Course Syllabus
Obiettivi
Proporre agli studenti alcune attività sperimentali da svolgere presso il laboratorio di Biofotonica del dipartimento di Fisica e seguirli nello svolgimento e nell'analisi dei dati ottenuti.
Lo scopo è quello di favorire conoscenze nell’ambito della microscopia ottica in fluorescenza con analisi di immagini mediante metodi quantitativi per applicazioni alla biologia e nanotecnologie.
Contenuti sintetici
Microscopia ottica in fluorescenza con eccitazione sia lineare che non lineare. Metodi di correlazione di immagini. Digital Holography e/o optical tweezers. Tecniche di image processing automatico
Programma esteso
Microscopia di fluorescenza confocale: risoluzione radiale e assiale, immagini acquisite in varia modalità, immagini spettrali di campioni fissati. Sistemi cellulari incubati con nanoparticelle metalliche: internalizzazione. Correlazione di immagini su sistemi complessi: diffusione in hydrogel e in cellula. Misure di flusso in micro-canali. Misure in super-risoluzione (STED) con sferette da 20 nm. Identificazione di singole molecole (proteine fluorescenti).
Microscopia di fluorescenza con eccitazione non lineare: risoluzione radiale e assiale. Misure su campioni di tessuto fissati al variare della lunghezza d’onda. Misure in lieviti con coloranti nucleari e di membrana. Misure su cellula con nanoparticelle. Generazione di seconda armonica (SHG). Misure di SHG su cristalli di urea al variare della polarizzazione. Misure di SHG su campioni di tessuto tumorale ed analisi col metodo dei fasori per identificare le fibre di collagene.
Semplici esperienze di Digital Holography e di optical tweezers.
Metodi di image processing: programmazione in python ed introduzione alle tecniche di pre-processing e analisi più comune: Filtraggio, riduzione del rumore, tecniche di segmentazione, estrazione automatica di parametri quantitativi.
Prerequisiti
I contenuti dei corsi del Corso di Laurea Triennale in Fisica.
Raccomandati: insegnamento di Biofotonica del CdS Magistrale in Fisica e/o Esperimentazioni di Biofotonica del Corso di Laurea Triennale in Fisica.
Modalità didattica
Esperimenti nei laboratori di ricerca del gruppo di Biofisica, stanze 4054-4052-4051.
Materiale didattico
R.Rigler, M.Orrit, T.Basche’, “Single Molecule Spectroscopy”, Sprinter Verlag, Chemical Physics series, 2012.
M.V.Klein, T.E.Furtak, “Optics", Wiley and Sons Inc, 1986.
A. Diaspro, “Confocal and two-photon microscopy : foundations, applications, and advances”, edited by A.Diaspro, Wiley, 2002.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II semestre.
Nel periodo di emergenza Covid-19 il corso verrà svolto secondo modalità da definirsi e che in parte si avvarranno della possibiltià di simulazioni numeriche e dell'analisi di dati sperimentali raccolti in laboratorio da piccoli sottogruppi di studenti. Gli esami verranno svolti utilizzando la piattaforma WebEx e nella pagina e-learning dell'insegnamento verrà riportato un link pubblico per l'accesso all'esame di possibili spettatori virtuali.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Lo studente deve redigere in lingua inglese una relazione sugli esperimenti svolti, sulla quale verterà il colloquio orale finale.
Il voto finale sarà determinato dalla valutazione della relazione, della conoscenza dei vari argomenti trattati, dell’analisi dei dati sperimentali e del comportamento seguito durante tutto il corso in laboratorio. L'accertamento delle competenze e abilita' dello studente verrà comunque fatta tramite discussione della relazione presentata.
Orario di ricevimento
sempre, previo appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
Introduce the students to some experimental activities to be carried out at the Biophotonics laboratory of the Physics department and follow them in carrying out and analyzing the data obtained..
The aim is to foster knowledge in the field of fluorescence optical microscopy with image analysis using quantitative methods for applications in biology and nanotechnology.
Contents
Linear and non linear excitation optical fluorescence microscopy. Image correlation methods. Digital Holography and Optical Tweezers. Automatic image processing techniques
Detailed program
Confocal optical microscopy: radial and axial resolution, images acquired in different modalities, spectral imaging of fixed samples. Cellular systems incubated with metal nanoparticles: internalization. Image correlation on complex systems: diffusion in hydrogels and in cells. Flux measurements in microchannels, Superresolution microscopy (STED) with 20 nm nanospheres. Identification of single molecules (fluorescent proteins).
Non linear fluorescence microscopy: radial and axial resolution. Measurements of fixed tissue samples at different excitation wavelengths. Measurements of yeast cells with membrane and nuclear dyes. Measurements of cells with nanoparticles. Second harmonic generation (SHG). Measures of Urea crystal at different laser polarizations. Measures of tumor tissues samples and analysis by means of phasors methods to retrieve the collagen fibers orientation.
We will also perform a simple experiment to introduce the concepts at the basis of digital holography.
We will similarly approach the technique of optical tweezers by means of a simple optical trapping experiment.
All the experiments will be introduced with 2 hours each of theoretical introduction and with a few hours of examples of the optical components and the data analysis. The data analysis will be based on Python codes and the optical components will be studied with practical design examples based on OpticStudio software.
Image processing techniques: python programming and introduction to the most common image pre-processing and image analysis techniques: filtering, noise reduction, image segmentation, automatic extraction of quantitative parameters.
Prerequisites
The topics covered in the different courses of the Bachelor Degree in Physics.
Recommended: the Biophotonics course of the Master Degree in Physics and/or the Experiments of Biophotonics course of the Bachelor Degree in Physics.
Teaching form
Experiments in the research labs of the Biophysics group, rooms 4054-4052-4051.
Textbook and teaching resource
Textbook and teaching resource
R.Rigler, M.Orrit, T.Basche’, “Single Molecule Spectroscopy”, Sprinter Verlag, Chemical Physics series, 2012.
M.V.Klein, T.E.Furtak, “Optics", Wiley and Sons Inc, 1986.
A. Diaspro, “Confocal and two-photon microscopy : foundations, applications, and advances”, edited by A.Diaspro, Wiley, 2002.
Semester
II semester.
During the Covid-19 emergency period, the course will be carried out according to modalities to be defined and which will partly take advantage of the possibility of numerical simulations and the analysis of experimental data collected in the laboratory by small subgroups of students. The exams will be carried out using the WebEx platform and on the e-learning page of the course there will be a public link for access to the examination of possible virtual spectators.
Assessment method
Students are required to write in English a relation describing the experiments performed and it will be the object of the discussion during the final oral exam.
The final score will be determined by the evaluation of the relation, of the knowledge of the different topics covered in the lab, of the experimental data analysis and of the student’s behavior overall the lab course. The assessement of the knowledge of the basci contents and the capabiity to solve experimental problems will be done by oral discussion.
Office hours
Always, on request.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Giuseppe Chirico
-
Amirbahador Zeynali
