Presentazione

Organizzazione della Didattica

DM270
PHYSICS ORD. 2017

Biophotonics

6

Physics of matter

 

Frontali Esercizi Laboratorio Studio Individuale
ORE: 48 0 0 85

Periodo

AnnoPeriodo
II anno1 semestre

Frequenza

Facoltativa

Erogazione

Convenzionale

Lingua

Inglese

Calendario Attività Didattiche

InizioFine
01/10/201818/01/2019

Tipologia

TipologiaAmbitoSSDCFU
caratterizzanteMicrofisico e della struttura della materiaFIS/016


Responsabile Insegnamento

ResponsabileSSDStruttura
Prof. MAMMANO FABIOFIS/07Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei"

Altri Docenti

Non previsti

Attività di Supporto alla Didattica

Non previste

Bollettino

Fisica Biologica

Il corso ha come scopo quello di fornire conoscenze approfondite di Ottica di Fourier, microscopia in campo chiaro, generazione del contrasto, microscopia di fluorescenza convenzionale e confocale, super-risoluzione, trattamento digitale delle immagini, sonde molecolari e rilevazione di segnali cellulari. Il corso si propone specificamente di far acquisire allo studente la capacità di progettare esperimenti di microscopia ottica per una vasta gamma di potenziali applicazioni biologiche.

Lezioni frontali

Fondamenti di ottica. Formalismo matriciale per l’ottica geometrica. Strumenti ottici. Aberrazioni. Analisi di Fourier in due dimensioni. Sistemi lineari invarianti. Funzioni di trasferimento. Teorema del campionamento. Teoria scalare della diffrazione. Integrali di diffrazione, trasformate di Fourier e principio di Huygens-Fresnel. Spettro angolare delle onde piane. Propagazione di campi e spettri. Propagazione della luce come filtro spaziale lineare. Approssimazione di Fresnel e di Fraunhofer. Diffrazione di Fraunhofer da aperture rettangolari e circolari. Reticoli di diffrazione. La lente sottile come trasformazione di fase. Formazione delle immagini come convoluzione. Illuminazione coerente e incoerente. Analisi dei sistemi ottici nello spazio delle frequenze. Funzione di trasferimento di un sistema ottico limitato dai soli effetti della diffrazione. Effetto delle aberrazioni sulla risposta in frequenza. Coma e condizione dei seni di Abbe. Microscopia in luce trasmessa. Piani coniugati e treni ottici. Illuminazione di Köhler. Teoria di Abbe e potere risolutivo. Generazione del contrasto: contrasto di fase, campo scuro, contrasto interferenziale differenziale. Microscopia di fluorescenza. Spettri molecolari. Diagramma di Jablonski. Spostamento di Stokes. Tempi di vita e efficienza quantica. Saturazione dello stato eccitato. Struttura del microscopio a fluorescenza convenzionale. Microscopia confocale. Risposta all’impulso di una lente convergente in tre dimensioni. Risoluzione laterale e risoluzione assiale per imaging incoerente: il limite classico. Sezionamento ottico e ricostruzione volumica. Principi fisici e applicazioni dell’eccitazione a 2 fotoni. Vantaggi e svantaggi dei diversi sistemi confocali. Microscopia STED e superamento del limite classico: super-risoluzione. Trattamento digitale delle immagini. Rumore e suo filtraggio digitale. Deconvoluzione. Illuminazione strutturata e super-risoluzione. Registrazione ottica di variazioni di concentrazione ionica. Sensori ottici di ioni Ca2+, protoni ed altre specie ioniche fisiologicamente rilevanti. Imaging del Ca2+ ad una e due lunghezze d’onda. Controllo locale della concentrazione di Ca2+ ed altre specie molecolari attive mediante fotolisi UV di criptandi fotosensibili. Optochemogenetica. FRET, FLIM, FRAP, TIRFM, dinamica di messaggeri intracellulari. Equazioni di reazione-diffusione, onde calcio.

L'esame consiste in una prova scritta ed una orale. Lo scritto prevede lo svolgimento di temi su argomenti sviluppati durante il corso. L'orale consiste nella presentazione da parte dello studente di uno o più articoli originali relativi a tecniche di super-risoluzione ottica.

La valutazione della preparazione dello studente si baserà sulla comprensione degli argomenti svolti, sull'acquisizione dei concetti e delle metodologie proposte e sulla capacità di applicarli in modo autonomo e consapevole.

Born M, Wolf E, Principles of Optics - 7th expanded edition. . Cambridge (U.K.): Cambridge University Press, 1999 Tinnefeld P, Eggelin C, Hell S (Editors), Far-Filed Optical Nanoscopy - Springer Series on Fluorescence (Book 14). New York: Springer, 2016

Appunti di lezione