Uniwersytet Jagielloński w Krakowie - Punkt LogowaniaNie jesteś zalogowany | zaloguj się
katalog przedmiotów - pomoc

Metody fizyczne w biologii i medycynie I

Informacje ogólne

Kod przedmiotu: WFAIS.IF-B001.1 Kod Erasmus / ISCED: (brak danych) / (brak danych)
Nazwa przedmiotu: Metody fizyczne w biologii i medycynie I
Jednostka: Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej
Grupy: Biofizyka (fiz. med. i biof. molek.), III rok, studia I stopnia - semestr zimowy, przedm. obowiązk.
Punkty ECTS i inne: 0.00 (zmienne w czasie)
zobacz reguły punktacji
Język prowadzenia: polski

Zajęcia w cyklu "Semestr zimowy 2020/2021" (w trakcie)

Okres: 2020-10-01 - 2021-01-28
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć: Wykład, 45 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Hubert Harańczyk
Prowadzący grup: Kamil Awsiuk, Andrzej Budkowski, Hubert Harańczyk, Szymon Pustelny
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Zaliczenie lub ocena
Ocena wliczana do średniej:

nie

Efekty kształcenia:

1. BF1_W02. Dysponuje wiedzą z zakresu fizyki klasycznej i kwantowej umożliwiającą rozumienie zjawisk i procesów fizycznych w przyrodzie oraz wykorzystywania praw przyrody w technice i życiu codziennym

2. BF1_W04: Dysponuje wiedzą z zakresu nauk biologicznych umożliwiającą dokonywanie opisu i interpretacji zjawisk i procesów zachodzących w przyrodzie ożywionej.

3. BF1_W06: Dysponuje podstawową wiedzą z zakresu medycyny, niezbędną do zastosowań w biofizyce molekularnej lub fizyce medycznej

4. BF1_W07: Dysponuje podstawową wiedzą na temat metod fizycznych stosowanych w biologii molekularnej i w medycynie

5. BF1_W10: Dysponuje podstawową wiedzą dotyczącą uwarunkowań prawnych i etycznych związanych z działalnością naukową i dydaktyczną

6. BF1_W11: Zna podstawowe pojęcia i zasady z zakresu ochrony własności przemysłowej i prawa autorskiego; potrafi korzystać z zasobów informacji patentowej.

7. BF1_W12: Zna ogólne zasady tworzenia i rozwoju form indywidualnej przedsiębiorczości, wykorzystującej wiedzę z zakresu biofizyki molekularnej lub fizyki medycznej

8. BF1_U02: Posiada umiejętność pomiaru, wyznaczania wielkości fizycznych i chemicznych, przeprowadzania analizy statystycznej oraz krytycznej oceny wiarygodności wyników oznaczeń.

9. BF1_U05: Posiada rozszerzone umiejętności w zakresie biofizyki molekularnej lub fizyki medycznej

10. BF1_U07: Potrafi planować i wykonywać proste badania (eksperymentalne bądź teoretyczne) oraz analizować ich wyniki

11. BF1_U10: Potrafi uczyć się samodzielnie

12. BF1_U12: Posiada umiejętność przygotowania wystąpień ustnych, w języku polskim i języku angielskim, dotyczących zagadnień szczegółowych, z wykorzystaniem podstawowych ujęć teoretycznych, a także różnych źródeł

13. BF1_K01: Jest świadom poziomu swojej wiedzy i umiejętności, rozumie konieczność podnoszenia kompetencji zawodowych i osobistych (uczenia się) przez całe życie

14. BF1_K02: Potrafi współdziałać i pracować w grupie, przyjmując w niej różne role, rozumie konieczność rzetelnego i terminowego wykonywania zadań

15. BF1_K03: Potrafi odpowiednio określić priorytety służące planowaniu i realizacji określonego przez siebie lub innych zadania

16. BF1_K04: Prawidłowo identyfikuje i rozstrzyga dylematy związane z wykonywaniem zawodu biofizyka lub fizyka medycznego

17. BF1_K05: Potrafi myśleć i działać w sposób przedsiębiorczy

Wymagania wstępne:

Znajomość podstaw elektromagnetyzmu, optyki i elementów fizyki jądrowej

Forma i warunki zaliczenia:

Warunkiem zaliczenia modułu jest obecność na wykładach oraz zaliczenie testowego egzaminu końcowego

Kryteria oceny:

Na ocenę 3/4/5 - Ma wiedzę, umiejętności i kompetencje na poziomie co najmniej 50 %, /65 %/, 80 %.


Metody sprawdzania i kryteria oceny efektów kształcenia uzyskanych przez studentów:

Ocena formująca – znajomość problematyki wykładu, sprawdzanie obecności na zajęciach, udział w dyskusjach.

Ocena podsumowująca – Egzamin pisemny, test jednokrotnego wyboru zawierający pytania z 6-ciu omawianych działów, (6*15=90 pytań),


Metody dydaktyczne - słownik:

Metody podające - prezentacja multimedialna
Metody podające - wykład informacyjny

Metody dydaktyczne:

Metody podające: wykład informacyjno - problemowy w postaci prezentacji Power Point wraz z wyjaśnieniami, dyskusją i przeliczeniami na tablicy.

Bilans punktów ECTS:

6 punktów ECTS

Udział w wykładach - 90 godz,

Przygotowanie do egzaminu i udział w egzaminie - 90 godzin.

Łączny nakład pracy studenta: 180 godz.


Grupa treści kształcenia:

Grupa treści kierunkowych

Skrócony opis:

Wykład "Metody Fizyczne w Biologii i Medycynie" jest historycznie, obok Pracowni Specjalistycznej na II stopniu nauczania, podstawowym kursem dla kierunku Biofizyka. Idea wykładu, pochodząca od Prof. Andrzeja Hrynkiewicza, inicjatora powstania specjalności Fizyka Medyczna na naszej Uczelni, polega na tym, że jest to wykład "składany", prowadzony przez specjalistów wykorzystujących omawiane metody w swojej bieżącej pracy naukowej.

Kursu jest zaznajomienie studentów 3 roku specjalności Fizyka Medyczna i Biofizyka Molekularna z teoretycznymi podstawowych technik badawczych w stopniu umożliwiającym obsługę skomplikowanej aparatury w laboratoriach naukowo-badawczych oraz diagnostycznych, a także przydatnych na studiach magisterskich.

Pełny opis:

Program tego kursu (część I i II) opiera się na 6 działach metod badawczych stosowanych w biofizyce molekularnej i w fizyce medycznej. Każdy z działów realizuje efekty kształcenia wyszczególnione powyżej.

1. Dyfrakcyjne badania strukturalne kryształów i materii miękkiej. Analiza lokalnego uporządkowania ze struktury subtelnej progu absorpcji prom. X (XAFS). Spektro-mikro-skopia XAFS za pomocą miękkiego prom. X (3h) [2] Spektro-mikro-skopia fotoelektronów (ESCA). Porównanie technik analizujących powierzchniowe oddz. biomolekularne. Laboratoria biomedyczne na układach scalonych

2. Metody optyczne - Podstawy mikroskopii optycznej (parametry układów optycznych, wady układów optycznych, budowa mikroskopu, techniki poprawy kontrastu - wywabianie), Współczesne metody mikroskopowe (mikroskopia ciemnego pola, mikroskopia polaryzacyjna, mikroskopia z kontrastem fazowym, mikroskopia fluorescencyjna, mikroskopia konfokalna), Mikroskopia superzdolności rozdzielczej (zdolność rozdzielcza a transformata Fouriera, mikroskopia bliskiego pola, technika STED, technika RESOLFT, technika PALM), Mikroskopia molekularna (technika FRET, technika FLIM).

Źródła światła stosowane w medycynie i ich własności: źródła termiczne, lampy fluorescencyjne, diody elektroluminescencyjne, lasery.

Przykłady zastosowań światła w medycynie: oddziaływanie światła z materią biologiczną, zastosowania laserów w medycynie, spektroskopia UV, VIS i ramanowska, koherencyjna tomografia optyczna, magnetometria optyczna.

3. Metody rezonansowe NMR i EPR -Wstęp do EPR i do NMR.

Energia dipola magnetycznego w polu magnetycznym (klasycznie), operator krętu i komutowanie jego składowych. Moment magnetyczny elektronu, energia elektronu w polu B, zjawisko elektronowego rezonansu paramagnetycznego, spektrometr EPR, specyfika techniki pomiarowej EPR, pasmo X, pasmo Q. Moment magnetyczny jądra atomowego, energia jądrowego momentu magnetycznego w polu magnetycznym, izotopy NMR w badaniach biofizycznych, paramagnetyzm jądrowy, magnetyzacja jądrowa, wzór Langevina-Curie, klasyczny obraz magnetycznego rezonansu jądrowego (precesja Larmora, równanie ruchu magnetyzacji jądrowej w laboratoryjnym i w wirującym układzie odniesienia, pole magnetyczne w wirującym układzie odniesienia). Impuls NMR. Impulsowy spektrometr NMR. Funkcja zaniku swobodnej precesji. Równania Blocha. Historia badań NMR.

Spektroskopia EPR. Oddziaływania nadsubtelne (oddziaływanie dipolowo-dipolowe, oddziaływanie skalarne). Hamiltonian spinowy atomu wodoru, schemat poziomów energetycznych i widmo EPR atomu wodoru (w zerowym rzędzie rachunku zaburzeń, w pierwszym rzędzie rachunku zaburzeń i w drugim rzędzie rachunku zaburzeń). Struktura nadsubtelna widma EPR dla jąder o spinie I = 1, I = 3/2, I = 5/2 (zastosowanie w badaniach biofizycznych). Doświadczalne wyznaczanie wartości g0 i B0. Oddziaływania nadsubtelne z wieloma jądrami (dwa, trzy i n równocennych jąder I = 1/2, dwa równocenne jądra I = 1, dwa nierównocenne jądra I = 1/2). Widma EPR układów zorientowanych, efektywny hamiltonian spinowy (elektronowy człon zeemanowski, oddziaływanie spin elektronowy – spin elektronowy, człon struktury nadsubtelnej, jądrowe oddziaływanie kwadrupolowe, jądrowe oddziaływanie zeemanowskie), doświadczalne wyznaczanie tensora g. Widma EPR proszków (i roztworów zmrożonych). Wolne rodniki (chemiczne, elektrochemiczne metody wytwarzania, powstawanie rodników pod wpływem naświetlania, metody wytwarzania i pomiaru krótko żyjących rodników). Znaczniki spinowe (zastosowanie w badaniach biofizycznych).

Spektroskopia NMR. Zanik swobodnej precesji. Fourierowska spektroskopia MRJ, linia NMR dla cieczy. Przesunięcie chemiczne (tensor ekranowania, stała ekranowania chemicznego. Przegląd oddziaływań (oddziaływanie dipolowo-dipolowe, oddziaływanie skalarne dwóch spinów jądrowych). NMR jako metoda analityczna, wzorce używane w spektroskopii NMR, odsprzęganie homojądrowe i heterojądrowe, pomiar stężenia substancji w roztworze, niwelowanie zbyt silnego sygnału NMR od rozpuszczalnika, skala czasowa procesów dynamiki molekularnej w NMR, wymiana chemiczna magnetyzacji w próbce NMR (widmo cieczowe w obecności wymiany), pomiar wartości pH metodą NMR. Linia NMR dla ciał stałych (zastosowania w układach biologicznych). Linie homogenne a linie heterogenne. Badanie linii NMR metodą momentów. Hamiltonian dipolowy (widmo dipolowe dla próbki proszkowej – dublet Pake’a). Analiza zaniku swobodnej precesji funkcją Gaussa, funkcją Abragama i transformatą Fouriera proszkowego dubletu Pake’a. Wirowanie pod kątem magicznym (spektroskopia MAS). Zlokalizoana spektroskopia NMR, in vivo.

Relaksometria NMR. Magnetyczna relaksacja jądrowa (relaksacja spinowo-sieciowa, Rozwiązanie relaksacyjnej części równań Blocha dla próbki homogennej i dla próbki heterogennej. Funkcja autokorelacji i czas korelacji ruchów molekularnych. Zależność temperaturowa czasu korelacji ruchów molekularnych. Związek między czasem korelacji ruchów molekularnych a T1 oraz T2. Zakres ruchliwości molekularnej oraz wartości czasów relaksacji dla wybranych tkanek ciała ludzkiego. Pomiar czasu relaksacji spinowo-sieciowej (metoda inwersji magnetyzacji, metoda nasyceniowa). Pomiar czasu relaksacji spinowo-spinowej (echo spinowe, metoda CPMG). Pomiar czasu relaksacji T1. Dwuwymiarowa spektroskopia NMR w domenie czasu. Pomiar współczynnika dyfuzji metodą echa spinowego. Wymiana spinowa, relaksacja jądrowa w obecności wymiany spinowej. Spektroskopia relaksacyjna. Transfer magnetyzacji. NMR-MOUSE.

Tomografia magnetyczno-rezonansowa. Transformata Fouriera impulsu NMR. Zasada selektywnego wzbudzania. Kodowanie fazy, kodowanie częstości. Sekwencja pomiarowa tomografii magnetyczno-rezonansowej, technika echa spinowego (zastosowanie do tomografii czaszki). Oddziaływanie pól magnetycznych wytwarzanych przez tomograf NMR z otoczeniem (dopuszczalne wartości czynników oddziałujących oraz zagrożenia pacjenta podczas badania tomografii NMR). Techniki skracające czas badania w tomografii MRI, środki kontrastujące w tomografii MRI (Gd DTPA). Angiografia w tomografii MRI. Zastosowania medyczne tomografii MRI (ośrodkowy układ nerwowy, układ mięśniowo-szkieletowy, klatka piersiowa, narządy jamy brzusznej). Czynnościowa tomografia (f-MRI) (metoda BOLD) i jej zastosowania (badania osób wielojęzycznych, badania stanów emocjonalnych).

4. Nanotechnologie. Metody mikroskopowe badania układów biologicznych z nanometrową zdolnością rozdzielczą. Mikroskopia bliskiego pola i z sonda próbkującą - historia odkrycia i zasady działania. Mody pracy mikroskopu AFM. Podstawowe oddziaływania ostrza z powierzchnią – specyfika pracy w roztworach wodnych. Zasady pracy mikroskopu AFM w modzie kontaktowym, pomiary sił lateralnych. Mikroskopia 3D AFM – obrazowanie materialu biologicznego, preparatyka, dobór dźwigni (sondy) AFM do badań biomedycznych. Metody fluorescencyjne: obrazowanie fluorescencyjne, sondy fluorescencyjne, FRET. Kropki kwantowe jako przykład kwantowego efektu rozmiarowego. Wytwarzanie, właściwości i zastosowania kropek kwantowych i innych nanocząstek w diagnostyce medycznej. Metody funkcjonalizacji biologicznej kropek kwantowych. Badanie właściwości elastycznych błon i struktur biologicznych metodą nanoindentacji ostrzem AFM model Sneddona. Wyznaczanie rodzaju oddziaływania międzymolekularnego na podstawie pomiaru krzywych siła odległość. Spektroskopia sił , model Bella, opis Evansa i Ritchie’go. Badanie oddziaływań pomiędzy białkami układu immunologicznego metodą spektroskopii sił. Biosensor mechaniczny działający w oparciu o pomiar wygięcia belki, równanie Stoney’a. Funkcjonalizacja powierzchni czynnej biosensora. Zastosowanie nanocząstek w medycynie (terapia przeciwnowotworowa, transport leków), pojęcie toksyczności nanocząstek – nowe wyzwania nano-medycyny.

5. Podstawy spektrometrii mas. Analiza mas w polu magnetycznym, analizator kwadrupolowy, metoda czasu przelotu. Metody jonizacji atomów i molekuł, wtórna emisja jonowo-jonowa, desorpcja laserowa. Spektrometria masowa jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu TOF-SIMS, budowa spektrometru, statyczny i dynamiczny tryb pracy, efekt matrycowy, obrazowanie 2D i 3D. Porównanie parametrów analizatorów masowych. Technika MALDI.

6. Metody fizyki jądrowej - wyznaczanie składu pierwiastkowego (aktywacja neutronowa, terapia neutronowo-borowa, fluorescencja rentgenowska, RBS). Jądrowe oddziaływania nadsubtelne. Spektroskopia mössbauerowska, zastosowania. Jądrowe rozpraszanie promieniowania synchrotronowego. Zaburzone korelacje kierunkowe, anihilacja pozytonów, rotacja mionów. Podstawy tomografii PET

Literatura:

Literatura podstawowa:

1. Fizyczne metody badań w biologii, medycynie i ochronie środowiska, Praca zbiorowa pod redakcją A.Z. Hrynkiewicza i E. Rokity. PWN Warszawa 1999.

Literatura uzupełniająca:

2. A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego. Państw. Wydaw. Nauk., 1978.

3. Z. Kecki, Podstawy spektroskopii molekularnej. PWN, Warszawa 1992.

Bartłomiej Ciesielski, Wojciech Kuziemski „Obrazowanie metodą magnetycznego rezonansu w medycynie”, Oficyna Wyd. TUTOR 1994.

4. K.H. Hauser, H.R. Kalbitzer „NMR w biologii i medycynie”, Wyd. Naukowe UAM 1993.

5. Jacek W. Hennel, Jacek Klinowski „Podstawy magnetycznego rezonansu jądrowego”, Wyd. Naukowe UAM 2000.

6. Reinhard Kirmse, Joachim Stach „Spektroskopia EPR, zastosowania w chemii”, Wyd. UJ 1994.

Uwagi:

Ponieważ szczegółowy rozkład wykładów jest płynnie rozdzielany na część I i część II, podany opis dotyczy obu części. Ocena z egzaminu po II semestrze jest wliczana do średniej.

Opisy przedmiotów w USOS i USOSweb są chronione prawem autorskim.
Właścicielem praw autorskich jest Uniwersytet Jagielloński w Krakowie.