Programs of the institutional courses of the PhD in Chemical Sciences II SEMESTRE (1 APRILE-30 GIUGNO 2023) 6) Metabolomica: trattamento dei dati e applicazioni (Modulo 2) 3 CFU Dott. Andrea Cerrato Il corso, rivolto agli studenti di dottorato di ricerca di qualsiasi indirizzo scientifico, approfondisce alcuni aspetti riguardanti la metabolomica mediante spettrometria di massa definiti nel modulo 1 (Metabolomica: teorie, principi e tecniche analitiche) e introduce alcuni aspetti inediti. La ricerca nel campo delle scienze omiche ha subito un’accelerazione negli ultimi anni, e molte delle problematiche aperte sono temi di ricerca di frontiera multidisciplinare. Il corso è articolato in due parti: trattamento dei dati (lezioni 1-6) ed applicazioni della metabolomica (lezioni 7-12). Nella prima parte del corso verranno approfonditi gli approcci di trattamento e pretrattamento dei dati in metabolomica targeted ed untargeted, con particolare enfasi sull’utilizzo di software bioinformatici. In questa sezione saranno anche approfonditi alcuni degli aspetti di recente dibattito nella comunità scientifica (la marcatura isotopica e i materiali di riferimento). Infine, saranno definite le più comuni strategie ortogonali alla spettrometria di massa per l’identificazione di metaboliti, ossia la predizione dei tempi di ritenzione e la mobilità ionica. Nella seconda parte del corso verranno presentate in dettaglio le principali applicazioni pratiche della metabolomica in campo clinico ed alimentare. In questo contesto verranno definite alcune delle scienze omiche nate come branche della metabolomica ma ormai elevate al rango di scienze omiche a sé stanti data la loro complessità e specificità: la lipidomica, la foodomica e la cannabinomica. Lezione 1. Presentazione e finalità del corso. Trattamento dei dati di metabolomica via LC-MS: dall’acquisizione dei dati all’identificazione. Il quality control e la normalizzazione. L’uso di software bioinformatici e database. Lezione 2. La qualità del dato in metabolomica. L’utilizzo della marcatura isotopica e le applicazioni di biomassa marcata isotopicamente. L’uso dei materiali di riferimento in metabolomica. Lezione 3. Il trattamento dei dati per analisi di metabolomica non-targeted: preprocessamento dei dati, rimozione del rumore di fondo, il problema dell’annotazione. Identificazione degli spettri MS/MS: database e identificazione manuale. Lezione 4. Le tecniche di frammentazione inusuali (dissociazione indotta da elettroni, fotodissociazione UV ed IR) per l’identificazione di metaboliti. Reazioni in fase gassosa, derivatizzazione, MSn. Parametri ortogonali per l’identificazione dei metaboliti: il tempo di ritenzione. Lezione 5. Mobilità ionica: definizione di mobilità ionica, modalità e strumentazioni, mobilità degli ioni e potere risolvente, la collision cross section (CCS) misure sperimentali delle CCS, calcolo in silico delle CCS, database di CCS. Lezione 6. Mobilità ionica: accoppiamento della mobilità ionica con la spettrometria di massa (IM-MS), IM-MS per la separazione di metaboliti e lipidi, IM-MS per la determinazione delle strutture di metaboliti e lipidi, IM-MS per metabolomica e lipidomica untargeted. Lezione 7. Metabolomica clinica: medicina di precisione, farmacometabolomica, tecniche analitiche per analisi cliniche, metabolomica per la scoperta di biomarcatori, metabolomica per lo sviluppo di farmaci, metabolomica per la scienza della nutrizione. Lezione 8. Lipidomica: definizione di lipidomica e nomeclatura dei lipidi, preparazione del campione, analisi mass spettrometrica dei lipidi, lipidomica shotgun e accoppiamento LC-MS, database e software di lipidomica. Lezione 9. Lipidomica: overlap isomerici di massa, tecniche innovative per la caratterizzazione delle proprietà stereochimiche dei lipidi, epossidazione, ozonolisi, reazione di Paternò-Büchi, fotodissociazione. Lezione 10. Foodomica: definizioni e tecnologie analitiche, foodomica per la sicurezza alimentare, foodomica per la qualità alimentare, foodomica per la tracciabilità alimentare, foodomica per la ricerca di composti bioattivi. Lezione 11. Foodomica: composti fenolici e polifenoli, definizione, classificazione di composti fenolici e loro proprietà bioattive, metodi per l’identificazione di composti fenolici mediante spettrometria di massa a bassa ed alta risoluzione. Lezione 12. Cannabinomica e fitocannabinomica, definizione, classificazione dei fitocannabinoidi e loro proprietà bioattive, metodi per l’identificazione di fitocannabinoidi mediante spettrometria di massa a bassa ed alta risoluzione. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7) Chimica Supramolecolare 3 CFU Dott. Giorgio Capocasa Introduzione: definizioni e relazioni fra i componenti di sistemi supramolecolari. Riconoscimento: Forze intermolecolari, misura delle costanti di associazione, razionalizzazione di affinità e selettività di un dato recettore per ioni e molecole. Aspetti termodinamici. Supramolecole: Eteri corona, podandi, lariati, criptandi, cavitandi, gabbie ed i loro complessi con diverse specie chimiche, eliche. Self assembly e self-sorting. Applicazioni in catalisi, sensoristica, separazione e trasporto di specie chimiche. Legame meccanico: proprietà e strategie sintetiche per la preparazione di catenani, rotaxani, nodi, anelli di Borromeo. Macchine molecolari in catalisi. Materiali: clatrati, gelatori, cristalli liquidi, polimeri autoriparanti. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8) Simulazioni molecolari per lo studio di solventi alternativi ecosostenibili 3 CFU Dott. Matteo Busato Obiettivi del corso: Il corso intende offrire allo studente di dottorato una panoramica su diversi casi di studio inerenti sistemi liquidi non convenzionali in cui sia richiesto un approccio teorico per la risoluzione del problema scientifico. Nello specifico saranno trattati soprattutto solventi alternativi come liquidi ionici e solventi a eutettico profondo, la solvatazione di ioni metallici in questi e le loro miscele con cosolventi, sia dal punto di vista strutturale che termodinamico. L’obiettivo del corso è far acquisire gli strumenti per orientarsi nel campo delle tecniche di simulazione molecolare indirizzate alla risoluzione di specifici casi di studio, anche in combinazione con dati sperimentali, riempiendo il divario tra l’impianto teorico e la risoluzione pratica di un problema scientifico. Laddove necessario verranno fatti richiami teorici ai principali metodi utilizzati, come dinamica molecolare e teoria del funzionale di densità. Liquidi ionici: - Richiami alle proprietà generali e applicazioni, proprietà chimico-fisiche, valutazione dell’ecosostenibilità di un solvente alternativo. - Solvatazione di ioni metallici in liquidi ionici: applicazioni (dispositivi elettrochimici, elettrodeposizioni, catalisi, estrazioni). - Modellizzazione di un liquido ionico tramite dinamica molecolare: valutazione del livello di teoria, campi di forza, modelli polarizzabili, protocolli di simulazione, stima di proprietà di bulk. - Coordinazione di ioni metallici in liquidi ionici: combinazione di metodi di dinamica molecolare e teoria del funzionale di densità con misure di spettroscopia di assorbimento ai raggi-X, UV-Vis, FTIR e Raman. - Termodinamica di solvatazione: metodi per la determinazione dell’energia libera, perturbazione termodinamica, campionamento a ombrello e potenziale della forza media, combinazione con tecniche di titolazione (microcalorimetriche, potenziometriche e spettrofotometriche). Solventi a eutettico profondo: - Richiami alle proprietà generali, classificazione e applicazioni. - Determinazione delle proprietà strutturali tramite metodi di dinamica molecolare, studio del legame a idrogeno, miscele con cosolventi, coordinazione di ioni metallici, combinazione con misure sperimentali di spettroscopia di diffusione dei raggi-X, FTIR, Raman, calorimetria a scansione differenziale. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9) Solventi non convenzionali: sostenibilità e applicazioni nelle scienze estrattive e dei materiali 3 CFU Dott.ssa Chiara Dal Bosco - Introduzione ai solventi sostenibili e alla Chimica Verde - Classificazione dei solventi secondo il sistema GHS (Global Harmonized System) e le normative europee - I solventi eutettici: classificazione, caratteristiche chimico-fisiche e principali applicazioni - Scelta dei materiali di partenza, preparazione e caratterizzazione dei solventi eutettici - Miscele eutettiche come solventi estraenti e relative modalità di utilizzo in campo analitico (tecniche estrattive miniaturizzate): esempi di applicazioni su matrici ambientali, alimentari e biologiche - Altre applicazioni: i DES come mezzi di reazione per la preparazione di nuovi materiali; i DES nella pulitura di superfici metalliche e pittoriche. 1 CFU di laboratorio - Esercitazioni (8 ore): preparazione di miscele eutettiche e loro applicazione alla sample preparation --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10) Chemiometria Applicata con elementi di MATLAB 6 CFU Prof. Federico Marini 1.Richiami di algebra matriciale e introduzione all’ambiente MATLAB. Scalari, vettori, matrici, prodotti vettoriali e matriciali e loro rappresentazione in ambiente matlab. Tipologie di variabili MATLAB e funzioni algebriche elementari. 2.Calibrazione univariata e multivariata. Il metodo dei minimi quadrati. Regressione lineare univariata. Calcolo delle bande di confidenza e degli errori di previsione. Generalizzazione al caso multivariato: la regressione lineare multipla. Esercitazioni in MATLAB. 3.Disegno sperimentale. Disegni simultanei e sequenziali. Disegni fattoriali a due livelli (completi e frazionati). Calcolo degli effetti e della loro significatività. Disegni di screening. Superfici di risposta. Esercitazioni in MATLAB. 4.Analisi Esplorativa. Introduzione all’analisi multivariata. L’analisi delle componenti principali. Criteri per la scelta delle PC. Identificazione degli outliers. Esercitazioni in MATLAB. 5.Regressione sulle variabili latenti. La regressione sulle componenti principali. L’algoritmo PLS. Selezione delle variabili ed interpretazione del modello. Esercitazioni in MATLAB. 6.Classificazione. Problemi di classificazione in chimica. Classificazione discriminante e modellante. L’analisi discriminante lineare e quadratica. Il metodo PLS-DA. SIMCA e la classificazione modellante. Coomans plot. Esercitazioni in MATLAB. 7.Curve resolution. Multivariate curve resolution (MCR) e le sue applicazioni chimiche. Scelta dei constraints. Estensione al caso di più matrici di dati: l’analisi multiset. Applicazioni all’analisi di immagini. Esercitazioni in MATLAB. 8.Metodi multiway. Segnali chimici multidimensionali e loro rappresentazione attraverso arrays di dati. Introduzione all’analisi multi-way. Il metodo PARAFAC. Esercitazioni in MATLAB. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11) Diagrammi di fase: base termodinamica, determinazione sperimentale e assessment computazionale 6 CFU Prof. Andrea Ciccioli Secondo principio della termodinamica: la produzione di entropia come driving force dei processi spontanei. Potenziali termodinamici. Il potenziale chimico. Stabilità delle fasi e condizioni di equilibrio tra fasi. La regola delle fasi (richiami). Modellazione delle fasi e diagrammi di fase di sistemi monocomponente. Equazioni di Clapeyron e Clausius-Clapeyron (richiami). Equazione di Planck. Regola della leva. Equazioni di stato dei fluidi reali (cenni). Costruzione di Maxwell. Il punto critico. Rappresentazioni P-T, V-T, P-V, P-V-T. Modellazione delle fasi e diagrammi di fase in sistemi multicomponente. Termodinamica delle soluzioni ideali: comportamento raoultiano ed henriano (richiami). Soluzioni regolari e subregolari. Curve di energia di Gibbs, tangente comune, tie lines. Diagrammi di fase con soluzioni ideali e regolari. Lacune di miscibilità. Approssimazione quasi-chimica. Soluzioni reali. Equazioni di Gibbs-Duhem e Duhem-Margules. Polinomio di Redlich-Kister. Fasi intermedie stechiometriche e non stechiometriche. Compound energy formalism; modello a sottoreticoli per fasi intermedie non stechiometriche. Casistica di diagrammi di fase a due componenti T-x e P-x con esempi di sistemi metallici, ceramici, organici. Diagrammi di fase a tre componenti. Breve rassegna dei metodi sperimentali di determinazione dei diagrammi di fase. Metodo isotermi e non-isotermi. Tecniche di miscroscopia e di analisi elementare. Metodi calorimetrici e di analisi termica. Misure magnetiche, elettriche, dilatometriche. Metodi di equilibrio (elettrochimici, tensimetrici) per la misura di proprietà termodinamiche. Metodi spettroscopici. Misure ad alta pressione. Il metodo CALPHAD. Assessment computazionale dei diagrammi di fase a partire da informazioni sperimentali e teoriche. Software di ottimizzazione. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12) Microscopia Elettronica su Materiali Micro e/o Nanostrutturati 6 CFU Dott. Roberto Matassa • Nozioni di base: dalla Microscopia ottica alla Microscopia Elettronica. • Tecniche convenzionali ed avanzate di microscopia elettronica. • Preparazione dei campioni. “Un Obbiettivo Indispensabile!”. • Analisi morfologica, chimica e strutturale su regioni micro e nanoscopiche. • Le potenzialità dell’analisi quantitativa delle immagini (QIA). • Strategie scientifiche ed organizzative per la caratterizzazione di materiali di interesse agli Studenti. (Le Infrastrutture Europee di Microscopia). • La microscopia elettronica al laboratorio “P. M. Motta” della “Sapienza”. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13) Chiralità in sistemi complessi 3CFU Dott.ssa Maria Chiara Di Gregorio Connessione tra chiralità a diversa scala (molecole-impacchettamento molecolare-morfologia) 1. Concetto di chiralità, terminologia, chiralità nelle molecole 2. Determinazione sperimentale dell’attività ottica: rotazione ottica, ellitticità, dicroismo circolare, ellitticità, birifrangenza. Origine fisica di segnali dicroici per impacchettamenti chirali supramolecolari ed esempi di aggregati soffici. 3. Analisi di sistemi cristallini con chiralità a diversa scala e proprietà ad esse connesse: - sistemi plasmonici: sistemi plasmonici con morfologia e struttura cristallina chirale, interazione di molecole chirali e sistemi plasmonici achirali, aggregati chirali di nanoparticelle plasmoniche – applicazioni come sensori e dispositivi ottici - metal-organic frameworks chirali: building blocks, processi di cristallizazione e applicazioni (riconoscimento molecolare e separazioni enantioselettive) - cristalli organici, strutture di carbonato di calcio sintetiche e naturali: chiralità indotta da componenti/additivi chirali, correlazione tra struttura cristallografica e morfologia chirale (rilettura dell’esperimento di Pasteur alla luce della recente letteratura), come la materia può rompere le regole di simmetria anche in assenza di elementi chirali (screw dislocations e cristallizzazione a diffusione limitata: rilettura del caso dei coccolitofori alla luce della recente letteratura) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14) Materiali nanostrutturati di origine inorganica 3CFU Dott.ssa Sara Cerra Sintesi di materiali nanostrutturati: nanoparticelle metalliche funzionalizzate, nanoparticelle di ossidi metallici e non metallici. Sintesi di polimeri organometallici. Funzionalizzazione di superfici. Caratterizzazione morfostrutturale dei nanomateriali. Applicazioni in ambito optoelettronico. Applicazioni in ambito biotecnologico.