Didattica - Università degli Studi di Padova

Syllabus

Prerequisiti:	Fisica Biologica
Conoscenze e abilita' da acquisire:	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.
Modalita' di esame:	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.
Criteri di valutazione:	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.
Contenuti:	Propagazione delle onde elettromagnetiche: onde piane, onde sferiche, velocità di fase, irradianza, pacchetti d'onda, velocità di gruppo, lunghezza di coerenza, interferenza. Teorie scalari della diffrazione: la formulazione di Kirchhoff, la formulazione di Rayleigh-Somrnerfeld, il principio di Huygens-Fresnel. Ottica geometrica: lunghezza del cammino ottico, principio di Fermat, sistemi di imaging ideali, metodi matriciali in approssimazione parassiale, punti e piani cardinali di un sistema ottico. Diaframmi e arresti, strumenti che formano immagini, luminosità e illuminazione delle immagini, fluttuazioni di intensità, rumore di rilevamento. Rappresentazione integrale di Debye dei campi focalizzati, distribuzione dell'irradiazione vicino al fuoco (PSF). Potere risolutivo: il criterio di Rayleigh. Separazione angolare minima, acuità visiva, fototrasduzione. Microscopia a luce trasmessa: spettro angolare di onde piane, reticoli di diffrazione, teoria di Abbe e potere risolutivo. Microscopia a contrasto di fase, campo oscuro e contrasto interferenziale differenziale. Microscopia a fluorescenza: spettri molecolari, diagramma di Jablonski, spostamento di Stokes, tempo di vita ed efficienza quantica, saturazione dello stato eccitato. Struttura del microscopio a fluorescenza convenzionale. Microscopia confocale: risoluzione laterale e risoluzione assiale nel limite classico; sezionamento ottico e ricostruzione volumetrica; principi fisici e applicazioni dell'eccitazione a 2 fotoni; vantaggi e svantaggi dei diversi sistemi confocali. Nanoscopia a esaurimento stimolato delle emissioni (STED), super-risoluzione. Applicazioni particolari: registrazione ottica dei cambiamenti nella concentrazione di ioni, sensori ottici di ioni Ca2+, protoni e altre specie ioniche fisiologicamente rilevanti. Imaging del Ca2+ a una e due lunghezze d'onda; controllo locale della concentrazione di Ca2+ e di altre specie molecolari attive mediante fotolisi UV di criptandi fotosensibili; FRET, FRAP. Microscopia intravitale: biosensori, optochemogenetica, terapia fotodinamica del cancro.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento:	Lezioni frontali
Eventuali indicazioni sui materiali di studio:	Appunti di lezione
Testi di riferimento:	Born M, Wolf E, Principles of Optics - 7th expanded edition. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1999. ISBN: 9780521642224 Mertz, J, Introduction to Optical Microscopy. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2019. ISBN: 9781108428309 Saleh B, Teich M, Fundamentals of Photonics, 2 Volume Set, 3rd Edition. New York, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2019. ISBN: 9781119506874