Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор по учебно-методической работе, профессор Е. Г. Елина " " 2011 г. Рабочая программа
| Вид материала | Рабочая программа |
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 248.51kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 143.27kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 149.05kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.35kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 233.64kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.29kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 193.22kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 217.53kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 229.8kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.56kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе, профессор Е.Г. Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Методы определения спектральных параметров биологических сред
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Цель освоения дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред» заключается в обеспечении магистрантов базовыми знаниями в области закономерностей формирования спектров при помощи спектрального оборудования различного типа, объединение сведений о спектральном приборе, как одном из видов оптических приборов, которые, в совокупности с новыми данными, должны углубить понимание основ прикладной спектроскопии. Курс «Методы определения спектральных параметров биологических сред» направлен на ознакомление студентов с принципами работы дисперсионных элементов, основами формирования и работы спектральных систем, а также методами регистрации и обработки спектров. В рамках курса студенты изучают основы формирования спектров при помощи современного оборудования. Также в рамках лабораторных занятий студенты изучают современное оборудование и программное обеспечение, предназначенное для регистрации и обработки спектров. Изучение устройств и методов спектроскопии необходимо студентам оптических специализаций для успешного выполнения экспериментальных курсовых работ, а также для дальнейшего изучения физических объектов спектральными методами. Знание данной дисциплины необходимо для исследования многих явлений в области атомной и молекулярной физики, физики твердого тела, химии, биологии.
Цели освоения дисциплины « Методы определения спектральных параметров биологических сред» заключаются также в выработке практических навыков решения физических проблем в области физической оптики, получении высшего профессионально профилированного образования в области физики, позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности в РФ и за рубежом, обладать универсальными и предметно специализированными компетенциями, способствующими его социальной мобильности, востребованности на рынке труда и успешной профессиональной карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистерской программы «Медицинская фотоника»
Дисциплина «Методы определения спектральных параметров биологических сред» относится к общенаучному циклу дисциплин направления (М1.Р5).
В рамках учебного плана дисциплина «Методы определения спектральных параметров биологических сред» базируется на теоретических представлениях и математико-аналитическом аппарате таких дисциплин программы «Медицинская фотоника», как:
- Оптика биотканей;
- Спектральные методы в медицинской диагностике;
- Математическое моделирование взаимодействия излучений с биотканями;
Для успешного усвоения дисциплины необходимы знания основ и методов оптики и физики атомов, молекул и атомных явлений, основных представлений о классической и квантовой теории излучения света атомами, молекулярной физики, теории точечных и пространственных групп.
При освоении дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред» студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и монографической литературой, в том числе на иностранном языке, уметь осуществлять поиск в базах данных научной литературы, формулировать поисковые запросы и фильтрацию результатов поиска. Студенты должны иметь навыки работы с персональным компьютером достаточные для самостоятельного освоения пользовательского интерфейса и функциональных возможностей пакетов программ для научных и инженерных расчетов и обработки экспериментальных данных (Matlab, Mathcad, Originlab Origin и др.).
Знания, полученные при освоении дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред», необходимы при выполнении студентом квалификационных работ в течение всего курса обучения по программе «Медицинская фотоника».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред».
В результате освоения дисциплины « Методы определения спектральных параметров биологических сред» должны формироваться в определенной части следующие компетенции:
общекультурные:
- способность демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук (ОК-1);
- способность к коммуникации в научной, производственной и социально-общественной сферах деятельности, свободное владение русским и иностранным языками как средством делового общения (ОК-8);
общепрофессиональные:
- способность использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности (ПК-2);
- способность свободно владеть разделами физики, необходимыми для решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-6);
В результате освоения дисциплины « Методы определения спектральных параметров биологических сред» обучающийся должен:
- принципы формирования спектров дисперсионными элементами, свойства и ограничения приближения геометрической оптики при расчете характеристик приборов;
- основы принципов расчета и конструирования осветительных и приемных систем спектральных приборов;
- паспортные характеристики спектральных приборов, связь между характеристиками и результирующим спектром;
- основы использования интерферометрии для получения спектров и построение на этих основах Фурье-спектрометров;
- закономерности формирования спектров и связанные с этими закономерностями принципы математической обработки экспериментальных спектров;
- основы производных спектров, закономерности влияния различных методов их получения на качество получаемых спектральных характеристик.
•Уметь:
- излагать и критически анализировать основные положения теории спектральных систем;
- пользоваться методами теории спектральных систем для анализа эффективности работы спектральных приборов;
- оценивать качество экспериментально получаемых спектров;
- решать базовые задачи предварительной математической обработки спектров;
- анализировать спектры с точки зрения выбора оптимального метода обработки для получения требуемых физических параметров исследуемого вещества.
•Владеть
- методами анализа и расчета спектральных систем;
- методами использования спектральных приборов для регистрации спектров;
- методами предварительной обработки экспериментальных спектров с целью уменьшения погрешности конечных результатов;
4. Структура и содержание дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 108 часов (12 часов лекций, из них 6 в интерактивной форме, 24 часа практических занятий, 72 часа самостоятельной работы)
4.1. Структура дисциплины
| № п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Формы промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
| Лекции | Практ. занятия | Лабораторные раб. | Самост. Раб. | |||||
| 1 | Понятие спектроскопии классификация спектральных приборов по типу диспер-сионного элемента, методу регистрации, скорости сканирования спектра. Спектральная линия. Дифракционный контур | 3 | 1 | 2 | 4 | | 12 | |
| 2 | Уширение спектральных линий прибором | 3 | 2-4 | 2 | 4 | | 12 | |
| 3 | Основные характеристики спектров | 3 | 5-6 | 2 | 4 | | 12 | |
| 4 | Основные характеристики спектральных приборов | 3 | 7-9 | 2 | 4 | | 12 | |
| 5 | Исследование спектров поглощения | 3 | 10-12 | 2 | 4 | | 12 | |
| 6 | Исследование спектров люминесценции | 3 | 13-16 | 2 | 4 | | 12 | |
| | ИТОГО: | | 16 | 12 | 24 | | 72 | Экзамен |
4.2. Содержание дисциплины
- Определение спектроскопии. Классификация спектральных приборов по типу дисперсионного элемента, методу регистрации, скорости сканирования спектра. Особенности и области использования приборов различных типов. Понятие спектральной линии. Дифракционный контур при бесконечно малой ширине щели. Полуширина спектральных линий. Разрешающая способность.
- Призма. Элементы призмы и оптические материалы. Преломление в плоскости главного сечения. Дисперсия призмы. Разрешающая способность призмы. Потери света на отражение и поляризующее действие призмы. Астигматизм и кривизна спектральных линий. Типы призм.
- Дифракционная решетка. Устройство решетки и ее основные свойства. Инструментальный контур. Кривизна спектральных линий. Вогнутые решетки. Технология изготовления решеток и их эксплуатация.
- Дифракционная решетка. Устройство решетки и ее основные свойства. Инструментальный контур. Кривизна спектральных линий. Вогнутые решетки. Технология изготовления решеток и их эксплуатация.
- Основные характеристики спектров. Длина волны. Амплитуда линии. Исключение фона.
- Приборы высокой разрешающей силы. Типы приборов, их основные свойства. Основные характеристики эталона Фабри-Перо. Методы работы.
- Основные характеристики спектральных приборов. Дисперсия. Разрешающая сила. Светосила спектрального прибора. Пропускание спектрального прибора. Температурное смещение и дефокусировка.
- Освещение спектральных приборов. Конденсоры. Типы осветительных систем. Установка источника и осветительной системы. Фокусировка спектральных приборов.
- Спектральные приборы с временным разрешением. Методы и ограничения. Классификация. Спектрометры со сканированием спектра. Спектрохронографы.
- Светофильтры. Общие свойства. Абсорбционные светофильтры. Стеклянные, жидкостные, газовые. Изменение характеристик под действием нагревания или облучения. Отражающие фильтры. Интерференционные фильтры. Дисперсионные фильтры. Источники света. Основные свойства. Источники сплошного спектра: тепловые, водородный континуум, дуга, импульсные источники. Источники линейчатого спектра: ширина спектральных линий. Дуга. Искра. Источники низкого давления. Высокочастотный разряд. Резонансная лампа. Лазеры.
- Измерение длин волн. Нормали длин волн спектральных линий. Фотографические измерения длин волн. Измерительные приборы и техника измерения.
- Энергетические измерения в спектре. Типы приемников излучений. Свойства фотографических слоев. Марки почернения. Фотографическая фотометрия. Фотоэлементы и фотоумножители. Счет фотонов.
- Исследование спектров поглощения. Основные характеристики спектров поглощения. Погрешности измерений. Источники систематических ошибок при измерении спектров поглощения.
- Исследование спектров люминесценции. Особенности регистрации люминесценции. Схемы люминесцентных спектрометров. Фильтрация возбуждающего излучения. Поляризационные зависимости люминесценции. Самопоглощение.
- Сглаживание и интерполяция спектров. Формы спектральных линий конденсированного тела и газов. Источники шумов. Искажение спектров при сглаживании. Интерполяция спектров одной или несколькими линиями. Погрешности интерполяции.
- Производная спектроскопия. Цели дифференцирования спектров. Сужение линии при дифференцировании. Ложные максимумы.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред» используются следующие виды учебных занятий: лекции, практические занятия, консультации, самостоятельные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и обсуждение наблюдаемых явлений и эффектов, компьютерные демонстрации с использованием современных цифровых систем изобразительной техники.
В рамках практических лабораторных занятий предусмотрены: детальный разбор физических основ основных разделов лекционного курса с решением физических задач по основным разделам содержания дисциплины, выполнением лабораторных работ и выполнение контрольных работ по всем разделам.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
6.1 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины, нерассмотренных на лекциях;
- выполнение комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по всем разделам дисциплины;
- выполнение практических заданий по обработке полученных спектров;
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой работы предусмотрен на практических занятиях по данной дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины и нерассмотренных на лекциях предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля – экзамена по данной дисциплине;
- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде отчету по этому виду самостоятельной работы;
- изучение теоретического материала по методическим руководствам к специальному физическому практикуму по спектроскопии предусмотрено еженедельно с отчетом о проделанной работе на практических лабораторных занятиях.
6.2 Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля:
1. От каких условий эксперимента зависит разрешение спектральных полос?
2. В каких случаях происходит нарушение закона Бугера-Бера?
3. Каким образом растворители влияют на характеристики спектров?
4. Какие характеристики вещества можно получить из спектров?
5. В чем заключается влияние стенок кюветы на регистрируемую оптическую плотность образца?
6. Каким образом рассчитывают свойства молекул по колебательно-вращательным спектрам? Рассчитать параметры молекулы соляной кислоты.
7. Как изменяются спектры люминесценции молекул при добавлении в раствор тяжелых атомов?
8. В чем заключается метод МОЛКАО? Как изменяются спектры органических молекул при увеличении количества идентичных компонент?
9. В чем заключаются преимущества использования поляризационных фильтров при регистрации спектров люминесценции порошков?
10. Временные зависимости люминесценции.
11. Основные типы спектральных приборов и принципы их функционирования.
6.4 Контрольные вопросы и задания для проведения промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред»
- По каким признакам проводится классификация спектральных приборов?
- Перечислите классификацию спектральных приборов по методу регистрации.
- Почему возникают побочные максимумы у спектрального контура?
- Каким образом форма спектральной линии зависит от дисперсии дисперсионного элемента спектрального прибора?
- Как можно объяснить уменьшение разрешающей способности прибора при неполном заполнении его апертуры?
- Какова связь между разрешающей способностью и угловой или линейной дисперсией?
- Оцените вероятность регистрации слабой спектральной линии на фоне интенсивной.
- Охарактеризуйте различные виды приборов с высоким разрешением?
- Опишите характеристики призмы?
- Каким образом связаны между собой разрешающая способность и количество штрихов дифракционной решетки?
- Чем отличается работа высокоразрешающего эталона Фабри-Перо от работы Фурье-спектрометра.
- Опишите спектральные и энергетические характеристики спектров поглощения.
- Каким образом необходимо юстировать спектральный прибор?
- Опишите основные типы светофильтров и области их применения?
- Приведите примеры источников сплошного и линейчатого спектра. Укажите их характеристики и области использования.
- Приведите методики измерения длин волн спектральных линий и основные факторы, влияющие на точность таких изменений.
- Каким образом производятся фотометрические измерения в спектрах? Опишите принцип учета сплошного фона.
- Почему для измерений спектров люминесценции необходимо использование специальных приборов? Опишите принципы регистрации спектров люминесценции.
- С какой целью производится сглаживание спектров? Какие алгоритмы сглаживания используются?
- Обоснуйте предпочтительность выбора энергетической шкалы при интерполяции спектров набором отдельных полос.
- Опишите принципы производной спектроскопии.
Перечень практических работ:
- Рассчитать и проверить экспериментально зависимость разрешения прибора от геометрии эксперимента.
- Провести настройку освещения и фокусировки спектрального прибора.
- Для спектрофлуориметра с временным разрешением получить зависимость затухания люминесценции во времени.
- Провести измерения спектров излучения источников света, используемых в спектроскопии.
- Провести регистрацию линейчатого спектра поглощения и определить длины волн максимумов и полуширины спектральных полос.
- Измерить зависимость интенсивности люминесценции от концентрации люминофора.
- Определить границы применимости конкретного спектрального прибора при измерении спектров поглощения сильно поглощающих объектов.
- Для стандартного спектрофлуориметра экспериментально определить предельную концентрацию люминофора, для которой спектры не искажены.
- С помощью пакета OriginPro провести сглаживание и интерполяцию ранее полученных спектров.
- При помощи производной спектроскопии определить положения полос поглощения в сильно перекрывающихся спектрах.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Методы определения спектральных параметров биологических сред»
а) основная литература:
- Заказнов, Н. П. Кирюшин, С. И., Кузичев, В. И. Теория оптических систем : учеб. пособие . -4-е изд., стер. СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2008 – 446 с.
- Пентин Ю.А, Курамшина Г.М. Основы молекулярной спектроскопии : учеб. пособие М.: Мир: БИНОМ. Лаб. Знаний, 2008, 398 с
- Ландсберг Г.С. Оптика : учеб. пособие . -6-е изд., стер. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010, 848 с.
б) дополнительная литература:
- В.Шмидт Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. М.:Техносфера, 2007, 368 с.
- Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский И.Ю. Техника и практика спектроскопии. М.:Наука, 1972, 375 с.
- Оптическая биомедицинская диагностика = Optical Biomedical Diagnostics: учеб. пособие : в 2 т. : пер. с англ./ под ред. В. В. Тучина. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007
- Баличева Т. Г., Белорукова Л. П., Звинчук Р. А., Кондратьев Ю. В. Физические методы исследования неорганических веществ : учеб. пособие М.: Академия, 2006, 442 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Учебно-методические материалы практикума, размещенные на сайте кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского ссылка скрыта
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Молекулярная спектроскопия в биофизике»
- спектрофлуориметр;
- спектрофотометр CARY2415;
- спектрофотометр двухлучевой двухволновой для биологических исследований;
- интегрирующая сфера.
- лабораторное оборудование и материалы практикума.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика магистерской программы «Медицинская фотоника».
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор В.И. Кочубей
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 14 января 2011 года, протокол № 1/11.
Подписи:
Зав. кафедрой В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа) В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа) В.М. Аникин