Biofotonika- uvod.pdf - FBMI

fbmi.cvut.cz

Biofotonika- uvod.pdf - FBMI

BIOFOTONIKA

Magistři : 2 + 1, povinný, pátý ročník, 4 kredity, zápočet, zkouška, domácí úkoly, průběžné testy

Bakaláři : 2 + 0, PV, třetí ročník, 2 kredity, klasifikovaný zápočet

Náplň předmětu : záření, lasery, interakce záření s látkou a s tkání, absorpce, emise, spektrometrie,

Exkurze :

mikroskopy, fototerapie, biosenzory, cytometrie, biomateriály a jejich příprava, detektory

• ČVUT FJFI – lékařské aplikace laserů

• Spol. pracoviště UK a ČVUT, Albertov – laserová příprava tenkých vrstev a charakterizace jejich

vlastností (biokompatibilní materiály, biosenzory, AFM, kontaktní úhel), interakce UV záření s

tkání (interakční koule,…), FTIR

• Den otevřených dveří FZÚ AV ČR (4. 11. – 6.11.2010)

Přednáška „Lasery v medicíně“ v rámci Univerzity 3. věku, FBMI, kdy ????

Přednáška a test z „Bezpečnosti práce s lasery“

Lab. praktika : mikroskop, spektrofotometr, fokuzace záření, interference, interakce záření s tkání, m-

line, napětí ve vrstvách, atd. – J. Mikšovský, Mich. Jelínek (asi turnusově, 2x)


Seznam laborek do Biofotoniky:

1. Interakce optického záření s tkání

2. Měření indexu lomu a tloušťky vrstev metodou módové

spektroskopie (m-line)

3. Měření vnitřního pnutí vrstev metodou optického měření

průhybu tenké podložky

4. Spektrometrické měření koncentrací látek v tělních

roztocích:

4a) Určení koncentrace železa v roztoku

4b) Určení koncentrace celkové bílkoviny v roztoku

4c) Určení koncentrace vápníku v roztoku

5. Youngův pokus

6. Ohyb na štěrbině

7. Fluorescenční měření


BIOFOTONIKA, 2010, ZS

student M.H. Niemz: Laser-Tissue Interactions strana

1 4.1. Lasers in Ophthalmology 152

2 4.2. Lasers in Dentistry 181

3 4.3. Lasers in Gynecology 201

4 4.4. Lasers in Urology 207

5 4.5. Lasers in Neurosurgery 213

6 4.6. Lasers in Angoplasty and Cardiology 221

7 4.7. Lasers in Dermatology 227

8 4.8. Lasers in Orthopedics 232

9 4.9. Lasers in Gastroenterology 237

10

11

12

4.10. Lasers in Otorhinolaryngology and Pulmology 241

5.2. Laser Hazards 249

5.3. Eye Hazards 250

5.4. Skin Hazards 251

5.5. Associated Hazards from High Power Lasers 253

5.6. Laser Safety Standards and Hazard Classification 253

5.7. Viewing Laser Radiation 258

5.8. Eye Protection 260

5.9. Laser Beaten Calculations 262

13 Photonic 26


14, 15 1.2./2+ 1.2/2

J. Popp, M. Strehle: Biophotonics

The Interplay Between Light and Matter: Interactions Allowing Us to

Understand Our Environment

16 1.3. A Fascinating Tour Across Biophotonics 23-29

17 2.1-2.1.4.

8-23

Health-related Impacts of Aerosols 31-35

18 2.2. Monitoring Bioaerosols 35-45

19 2.2.3. Pattern Recognition 45-55

20 2.3.1.2. Preparation 55-59

21 2.3,.1.3. Microscopic Imaging and Systém Integration 59-66

22

2.3.1.5.

Integration of the Pollen Monitor in an Online Environmental

Monitoring Network

23 2.3..2. Automated Sampling 73-78

24 2.3.2.7+ 2.4. Field Experiments, Summary/Outlook 78-83

25 3.1. - 3.2.1. Bioaerosol and the Relevance of Microorganisms 89-93

26 3.2.2. Vibrational Spectroscopic Methods 93-99

27,28

29

3.3., 3.3.1

3.3..2.

Innovative Optical Technologies to Identify Bioaerosol, Monitoring of

Biocontamination by Fluorescence Spectroscopy

Identification of Single Microorganisms by Raman Spectroscopy

Combined with Statistical Data Evaluation

67-73

100-109

109-115

30 3.3.2.2. Support Vector Machine (SVM) 115-123


J. Krutmann, H. Hönigsmann, C.A.Elmets:

Dermatological Phototherapy and

Photodiagnostic Methods

31 UV Radiation, Irradiation 4-8

32 UV Radiation, Irradiation 9-12

33 UV Radiation, Irradiation 12-18

34 UV Radiation, Irradiation 19-22

35 UV Radiation, Irradiation 22-26

36 UV Radiation, Irradiation 27-31

37 UV Radiation, Irradiation 31-34

38 UV Radiation, Irradiation 34-37

39 UV Radiation, Irradiation 37-39

40 UV Radiation, Irradiation 40-42

41 UV Radiation, Irradiation 43-45

42 UV Radiation, Irradiation 46-50

43 Dosimetry 50-52

44 Dosimetry 52-57

45 Mechanisms of Photo(chemo)therapy 64-65

46 Mechanisms of Photo(chemo)therapy 66-68

47 Mechanisms of Photo(chemo)therapy 68-72

48 Mechanisms of Photo(chemo)therapy 73-74

49

50

51


Podmínky zápočtu a zkoušky :

BFT - organizační

• testy (2 x, 10 min) – vždy předem oznámeno, včetně

tématického okruhu testu

• Závěrečný test

• docházka ~ 80%

• laboratorní praktika

• krátká prezentace (5 až 10 min) - průběžně

• domácí úkoly

• zkouška

Přednášky posílány mailem (adresy) – neautorizováno, nepovoleno,

nešířit (nebo zapůjčeno CD na přednáškách)

Konzultační hodiny : pondělí (nejlépe nadřeknout e mailem)


Literatura :

• Staré přednášky jsou na www pod FBMI a nové budou zasílány e mailem (nebo zapůjčeny na

přednáškách)

• Paras N. Prasad : Introduction to BIOPHOTONICS, Wiley- Interscience, 2003

• B.A.Saleh, M.C.Teich : Základy fotoniky, matfyzpress 1991

• Časopis Biophotonics International

• A. Vogel, V. Venugopalan : Mechanism of Pulsed laser Ablation of Biological Tissues,

Chem. Rev. 2003, 103, 577-644

Paras N. Prasad : Nanophotonics. John Wiley and Sons, Inc., 2004

• K. Novotný : Teorie elektromagnetického pole I, ČVUT FEL skripta, 2005

• N.G.Basov, J.V. Afanasjev : Lasery- světelný zázrak století, Mir, 1988

• V. Sochor : Lasery a koherentní svazky, Academia, 1990

• M. Vrbová, H. Jelínková, P. Gavrilov : Úvod do laserové techniky, Vydavatelství ČVUT,

1994

• http://www.opto.cz/fuka_havelka/index.html Josef Fuka, Bedřich Havelka: Optika

(fyzikální kompendium)

• Course I. Fundamentals of Light and Lasers. Module I-6: Principles of Lasers. CORD, NSF,

Optics and Photonics Series

• www.nanotechnologie.cz (sešit 2)

• Goldman : Lasers in Medicine

• Niemz : Laser Interaction with Tissue

• Kenyon : The Light Fantastic


Hod. Datum Náplň přednášky

1

2

4.10.2010 Rozvrh, kriteria, BFT jako vědní obor, elektron, foton, spektrum elmg. vln, laser, návaznost BFT na jiné

Obory

Základy světla a hmoty : světlo- vlna, fotony, podstat světla, duální charakter světla, vlnová a paprsková

optika, elmg. spektrum, index lomu, šíření světla, lineární a kruhová polarizace, fázová a grupová rychlost,

difrakce, interference, koherence, Michalsonův interferometr, interference, Youngův pokus, difrakce

11.10.10

Laser, koh. a nekoherentní zdroje, Bohrův model, delta E, energetické hladiny, výpočet, spontánní a

stimulovaná emise, buzení laseru, 3 hladinový model, princip činnosti laseru, z čeho se skládá laser,

rezonátor, elektrická a magnetická vlna, polarizace, Brewsterův úhel, dělení laserů

Módy laseru, divergence, fokuzace, Q- spínání, velikost stopy

3 18.10.10 Tomáš Kocourek : Fototerapie (30 min)

Základy biologie www.nanotechnologie.cz (sešit 2) www.nanotechnologie.cz

Bezpečnost práce s lasery- test

4 25.10.10 Interakce I. Snellovy zákony, reflektance, odraz na různých rozhraních, lom, kritický úhel, totální odraz,

Fressnelovy vzorce. Transmise, rozptyl, pojmy, transmitance různých optických materiálů. Absorpce,

Lambertův zákon, absorpční koeficient, koeficient absorpce, s koncentrací, absorbance, extinkce,

transmitance x absorbance, poznámky, stanovení abs. konstanty z transmisních měření, fluorescence,

Jablonského diagram, rozptyl Mie, Rayleigh, Brillouen.

Interakce s terčem. PLD, transport, interakce s pevnou fází, interakce- modely, teplotní model, opt. abs.

délka, vliv vln. délky, emisivita kovů, komplexní index lomu, polarizace látky, dipóly, index lomu,

disperze světla, měření indexu lomu, měření opt. konstant z transmisního spektra, výpočet indexu lomu

z transmisního spektra, absorpce x koncentrace

5 1.11.10

6

8.11.10

Interakce II. Interakce záření s tkání, abs. spektra melaninu, hemoglobinu, graf expozice x výkon, průnik

záření do hloubky,, tepelné účinky záření, reverzibilní a nereverzibilní poškození. Interakce UV záření

s tkání, UV lasery, poškození oka a pokožky, Lambert- Beerův zákon, abs. koeficient na vln. délce,

absorbance DNA, hloubka průniku, dynamické vlastnosti tkání, dekompozice, fotoablace, dif. Hloubka.

Excimer s tkání, excimer v lékařství a biologii, oko, srdce, onkologie, PDT, dermatologie

Mikroskopie. Mikroskop optický, numerická apertura, konfokální, fluorescenční. Morfologie, SEM, STM,

SNOM, AFM, TEM, SPM


Hod. Datum Náplň přednášky

7 15.11.10 TV a senzory, senzory plynů (optické, odporové), metody přípravy org. TV pro biosenzory. Optické

biosenzory, defnice, QWLS, SERS, SPR, EWF, interferometrické, mřížkové, rez. zrcadlo, rezonance

povrchového plazmou, TIRF, aplikace biosenzorů

Cytometrie

8

22.11.10 Biomateriály, implantáty, zubní náhrady, HA, DLC

Nanomateriály a nanomedicína, bionanofotonika, nanočástice, nanosondy

TV v lékařství vrstvy, technologie, lékařské aplikace, laserové vrstvy, PLD, aplikace, gradientní vrstvy, růst

vrstev, charakterizace vrstev

9 29.11.10 Tweezery - optická manipulace s buňkami, PDT, tomografie, CT, fototerapie

Radiometrie, fotometrie, dozimetrie, svítivost, světelný tok, zářivý tok, ….

10

11

6.12.10

13.12.10

Jan Remsa : spektroskopie. AA spektroskopieFTIR, IČ spektroskopie, omezení, FTIR, Michelsonův

interferometr, FTIR x Raman, IČ a Ramanova spektroskopie, luminiscence, fluorescence, vibrační

spektroskopie, IČ x Raman

Detekce optického záření – parametry, tepelné detektory, fotoelektrické detektory, fotočlánky, fotochemické

detektory

12. 20.12.10 Aplikace laserů v medicíně – bude využito přednášek Univ. 3. věku

13

3.1.11 Testy, záloha , ZÁVĚR


Studentské práce BFT , 2008- 2009

1. Koherence (Kvantová elektronika, Basov)

2. Klasifikace optických procesů, optické koeficienty (Fox : Optical properties of solids)

3. Komplexní index lomu a dielektrická konstanta (Fox : Optical properties of solids)

4. Měření absorpčního spektra, polovodičové detektory, fotovodiče (Fox : Optical properties of solids)

5. Optický a elektrický „gap“. Fyzikální rozdíly, terminologie. Příklad výpočtu optického gapu

6. Antireflexní pokrytí (Melles Griot katalog)

7. Model atomárního oscilátoru (index lomu, absorpční koeficient, …(kap. 11.5.1 v Kenyon : The Light Fantastic…)

8. Absorpce a reflektance světla na kovech (kap. 11.6 v Kenyon : The Light Fantastic…)

9. Koherence (Kv. elektronika, Basov)

10. Elmg. spektrum , detektory, černé těleso (The Light Fantastic..)

11. Optická a teplotní odezva tkáně na laserové záření (Goldmann : Lasers in medicine)

12. Působení UV záření na buňku a tkáň (Goldmann : Lasers in medicine)

13. A,B) Fyzika UV ablace (Goldmann : Lasers in medicine) – 2x

14. Absorpce a rozptyl světla na kovech (I.R. Kenyon : The Light Fantastic, kap. 11.6)

15. Mikrovlnná mikroskopie (katalog HV test)

16. Laser pro ničení bakterií (Biophotonics International Jan 2008)

17. Optika pro aktivaci neuronů (Biophotonics International February 2008)

18. Citlivá detekce malárie (Biophotonics International Febr 2008)

19. Pokroku s SPR v biosenzorech (Biophotonics International Febr 2008)

20. Ryba pro studium metastází (Biophotonics International Febr 2008)

21. AFM pro studium genetických kódů (Biophotonics International March 2008)

22. Detekce rakoviny (Biophotonics International March 2008)

23. Nanotechnologie v biomedicíne (Biophotonics International April 2008)

24. Ramanovská spekroskopie a cytometrie (Biophotonics International April 2008)

25. Optická spektroskopie pro plicní onemocnění (Biophotonics International April 2008)

26. Optika pro mikroskopování (Biophotonics International May 2008)

27. Problémy uhlíkových nanovláken (Biophotonics International May 2008)

28. Detekce buněk TIRF mikroskopií (Biophotonics International May 2008)

29. Detekce onemconění pomocí kvantových teček (Biophotonics International May 2008)

30. Videomikroskop visdí plavat bakterie v jídle (Biophotonics International May 2008)

31. Kvantové tečky pro aktivaci buněk (Biophotonics International June 2008)

32. Vrásky a laser (Biophotonics International Sepember 2008)

33. Fotoreceptory a mouchy (Biophotonics International September 2008)

34. PDT ve stomatologii (Biophotonics International July 2008)

35. Hybridní OLED (Laser Focus World September 2008)

36. Nová generace optoelektronických DNA biopolymerů (Laser Focus World September 2008)

37. Více pružnosti v průtokové cytometrii (Biophotonics International August 2008)


Elektronika pracuje s elektrony

Fotonika pracuje s fotony

Biofotonika jako vědní obor

Elektron : jedna ze subatomárních částic, charakteristická svým

výskytem kolem atomového jádra a záporným elektrickým

nábojem.

Klidová hmotnost : m 0 = 9,109 . 10 -31 kg. Elektrický náboj : -e =

-1,602 . 10 -19 C (záporný elementární náboj). Spin: ½.

Vln. délka l = h/p = h/(m v), kde p je hybnost částice, v-

rychlost

Foton : nulová klidová hmotnost, nese elektromagnetickou energii a

hybnost, má spin- souvisí s polarizačními vlastnostmi, ve vakuu

rychlostí světla, v látce se šíří různou rychlostí, energie fotonu E

= hn (h- Planckova konstanta = 6.6 x 10 -34 Js, n je frekvence

fotonu)

l = h/p = c/n (p- hybnost fotonu)


FOTON (Saleh, Teich, Zákl. fotoniky 3)

Světlo se skládá z částic zvaných fotony.

Foton má nulovou klidovou hmotnost, ale nese elektromagnetickou

energii a hybnost.

Foton se pohybuje ve vakuu rychlostí světla (c 0); v látce je jeho

rychlost nižší.

Energie fotonu v modu o frekvenci n je

E = h n ,

kde h je Planckova konstanta, h = 6,63 x 10 -34 J s.

Řádovou velikost energie fotonu lze snadno odhadnout – infračervený

foton s vlnovou délkou l 0 = 1 mm má frekvenci 3 x 10 14 Hz, neboť

ve vakuu l 0n = c 0.

Jeho energie je tedy hn = 1.99 x 10 -19 J = 1,24 eV, což odpovídá

kinetické energii elektronu urychleného potenciálovým rozdílem

1,24 V.

Převodní vztah mezi vlnovou délkou (mm) a energií (eV) fotonu je tedy

l 0 (mm) = 1,24 / E (eV).


FOTON

K vyjádření energie je často používán také vlnočet. Udává se v cm -1 (1 cm -1 odpovídá

1,24 x 10 -4 eV a 1 eV odpovídá 8 068,1 cm -1 ).

Obr. Zachycuje vztahy mezi frekvencí fotonu, vlnovou délkou, energií a vlnočtem. Foton o

vlnové délce 1 cm má vlnočet 1 cm -1 . Foton s frekvencí n = 3 x 10 14 Hz má vlnovou délku

l 0 = 1mm , energii 1,24 eV a vlnočet 10 000 cm -1 .


Hybnost fotonu p = h / l.

FOTON

Tlak záření : protože hybnost se zachovává, vede její

spojení s fotonem k tomu, že atom emitující foton

pocítí zpětný ráz o velikosti hn/c a hybnost může být

předána objektům konečné hmotnosti, a vznikne tak

síla způsobující mechanický pohyb.

Světelný svazek může např. odklonit svazek atomů

pohybujících se kolmo na fotony. K označení tohoto

jevu se často používá pojmu tlak záření (tlak= síla /

plocha) .


Zářivý výkon Slunce I o = 3.827 x 10 26 W


FOTON

Střední hustota fotonového toku pro několik světelných zdrojů.

ZDROJ STŘEDNÍ HUSTOTA

FOTONOVÉHO TOKU

(fotony/s.cm -2 )

Světlo hvězdy 10 6

Světlo měsíce 10 8

Světlo za soumraku 10 10

Denní světlo v místnosti 10 12

Sluneční světlo 10 14

Světlo laseru (10 mW He-Ne laser 10 22

fokuzovaný do průměru 20 mm)


Vlnočet = počet kmitů na jednotku délky = 1/ l [cm -1 ]


Světelné spektrum (D1.2., Conceptional…7FP)


Objev laseru – koncentrovaný zdroj monochromatického a vysoce

směrového (divergentního) světla urychlil rozvoj fotoniky

Monochromatický : jednobarevný, pracuje na jedné vlnové délce

Laser – teorie – Prokhorov, Basov, Townes – Nobelova cena 1964

1. experimentální laser – 1960, Maiman, rubínový laser, 694,3 nm

Pokračováním Fotoniky je Biofotonika, tj. meziobor fotoniky a

biologie.

Biofotonika se zabývá interakcí světla s biologickými objekty.


Fotonika BIOFOTONIKA Biomedicína

Fotonika pro biomedicínu

biozobrazování / biodetekce

optická diagnostika

světlem aktivovaná terapie

tkáňové inženýrství

manipulace buněk pomocí světla

Biomateriály pro fotoniku

laserové prostředí

optické komunikační kanály

optické zpracování signálu

vysokokapacitní paměti


Biofotonika pro optickou diagnostiku, pro světlem aktivovanou

terapii.

Biofotonika v přírodě – základem života – fotosyntéza

Ochrana zdraví – detekce onemocnění

Lasery – plastická a kosmetická chirurgie (odstraňování vrásek,

odstraňování ochlupení)

Krátké laserové pulzy - pro tkáňové inženýrství, implantace sítnice

Biofotonika – multidisciplinární obor

Biofotonika integruje čtyři hlavní technologické oblasti :

lasery, fotoniku, nanotechnologie, biotechnologie


Biofotonika sjednocuje:

fyziky, chemiky, biology, inženýry, lékaře, dentisty, ochranu

zdraví a biomedicínský výzkum.

Rostoucí požadavky na nové materiály a technologie pro včasnou

detekci onemocnění, pro efektivní terapii a pro obnovu biologických

funkcí.

Např. fotodynamická terapie (photodynamic therapy – PDT) využívá

světlo pro indikaci a léčbu rakoviny.


Disciplíny biofotoniky (chemie, fyzika,

inženýrství, klinická praxe, biomedicínský výzkum)

CHEMIE

• Vývoj nových fluorescenčních indikátorů

• Chemická čidla pro detekci analytu a pro biodetekci

• Nanoklinika pro cílenou terapii

• Nanochemie pro materiály sond a nanopřístroje

• Nové struktury pro optické aktivace

FYZIKA

• Fotoprocesy v biomolekulách a v biosouborech

• Nové fyzikální principy pro zobrazování a biodetekci

• Jednomolekulární fyzika

• Nelineární optické procesy pro diagnostiku a terapii


INŽENÝRSTVÍ

Disciplíny biofotoniky

• Účinná a kompaktní integrace nové generace laserů, optických

systémů a detektorů

• Miniaturizace přístrojů, automatizace a robotické řízení

• Nové přístupy k neinvazivní a nízko- invazivní světelné

aktivaci

• Optické inženýrství pro in- vivo zobrazování a optickou

biopsii (biopsie= mikroskopické vyjmutí vzorku tkáně ze živého organismu)

• Nanotechnologie pro cílenou detekci a aktivaci

• Optické BiOMEMS (micro- elektro- mechanical systems =

mikro- elektromechanické systémy)


Disciplíny biofotoniky

BIOMEDICÍNSKÝ VÝZKUM

• Biozobrazování pro detekci molekulárních,

buněčných a tkáňových funkcí

• Včasná optická detekce infekčních onemocnění a

rakoviny

• Dynamické zobrazování fyzikální odezvy na terapii a

dávkování léků

• Buněčný mechanismus působení léčiv

• Toxicita fotoaktivovaných materiálů

• Biokompatibilita implantátů a čidel


Disciplíny biofotoniky

KLINICKÁ PRAXE

• In- vivo zobrazování v lidském organizmu

• Vývoj optických in- vivo detektorů infekce a

rakoviny

• In- vivo optická biopsie a optická mamografie

• Zcelování a regenerace tkání

• Monitorování podávání a účinků léčiv v reálném čase

• Dlouhodobé klinické studie vedlejších účinků


Otázky

• Co je to foton ? Energie fotonu

• Vztah mezi vln. délkou (mm) a energií fotomu (eV)

• Spektrum elmg. vln

• Kdy byl spuštěn první laser ?

• Co je to Biofotonika ?

• Čím se Biofotonika zabývá ?

More magazines by this user
Similar magazines