Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической работе Е. Г. Елина " " 20 г. Рабочая программа

Вид материала

Рабочая программа

Содержание 1. Цели освоения дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» 2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях 4. Структура и содержание дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» Неделя семестра Формы текущего контроля успеваемости Содержание дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» Формирование оптического изображения Регистрация оптического изображения Методы биомедицинской микроскопии 5. Образовательные технологии Виды самостоятельной работы студента Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Оптические приборы для биомедицины»

Подобный материал:

• 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, 300.74kb.
• Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 219.56kb.
• Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 233.64kb.
• Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 229.8kb.
• Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 467.43kb.
• Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 217.53kb.
• Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор сгу по учебно-методической, 193.22kb.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского


Физический факультет


УТВЕРЖДАЮ

Проректор СГУ по
учебно-методической работе


__________________Е.Г.Елина


"__" __________________20__ г.


Рабочая программа дисциплины

СОВРЕМЕННАЯ МИКРОСКОПИЯ

В БИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ


Направление подготовки

011200 Физика


Профиль подготовки

Биофизика


Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр


Форма обучения

очная


Саратов, 2011


1. Цели освоения дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях»

Целью освоения дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» является изучение современных методов биомедицинской микроскопии и связанных с ними технологий визуализации микроскопических объектов, методов регистрации и обработки изображений, включая:

1) фундаментальные вопросы формирования изображения оптической системой светового микроскопа;

2) принципиальные схемы и конструктивные особенности современных световых микроскопов используемых для биомедицинских исследований (например, для прижизненной микроскопии; электрофизиологических; гистологических; биомолекулярных; цитологических исследований);

3) оптико-электронные системы регистрации микроскопических изображений; усилители оптических изображений; используемые в оптической микроскопии сверхвысокого разрешения;

4) средства автоматизированной цифровой обработки изображений, предназначенные для улучшения, фильтрации и контрастирования оптических изображений, полученных в биофизическом эксперименте; средства и методы автоматизированного анализа микроскопических изображений;

5) современное оборудование для световой микроскопии, в том числе системы флуоресцентной, многомерной, конфокальной и нелинейной визуализации биологических объектов;

6) методы подготовки и окраски биологических препаратов для микроскопической визуализации;

7) лазерные системы для микроманипуляции биологическими объектами и измерения сил межмолекулярных взаимодействий;

8) фундаментальные основы электронной микроскопии;

9) особенности применения методов электронной микроскопии в биомедицинских исследованиях;

10) основы зондовой сканирующей микроскопии, в том числе световой микроскопии ближнего поля, туннельной электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии;

11) особенности применения зондовой микроскопии в биомедицинских исследованиях.

Благодаря прогрессу в области нанотехнологии, микроэлектроники, микромеханики и оптоэлектроники, современная биомедицинская микроскопия представляет собой мощный и универсальный инструмент биомедицинских исследований. В микроскопии получает развитие техника ближнего поля, конфокальная и многомерная микроскопия открывают новые возможности для исследователей в изучении структуры, динамики и оптических свойств биологических объектов.

2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» относится к дисциплинам профессионального цикла Б.3. в его вариативной части В.11. Дисциплина «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» в рамках учебного плана связана с дисциплинами профессионального цикла профиля Биофизика, такими как:

• Физические методы регистрации физиологических параметров
  
• Основы флоуметрии биологических жидкостей
  
• Люминесценция биологических тканей
  
• Введение в оптическую биофизику
  
• Спектроскопия биологических тканей in vivo
  
• Нелинейная оптика в биофизических исследованиях
  
• Информационные технологии в биофизике
  
• Фотобиофизика
  
• Оптические приборы в биофизических исследованиях
  

Дисциплина «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» призвана формировать знания в области конструкции и принципов действия современных оптических приборов и комплексных автоматизированных оптико-электронных систем регистрации изображений, световой микроскопии, адаптивной оптики и лазерной техники, применяемых в биомедицинском эксперименте.

При изучении курса «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» оптики студенты должны иметь теоретическую подготовку по следующим разделам и темам общего курса физики: механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, оптика, физика атома, а также математики: математический анализ, аналитическая геометрия, теория поля, теория вероятности и теория случайных процессов.

Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными пособиями и монографической учебной литературой, умение решать физические задачи, требующие применения дифференциального и интегрального математического аппарата, умение производить приближенные преобразования аналитических выражений (для решения оптических задач, важно подчеркнуть, это умение имеет особое значение). Также студентам необходимы навыки работы на персональном компьютере с математическими пакетами программ (MatLab, MathCad), графическим (например, Microcal Origin) и текстовым (например, Microsoft Word) редакторами, иметь навыки работы на физических экспериментальных установках, умение оформления результатов экспериментов с использованием графического материала и с оценкой погрешностей измерений.


3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях»

В результате освоения дисциплины формируется часть компетенций в научно-исследовательской деятельности:

ПК-3: способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование в части, связанной с освоением принципа действия и устройства биомедицинских микроскопов и вспомогательного оборудования для световой микроскопии, в том числе средств регистрации оптических изображений, спектрального оборудования, а также способность грамотно эксплуатировать это оборудование.

ПК-4: способность применять на практике базовые общепрофессиональные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин в сфере компонент, связанных с выполнением экспериментальных и учебно-исследовательских работ в области оптической визуализации, обработке изображений, лазерных измерений, интерферометрии оптической микроманипуляци, визуализации биологических объектов методами зондовой микроскопии.

ПК-7: способность формировать суждения о значении и последствиях своей профессиональной деятельности с учетом социальных, правовых, этических и природоохранных аспектов в части планирования и проведения биофизических исследований с использованием методов современной микроскопии.


В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

•Знать:

• физические принципы формирования и преобразования оптического изображения дифракционными, линзовыми, зеркальными, волоконно-оптическими и комбинированными оптическими системами;
  
• фундаментальные основы оптико-электронной регистрации оптических изображений;
  
• методы цифровой обработки и анализа микроскопических изображений;
  
• принцип действия и устройство основных оптических приборов: фотографических объективов; телескопических систем; микроскопов и луп; проекционных систем;
  
• новые физические принципы, лежащие в основе современных систем микроскопической визуализации, используемых в биофизическом эксперименте;
  
• основы теории автоматического управления оптическими системами в части автоматической фокусировки, коррекции аберраций, вносимых исследуемым объектом;
  

•Уметь:

• излагать и критически анализировать основные положения теории оптических систем;
  
• пользоваться методами теории оптических систем для анализа принципа действия оптических приборов;
  
• оценивать качество изображения, получаемого при помощи оптической системы;
  
• ориентироваться в современном рынке оптического оборудования;
  
• грамотно оценивать необходимые технические требования к микроскопическому оборудованию, необходимому для решения научно-исследовательских задач.
  
• грамотно и эффективно использовать оборудование для биомедицинской микроскопии;
  
• 
  

•Владеть

• методами анализа и расчета оптических систем;
  
• методами регистрации и цифровой обработки оптических изображений;
  
• современными методами оптических измерений;
  
• современными методами световой микроскопии;
  
• методами экспериментальной работы с современными оптико-электронными приборами и измерительными комплексами.
  
• методами подготовки, окрашивания и контрастирования биологических препаратов для микроскопической визуализации;
  
• методами современной биомедицинской микроскопии.
  

4. Структура и содержание дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях»

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единиц 72 часов.

№ п/п	Раздел дисциплины	Се-местр	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)
				Лекц.	Лаб.	Самост.
1	Введение	8	1	2
2	Формирование оптического изображения	8	1	2
3	Оптическая система микроскопа	8	2	2		2
4	Дифракционная теория микроскопа	8	2	2	2
5	Методы освещения препарата	8	3	2	2	2
6	Стереомикроскопы	8	3					контрольная работа
7	Стандартизация узлов микроскопа	8	4	2	2
8	Методы регистрации микроскопических изображений	8	4	2
9	Интерференционное контрастирование биологических объектов	8	5	2	2	2
10	Приготовление и окрашивание биологических препаратов	8	5	2	2
11	Флуоресцентная микроскопия	8	6	2
12	Конфокальная и нелинейная микроскопия	8	6	2	2	2
13	Микроскопия сверхвысокого разрешения	8	7	2	2
14	Оптическая микроманипуляция	8	7	2
15	Микроанемометрия	8	8	2	2	2
16	Микроскопия селективного планарного освещения	8	8	2	2
17	Электронная микроскпия	8	9	2
18	Зондовая микроскопия	8	9	2
19	Атомно-силовой микроскоп	8	10	2		2
20	Анализ и интерпретация микроскопических изображений	8	10	2	2			экзамен

Содержание дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях»

Введение

1. История микроскопии. Световая микроскопия и ее роль в естественных науках. Современная микроскопия и ее биомедицинские применения
   

Формирование оптического изображения

2. Геометрическая оптика. Основы теории оптических систем. Пространство предметов и пространство изображений. Кардинальные точки и плоскости оптической системы. Идеальная центрированная оптическая система.
   
3. Ограничение пучков в оптической системе, диафрагмы. Зрачки.
   
4. Аберрации оптических систем.
   

Микроскопы

5. Микроскопы и лупы. Оптическая схема микроскопа. Увеличение. Дифракционная теория разрешающей способности микроскопов. Разрешающая способность микроскопа и полезное увеличение.
   
6. Освещение препарата. Освещение по Келеру, освещение в отраженном свете, темное поле, ультрамикроскопия. Работа микроскопа совместно с глазом и датчиком изображения. Стереомикроскопы Аббе, Грену.
   
7. Стандартизация узлов микроскопа. Прямые и инвертированные микроскопы. Модульная конструкция микроскопов. Типы объективов микроскопов. Классификация и особенности конструкции объективов и окуляров.
   

Регистрация оптического изображения

8. Датчики изображения для микроскопии. Датчики изображения на основе ФПЗС. ФПЗС с умножением электронов. Датчики изображения на основе технологии КМОП. Усилители оптического изображения.
   
9. Представление изображений в цифровой форме. Дискретизация и квантование изображений. Цифровая обработка изображений. Преобразования яркости изображений. Пространственная фильтрация.
   

Методы биомедицинской микроскопии

10. Интерференционная микроскопия. Метод фазового контраста. Интерференционные методы наблюдения фазовых объектов. Интерференционные микроскопы. Микроинтерферометр Линника. Метод дифференциального интерференционного контраста.
    
11. Приготовление и окрашивание препаратов. Флуоресцентная микроскопия. Методы наблюдения флуоресценции. Применение флуоресцентных красителей. Флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения.
    
12. Конфокальная и микроскопия. Лазерный сканирующий микроскоп. Нелинейные эффекты в микроскопии. Генерация второй и третьей гармоник. Двухфотонная Суммирование частот. Многомерная микроскопия. Когерентное антистоксовое Рамановское рассеяние.
    
13. Микроскопия сверхвысокого разрешения. Гашение флуоресценции вынужденным излучением. Освещение пространственно структурированным светом. Метод статистической реконструкции пространственного распределения флуорофоров.
    
14. Оптическая микроманипуляция. Импульс световой волны и давление света. Движение микрочастиц в пучке лазерного излучения. Градиентная оптическая ловушка. Измерение малых сил и перемещений при помощи оптического пинцета.
    
15. Микроскопия селективного планарного освещения. Визуализация трехмерной структуры биологических объектов. Ультрамикроскопическая визуализация. Микроанемометрия по изображениям частиц. Корреляционный анализ изображений. Метод статистического слежения за частицами.
    
16. Зондовая и электронная микроскопия. Оптический микроскоп ближнего поля. Просвечивающий электронный микроскоп. Туннельный электронный микроскоп. Растровый электронный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп.
    
17. Интерпретация и анализ микроскопических изображений
    

5. Образовательные технологии

При реализации дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях» используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации, практические занятия - лабораторные работы, контрольные работы, самостоятельные работы.

В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и обсуждение наблюдаемых оптических 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

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;

- решение рекомендованных задач из сборника задач по волновой оптике;

- изучение теоретического материала по методическим руководствам к физическому практикуму по оптике.


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;

- решение рекомендованных задач из сборника задач по волновой оптике предполагается еженедельным при подготовке к практическим занятиям и при усвоении теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой работы предусмотрен на практических лабораторных занятиях;

- изучение теоретического материала по методическим руководствам к специальному физическому практикуму по оптике предусмотрен еженедельно с отчетом о проделанной работе на практических лабораторных занятиях.


Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях»

Какая оптическая система называется идеальной?

1. Перечислите кардинальные точки и плоскости идеальной оптической системы. Каковы их свойства?
   
2. Чем обусловлено снижение яркости изображения по краям поля зрения (виньетирование)?
   
3. Какие из монохроматических аберраций (сферическая, кома, астигматизм, дисторсия) не зависят от апертуры оптической системы и почему?
   
4. Нарисуйте оптическую схему светового микроскопа.
   
5. Перечислите особенности оптической системы микроскопа, обеспечивающие ее сопряжение с оптической системой глаза наблюдателя.
   
6. Опишите способы сопряжения цифрового датчика изображения с оптической системой микроскопа.
   
7. Как рассчитать полезное увеличение микроскопа для работы с глазом человека?
   
8. Опишите принцип действия ПЗС. Почему чувствительность ПЗС ограничена в синей области спектра?
   
9. Почему КМОП датчик изображения обеспечивает произвольный доступ к любому элементу светочувствительной матрицы, а ПЗС - нет?
   
10. Как устроен зеркальный видоискатель фотокамеры?
    
11. Каковы основные конструктивные особенности объектива с переменным фокусным расстоянием?
    
12. В чем заключается основное преимущество использования тубуса «бесконечость» в биомедицинской микроскопии?
    
13. Опишите основной принцип адаптивной коррекции аберраций, вносимых объектом исследования.
    
14. Перечислите основные метода повышения контраста микроскопических изображений биологических объектов.
    
15. Какие методы контрастирования микроскпических изображений могут применяться для прижизненной визуализации микроорганизмов?
    
16. В чем заключается принцип интерференционного контрастирования прозрачныхобъеков в световой микрсокопии?
    
17. Сравните методы фазового и дифференциального интерференционного контраста.
    
18. Перечислите основные методы окрашивания гистологических срезов.
    
19. Какой способ освещения препарата предпочтителен для флуоресцентной микроскопии и почему?
    
20. В чем преимущество микроскопа с генерацией второй гармоники по сравнению с конфокальным?
    
21. Какие требования предъявляются к красителям для микроскопии сверхвысокого разрешения методом статистической реконструкции пространственного распределения флуорофоров?
    
22. Каким образом измеряют малые силы при «помощи оптического пинцета»?
    
23. Опишите методы приготовления препаратов для электронной микроскопии.
    
24. Как устроен атомно-силовой микроскоп?
    

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях»

а) основная литература:

1. Методы и средства микроскопии, сост.: Б. В. Шульгин, науч. ред. А. В. Кружалов. - Екатеринбург : Изд-во УМЦ УПИ, 2005. – 187 с.
   
2. Оптическая биомедицинская диагностика, в 2 т., T.2, пер. с. англ. под ред. В.В. Тучина. – М.:Физматлит, 2007. – 368 с.
   
3. Оптическая биомедицинская диагностика, в 2 т., T.1, пер. с. англ. под ред. В.В. Тучина. – М.:Физматлит, 2007. – 560 с.
   
4. ссылка скрыта, Техническая микроскопия. Практика работы с микроскопами для технических целей - М.: Техносфера, 2007. - 357 с.
   
5.  ссылка скрыта     Основы сканирующей зондовой микроскопии М.: Техносфера, 2004. - 143 с.
   
6. Брандон, Д., Каплан, У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля, М.: Техносфера, 2004. – 377 с.
   
7. Пантелеев, В. Г. Егорова, О. В. Клыкова, Е. И. Компьютерная микроскопия, М. : Техносфера, 2005. – 303 с.
   
8. ссылка скрыта  Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2005. - 143 с.
   

б) дополнительная литература:

9. Синдо, Д., Оикава, Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия - М. : Техносфера, 2006. - 249 с.
   
10. Г. Шрёдер, Х. Трайбер, Техническая оптика. – М.: Техносфера, 2006. – 424 с.
    
11. Ландсберг Г.С. Оптика. Издание 6-е. – М.: Физматлит, 2003. - 848 с.
    
12. Когерентно оптические методы в измерительной технике и биофотонике, под.ред. В.П.Рябухо и В.В.Тучина. – Саратов: Сателлит, 2009.–127 c.
    
13. Заказнов, Н. П. Кирюшин, С. И., Кузичев, В. И. Теория оптических систем : учеб. пособие . -4-е изд., стер. СПб.: Лань, 2008 – 446 с.
    
14. ссылка скрыта Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур. - СПб.: Наука, 2001. - 52 с.
    
15. Кэррил,  Ф. М. Бабушкин, С. А.  Как работать со световым микроскопом - М. : Вест Медика, 2010 (Пермь). - 111 с.
    
16. Розеншер Э. Оптоэлектроника. М: Техносфера. 2006. – 588 с.
    
17. Цифровая обработка сигналов и изображений / под ред. В.И. Кравченко М: ФИЗМАТЛИТ 2007-544 с.
    
18. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М: Техносфера. 2009 – 855 с.
    
19. ссылка скрыта. Геометрическая оптика [Текст] : [учеб. пособие] / И. В. Федосов. - Саратов : Сателлит, 2008. – 90 с.
    
20. Прикладная оптика. Под. ред. Заказного Н. П. СПб, М:Краснодар-Лань 2007. – 311 c.
    
21.  ссылка скрыта, Лазерные доплеровские измерительные технологии [Текст]: Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2002. - 414 с.
    

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:


Программное обеспечение National Instruments LabVIEW 8.5 Professional Development system.

Учебные и учебно-методические материалы, размещенные на сайте кафедры оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского ссылка скрыта


8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Оптические приборы для биомедицины»


Доска, мел/маркеры, компьютер, мультимедийный проектор, ПЗС-камера.

Оборудование для лабораторных работ:

1. Компьютер персональный – 10 шт.
   

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю подготовки Биофизика


Автор к.ф.-м.н., доцент Федосов И.В.


Программа одобрена на заседании кафедры Оптики и биофотоники

от ___________года, протокол № _________________.


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