FUNDAMENTALS OF SPECTROSCOPY

Il corso rientra tra le attività formative affini e integrative del corso di laurea magistrale “Science and Technology of Bio and Nanomaterials”, che ha lo scopo di preparare professionisti capaci di progettare, sintetizzare e caratterizzare nuovi ed innovativi nano- e bio-materiali fornendo una solida preparazione multidisciplinare in ambiti quali le scienze dei materiali, chimica e biologia.
Obiettivi formativi dell’insegnamento sono quindi quelli di fornire una trattazione rigorosa e formale del fenomeno spettroscopico, esponendone le basi teoriche, e di introdurre il relativo formalismo da impiegare. Vengono inoltre trattate alcune delle principali tecniche impiegate per la caratterizzazione spettroscopica di molecole e macromolecole biologiche, e per lo studio di superfici funzionalizzate.

Al termine del corso gli/le studenti avranno acquisito una conoscenza e comprensione approfondita dei concetti teorici della spettroscopia e dei diversi formalismi impiegati. Inoltre avranno acquisito le conoscenze relative ad alcune delle principali tecniche per la caratterizzazione spettroscopica di macromolecole biologiche e per lo studio di superfici funzionalizzate.
Al termine del corso gli/le studenti inoltre sapranno applicare i diversi formalismi e le conoscenze teoriche per razionalizzare il dato spettroscopico derivante dalle diverse tecniche di indagine e caratterizzazione spettroscopica trattate nel corso.

E’ opportuno che gli/le studenti abbiano delle conoscenze di base in analisi matematica (vettori, matrici, calcolo differenziale e integrale).

CONCETTI DI BASE DI MECCANICA QUANTISTICA
Spazi vettoriali hilbertiani, operatori hermitiani, e loro proprietà. Equazione di Schrödinger dipendente dal tempo e non dipendente dal tempo. Il principio di indeterminazione generalizzato. Il teorema quanto-meccanico del viriale. Teoria delle perturbazioni per stati non-degeneri e stati degeneri. Il metodo variazionale. Esempi e applicazioni. Descrizione dei processi di assorbimento indotto, di emissione indotta e di emissione spontanea, e relativi coefficienti secondo la trattazione di Einstein. Momento di transizione. Interazione con il campo elettrico e con il campo elettromagnetico. Regole di selezione. Classificazione delle spettroscopie.
Trattazione dell’oscillatore armonico, relativi autovalori e autofunzioni. Spettroscopia dell’oscillatore armonico. Estensione al caso delle molecole poliatomiche. I modi normali di vibrazione. Il rotatore rigido, i suoi autovalori e autofunzioni. L’effetto della distorsione centrifuga e la sua trattazione con la teoria delle perturbazioni.
SPETTROSCOPIA ROTAZIONALE
Il tensore di inerzia. Assi principali di inerzia e momenti principali di inerzia. Classificazione delle molecole in funzione dei rispettivi momenti principali di inerzia: molecole lineari, rotatori simmetrici, asimmetrici e sferici. Regole di selezione. Spettri rotazionali nell’approssimazione del rotatore rigido. Gli effetti della distorsione centrifuga negli spettri rotazionali. Sostituzione isotopica e suoi effetti. Esempi di spettri nella regione delle micro-onde.
SPETTROSCOPIA INFRAROSSA (IR) E DISCUSSIONE DI ALCUNE RELATIVE TECNICHE DI INDAGINE
Spettro vibrazionale di una molecola biatomica e la correzione anarmonica. Spettroscopia vibro-rotazionale di una molecola biatomica e le relative regole di selezione. Molecole poliatomiche: regole di selezione e spettro vibro-rotazionali. Descrizione di alcune moderne tecniche sperimentali: ATR (Attenuated Total Reflection), SEIRAS (Surface Enhanced InfraRed Absorption Spectroscopy), RAIRS (Reflection-Absorption IR Spectroscopy), e DRIFT (Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopy). Introduzione alle spettroscopie non lineari: la spettroscopia SFG-VS e sue applicazioni.
SPETTROSCOPIA DI RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE (NMR)
Operatori di momento angolare di spin. Operatori di rotazione e di proiezione. Moto di precessione del sistema di spin e frequenza di Larmor. La matrice di densità. Impulsi in radio frequenza. Equazioni fenomenologiche di Bloch e loro soluzione nel sistema di assi di laboratorio e in un sistema di assi rotanti. Processi di rilassamento: longitudinali (spin-lattice) e trasversali (spin-spin). Descrizione dello strumento NMR. La correzione di fase. Descrizione dei principali hamiltoniani impiegati per descrivere un tipico esperimento NMR. Il prodotto diretto e gli operatori prodotto. Magnetizzazione in-fase e fuori-fase, e la loro inter-conversione. Trasferimento di coerenza quantico. Analisi con gli operatori prodotto di alcune sequenze di impulsi per NMR mono-dimensionale. L’esperimento INEPT (Insensitive Nuclei Enhanced by Polarization Transfer).
Spettroscopia NMR bi-dimensionale (2D-NMR). Spettroscopia 2D-NMR omo-nucleare e etero-nucleare. Descrizione di alcune sequenze di impulsi di esperimenti 2D-NMR con gli operatori prodotto: correlazione omo-nucleare (COrrelation SpectroscopY , COSY), correlazione a doppio filtro quantico (Double Quantum-Filtered COSY, DQF-COSY), correlazione etero-nucleare (HETero-nuclear CORrelation spectroscopy, HETCOR), Heteronuclear Multiple Quantum Coherence e Heteronuclear Multiple Bond Coherence. Concetti di base di spettroscopia NMR su stato solido.
SPETTROSCOPIA DI RISONANZA PARAMAGNETICA ELETTRONICA (EPR)
Concetti di base, esempi ed applicazioni anche allo stato solido.

Per la parte relative ai concetti base di quantomeccanica:
-D. J. Griffiths, “Introduction to Quantum Mechanics”, Cambridge University Press, 2nd edition, 2016.
Per la parte relativa alle spettroscopie ottiche, con particolare riferimento alla parte di spettroscopia rotazionale e infrarossa:
- J. M. Hollas, “Modern Spectroscopy”, 4th edition, Wiley, 2003.
Per la parte relative alle spettroscopie magnetiche, con particolare riferimento alla spettroscopia NMR:
N. E. Jacobsen “NMR SPECTROSCOPY EXPLAINED: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology”, John Wiley & Sons, 2007.

Come approfondimento per la parte della spettroscopia EPR si consiglia:
A. Lund, M. Shiotani, S. Shimida, “Principles and Applications of ESR spectroscopy”, Springer, New York, 2011.

La verifica dell’apprendimento avviene attraverso una prova orale (durata circa 30 minuti).
Tale prova orale consiste in una serie di domande sull’intero programma, alle quali gli/le studenti devono rispondere dimostrando di conoscere e sapere esporre in modo corretto gli argomenti trattati. Verrà inoltre chiesto loro di saper applicare i diversi formalismi impiegati nel corso per descrivere un esperimento spettroscopico, e di saper discutere i relativi risultati.

Corso frontale organizzato in lezioni comprensive anche di esempi di impiego di opportuni programmi specialistici. Nella piattaforma MOODLE di Ateneo è presente il materiale didattico proiettato in aula durante le lezioni comprensivo di materiale supplementare e di alcuni esempi di applicazione dei concetti per la descrizione ed interpretazione del dato spettroscopico.

Inglese

Accessibilità, Disabilità e Inclusione

Accomodamenti e Servizi di Supporto per studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento:
Ca’ Foscari applica la Legge Italiana (Legge 17/1999; Legge 170/2010) per i servizi di supporto e di accomodamento disponibili agli studenti con disabilità o con disturbi specifici dell’apprendimento. In caso di disabilità motoria, visiva, dell’udito o altre disabilità (Legge 17/1999) o un disturbo specifico dell’apprendimento (Legge 170/2010) e si necessita di supporto (assistenza in aula, ausili tecnologici per lo svolgimento di esami o esami individualizzati, materiale in formato accessibile, recupero appunti, tutorato specialistico a supporto dello studio, interpreti o altro), si contatti l’ufficio Disabilità e DSA disabilita@unive.it.

orale