- Biofotonica
- Introduzione
Syllabus del corso
Obiettivi
Conoscenza delle principali tecniche di spettroscopia ottica per la caratterizzazione di biosistemi e del loro utilizzo in altre tecnice di uso in biotecnologie e medicina.
Capacità di progettare esperimenti basate su queste tecniche per lo studio di sistemi biologici.
Conoscenze di metodi diagnostici avanzati per le bioscienze e la medicina.
Contenuti sintetici
- Principi fisici alla base dell'interazione radiazione uv-visibile con biomolecole dallo stato
fondamentale: spettroscopia di assorbimento.
- Analisi dei processi di decadimento dallo stato eccitato con particolare attenzione alla spettroscopia di fluorescenza: coefficiente di emissione spontanea, Stokes shift, resa quantica,, tempo di vita di fluorescenza. Metodi per la determinazione della fluorescenza risolta nel tempo.
- Conoscenza dei principi base del Fenomeno del FRET (trasferimento energetico) fra due fluorofori (teoria di Forster) con applicazioni alla microscopia.
- Anisotropia della fluorescenza statica e
dinamica, effetto della forma della biomolecola.
- Tecniche di correlazione delle fluttuazioni di fluorescenza: FCS in soluzione (effetti diffusivi, cinetiche di legame, fotodinamica). Correlazione temporale di immagini (TICS), correlazione spaziale e spazio-temporale per la determinazione di moti cellulari. Misura di flussi con tecniche di correlazione.
- microscopia ottica con acquisizione di immagini, limite risolutivo e Point Spread Function di un microscopio.
- Tecniche di microscopia in super-risoluzione: STED, STORM e PALM.
- Analisi di sistemi dinamici stocastici in biofisica: equazioni di Langevin e Smoluchowski.
Programma esteso
- Introduzione
alla spettroscopia di assorbimento UV-VIS: modello semiclassico
dell'assorbimento di radiazione, derivazione della forza del dipolo di
transizione. Assorbimento di proteine e acidi nucleici. Effetti di
solvente. Effetti di interazione fra i cromosomi: effetto eccitonico
(esempi) effetto di isocronismo (esempi)
- Spettroscopia di fluorescenza: modello semiclassico per interazione radiazione-materia: coefficiente di emissione spontanea, definizione di resa quantica, tempo di vita. Diagrammi di Jablonski, regola di Strickler-Berg. Fluorofori intrinseci in biomolecole e tessuti, sonde.
- Fluorescenza risolta nel tempo, metodi di misura e strumentazione.
- Cenni di microscopia di fluorescenza , risoluzione spaziale un microscopio.
- FRET, teoria di Forster, derivazioni ed esempi applicati alla microscopia.
- Anisotropia della fluorescenza statica e dinamica. Effetti di forma delle biomolecole.
- Spettroscopia di correlazione della fluorescenza, principi e applicazioni. derivazione de;;'espressione in caso di moto diffusivo bronzano, in caso di flusso di reazioni chimiche e fotodinamica.
- Correlazione di immagini: correlazione temporale (TICS) spazio-temporale (STICS) derivazione e applicazioni
- Microscopia ottica, introduzione alla risoluzione ottica.
- Cenni noi tecniche di super-risoluzione: STED, PALM, STORM
- Equazioni di Langevin e Smoluchowski per l'analisi di sistemi stocastici in biofisica.
Prerequisiti
Conoscenze di meccanica quantistica e struttura della materia acquisite nella laurea triennale
Modalità didattica
normalmente lezioni frontali in aula, esercizi da svolgere in aula e in gruppo.
Materiale didattico
Lakowicz “Principles o Fluorescence Spectroscopy”
Parson “ Modern Optical Spectroscopy"
Doi&Edwards, Polymer Dynamics,
Sito https://phet.colorado.edu/ per simulazioni Java
articoli selezionati su riviste suggeriti dal docente
appunti del docente
Periodo di erogazione dell'insegnamento
I semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale. Il candidato puo' portare un argomento a scelta. Seguiranno
domande su parti fondamentali del corso. La durata tipica e' di 30-45
minuti.
I requisiti da raggiungere per potere sostenere con successo la prova di esame saranno chiaramente definiti durante le lezioni all'inizio e alla fine di ogni macro-argomento.
Durante il corso verrà richiesto lo svolgimento di 4 problemi da consegnare durante il corso o prima della prova di esame. Questi si baseranno su problemi svolti in aula durante il corso.
Orario di ricevimento
sempre, su appuntamento
Aims
Knowledge of the main spectroscopic techniques for the characterization of biosystems.
Ability to design experiments based on these techniques for the study of biological systems.
Knowledge of advanced diagnostic methods for biosciences and medicine.
Contents
- UV-Visible radiation interaction with biomolecules at the fundamental state: absorption spectroscopy.
- Fluorescence spectroscopy, spontaneous emission coefficient, Stickler-Berg expression, Stokes shift, fluorescence lifetime, quantum yield. Methods for time resolved fluorescence detection.
- Concepts of optical microscopy, imaging, resolution limit and Point Spread Function of a microscope.
- FRET (fluorescence resonant energy transfer) between two fluorophores (Forster theory) with application to microscopy.
- Fluorescence Polarization anisotropy (steady state and time-resolved), molecular form factors.
- Fluorescence fluctuations correlation techniques: FCS in solution (diffusive motions, binding kinetics, photodynamics). Temporal image correlation (TICS), space and space-temporal correlation for cellular motions detection. Flow measurements by correlation techniques.
- Super-resolution microscopy techniques:STED, STORM and PALM.
- Analysis of stochastic processes in biophysics.
Detailed program
- Introduction to absorption spectroscopy UV-VIS: semiclassical model, derivation of the transition dipole strength. Protein and nucleic acid absorption, Solvent effects. Interaction among the chromophores: excitonic effect (examples) ipocromism (examples)
- Fluorescence spectroscopy: semiclassical model for the light0matter interaction: spontaneous emission coefficient, quantum yield, fluorescence lifetime. Jablonski diagrams, Stickler-Berg rule. Intrinsic fluorophores in biomolecules and tissues, probes.
- Time resolved fluorescence, methods and instrumentation.
- Notes on fluorescence microscopy, spatial resolution of an optical microscope,
- FRET, Forster theory, derivation and application in fluorescence microscopy
- Fluorescence anisotropi, strada state and time -resolved. Shape effect of biomolecules.
- Fluorescence correlation spectroscopy: principles and applications. Derivation of the expression for brownian diffusion, drift motion, chemical reaction and photodymanics.
- Image correlation: temporal correlation (TICS) and spatio-tenporal correlation(STICS): derivation an applications.
- Super-resolution techniques: STED, PALM, STORM
- Optical microscopy, an introduction
- stochastic equations for Biophysics.
Prerequisites
Knowledge of the basic concepts of quantum mechanics atomic physics achieved during the bachelor degree.
Teaching form
during covid19 times the lectures will be partially in streaming (then recorded and uploaded on the elearning site) and video-recorded. Some homeworks will be suggested.
Textbook and teaching resource
Parson “ Modern Optical Spectroscopy"
Doi&Edwards, Polymer Dynamics,
web site for java simulations: https://phet.colorado.edu/
Scientific papers selected by the teacher
Teacher's notes
Semester
I semester
Assessment method
Oral exam. The candidate can prepare a topic at her/his choice. Other
questions on fundamental topics of the course will follow. The exam will
typically require 30-45 min.
The requirements to be met in order to successfully pass the exam will be clearly defined during the lessons at the beginning and end of each macro-topic.
During the course you will be asked to carry out 4 problems to be delivered during the course or before the exam. These will be based on classroom problems during the course.
During the Covid-19 emergency time the exams will be organized in videocalls through the Webex platfomr and scheduled on the elearning page of the course.
Office hours
always, on request.