Исследование потоков биологических жидкостей

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
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Биофизика
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины «Исследование потоков биологических
жидкостей»
Целью освоения дисциплины «Исследование потоков биологических
жидкостей» является изучение современных методов лазерной диагностики
макро и микроскопических потоков биологических жидкостей, оптической
микроманипуляции и связанных с ними технологий визуализации, методов
регистрации и обработки изображений, включая:
 фундаментальные вопросы формирования изображения оптической системой;
 фундаментальные основы фотоэлектрической регистрации оптических
изображений и цифровой обработки сигналов;
 принципиальные схемы и конструктивные особенности современных световых микроскопов;
 оптико-электронные системы регистрации микроскопических изображений; усилители оптических изображений; используемые в оптической
микроскопии сверхвысокого разрешения;
 средства автоматизированной цифровой обработки изображений, предназначенные для улучшения, фильтрации и контрастирования оптических
изображений, полученных в биофизическом эксперименте; средства и методы автоматизированного анализа микроскопических изображений;
 физические основы, принцип действия и устройство лазерных доплеровских измерителей скорости потоков биологических жидкостей;
 методы лазерной анемометрии по изображениям частиц;
 методы микро- и наноанемометрии;
 лазерные системы для микроманипуляции микрочастицами и методы из
применения в биофизических исследованиях;
Благодаря прогрессу в области нанотехнологии, микроэлектроники,
микромеханики и оптоэлектроники, современная лазерная техника диагностики потоков и управления микрочастицами представляет собой эффективный комплекс методов для широкого круга фундаментальных и прикладных
исследований в области физики, биомедицины, материаловедения, гидро- и
аэродинамики, нанотехнологии.
2.Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Исследование потоков биологических жидкостей» относится к дисциплинам профессионального цикла M.2. в его вариативной части
В.4.1 Дисциплина «Исследование потоков биологических жидкостей» в рамках учебного плана связана с дисциплинами профессионального цикла профиля «Биофизика», такими как:
 Специальный физический практикум
 Оптика биологических тканей и клеток
 Биофизика сложных систем





Основы оптической цитометрии
Автоматизация биофизического эксперимента
Компьютерные технологии в науке и образовании
Оптика спеклов
Голография и интерферометрия в биофизическом эксперименте
Дисциплина «Исследование потоков биологических жидкостей»призвана
формировать знания в области конструкции и принципов действия современных оптических приборов и комплексных автоматизированных оптикоэлектронных систем регистрации изображений, световой микроскопии, адаптивной оптики и лазерной техники, применяемых в физическом эксперименте.
При изучении курса «Исследование потоков биологических жидкостей» 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 «Исследование потоков биологических жидкостей»
ОК-1 способность демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук;
ОК-3 способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые
знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не
связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение;
ОК-5 способность порождать новые идеи (креативность);
ОК-6 способность развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, добиваться нравственного и физического совершенствования
своей личности;
ОК-7 способность адаптироваться к изменению научного и научнопроизводственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению социокультурных и социальных условий деятельности;
ОК-8 способность к коммуникации в научной, производственной и социально-общественной сферах деятельности, свободное владение русским и
иностранными языками как средством делового общения.
ОК-10 способность использовать базовые знания и навыки управления
информацией для решения исследовательских и профессиональных задач,
соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе
защиты государственной тайны.
ПК-3: способность самостоятельно ставить конкретные задачи научных
исследований в области физики (в соответствии с профилем магистерской
программы) и решать их с помощью современной аппаратуры, оборудования,
информационных технологий с использованием новейшего отечественного и
зарубежного опыта.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
 физические принципы формирования и преобразования оптического
изображения дифракционными, линзовыми, зеркальными, волоконнооптическими 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 физическом 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 научноисследовательских 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 оптикоэлектронными приборами и измерительными комплексами.
 методами современной биомедицинской микроскопии, лазерной диагностики потоков биологических жидкостей, управления микрочастицами.
4. Структура и содержание дисциплины «Исследование потоков
биологических жидкостей»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 1 зачетных единиц 36 часов.
№
п/п
1
2
3
4
5
Раздел дисциплины
Введение
Формирование оптического изображения
Регистрация
и цифровая
обработка
изображений
Лазерная доплеровская
анемометрия
Анемометрия
Семестр
Неделя Виды учебной работы, вклю- Формы текущесеместра чая самостоятельную работу
го контроля
студентов и трудоемкость (в
успеваемости
часах)
(по неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по сеЛекц.
Лаб.
Самост.
местрам)
A
A
1
3
2
2
–
2
–
–
A
5
2
2
–
A
7
2
2
4
A
9
2
2
4
коллоквиум
6
7
8
по изображениям частиц
Световая
A
микроскопия
Микро- и
A
наноанемометрия
Оптическая
A
манипуляция
микрочастицами
Итого
11
2
4
13
2
2
4
15,16
2
4
4
16
–
20
контрольная
работа
36
Зачет
Содержание дисциплины «Исследование потоков биологических
жидкостей»
Введение
1. История оптических методов диагностики потоков биологических жидкостей и их современные применения.
2. Фундаментальные законы оптики.
3. Давление света и лазерное управление микрочастицами
Формирование оптического изображения
4. Законы геометрической оптики и оптическое изображение.
5. Теория идеальных оптических систем. Передача информации оптической
системой.
6. Ограничение пучков лучей в оптических системах и разрешающая способность оптических приборов.
7. Работа оптической системы с датчиком изображения
Регистрация и цифровая обработка оптического изображения
8. Основные принципы фотоэлектрической регистрации. Чувствительность,
линейность и динамический диапазон фотоэлектрических детекторов
9. Полупроводниковые датчики оптического изображения. Особенности
конструкции и основные характеристики.
10.Специализированные датчики изображения для лазерной анемометрии.
11.Представление одномерных и многомерных сигналов в цифровой форме.
12.Цифровая обработка сигналов в оптической анемометрии.
Лазерная доплеровская анемометрия
13. Эффект Доплера в оптике.
14.Спектроскопия оптического смешения, как способ регистрации доплеровского сдвига частоты светового излучения.
15.Интерференционные эффекты в лазерной доплеровской анемометрии.
16.Однополосная модуляция светового излучения.
17.Динамика частиц – трассеров потока. Рассеяние света малыми частицами.
18.Основные схемы лазерных доплеровских анемометров.
19.Измерение двумерных и трехмерных полей скорости при помощи лазерного доплеровского анемометра
Анемометрия по изображениям частиц
20. Методы визуализации поля скорости потока жидкости
21.Корреляционный анализ изображений частиц, движущихся в потоке жидкости.
22.Методы автоматического слежения за частицами.
23.Освещение трассеров в потоке жидкости. Двухэкспозиционные лазерные
системы. Формирование «светового ножа»
24.Стереоскопическая анемометрия по изображениям частиц
Световая микроскопия
25.Принцип действия и оптическая схема светового микроскопа. Разрешающая способность микроскопа.
26.Стандартизация узлов микроскопа. Методы освещения препарата.
27.Флуоресцентная микроскопия
28.Фотоэлектрическая регистрация микроскопических изображений
Микро- и наноанемометрия
29. Методы микроскопической визуализации потоков жидкости.
30.Микроанемометрия по изображениям частиц.
31.Компенсация броуновского движения
32.Метод статистического слежения за частицами.
33.Наноанемометрия. Флуоресценная микроскопия полного внутреннего отражения и микроскопия селективного планарного освещения.
Оптическая манипуляция микрочастицами
34.Давление света и манипуляция микрочастицами.
35.Методы захвата микрочастиц при помощи лазерного излучения. Двумерная оптическая ловушка. Трехмерный захват микрочастиц при помощи
встречных пучков лазерного излучения. Циркулярная поляризация и момент импульса оптического поля. Вращение микрочастиц и движение по
замкнутой траектории.
36.Градиентная оптическая ловушка. «Оптический пинцет». Описание действия градиентной ловушки в приближении геометрической оптики и в
дипольном приближении.
37.Измерение сил и перемещений при помощи оптической ловушки. Датчики положения захваченной частицы. Квадрантный детектор. Калибровка
оптической ловушки.
38.Применение «оптического пинцета» в биофизическом эксперименте.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Исследование потоков биологических
жидкостей» используются следующие виды учебных занятий: лекции, консультации, 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
«Исследование потоков биологических жидкостей»
1. Охарактеризуйте оптическую систему как передатчик информации.
2. Каким образом ограничение пучков лучей в оптических системах влияет
разрешающая способность оптических приборов?
3. Перечислите основные критерии согласования оптической системы с датчиком изображения.
4. Изложите основные принципы фотоэлектрической регистрации.
5. Какие физические процессы ограничивают чувствительность, линейность
и динамический диапазон фотоэлектрических детекторов.
6. Как устроены полупроводниковые датчики оптического изображения?
Перечислите их конструктивные особенности основные характеристики.
7. Как устроен датчик изображения, предназначенный для лазерной анемометрии по изображениям частиц?
8. Представление одномерных и многомерных сигналов в цифровой форме.
9. Цифровая обработка сигналов в оптической анемометрии.
10.Эффект Доплера в оптике.
11.Спектроскопия оптического смешения, как способ регистрации доплеровского сдвига частоты светового излучения.
12.Интерференционные эффекты в лазерной доплеровской анемометрии.
13.Однополосная модуляция светового излучения.
14.Динамика частиц – трассеров потока. Рассеяние света малыми частицами.
15.Основные схемы лазерных доплеровских анемометров.
16.Измерение двумерных и трехмерных полей скорости при помощи лазерного доплеровского анемометра
17.Методы визуализации поля скорости потока жидкости
18.Корреляционный анализ изображений частиц, движущихся в потоке жидкости.
19.Методы автоматического слежения за частицами.
20.Освещение трассеров в потоке жидкости. Двухэкспозиционные лазерные
системы. Формирование «светового ножа»
21.Стереоскопическая анемометрия по изображениям частиц
22.Принцип действия и оптическая схема светового микроскопа. Разрешающая способность микроскопа.
23.Стандартизация узлов микроскопа. Методы освещения препарата.
24.Флуоресцентная микроскопия
25.Фотоэлектрическая регистрация микроскопических изображений
26.Методы микроскопической визуализации потоков жидкости.
27.Микроанемометрия по изображениям частиц.
28.Каким образом учитывается влияние броуновского движения на результаты измерения скорости поступательного движения трассеров?
29.Опишите метод статистического слежения за частицами.
30.Наноанемометрия. Флуоресценная микроскопия полного внутреннего отражения и микроскопия селективного планарного освещения.
31.Давление света и манипуляция микрочастицами.
32.Методы захвата микрочастиц при помощи лазерного излучения. Двумерная оптическая ловушка. Трехмерный захват микрочастиц при помощи
встречных пучков лазерного излучения. Циркулярная поляризация и момент импульса оптического поля. Вращение микрочастиц и движение по
замкнутой траектории.
33.Градиентная оптическая ловушка. «Оптический пинцет». Описание действия градиентной ловушки в приближении геометрической оптики и в
дипольном приближении.
34.Измерение сил и перемещений при помощи оптической ловушки. Датчики положения захваченной частицы. Квадрантный детектор. Калибровка
оптической ловушки.
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. Егорова,
О.
В.,
Техническая микроскопия.
Практика
работы
с микроскопами для технических целей - М.: Техносфера, 2007. - 357 с.
5. Миронов, В. Л. 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. Миронов, В. Л. 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.Рыков, С. А. 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.Федосов, И. В. 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. Дубнищев, Ю. Н., 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 http://optics.sgu.ru/library/education
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Исследование потоков биологических жидкостей»
Доска, мел/маркеры, компьютер, мультимедийный проектор, ПЗС-камера.
Оборудование для лабораторных работ:
1. Компьютер персональный – 10 шт.
2. Лазерный доплеровский анемометр 1 шт.
3. Цифровая видеокамера
4. Микроскоп
5. Закрытый гидродинамический канал с прозрачными стенками
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 14 января 2011 года, протокол № 1/11
Зав. кафедрой оптики и биофотоники
д.ф.-м.н., профессор
В.В. Тучин
Декан физического факультета
д.ф.-м.н., профессор
В.М.Аникин