Załącznik do Zarządzenia nr 56

Nazwa pola
Komentarz
Nazwa przedmiotu (w języku
polskim oraz angielskim)
Jednostka oferująca przedmiot
Liczba punktów ECTS
Sposób zaliczenia
Język wykładowy
Określenie, czy przedmiot
może być wielokrotnie
zaliczany
Skrócony opis przedmiotu
Techniki analityczne
Analytical techniques
CBMiM PAN
5
Egzamin
Polski
Jednokrotnie
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 (GCMS): 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 10kamforosulfonowego, 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
Metody dydaktyczne
Literatura
Komentarz
Semestr I
Wykład, 16 godzin
Prof. Włodzimierz Stańczyk
Prof. Piotr Guga, Dr Magdalena Janicka, Dr hab. Mirosław
Pluta, Prof. Witold Danikiewicz
Do wyboru
Wykład interaktywny
Jak wyżej
7