Nazwa pola Komentarz Nazwa przedmiotu (w języku Techniki analityczne polskim oraz angielskim) Analytical techniques Jednostka oferująca przedmiot CBMiM PAN Liczba punktów ECTS 5 Sposób zaliczenia Egzamin Język wykładowy Polski Określenie, czy przedmiot Jednokrotnie może być wielokrotnie zaliczany Skrócony opis przedmiotu Celem wykładu jest zaprezentowanie podstawowych zagadnień związanych ze współczesnymi technikami spektrometrii mas, w tym także technikami GC-MS i HPLC-MS, i ich zastosowaniem w chemii organicznej i biochemii.w ramach wykładu zostaną omówione następujące zagadnienia: podstawowe pojęcia spektrometrii mas; budowa spektrometru mas; wybrane metody analizy jonów i metody jonizacji z punktu widzenia ich zastosowań w analizie różnych klas związków chemicznych; podstawy interpretacji widm masowych: ustalanie masy cząsteczkowej i wzoru sumarycznego związków organicznych, ustalanie budowy cząsteczek związków organicznych na podstawie widm masowych: od małych cząsteczek do makromolekuł; sprzężenie spektrometrii mas z chromatografią gazową i cieczową. W części Spektroskopia UV i CD zostanie usystematyzowana wiedza z zakresu spektroskopii elektronowej i metod chiralooptycznych, jaka jest potrzebna do zaplanowania i wykonania eksperymentu przy użyciu tych technik analitycznych. Wykład kierowany jest do doktorantów zajmujących się syntezą chemiczną, fizyką polimerów i biochemią, dlatego przedstawiane zostaną przykłady zastosowania spektroskopii UV i CD dla małych cząstek i biopolimerów. W części poświęconej termicznym metodom badania polimerów przedstawione będą wybrane metody charakteryzowania właściwości fizycznych i struktury polimerów w różnych warunkach termicznych. Omówione zostaną nie tylko metody związane z pomiarem samych efektów cieplnych, także właściwości lepkosprężystych i mechanicznych, w zakresie temperatur nieniszczących struktury chemicznej. Przedstawione będą metody charakteryzowania odporności termicznej polimerów w wysokich temperaturach, w których następują nieodwracalne zmiany struktury polimeru związane z degradacją bądź jego spalaniem. Podane zostaną podstawy każdej z prezentowanych metod, sposób wyznaczania charakterystycznych parametrów i ich interpretacji w kontekście zmian struktury fizycznej i/lub chemicznej indukowanych w trakcie zaprogramowanego oddziaływania termicznego lub termomechanicznego. Na wybranych przykładach zilustrowana będzie zależność mierzonych parametrów od rodzaju polimeru, jego struktury fizycznej i/lub modyfikacji różnymi dodatkami. W ramach części poświęconej technikom chromatograficznym przedstawione zostaną chemiczne i fizykochemiczne podstawy oddziaływań cząsteczek chromatografowanych substancji z różnego typu wypełnieniami stosowanymi w chromatografii cieczowej. Omówione zostaną parametry wypełnień istotne dla prawidłowego doboru typu wypełnienia do zadania analitycznego. Przedyskutowane zostaną parametry elementów konstrukcyjnych. 1
Pełny opis przedmiotu W ramach wykładu zostaną przedstawione najważniejsze zagadnienia współczesnej spektrometrii mas na poziomie niezbędnym dla chemików pracujących w obszarze chemii organicznej, biochemii i chemii polimerów. Będą omówione zarówno aspekty aparaturowe spektrometrii mas w zakresie potrzebnym do świadomego wyboru metody pomiaru, jak i aspekty praktyczne, związane z przygotowaniem próbek, wykonywaniem pomiarów i interpretacją ich wyników. W kolejnych wykładach zostaną przedstawione następujące zagadnienia szczegółowe: 1. Podstawowe pojęcia związane ze spektrometrią mas: widmo masowe i jego elementy, rodzaje mas cząsteczkowych (monoizotopowa, nominalna, średnia), profil izotopowy. 2. Budowa spektrometru mas: z jakich elementów składa się współczesny spektrometr mas. 3. Wybrane metody pomiaru masy jonów: analizator magnetyczny, analizator elektrostatyczny, analizator kwadrupolowy, kwadrupolowa pułapka jonowa, analizator czasu przelotu, metody wykorzystujące transformację Fouriera: jonowy rezonans cyklotronowy i Orbitrap. 4. Wybrane metody jonizacji stosowane w spektrometrii mas: jonizacja elektronowa (EI), jonizacja chemiczna (CI), elektrosprej (elektrorozpylanie, ESI), jonizacja chemiczna pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI), fotojonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym (APPI), jonizacja/desorpcja laserowa wspomagana matrycą (MALDI), inne metody desorpcyjne (DESI, ASAP, DART). Każda z omawianych metod jonizacji będzie ilustrowana przykładami widm pokazujących zakres zastosowań danej metody. 5. Podstawy interpretacji widm masowych: identyfikacja jonu molekularnego, identyfikacja jonów naładowanych wielokrotnie i klastrów, ustalanie wzoru sumarycznego na podstawie dokładnego pomiaru masy, kryteria poprawności wzoru sumarycznego. 6. Zastosowanie spektrometrii mas do ustalania budowy cząsteczek związków organicznych i polimerów: wykorzystanie bibliotek widm masowych do identyfikacji znanych związków organicznych, badania fragmentacji z wykorzystaniem spektrometrów tandemowych, podstawy analizy fragmentacji jonów (najważniejsze mechanizmy fragmentacji małych cząsteczek oraz biopolimerów: peptydów, polisacharydów i kwasów nukleinowych). 7. Sprzężenie chromatografii gazowej ze spektrometrią mas (GC- MS): aparatura, sposób wykonywania pomiarów, interpretacja wyników. 8. Sprzężenie chromatografii cieczowej ze spektrometrią mas (HPLC-MS): aparatura, sposób wykonywania pomiarów, interpretacja wyników. W ramach opisu metod spektroskopii UV i CD omówione zostaną 1. Podstawy fizyczne spektroskopii UV z opisem kwantowomechanicznym (reguły wyboru). Zostanie zdefiniowany współczynnik ekstynkcji. 2. Wprowadzona zostanie klasyfikacja związków chemicznych ze względu na właściwości fotochemiczne. 3. Opisana zostanie zależność widma elektronowego od budowy cząsteczki przestawiona została na przykładzie: a) sprzężenia chromoforów w związkach acyklicznych; b) puryn i pirymidyn jako przykładów związków aromatycznych. 4.Utrwalane będą znaczenia pojęć efektu hiperchromowego i hipochromowego oraz przesunięć batochromowego i hipsochromowego na przykładach: 2
a) wpływu różnych grup auksochromowych w kwasie benzoesowym; b) wpływu polarności rozpuszczalników na widma elektronowe; c) tautomerii keto-enolowej na przykładzie acetyloacetonu w heksanie, etanolu i wodzie; d) zmiany w formie helikalnej dupleksów DNA obserwowanej za pomocą zmian absorpcji w 260nm podczas podgrzewania próbki. 5.Wprowadzone będą pojęcia cząsteczki optycznie czynnej i pojęcia cząsteczek wewnętrznie chiralnych oraz wewnętrznie achiralnych ale chiralnie zaburzonych przez otoczenie na przykładzie nukleozydów, gdzie chromoforem jest zasada, a zaburzającym podstawnikiem reszta fosforanowo-cukrowa. 6.Wyjaśnione zostaną podstawy fizyczne spektroskopii CD z opisem kwantowo-mechanicznym i klasycznym oddziaływania światła spolaryzowanego z cząsteczkami optycznie czynnymi. 7. Usystematyzowane zostana wiadomości nt. polaryzacji liniowej, kołowej i eliptycznej światła (program EMANIM). 8. Wprowadzone będzie pojęcie efektu Cottona dla dwóch technik chiralooptycznych, tj. dichroizmu kołowego (CD) i dyspersji skręcalności optycznej (ORD). 9.Podane zostaną informacje nt. jednostek pomiarowych, jakimi ocenia się efekt Cottona w technice CD i wyjaśnione zostanie jak można uzyskać informacje o oddziaływaniach międzycząsteczkowych. 10. Omówione będzie znaczenie rozpuszczalnika dla prawidłowej interpretacji widm CD. 11. Przedstawione będą przykłady widm CD dla enancjomerów na przykładzie m.in. pochodnych izotiocyjanianowych węglanu metylo D- i L-2-aminobutanowego. 12. Przedstawiona zostanie reguła oktantów, na przykładach widm CD i ORD dla trans-9-metylo-dekalonu i kwasu 10- kamforosulfonowego, która daje możliwość ustalenia absolutnej stereochemii związku na podstawie znaku i intensywności efektu Cottona. 13. Omówione będzie zastosowanie techniki CD do analiz jakościowych i ilościowych struktur drugorzędowych białek (m.in. w oparciu o algorytm Fasmana-Johnsona)oraz do analiz jakościowych zmian w strukturach drugorzędowych dupleksów DNA i RNA pod wpływem wysokich stężeń NaCl i etanolu. 14. Nakreślony zostanie konkretny problem badawczy (powstawanie struktur trójniciowych z udziałem (All-Rp-PS)DNA i nici 2 OMeRNA), do rozwiązania którego z powodzeniem zastosowano pomiary CD. W części poświęconej metodom termicznym badania polimerów przedstawione zostaną współczesne metody charakteryzowania struktury i właściwości polimerów w różnych warunkach termicznych i termo-mechanicznych. Omówione zostaną:: - różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC), metodyka pomiaru, zakres zastosowań badania przemian fazowych, procesów krystalizacji w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych, wyznaczanie ciepła właściwego, wyznaczanie charakterystycznych parametrów kalorymetrycznych, przygotowanie próbki - modulowana różnicowa kalorymetria skaningowa (TMDSC) udoskonalenie konwencjonalnej DSC, idea/możliwości metody TMDSC i jej warianty związane ze sposobem modulacji przepływu ciepła, wyznaczanie parametrów eksperymentu (szybkości ogrzewania, periodu i amplitudy modulacji), dekonwolucja termogramu wypadkowego na składowe część odwracalną i nieodwracalną i ich interpretacja, wyznaczanie rzeczywistego stopnia krystaliczności próbki, zalety i ograniczenia TMDSC, - pomiar czasu indukcji utleniania warunki pomiaru, cel badania, 3
wyznaczanie charakterystycznych parametrów - termograwimetria (TGA) badanie odporności termicznej i procesów degradacji polimeru w warunkach tlenowych oraz w otoczeniu gazu obojętnego, badanie układów wieloskładnikowych, parametry termostabilności i wyznaczanie, czynniki wpływające na rozdzielczość pomiaru, techniki podwyższonej rozdzielczości, uwagi praktyczne, - termo-mikroskopia (TOA) idea metody, kompatybilność z techniką DSC, charakterystyka struktury nadcząsteczkowej polimerów częściowo krystalicznych i ciekłokrystalicznych w różnych warunkach termicznych, - termiczna analiza dynamiczno-mechaniczna (DMTA) warianty pomiarów (zginanie, rozciąganie, ścinanie), charakterystyka parametrów lepkosprężystych polimeru (moduł stratności, moduł Literatura odniesienie do metod DSC i TOA, - badanie wytrzymałości cieplnej/termomechaniczna analiza (TMA), omówienie różnych metod - metoda HDT, metoda Martensa, metoda Vicata, zastosowania, - badanie zapalności sposób oznaczenia wskaźnika tlenowego, zastosowania, - stożkowa kalorymetria (cone calorimetry) charakterystyka właściwości palnych materiału, analiza efektów podczas ogrzewania i spalania, mierzone parametry, wpływ modyfikacji polimeru na przebieg procesu spalania. W ramach części poświęconej technikom chromatograficznym omówione zostaną metody analizy i rozdziału związków organicznych, polimerów i biopolimerów stanowiących podstawy współczesnej chemii, biochemii i chemii medycznej a szczegónie podstawowe pojęcia w zakresie typów chromatografii cieczowej i obszarów jej stosowania (chemia, farmacja, biochemia i biologia molekularna), stosowane techniki rozdziału (na żelu krzemionkowym, na odwrotnej fazie, złoża jonowymienne, filtracja żelowa) i mechanizmy oddziaływań (siły Van derwaalsa, oddziaływania hydrofobowe, jonowe) wykorzystywane w danej rodzinie metod, charakterystyka podstawowych typów wypełnień, rodzaj grup funkcyjnych, stopień rozwinięcia powierzchni, porowatość złoża a wielkość separowanych cząsteczek, trwałość nośnika (żel krzemionkowy, złoża polimerowe), charakterystyka podstawowych typów modułów chromatografów cieczowych, pompy tłokowe i strzykawkowe, detektory UV-VIS, IR, RI, MS, ELSD, typowe objawy niedomagań kolumn chromatograficznych i elementów chromatografu,a także sposoby ich unikania lub naprawy, wzrost ciśnienia wstecznego, ubytek złoża, niewłaściwa średnica wewnętrzna użytych kapilar połączeniowych. 1. R. A. W. Johnstone, M. E. Rose Spektrometria mas PWN 2001. 2. E. De Hoffmann, J. Charette, V. Stroobant Spektrometria mas WNT 1998. 3. R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kiemle Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych PWN 2007 (rozdział 1). 4. Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych pod redakcją W.Zielińskiego i A.Rajcy, PWN 2000. 5. Metody chiralooptyczne w chemii P.Crabbe PWN 1974. 6. Dichroizm kołowy kwasów nukleinowych cz.i. Monomery i cz.ii. Polimery M.Boczkowska Wiadomości chemiczne 2002, 56, 39-56 i 203-221. 7. Podstawy fizykochemii polimerów, J.F.Rabek, Wydawnictwo 4
Efekty uczenia się Politechniki Wrocławskiej, 1977. 8. Metody fizyczne badań polimerów, W. Przygocki, PWN, 1990. 9. Chemia polimerów, Praca zbiorowa pod redakcją Z. Florjańczyka i S. Penczka, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1995. 10. Metody i ocena właściwości tworzyw sztucznych, T. Broniewski, J. Kapko, W. Płaczek, J. Thomalla,WNT, 2000. 11. Thermal Analysis of Polymers. Fundamentals and Applications Ed. By Joseph D. Menczel: John Wiley & Sons, Inc., 2009. 12. Thermal Analysis of Polymeric Materials, B. Wunderlich, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005. 13. Modulated-Temperature Differential Scanning Calorimetry, Theoretical and Practical Applications in Polymer Characterisation, Ed. Edited by M. Reading and D.J. Hourston, Springer 2006. 14. Thermal Analysis and Calorimetry, Vol.3 Applications to Polymers and Plastics, Ed. by Stephen Z.D. Cheng, Dep. Of Polym. Sci. University of Akron, Akron, OH 44325-3909, USA. 15.CRC Handbook of HPLC for the separation of amino acids, peptides and proteins. W.S. Hancock ed., CRC Press, Inc., Boca Raton., 1984 16. P. Guga, Konfigurowanie Systemów HPLC. Analityka, 1/2004, 28-34. 17. Drukowane i dostępne w internecie materiały informacyjne firm produkujących chromatografy cieczowe i kolumny chromatograficzne (Waters, Dionex, Agilent, Varian), Celem wykładu jest przygotowanie słuchaczy do świadomego korzystania z możliwości analitycznych, jakie oferuje współczesna fizykochemia. Przyswojenie wiedzy przekazanej podczas wykładu oraz zawartej w podanej literaturze powinno pozwolić słuchaczowi na: ustalenie, w jakim zakresie metody spektrometrii mas mogą pomóc w uzyskaniu informacji dotyczących struktury lub czystości badanych związków; wybór właściwej metody jonizacji do analizy swoich próbek; zinterpretowanie otrzymanego widma masowego, a w szczególności zidentyfikowanie w nim jonu molekularnego oraz uzyskanie informacji na temat struktury cząsteczki badanego związku; dobór właściwej metody chromatograficznej sprzężonej ze spektrometrią mas do analizy mieszaniny związków organicznych (GC-MS czy HPLC-MS, wybór kolumny i warunków analizy); interpretację wyników pomiarów GC-MS i HPLC-MS. wykorzstanie spektroskopii UV do wybranych analiz cząsteczek organicznych i biopolimerów. wykorzystanie wiedzy umożliwiającej zastosowanie spektroskopii CD do wybranych analiz cząsteczek organicznych i biopolimerów. zrozumienie różnic między określeniem skręcalności cząstek optycznie czynnych metodą polarymetryczną a metodami chiralooptycznymi CD i ORD. zaznajomienie się ze współczesnymi technikami eksperymentalnymi w zakresie charakteryzowania właściwości termicznych i termo-mechanicznych materiałów polimerowych w relacji do zmian strukturalnych, poznanie metod wyznaczania charakterystycznych parametrów eksperymentalnych i ich interpretacji w powiązaniu ze strukturą fizyczną i/lub chemiczną badanego polimeru, 5
Metody i kryteria oceniania Praktyki zawodowe w ramach przedmiotu nauka projektowania profilu eksperymentu(ów)w celu uzyskania określonej charakterystyki termicznej i/lub termomechanicznej badanego materiału zapoznanie się z podstawowymi pojęciami w zakresie podstawowych typów chromatografii cieczowej i obszarów jej stosowania (chemia, farmacja, biochemia i biologia molekularna) poznaje stosowane techniki (rozdział na żelu krzemionkowym, na odwrotnej fazie, złoża jonowymienne, filtracja żelowa) i mechanizmy oddziaływań (siły Van derwaalsa, oddziaływania hydrofobowe, jonowe) wykorzystywanych w danej rodzinie metod. poznaje charakterystykę podstawowych typów wypełnień, charakterystykę podstawowych typów modułów chromatografów cieczowych (pompy, detektory). poznaje typowe objawy niedomagań kolumn chromatograficznych i elementów chromatografu,a także sposoby ich unikania lub naprawy. Egzamin pisemny. Zalicza uzyskanie 60% maksymalnej liczby punktów. Nie dotyczy 6
Nazwa pola Cykl dydaktyczny, w którym przedmiot jest realizowany Forma(y) i liczba godzin zajęć oraz sposoby ich zaliczenia Imię i nazwisko koordynatora/ów przedmiotu cyklu Imię i nazwisko osób prowadzących grupy zajęciowe przedmiotu Atrybut (charakter) przedmiotu Semestr I Prof. Włodzimierz Stańczyk Komentarz Wykład, 16 godzin Prof. Piotr Guga, Dr Magdalena Janicka, Dr hab. Mirosław Pluta, Prof. Witold Danikiewicz Do wyboru Metody dydaktyczne Literatura Wykład interaktywny Jak wyżej 7