Course Syllabus
Obiettivi
Discussione delle principali tecniche spettroscopiche per la caratterizzazione di biosistemi e la costruzione di dispositivi per le bioscienze e la medicina
Contenuti sintetici
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Interazione radiazione uv-visibile con biomolecole dallo stato fondamentale: spettroscopia di assorbimento.
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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.
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Fenomeno del FRET (trasferimento energetico) fra due fluorofori (teoria di Forster) con applicazioni alla microscopia.
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Anisotropia della fluorescenza statica e dinamica, effetto della forma della biomolecola.
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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.
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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.
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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
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,
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 sulle tematiche principali coperte dal programma del corso con un approfondimento su un argomento specifico e con la presentazione della soluzione di alcuni esercizi proposti durante il corso. A seguito dell'analisi degli esercizi e dell'argomento a scelta, seguiranno domande su parti fondamentali del corso. La durata tipica e' di 30-45 minuti
Orario di ricevimento
sempre, su appuntamento da prendere tramite email con il docente.
Sustainable Development Goals
Aims
Introduction to the main spectroscopic techniques and instruments for studying biosystems. Development of optical-spectroscopical devices for biotechnology 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.
Techniques, optical and electronic devices and methods for time resolved fluorescence detection. Discussion of optical microscopy, imaging, resolution limit and Point Spread Function of an optical microscope. FRET (fluorescence resonant energy transfer) between two fluorophores (Forster theory) with application to optical microscopy.
Fluorescence anisotropy (steady state and time-resolved), molecular form factors. Optical and electronic devices for the measurement of the Fluorescence lifetime and correlated techniques. Fluorescence fluctuations correlation techniques and devices: FCS in solution (diffusive motions, binding kinetics, photodynamics). Temporal image correlation (TICS), spatio and spatio-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: confocal and non-linear excitation microscopies, principles, devices and techniques.
- stochastic equations for Biophysics.
Prerequisites
Knowledge of the basic concepts of quantum mechanics atomic physics achieved during the bachelor degree.
Teaching form
Lectures and exercises to be done by the students.
Textbook and teaching resource
Lakowicz “Principles o Fluorescence Spectroscopy” Parson “ Modern Optical Spectroscopy"
Doi&Edwards, Polymer Dynamics,
Scientific papers proposed by the lecturer
OpticStudio: examples developed by the lecturer
Teacher's notes
Semester
I semester
Assessment method
Oral exam on the main topics covered by the course program with an in-depth analysis on a specific topic and with the presentation of the solution of some exercises proposed during the course. Following the analysis of the exercises and the topic of your choice, questions will follow on fundamental parts of the course. The typical duration is 30-45 minutes
Office hours
always, under request via email
Sustainable Development Goals
Staff
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Giuseppe Chirico
