METODOLOGIE CHIMICO FISICHE DI INVESTIGAZIONE CLINICA E FORENSE

-conoscenza dei fenomeni relativi all’interazione elettroni accelerati-materia
-conoscenza delle caratteristiche e proprietà di campi (magnetici, elettrici) e di onde (in particolare, elettromagnetiche)
-conoscenze di struttura della materia e delle caratteristiche dei legami chimici
-conoscenza dei fenomeni relativi all’interazione radiazione elettromagnetica-materia (in particolare, sistemi molecolari)
-conoscenza della trattazione quanto-meccanica dei fenomeni spettroscopici

Knowledge background requested:
- structure of matter; types and features of chemical bonds and of intermolecular interactions
- phenomena relevant in the electron-matter interaction
- nature and properties of electric and magnetic forces and fields, waves, and in particular of the electromagnetic type
- phenomena relevant in the electromagnetic waves-matter interactions
- quantum-mechanics description of spectroscopic phenomena

Il raggiungimento della finalità principale prevede il perseguimento da parte degli studenti dei seguenti obiettivi:

1. Acquisire una solida padronanza della conoscenza dei principi fisici e chimico-fisici alla base della generazione dei segnali utilizzati in microscopia elettronica e nelle spettroscopie elettroniche e vibrazionali

2. Acquisire le conoscenze e gli elementi tipici di percorsi deduttivi ed indittivi utili per l'interpretazione critica dei risultati

3. conseguire la capacità di progettare analisi di microscopia elettronica e di spettroscopica elettronica e vibrazionale di campioni di interesse clinico e/o forense tenendo conto delle specificità degli analiti, delle complessità delle matrici, e del tipo di informazione (ad es. qualitativa e/o quantitativa) richiesta

4. conseguire la capacità di integrare l'utilizzo di diverse tecniche di microscopia elettronica e di spettroscopia elettronica e vibrazionale per ottenere informazioni complementari sugli analiti

Fino alla coorte 2016-2017:

5. conseguire la capacità di redigere una relazione scientifica di presentazione e discussione di dati sperimentali

The objectives the students should target in this course are based on the following achievements:

1. deep knowledge of the physical and physical-chemical principles at the basis of the generation of signals exploited in electron microscopy and in vibrational and electronic spectroscopies

2. good capability in crytical understanding scientific texts

3. good capability in designin investigation of different materials by
electron microscopies and vibrational and electronic spectroscopies, on
the basis on their consititutive features, possible constrains related to
limited amounts, types of outputs requested (identification;
quantification)

4. good capability in the complementary use of the methodology
indiacted above

Limited to students  who entered the LM CCFS in the 2016-2017 academic year:

5. good capability in writing a scientific report

- conoscenza delle principali modalità di preparazione dei campioni per misure di microscopia elettronica (SEM e TEM)

- conoscenza delle modalità di preparazione e manipolazione dei campioni in abbinamento alle diverse modalità di acquisizioni di spettri elettronici o vibrazionali

- capacità di progettare analisi (e quindi individuare la metodologia più adatta) tramite le metodologie indicate di campioni di interesse clinico e/o forense tenendo conto delle specificità degli analiti, delle complessità delle matrici, e del tipo di informazione (ad es. qualitativa e/o quantitativa) richiesta

- capacità di interpretare dati ottenuti tramite tali metodologie

Solo per gli studenti fino alla coorte 2016-2017:

- capacità di redigere una relazione scientifica di presentazione e discussione di dati sperimentali

- knowledge of main sample handling methods for scanning and transmission electron microscopy

- knowledge of main sample handling methods for electronic and vibrational (noth IR and Raman) spectroscopic measurements

- capability to design proper electron microscopy and/or spectroscopic measurements for the investigation of samples of interest in clinical and forensic chemistry, tacking into account the peculiar features of these samples (e.g, complexity of the matrix), and the specific target(s) to be pursued (identification/quantification)

- capability to analyse data resulting from the methods indicated above

Limited to students  who entered the LM CCFS in the 2016-2017 academic year:

- capability to write a scientific report

Le lezioni dedicate alle microscopie elettroniche(Prof. Martra) prevedono una parte introduttiva sul concetto di ingrandimento e risoluzione nelle modalità di acquisizione di segnali in trasmissione e in scansione. A seguire, vengono affrontati gli aspetti fisici di base delle proprietà dei fasci di elettroni accelerati e della natura e caratteristiche della loro interazione con la materia. Si passa quindi all'applicazione di queste conoscenze alla formazione dei vari tipi di contrasto, con i relativi contenuti informativi (inclusa l'analisi chimica da raggi X caratteristici), alla base della formazione delle immagini di microscopia elettronica in trasmissione. Parte integrante di questi argomenti sono anche gli aspetti costitutivi e funzionali delle varie parti che compongono un microscopio elettronico in trasmissione (TEM). Segue l'applicazione di queste conoscenze all'analisi (anche con esercitazioni numeriche guidate) di immagini esemplificative di varie tipologie di materiali, e la presentazione delle metodiche di preparazione dei campioni. La stessa tipologia di percorso conoscitivo viene proposta per la microscopia elettronica a scansione (SEM). Il laboratorio (tutor: Martra, Bonino) sarà dedicato all'esecuzione diretta di misure SEM da parte degli studenti e alla partecipazione ad una sessione di misure TEM.

Per quanto riguarda i metodi di spettroscopia elettronica (Prof. Martra) e di spettroscopia vibrazionale (Dr. Bonino) gli argomenti oggetto delle lezioni frontali riguarderanno aspetti di conoscenza dei principi fisici e chimico fisici che sono alla base della progettazione di misure UV-Vis-NIR, sia di assorbimento che di emissione, ed IR e Raman, della interpretazione dei risultati (natura delle transizioni, effetto delle interazioni intra- ed intermolecolari, relazioni tra seganli spettroscopici e struttura molecolare), dei principi di misura nelle varie modalità utili per lo studio di campioni di interesse clinico o forense (spettroscopia elettronica di assorbimento: misure in trasmissione ed in riflettanza diffusa; spettroscopia elettronica in emissione: misure in stato stazionario e risolte nel tempo; spettroscopia IR: misure in trasmissione, ATR, riflettanza diffusa; spettroscopia Raman: misure convenzionali e in modalità confocale). Nel corso delle lezioni verranno svolti esempi di interpretazione dispettri, e saranno presentati e discussi casi di utilizzo delle spettroscopie ottiche in riferimento ad articoli scientifici tratti dalla letteratura degli ambiti di riferimento Le esercitazioni in laboratorio (tutor: Martra, Bonino, Magnacca) riguarderanno l'acquisizione di spettri elettronici (sia di assorbimento che di fotoluminescenza) e IR e Raman di campioni solidi e liquidi scelti in modo di dare occasione di utilizzare varie modalità di acquisizione degli spettri e di applicare quanto trattato a lezione per l'interpretazione dei risultati.

The course will deal with electron microscopy (both in transmission and in the scanning mode; I semester, prof. Martra) and optical spectroscopies (electronic, Prof. Martra, and vibrational (IR, Raman), Dr. Bonino; II semester). Lessons will be followed by practical works. As for electron microscopy, lesson will start from the different concepts of magnification and resolution for the acquisition of signals in the transmission or scanning mode. Then, the physical features of beams of accelerated electrons will be discussed, as well as nature and features of their interaction with matter. Next, these physical insights will be used to understand the origin and the informative content (included chemical analysis by collection of characteristic X-ray emission) of the various type of contrast forming TEM images. These topics will be treated in close connection with both engineering and functional aspects of the various parts forming a TEM instrument and methods for sample preparation. Essentially the same path will be followed for scanning electron microscopy. In the lab, students will carry out SEM measurements, and will assist to a TEM analysis (tutors: Martra, Bonino). 

The second part of the course is devoted to the physical and physical-chemical principles at the basis of a rational and effective design of electronic and vibrational spectroscopic measurements. For electronic spectroscopy, both the absorption and emission modes (the latter in both steady state and time resolved variants) will be considered. As for vibrational spectroscopy, IR [in the transmission, attenuated total reflection (ATR), and diffuse reflection (DRIFT) modes] and Raman methods will be treated. Spectra interpretation and extraction of informative contents will be will be discussed, also on the basis of case-studies from the clinical and forensic literature. As an introduction the laboratory activities, the engineering and functional features of common types of spectrophotometers will be treated. During practical works, students will collect IR, Raman and electronic spectra of solid and liquid samples, representative of classes of samples of interest for clinical and forensic chemists (tutor: Martra, Bonino and Magnacca).

Tipologia Insegnamento 

I semestre, Microscopie Elettroniche: lezione 3CFU (24 ore Martra) e laboratorio 1CFU (16 ore Martra e Bonino)

II semestre, Spettroscopie Ottiche: lezione 4 CFU (16 ore Martra e 16 ore Bonino) e laboratorio 1 CFU (16 ore Martra, Bonino e Magnacca)

Frequenza

Non obbligatoria per le lezioni, obbligatoria per i laboratori. Si veda l'articolo 10 del Regolamento del Corso di Laurea Magistrale (riportato anche nella pagina degli orari)

I semester Electronic Miscroscopies : 3CFU (24 hours Martra) lessons  and 1CFU (16 hours Martra and Bonino) laboratory 

II semester Optical spectroscopies: 4 CFU (16 hours Martra and 16 hours Bonino) lessons  and 1CFU (16 hours Martra, Bonino and Magnacca) laboratory 

Lessons attendance is not compulsory, whereas it is for  practical laboratory work. See article 10 of the Regulations of this Laurea Magistrale (also reported, for the sake of clarity, in the page devoted to the lesson timetable)

In sede di esame verranno valutate le conoscenze acquisite dallo studente ed il livello della loro comprensione in relazione al programma dell'insegnamento. Rientrano nella valutazione anche conoscenza e comprensione gli aspetti di chimica di base inerenti gli argomenti dell'insegnamento a cui si debba fare riferimento in sede di esame, così come l'utilizzo di un lessico appropriato.

L'esame si svolge, di norma, come segue: la verifica sulla parte di microscopia elettronica prevede una prova scritta (a domande aperte), mentre quella sulla parte di spettroscopie ottiche viene sostenuta in forma orale. Potrà essere oggetto di esame la discussione di dati acquisiti dallo studente nel corso delle esercitazioni in laboratorio.
Il voto finale espresso in trentesimi risulta dalla somma dei seguenti punteggi:
- parte di microscopia elettronica: fino a 14 punti
- parte di spettroscopia ottica: fino a 16 punti

Solo per studenti fino alla coorte 2016-2017:

Ai fini della verifica vengono inoltre valutate le relazioni individuali sulle esperienze di laboratorio.
Il voto finale espresso in trentesimi risulta dalla somma dei seguenti punteggi:
- parte di microscopia elettronica: fino a 12 punti
- parte di spettroscopia ottica: fino a 14 punti
- relazioni di laboratorio: fino a 2 punti ciascuna delle due relazioni (fino a 4 punti in totale)

The exam is devoted to the assessment of the knowledge, and related understanding, of the program attained by the students. In addition, also knowledge and understanding of basic knowledge in Chemistry which should be necessary consider will be evaluated, as well as the use of a proper  scientific/technical language.

The examination is carried out in both written and oral forms. The final mark is expressed in thirtieths.
Part on Electron Microscopy: written examination (open questions) (weight in the final grade: 14/30)
Part on Electronic and Vibrational Spectroscopies: oral examination (weight in the final grade: 16/30)
In both cases,  students could be asked to discuss experimental data they obtained during lab sessions

 

Limited to students  who entered the LM CCFS in the 2016-2017 academic year:

The examination is carried out in both written and oral forms. The final mark is expressed in thirtieths.

Part on Electron Microscopy: written examination (open questions) (weight in the final grade: 12/30) Part on Electronic and Vibrational Spectroscopies: oral examination (weight in the final grade: 14/30)
Report on each of the sessions of practical work in laboratory (weight in the final grade: 2/30 each)

Il materiale didattico presentato a lezione è disponibile sul sito internet.

I testi base a cui fare riferimento (tutti disponibili presso i docenti) sono:

D.B. Williams, C.B. Carter, Transmission Electron Microscopy: a textbook for Materials Science, Springer, 2009

J. Goldstein, Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, Springer, 2003

J.M. Chalmers, P.R. Griffiths, Handbook of vibrational spectroscopy, Wiley, 2002, Vol. 4 e 5

N.B. Colthup, L.H. Daly, S.E. Wiberley, Introduction to Infrared and Raman Spectroscopy, Academic Press, seconda edizione, 1975

J. M. Chalmers, H. G. M. Edwards, M. D. Hargreaves, Infrared and Raman Spectroscopy in Forensic Science, Wiley, 2012

R. Saferstein, Forensic Science Handbook, Prentice Hall, 1993, Vol. 3

N.J. Turro, Modern Molecular Photochemistry, University Science Books, 1991

C.N.R. Rao, Ultra-Violet and Visible Spectroscopy, Butterworths, terza edizione, 1966

J.R. Lakowitz, Principles of fluorescence spectroscopy, Plenum, 2000

Reference material is available at the course website.

Suggested textbooks (all available from the teachers):

D.B. Williams, C.B. Carter, Transmission Electron Microscopy: a textbook for Materials Science, Springer, 2009

J. Goldstein, Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, Springer, 2003

J.M. Chalmers, P.R. Griffiths, Handbook of vibrational spectroscopy, Wiley, 2002, Vol. 4 e 5

N.B. Colthup, L.H. Daly, S.E. Wiberley, Introduction to Infrared and Raman Spectroscopy, Academic Press, second edition, 1975

J. M. Chalmers, H. G. M. Edwards, M. D. Hargreaves, Infrared and Raman Spectroscopy in Forensic Science, Wiley, 2012

R. Saferstein, Forensic Science Handbook, Prentice Hall, 1993, Vol. 3

N.J. Turro, Modern Molecular Photochemistry, University Science Books, 1991

C.N.R. Rao, Ultra-Violet and Visible Spectroscopy, Butterworths, third edition, 1966

J.R. Lakowitz, Principles of fluorescence spectroscopy, Plenum, 2000