420MI - MATERIALS CHARACTERIZATION AND DATA ANALYSIS 2023
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Benvenuto sul sito del corso di Metodi Spettroscopici di Analisi - Parte di Spettroscopia Ottica (3 CFU).La spettroscopia ottica in generale, ed in particolare le tecniche di microscopia ed imaging basate su di essa, sono diventate patrimonio comune di molti laboratori avanzati di scienza dei materiali.Il corso è pensato come introduzione alla spettroscopia ottica, ed è un "tutorial" sulle principali tecniche spettroscopiche e di imaging avanzate correntemente utilizzate nei laboratori di ricerca e caratterizzazione dei materiali.Lo scopo è dunque di introdurre in modo qualitativo i concetti fondamentali delle spettroscopie e delle rispettive tecniche di imaging basate su fluorescenza (e.g. FLI, FRET, STED, fluorescenza a due fotoni), infrarosso (FT-IR, ATR) e Raman (e.g. SERS), e quindi vedere degli esempi di applicazioni presi da recente letteratura scientifica.Il corso prevede anche una visita presso il laboratorio di spettroscopia/imaging di fluorescenza e Raman, con delle brevi dimostrazioni (in presenza del docente) su alcune delle tecniche affrontate nel corso.
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Per il programma completo si prega di fare riferimento al Syllabus del corso.La struttura di base del corso si divide in tre parti, di circa 8 ore ciascuna (per un totale di 24 ore):1. Introduzione generale alla spettroscopia ottica e biofotonica, che include dei cenni alla interazione tra radiazione e materia, con particolare riferimento ai materiali; cenni di strumentazione usata in spettroscopia ottica, inclusa una breve esercitazione nella quale gli studenti si costruiranno un mini-spettroscopio per l'osservazione di spettri con la videocamera del proprio smartphone;2. Introduzione alla fluorescenza, che include dei cenni di teoria e numerosi esempi di applicazioni prese dalla letteratura scientifica;3. Introduzione alle spettroscopie vibrazionali, che include dei cenni di teoria e l'introduzione di tecniche spettroscopiche e di imaging quali IR, Raman, SERS;
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Qui si possono scaricare le slides usate a lezione, nonchè altro materiale eventualmente messo a disposizione dal docente.
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Per quanto riguarda eventuali testi, il corso è costruito attingendo da vari manuali, quali ad esempioIntroduzione generale a metodi e strumentazione in spettroscopia ottica
- Skoog, West, Holler, Crouch "Fundamentals of Analytical Chemistry", Brooks/Cole, 2014 - (DIP. SCI. CHIMICHE DO 05./A / 0004; DO 04/32 / 0150)
- Harvey "Modern Analytical Chemistry", McGraw Hill, 2000
- Lakowicz "Principles of Fluorescence Spectroscopy", Springer, 2006 (DIP. SCI. CHIMICHE DO 04/06 / 0385)
- Valeur and Beberan-Santos "Molecular Fluorescence", Wiley-VCH, 2012 (DIP. SCI. CHIMICHE DO 04/06 / 0296)
- Larkin "IR and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation", Elsevier, 2011 (BIB. TECNICO SCIENTIFICA H0 33 / 0015)
- Smith and Dent "Modern Raman Spectroscopy: a practical approach", Wiley, 2005 (B. DIP. MAT.RISOR.NAT.-ING.MATERIALI 05./I /0012; DIP. SCI. CHIMICHE DO 04/06 /0336)
- Vandenabeele "Practical Raman Spectroscopy - an introduction", Wiley, 2013
Altri testi per approfondimenti- Pavia, Lampman, Kriz, Vyvyan "Introduction to Spectroscopy", Brooks/Cole, 2009
Non si richiede l'acquisto di testi (molto costosi o fuori catalogo), ed il corso può essere seguito anche solo con le informazioni passate a lezione, e tramite le slides. Alcuni di questi testi sono presenti presso le biblioteche dell'Università (la collocazione è indicata di seguito ai dati del testo), e comunque, su richesta, potrò dare in visione alcuni di questi testi agli studenti interessati. -
La prova d'esame consisterà1) nella presentazione di una breve relazione sperimentale (3-5 pagine), redatta a gruppi di 3-5 studenti, sulle esperienze effettuate con lo spettrografo. La relazione dovrà contenere una breve introduzione, una descrizione dello strumento e dei metodi utilizzati (es. calibrazione) ed una parte con la descrizione dei dati ottenuti (spettri acquisiti, almeno da 3 diverse sorgenti/esperimenti), eventualmente commentati e discussi.2) nella presentazione e discussione di un articolo scientifico, scelto dallo studente (ma concordato con il docente via e-mail almeno una settimana prima dell' esame), inerente alle tematiche affrontate nel corso. La presentazione del lavoro sarà di tipo seminariale, e gli studenti sono invitati all'utilizzo di Powerpoint o applicazioni affini. Tutte le presentazioni avverranno nel corso di una giornata-simposio, a cui tutti gli studenti sono invitati a particpare.Le relazioni in formato PDF (file con nome "(cognomi)_relazione.pdf") dovranno preferibilmente essere caricate nella cartella qui di seguito, oppure mandate via e-mail al docente entro una settimana dalla data di esame.Il punteggio finale (in /30) verrà calcolato secondo il seguente schema:- relazione sperimentale: da 10 a 14 punti- presentazione: da 9 a 13 punti- risposte alle domande: da 1 a 3 puntiLe date degli appelli per gli studenti del corso sono pubblicate in ESSE3 o sul sito del Dipartimento (https://www.dia.units.it/). GLi studenti potranno iscriversi all' esame attraverso le solite procedure tramite ESSE3. Appelli straordinari possono essere concordati col docente.
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Links per websites che spiegano come auto-costruirsi degli spettrografi o monocromatori in casa.
Applicazione online per conversione di immagini in spettri: -
Per far girare lo script per trasformare le immagini di spettri in grafici (dati) XY sul proprio computer, seguire le istruzioni:
1. Scaricare ed installare sul proprio computer il software gratuito R da www.r-project.org (Downoad > CRAN > ...)2. Scaricare ed installare l'interfaccia gratuita RStudio da www.rstudio.com3. Aprire RStudio, cliccare sulla tab "Packages" nel riquadro in basso a destra, cliccare "Install" ed installare i pacchetti "shiny", "imager" e "MALDIquant"4. Scaricare l'archivio app.ZIP da questo link (stessa password usata per scaricare le slides)5. Estrarre il contenuto dell'archivio in una cartella "specgraph" (da creare apposta sul proprio computer)6. Aprire il file app.R con RStudio, e cliccare il tasto "Run App" al centro in alto.L'applicazione dovrebbe aprirsi nel browser di default.Poi basta seguire le solite istruzioni come indicate nella sezione "links".Lo script è stato testato sia su Windows che su Mac. -
Ecco alcune indicazioni sul come acquisire le immagini a righe ottenute dal proprio smartphone (intensità luce su pixels in x e y), ed elaborarle in spettri veri e propri (intensità luce vs. lunghezza d'onda in nm).1. fissare il mini-spettrografo sul proprio smartphone con il nastro adesivo;2. acquisire una immagine spettrale della luce emessa da una lampadina a fluorescenza (no LED, no incandescenza) dal proprio smartphone utilizzando il mini-spettrografo costruito. Questa immagine dovrebbe avere almeno 4 righe colorate ben visibili, e servirà a calibrare la camera del vostro smartphone per le prossime immagini che verranno acquisite;3. senza spostare la posizione del mini-spettrografo, acquisire in serie altre immagini spettrali da altre sorgenti di luce; ogni volta che il mini-spettrografo viene spostato o rimosso, la prima immagine a righe ad essere acquisita deve sempre essere quella di una lampada a fluorescenza;4. in caso, ruotare le immagini a righe in modo da avere una serie di righe verticali, con le righe blu a sinistra e quelle rosse a destra;5. per ogni immagine, caricarla (formato .jpg) nell' applicazione online per trasformare l' immagine a righe in spettro, e scaricare il file con i dati in formato ASCII da aprire poi in MS Excel; per lo spettro della lampadina a fluorescenza, prendere nota della posizione (in pixel) delle 4 bande più intense (serviranno per la calibrazione in Excel);
FIGURA 2. Esempio di spettro ottenuto da una immagine a righe.6. Usare le posizioni delle bande della lampadina a fluorescenza (spettro noto, vedi figura 1) in excel per calibrare l'asse delle x (pixels), trasformandolo in lunghezza d'onda (nm), in modo da ottenere spettri Intensità/lunghezza d'onda (nm). Vedi figura 3.
FIGURA 3. Esempio di utilizzo di MS Excel per calibrazione. -
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