modulo 2) e di un colloquio orale (moduli 1 e 2) su tutto il programma svolto nei due moduli didattici. Non sono previste prove in itinere. Le valutazioni ottenute nei singoli moduli vengono integrate per ottenere il voto finale di esame mediante media ponderata finale e hanno scadenza di validità annuale.

Per sostenere la prova d'esame è necessaria l'iscrizione tramite Almaesami, nel rispetto inderogabile delle scadenze previste. Si invita a cancellarsi se non interessati a sostenere la prova d'esame. La cancellazione deve essere fatta prima della chiusura della lista.

- Modulo 1

L’esame consiste in una prova orale. Nello specifico, tutti gli studenti iscritti svolgeranno contemporaneamente un esercizio di interpretazione degli spettri di massa (parte A), successivamente, in ordine di iscrizione ci sarà la prova orale (parte B). Quest’ultima consiste nella discussione dell’esercizio e in 2 domande teoriche.

Il voto finale del modulo è la somma delle due parti: parte A, massimo 8 punti; parte B massimo 11 punti per ciascuna domanda.

- Modulo 2

L’esame sul Modulo 1 è diviso in due parti.

1. Una relazione scritta in formato Word sull'elaborazione chemiometrica di un dataset fornito dal Docente. I problemi sono individuali: ogni studente lavora su set di dati diversi rispetto agli altri studenti. L'elaborazione chemiometrica richiesta è analoga a quella che viene trattata durante lo svolgimento del corso in esercitazioni guidate su un dataset-modello. La relazione deve essere sotto forma di un documento di testo. NON è richiesto di consegnare file corrispondenti alle elaborazioni numeriche, mentre è richiesto che gli output numerici o grafici ottenuti dai software utilizzati siano inseriti nella corrispondente relazione. Il Docente assegna un voto alla relazione finale.

2. Un’interrogazione sulla discussione della relazione e sulla teoria spiegata in aula (definizioni e dimostrazioni contenute nelle dispense di lezione). Durata: max 30 min.

Viene assegnato un voto alla relazione ed un voto alle risposte alle domande di teoria. Il voto finale del modulo 2 è la media pesata tra il voto sulla relazione (peso 0.3) ed il voto sulla teoria (peso 0.7).

- Per entrambi i moduli, la valutazione tiene conto della padronanza dei contenuti, della chiarezza espositiva, della capacità di collegamento tra teoria e pratica, e dell’autonomia nella discussione.

I criteri di giudizio sono articolati come segue:

· Sufficiente (18–20): conoscenze essenziali; esposizione corretta, ma incerta e poco articolata.

· Buono (21–24): conoscenze consolidate; esposizione complessivamente adeguata, ma prevalentemente mnemonica e con limitata capacità di collegamento tra argomenti.

· Molto buono (25–27): padronanza dei contenuti; esposizione sicura, ben articolata e con capacità di analisi.

· Ottimo (28–30L): conoscenze complete e approfondite; esposizione rigorosa, autonoma e critica. La lode è attribuita nei casi di eccellenza.

I docenti sono disponibili per chiarimenti ulteriori e per verificare il livello di preparazione pre-esame tramite appuntamento.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore per lezioni in aula.

Lavagna per le spiegazioni teoriche. Videoproiettore per la spiegazione dei fogli di calcolo. Laboratorio informatico per le esercitazioni.

Tutto il materiale didattico utilizzato a lezione sarà disponibile su “Virtuale” ( [https://virtuale.unibo.it] ).

Per le lezioni ed esercitazioni del modulo 2, il Docente utilizza i seguenti programmi, installati nei PC del laboratorio informatico e nei PC del laboratorio di ricerca: Microsoft Excel e "R". Il software "R" è utilizzato nella versione CAT, scaricabile gratuitamente dal sito http://gruppochemiometria.it/index.php/software

Per svolgere gli esercizi individuali e i calcoli per la relazione finale gli studenti possono utilizzare i PC dell'aula informatica oppure utilizzare computer propri.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Jessica Fiori

Consulta il sito web di Dora Melucci