Obiettivi Formativi

Il corso si propone di far conoscere agli studenti i principi e le applicazioni delle tecnologie analitiche per ottenere informazioni qualitative e quantitative proprie dei processi chimici industriali, con finalità di controllo e/o di ottimizzazione delle prestazioni.

Learning Goals

The course aims to introduce students to the principles and applications of analytical technologies to obtain qualitative and quantitative information on industrial chemical processes, with the purpose of checking and/or optimizing performance

Metodi didattici

Lezioni in aula ed esercitazioni di laboratorio

Teaching Methods

Lectures and laboratory practice

Prerequisiti

Lo studente deve avere nozioni di base di chimica analitica classica e strumentale

Prerequisites

The student must have basic knowledge of classical and instrumental analytical chemistry

Verifiche dell'apprendimento

L’esame finale consisterà in un colloquio orale sui contenuti del corso e la valutazione della prova di laboratorio.

Assessment

The final examination will be done through interview on course contents and the evaluation of laboratory practice.

Programma del Corso

I contenuti del corso sono di seguito riassunti: Principali tecniche analitiche per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa di materie prime e prodotti industriali. Metodi di misurazione non invasivi; misurazioni off-line, on-line, on-line e in-line. Tecniche standard di campionamento e pretrattamento del campione. Accreditamento dei laboratori di prova e/o di taratura. Metodi Statistici per il controllo di qualità del dato analitico. Controllo di qualità delle misure e modelli per la validazione del metodo e la stima dell'incertezza delle misurazioni (modello EURACHEM, top-down, NMKL). Metrologia. Esercitazioni di laboratorio: Validazione di un metodo analitico e controllo di qualità delle misure. Di seguito il programma esteso: I chimici nell'industria (1 h): competenze richieste in ambito analitico. Ricerca universitaria e ricerca industriale. Finalità e metodi dell'analisi industriale e di processo. Strategia operativa del monitoraggio (8 h): analisi in continuo e discontinua. Metodi di misura non invasivi; misure off-line, at -line, on-line e in-line. Tipi di segnale acquisibili, tempi di risposta strumentali, frequenze di campionamento e tempi di analisi. Caratteristiche e proprietà generali dei dispositivi adottati come analizzatori nel controllo dei processi industriali. Tecniche cromatografiche on-line. Tecniche MS on-line. Cromatografia chirale. Cromatografia a fluido supercritico (SFC). Fast ed Ultra Fast GC. Tecniche elettroforetiche. Determinazione di parametri e componenti specifici tramite analizzatori potenziometrici (classici e ISFET), fotometrici, e NIR. Monitoraggio di specie elettroattive con sensori a fibra ottica e sensori elettroanalitici. Analizzatori automatici, o in continuo, basati su misure spettroscopiche, cromatografiche, ed elettrochimiche. Esempi nei vari settori industriali e nelle strategie di controllo ambientale e nelle scienze forensi. Adsorbimento e desorbimento, tecniche di campionamento attivo e passivo. Tecniche standard di campionamento e pretrattamento del campione (6 h). Variabilità preanalitica. Interazione analita-matrice. Campionamento di materiali omogenei e segregati. Costante di campionamento. Intervalli di riferimento. Tecniche di pretrattamento del campione (SPME, SFE, estrazione ASE, Estrazione Assistita da microonde (MASE) o Soxhlet, Gas–Phase extraction (Head space, Purge and trap). Metodi Statistici per il controllo di qualità del dato analitico (7 h): Il rumore strumentale, tipi di rumore e strategie di riduzione. Elaborazione statistica dei dati sperimentali. Errori sistematici e casuali. Errore assoluto ed errore relativo. Distribuzione di probabilità. Statistica descrittiva e inferenza statistica. Limiti (o intervalli) di attendibilità o di fiducia. Test di significatività. Analisi della varianza (ANOVA). Stime di precisione e accuratezza. Test recupero e test diluizione. Propagazione degli errori. Taratura e Calibrazione. Modi di esprimere il risultato dell'analisi. Confronto fra medie. Test di Dixon (o Q-test). Correlazione e regressione: Metodo dei minimi quadrati, coefficiente di correlazione. Controllo di qualità e validazione dei metodi (6 h): Sostanze standard primarie, materiali di riferimento certificati, metodi di analisi assoluti (o primari) e comparativi (o relativi), metodi di analisi razionali ed empirici. Carte di controllo. Accreditamento dei laboratori di prova e/o di taratura. Norma ISO/IEC 17025. Validazione. Numerosità delle prove, trattamento statistico dei dati, problemi pratici; selettività; limiti di rivelabilità e di quantificazione; range dinamico e range lineare; protocolli e modelli di calibrazione; esattezza; riproducibilità e controlli interlaboratoriali; robustezza; recupero, specificità (o selettività) e sensibilità di un metodo; esempi di validazione di metodi interni e metodi normati. Incertezza di misurazione (2 h): Il modello EURACHEM, Il modello top-down, Il modello NMKL. Equazione di Horwitz. Incertezza di misura, limiti legali e cifre significative. Metrologia. Esercitazione di laboratorio (12 h): Validazione di un metodo analitico ed il controllo di qualità delle misure.

Course Syllabus

The contents of the course can be summarized as follows: Application of the main analytical techniques for the qualitative and quantitative characterization of raw materials and industrial products. Non-invasive methods; off-line, at-line, on-line and in-line measurements. Detailed contents: Chemists in industry (1 h): analytical skills required in the field. University research and industrial research. Aims and methods of industrial and process analysis. Monitoring strategies: continuous and discontinuous analysis (8 h). Non-invasive methods; off-line, at-line, on-line and in-line measurements. Types of signals, response time, sampling and analysis times. Features and general properties of the devices adopted as analyzers in industrial process control. Online chromatographic techniques. On-line MS techniques. Chiral chromatography. Supercritical fluid chromatography (SFC). Fast and Ultra Fast GC. Electrophoretic techniques. Determination of specific parameters by potentiometric analyzers (classical and ISFET), photometric, and NIR. Monitoring of electroactive species by fiber optic sensors and electroanalytical sensors. Automatic or continuous analyzers, based on spectroscopic, chromatographic and electrochemical measurements. Examples in various industrial sectors, environmental control and in forensic sciences. Adsorption and desorption: active and passive sampling techniques. Sampling and pre-treatment standard techniques (6 h). Preanalytical variability. Analyte-matrix interaction. Sampling strategies. Sampling constants. Reference intervals. Sample pre-treatment techniques (SPME, SFE, ASE extraction, microwave-assisted extraction (MASE) or Soxhlet. Gas-Phase extraction (Head space, Purge and trap). Statistic tools for analytical data quality control (7 h). The instrumental noise, and types of noise reduction strategies. Statistical processing of the experimental data. Systematic and random errors. Absolute and relative errors. Distribution of probability. Descriptive statistics and statistical inference. Confidence intervals. Significance tests. Analysis of variance (ANOVA). Estimates of precision and accuracy. Recovery and dilution tests. Error propagation. Calibration procedures. Ways of report results. Comparison of averages. Test of Dixon (or Q-test). Correlation and Regression: least squares, correlation coefficient. Quality Control and method validation (6 h). Primary standard substances, certified reference materials, absolute analytical methods (or primary) and comparative (or relative) methods, rational and empirical methods of analysis.  Control charts. Laboratory Accreditation. ISO/IEC 17025. Validation. Statistical treatment of data; practical problems; selectivity; limits of detection and quantification; dynamic and linear range, calibration models, accuracy, reproducibility and inter-laboratory trials, robustness, recovery, specificity (or selectivity) and sensitivity, examples of validation of internal methods and standard methods. Uncertainty of Measurements (2 h): The Eurachem model, the top-down model, NMKL model, Horwitz equation. Uncertainty, legal limits and significant figures. Metrology. Laboratory practice (12h): Validation of an Analytical method and the quality control of measurements. Sampling. Pre-treatment and sampling standard techniques. Laboratory Accreditation procedure. ISO/IEC 17025. Statistic tools for analytical data quality control. Quality control of the measurements and models for analytical method validation and estimation of the uncertainty of measurements (Eurachem, top-down and  NMKL models). Metrology. Laboratory practice: Validation of an Analytical method and measurement quality control. ​​​​​​​