Спектроскопия биологических тканей и клеток

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
Спектроскопия биологических тканей и клеток
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Цель освоения дисциплины «Спектроскопия биологических тканей и
клеток» заключается в обеспечении магистрантов базовыми знаниями в
области спектроскопии молекул, составляющих биологические объекты, на
основе общефизической и общетеоретической подготовки бакалавровфизиков. Одна из основных целей состоит в обеспечении студентов знаниями
и навыками в исследовании энергетической и пространственной структуры
свободных и связанных молекул, связанных с общими вопросами
спектроскопии, закономерностями формирования уровней энергии,
соответствующих внутренним движениям (электронному, колебательному,
вращательному) атомов или молекул и их оптических спектров.. Знание
данной дисциплины необходимо для исследования многих явлений в области
атомной и молекулярной физики, физики твердого тела, химии, биологии.
Цели освоения дисциплины «Спектроскопия биологических тканей
и клеток» 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
«Биофизика»
Дисциплина «Спектроскопия биологических тканей и клеток»
относится к общенаучному циклу дисциплин направления (М1.Р2).
В рамках учебного плана дисциплина «Спектроскопия биологических
тканей и клеток» базируется на теоретических представлениях и
математико-аналитическом аппарате таких дисциплин программы
«Биофизика», как:
 Оптика биологических тканей и клеток;
 Качественные и количественный спектральный анализ биообъектов;
 Спектрально-поляризационная диагностика биотканей;
 Спектральный анализ биологических объектов.
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 «Спектроскопия биологических тканей и
клеток» 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 «Спектроскопия
биологических тканей и клеток», необходимы при выполнении студентом
квалификационных работ в течение всего курса обучения по программе
«Биофизика».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины «Спектроскопия биологических тканей и клеток».
В результате освоения дисциплины «Спектроскопия биологических
тканей и клеток» 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 социальнообщественной 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 «Спектроскопия биологических
тканей и клеток» обучающийся должен:
•Знать:
- классические модели излучения разреженных сред, теплового излучения
конденсированных сред;
- основные представления о классической и квантовой теории излучения
света атомами и молекулами;
- основы молекулярной физики;
- теории точечных и пространственных групп.
• Уметь:
- излагать и критически анализировать основные положения теории
формирования спектров, а также их практических возможностей;
- пользоваться теоретическими основами обработки спектров и
практическими навыками, полученными в ходе освоения дисциплины, для
обработки и анализа спектров с целью получения информации о структуре
и составе вещества;
- пользоваться
экспериментальным
оборудованием,
настраивать и
эксплуатировать спектральные приборы;
•Владеть:
- методами математической обработки спектров;
- практическими навыками регистрации спектров;
- практическими навыками экспериментальной работы со спектральными
приборами.
4. Структура и содержание дисциплины «Спектроскопия
биологических тканей и клеток»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, 72 часа
(12 часов лекций, из них 6 в интерактивной форме, 12 часов лабораторных
занятий, 48 часов самостоятельной работы)
4.1. Структура дисциплины
№
п/
п
1
2
3
4
5
6
Раздел дисциплины
Общие вопросы
спектроскопии
Молекулярная
спектроскопия.
Вращательная
спектроскопия.
Электронная
спектроскопия
молекул
Экспериментальны
е методы
молекулярной
спектроскопии
Аппаратура и
методы.
Флуоресцентная
аппаратура.
Спектроскопия
рассеивающих
сред
Применение
спектроскопии в
биологии
и
медицине
ИТОГО:
Семестр
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Лекции Практ. Лабор Сам
занятия аторн ост.
ые
Раб.
раб.
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
В
1
2
2
8
В
2-4
2
2
8
В
5-6
2
2
8
В
7-9
2
2
8
В
10-12
2
2
8
В
13-16
2
2
8
16
12
12
48 Зачет
4.2. Содержание дисциплины
1. Основы теории взаимодействия излучения с атомами и молекулами.
Вероятности переходов. Полуклассическая теория взаимодействия излучения
с веществом на основе теории возмущений, зависящих от времени.
Дипольное приближение. Константы скорости переходов для различных
атомно-молекулярных движений. Спонтанные и вынужденные переходы.
Коэффициенты Эйнштейна, время жизни в возбужденном состоянии. Сила
осцилляторов. Сила перехода.
2. Спектроскопия свободных молекул. Описание движения свободных
молекул. Система коллективных координат. Двухатомные молекулы. Модели
жесткого и нежесткого ротаторов.
8. Многоатомные молекулы. Моменты инерции и вращательные состояния.
Вращательные модели нелинейных молекул: сферический, симметричный и
асимметричный волчки. Информативность вращательных спектров.
9. Двухатомные молекулы. Модель колеблющегося ротатора в
гармоническом
и
ангармоническом
приближении.
Колебательновращательные спектры инфракрасного поглощения и комбинационного
рассеяния света. Интенсивности и поляризации в спектрах.
10. Многоатомные молекулы. Выбор колебательных координат. Нормальные
колебания. Формы колебаний. Характеристичность. Симметрия колебаний.
Симметрия нормальных смещений и нормальных координат. Классификация
нормальных колебаний по симметрии. Теоретико-групповой анализ
колебаний.
11. Ангармонизм. Симметрия колебательных состояний. Правила отбора по
симметрии. Информативность колебательных спектров. Колебание
кристаллических решеток. Колебательные спектры кристаллов
12. Электронные состояния и химическая связь в молекулах. Построение
молекулярных орбиталей из атомных. Связывающие, разрыхляющие,
несвязывающие орбитали. Особенности образования электронных орбиталей
многоатомных молекул. Гибридизация.
13. Электронно-колебательно-вращательные спектры двухатомных молекул.
Правила отбора. Колебательная структура электронных переходов.
Вращательная структура электронно-колебательных переходов. Парабола
Фортра. Образование кантов. Принцип Франка-Кондона. Распределение
интенсивности в спектрах электронно-колебательных переходов.
14. Классификация молекулярных взаимодействий. Потенциалы парных, и
коллективных взаимодействий. Универсальные взаимодействия, их влияние
на положение, интенсивность и форму электронных полос. Специфические
взаимодействия. Примеры специфических взаимодействий и их
спектральных проявлений: водородная связь, комплексы с переносом заряда.
15. Обзор методов регистрации и анализа вращательных, колебательновращательных, электронно-колебательных спектров. Спектры поглощения,
испускания, рассеяния. Извлечение информации о строении и
энергетической структуре свободных и связанных молекул.
Применение спектроскопических методов в экологии, биологии и медицине.
16. Методы мониторинга атмосферного воздуха. Методы мониторинга
водных сред. Спектроскопия в биолого-медицинских исследованиях.
Диагностические и лечебные физические методы в медицине.
17. Извлечение информации о строении и энергетической структуре
свободных и связанных молекул
Лабораторные работы:
1. Экспериментально определить положение полос поглощения и
люминесценции донора и акцептора и рассчитать, по результатам
эксперимента, эффективность передачи энергии.
2. Экспериментально определить время затухания фосфоресценции в
металлоорганическом
комплексе.
Исследовать
концентрационную
зависимость изменения времени фосфоресценции.
3. Провести регистрацию спектров люминесценции, поглощения и
возбуждения полупроводниковых наночастиц. Определить природу
люминесценции.
4. Получить зависимость изменения эффективности синглетсинглетной передачи энергии в системе флуоресцентный зонд – белок.
5. Исследовать изменение эффективности передачи энергии при изменении
конформации белка под действием ПАВ.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Спектроскопия биологических тканей
и клеток» 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 колебательновращательным 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 «Спектроскопия
биологических тканей и клеток»
1. Основы теории взаимодействия излучения с атомами и молекулами.
2. Тонкая структура термов. Правила отбора для излучательных переходов.
3. Спектроскопия свободных молекул.
7. Многоатомные молекулы.
8. Двухатомные молекулы.
9. Классификация нормальных колебаний по симметрии. Теоретикогрупповой анализ колебаний.
10. Колебательные спектры кристаллов.
11. Электронные состояния и химическая связь в молекулах.
12. Электронно-колебательно-вращательные спектры двухатомных молекул.
13. Классификация молекулярных взаимодействий.
14. Методы регистрации спектров.
Перечень лабораторных работ:
1. Закон затухания люминесценции.
2. Передача энергии возбуждения люминесценции.
3. Флуоресценция красителей.
4. Зондовая люминесценция хелатных комплексов.
5. Люминесценция биологических объектов
6. Люминесцентный спектрометр.
7. Обработка спектральных данных
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины «Спектроскопия биологических тканей и клеток»
а) основная литература:
1. 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.
2. Курс физики: учеб. пособие : в 3 т./ И. В. Савельев. - (Учебники для
вузов. Специальная литература). - (Классическая учебная литература по
физике). - (Лучшие классические учебники). - 3-е изд., стер. Т. 3:
Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика
атомного ядра и элементарных частиц СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2007
301 с
3. Пентин Ю.А, Курамшина Г.М. Основы молекулярной спектроскопии :
учеб. пособие М.: Мир: БИНОМ. Лаб. Знаний, 2008, 398 с
4. Ландсберг Г.С. Оптика : учеб. пособие . -6-е изд., стер. М.: ФИЗМАТЛИТ,
2010, 848 с.
б) дополнительная литература:
1. В.Шмидт Оптическая спектроскопия для химиков и биологов.
М.:Техносфера, 2007, 368 с.
2. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский И.Ю. Техника и практика
спектроскопии. М.:Наука, 1972, 375 с.
3. Оптическая биомедицинская диагностика = Optical Biomedical Diagnostics:
учеб. пособие : в 2 т. : пер. с англ./ под ред. В. В. Тучина. М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2007
4. 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 http://optics.sgu.ru/library/education
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 «Биофизика».
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