Corso di laurea magistrale in Chimica Clinica Forense e dello Sport

 Apprendimento dei principi di funzionamento della moderna strumentazione per l'analisi di tracce di composti organici e biologici, in termini di funzione/ funzionamento, di fenomenologia fisica implicata e di prestazioni analitiche. Capacità di discernere, in funzione della problematica posta, quale sia l'approccio analitico-strumentale più adatto, al fine di pervenire ad un'informazione esauriente.

Apprendimento dei più comuni strumenti di statistica adatti ad un'analisi chemiometrica multivariata di risultanze chimico-analitiche. Capacità di affrontare problematiche di analisi chemiometrica multivariata, attraverso la scelta opportuna degli strumenti statistici adatti, al fine di ricavarne elementi di giudizio (decision making) fondati su procedimenti inferenziali compiuti.

Il presente corso di insegnamento richiama importanti concetti appresi in insegnamenti precedenti ed esprime i nuovi contenuti con sostanziale approfondimento fenomenologico e/o astrazione logica. Pertanto, il programma presentato a lezione dovrà necessariamente essere assimilato attraverso la riflessione personale e collettiva nello studio. Al termine di questo processo, lo studente dovrà essere in grado di padroneggiare sufficientemente la materia, in modo da poter descrivere gli argomenti con terminologia appropriata e secondo sequenze ordinate, logiche e consequenziali di causa ed effetto. Dovrà inoltre dimostrare di saper approssimativamente applicare i concetti studiati a contesti di applicazione pratica.

L'insegnamento è interamente svolto mediante lezioni frontali. Esemplificazioni di calcoli statistici su dati reali sono svolte nel laboratorio informatico.

La verifica si svolge oralmente, a gruppi di 2-4 studenti, ha una durata di 60-90 minuti per ogni studente, e rappresenta un momento significativo di didattica individualizzata. Allo studente viene chiesto di illustrare concetti in modo logico e concatenato, esprimere definizioni usando terminologia appropriata, rispondere a domande puntuali, dedurre logicamente conseguenze e/o modalità di applicazione pratica dei concetti teorici appresi. Le componenti di coerenza narrativa, di comprensione fenomenologica e di capacità deduttiva sono tenute nella massima considerazione, mentre non è data importanza ai dettagli meramente mnemonici. Per sviluppare le suddette competenze è fortemente consigliato lo studio a gruppi, dove siano possibili la discussione degli argomenti, il confronto di idee e l’illustrazione reciproca dei concetti e dei contenuti, mentre tale condivisione dell’apprendimento non è realizzata nello studio individuale.

Finalità ultima dell’esame è quella di mettere lo studente di fronte alla propria preparazione e competenza acquisita, oltreché alla capacità di rappresentare tale competenza di fronte a soggetti terzi. La valutazione finale scaturisce spontaneamente dal coinvolgimento dello studente in questo processo articolato di verifica.

At the beginning of the course, groups are formed with three students each, who have studied in different universities during their bachelor program. This has the purpose to homogenize their background knowledge and accustom them to work with previously unknown and random colleagues. Two or three times during the course, the teaching flow is interrupted to allow groups to revise the treated program, whereas the professor moves from one group to another to provide supplementary explanation. Ideally, each group jointly study the program and prepare for the final examination.

Il corso presenta gli aspetti fondamentali, dei principi fisici di funzionamento della strumentazione analitica utilizzata per l’analisi di componenti in traccia in matrice biologica e/o in reperti giudiziari.  Il corso presenta inoltre gli strumenti statistici e chemiometrici più efficaci per effettuare un’analisi multivariata delle risultanze analitiche, e per indirizzare il processo decisionale, sia nella valutazione clinica e tossicologica, sia nella considerazione del valore probatorio di una risultanza forense.

Modulo di spettrometria di massa e cromatografia avanzata: Innovazioni nella cromatografia gassosa (fast-GC, GCxGC) e liquida (UHPLC). Elementi di uno spettrometro di massa. Funzioni di controllo elettronico. Sistemi di pompaggio ad alto e basso vuoto. Misuratori di pressione. Metodi di ionizzazione tradizionali in spettrometria di massa (MS): fenomenologia dell’impatto elettronico e della ionizzazione chimica. Scelta dei parametri operativi. Selected ion monitoring e tecniche quantitative di diluizione isotopica. Meccanismi di frammentazione. Analizzatori di massa e loro principi fisici e matematici di funzionamento: quadrupolari, a tempo di volo. Abbinamento MALDI-TOF e TOF con GC veloce. MS a trappola ionica tri- e bidimensionali. Ion-injection ed espulsione sequenziale degli ioni. Spettrometria massa/massa risolta nello spazio e nel tempo: esperimenti possibili e applicazioni in campo clinico e investigativo. Spettroscopia collisionale; controllo cinetico e termodinamico della frammentazione in MS/MS. Analizzatori MS e massa/massa di alta risoluzione: Q-TOF, a risonanza ciclotronica e Orbitrap. MS di mobilità ionica. Accoppiamento HPLC-MS. Meccanismi fisici di funzionamento delle tecniche di electrospray e APCI e influenza dei parametri operativi. Applicazione in ambito farmacologico, clinico e biotecnologico. Sequenziamento di polipeptidi. Tecniche di Ambient-MS: DESI e DART: principi e applicazioni in campo clinico e forense. Applicazione di tecniche ambient nell'imaging diagnostico. Investigazione di reati di natura sessuale.

Modulo di chemiometria: Il principio utilitaristico nella rappresentazione scientifica della realtà. Sistemi di qualità: obiettivi, progettazione, azione, verifica. Le problematiche complesse: origine, definizione e metodi per affrontarle. La struttura multivariata delle problematiche complesse. Effetti olistici e macroproprietà dei sistemi. Ruolo della chemiometria nella soluzione dei problemi complessi. La struttura multivariata dei dati. Rappresentazione dei dati in forme matriciali. Le scale di misura dei dati. Trasformazioni matematiche e scalature dei dati. Analisi statistica multivariata. Concetti di distanza fra punti sperimentali, correlazione, covarianza. Analisi della varianza. Analisi delle componenti principali e rappresentazioni grafiche: diagrammi dei loadings e scores. Cluster analysis e rappresentazioni grafiche; metodi di clustering gerarchici e non gerarchici. Esempi in campo clinico e tossicologico. Disegno sperimentale. Funzione obiettivo e sua modellizzazione in funzione dei parametri sperimentali.  Schemi di disegni sperimentali. Tecniche decisionali. Metodi sequenziali. Analisi di classificazione e modellamento di classe. Metodi modellanti e non-modellanti. Matrice di confusione e delle perdite e loro significato. Probabilità a priori e suo significato in ambito clinico e forense. Principi di statistica Bayesiana. Test diagnostici e rappresentazioni grafiche in biochimica clinica. Le curve ROC. Metodi di classificazione: K-NN, SIMCA, analisi discriminante lineare e quadratica. Variabili canoniche. Regressione lineare semplice e multipla. Ordinary Least Squares regression in algebra matriciale. Stepwise OLSR e PCR: principi e proprietà. Validazione di un modello di regressione e parametri di valutazione.  Partial Least Squares Regression su una o più variabili dipendenti. Complessità e prestazioni dei modelli PLS-R. Uso della PLS nell'analisi discriminante. Esempi di applicazione in campo forense, clinico, ambientale e alimentare.

Strumenti di apprendimento di base consigliati per il corso sono gli appunti delle lezioni e il materiale didattico messo a disposizione sul sito internet del corso di laurea.

E’ consigliato l’utilizzo del seguente materiale per approfondimenti e integrazioni:

J.T. Watson, O.D. Sparkman, Introduction to Mass Spectrometry, forth edition, 2007, John Wiley&Sons, U.K.

C. Dass, Fundamentals of Contemporary Mass Spectrometry, 2007, John Wiley & Sons, U.S.A.

R. Todeschini, Introduzione alla chemiometria, 1998, EdiSES

M. Forina, Fondamenta per la Chimica Analitica, e-book (ISBN 9788890406461)

M. Otto, Chemometrics, 2007, Wiley-VCH Verlag, Germany

R.G. Brereton, Applied Chemometrics for Scientists, 2007, John Wiley & Sons Ltd., England

 R.G. Brereton, Chemometrics: Data Analysis for the Laboratory and Chemical Plant, 2003, John Wiley & Sons Ltd., England

D. Lucy, Introduction to Statistics for Forensic Scientists, 2005, John Wiley & Sons, U.K.

C. Aitken, F. Taroni, Statistics and the Evaluation of Evidence for Forensic Scientists, 2nd ed., 2004, J. Wiley & Sons

 Infine sono di seguito indicati siti internet di interesse:

http://www.sisnir.org/index.php/edsisnir/10-fondamenti-di-chemiometria (e-book di M. Forina)

La frequenza alle lezioni è consigliata, ma non obbligatoria.
Per gli studenti che non frequentino le lezioni, al fine di ottenere una preparazione completa, è necessario procurarsi una copia degli appunti delle lezioni dai compagni che le frequentano.