chalmers  
hem   STUDIEPORTALEN
In English Hjälp
none
picture

Kursplan för

Läsår
TIF045 - Technical bioimaging
 
Ägare: TTFYA
5,0 Poäng (ECTS 7,5)
Betygskala: TH - Fem, Fyra, Tre, Underkänt
Nivå: D
Institution: 16 - TEKNISK FYSIK


Undervisningsspråk: Engelska

Kursmoment   Poängfördelning   Tentamensdatum
Lp1 Lp2 Lp3 Lp4 Ej Lp
0105 Projekt 5,0p   5,0p    

I program

TEKNISK FYSIK, Årskurs 4


Examinator:

Docent Annika Enejder



  Gå till kurshemsida

 

Behörighet:

För kurser inom Chalmers utbildningsprogram gäller samma behörighetskrav som till de(t) program kursen ingår i.

Syfte

Kursen syftar till att ge kunskap i moderna tekniker för optisk avbildning och spektroskopiska studier på mikroskopisk nivå, med cell- och molekylärbiologiska tillämpningar.

Mål

Att använda begrepp från ett brett spann av grundläggande fysikkurser och behandla dem med utgångspunkt från att förstå hur en 3-dimensionell bild skapas i ett modernt ljusmikroskop, hur cellstrukturer och molekyler selektivt kan avbildas och manipuleras i fluorescens- och spektroskopiskt baserade mikroskop, samt vilken stor betydelse bildbehandling och preparering av prover kan ha.

Innehåll

Traditionellt har ljusmikroskopet varit vårt viktigaste instrument för att blicka in i det fascinerande mikrokosmos som den biologiska cellen utgör. Mikroskopets grundläggande optiska funktion - att avbilda med allt bättre förstoring och upplösning - har varit känd i flera hundra år. För att få en verklig förståelse för de komplexa processer livet består av, räcker det emellertid inte längre med de traditionella ögonblicksbilderna av transmitterat ljus. Kraven på upplösning och kontrast, för att synliggöra det -osynliga-, har ändrats radikalt det senaste årtiondet. Vi vill t.ex. med god tidsupplösning kunna följa biokemiska reaktioner på molekylär nivå inuti levande celler. Detta har satt fart på utvecklingen av en rad sofistikerade mikroskoperingsmetoder, där de konventionella ljuskällorna har fått ge vika för tekniskt avancerade lasersystem. Mikro-spektroskopisk avbildning av de biomolekyler och markörer som befinner sig i probvolymen görs genom att inducera fluorescens och vibrations processer. Cellerna kan i levande tillstånd hållas på plats och manipuleras med ytterligare en laserstråle - en optisk pincett. Det från cellen emitterade ljuset, ibland enbart enstaka fotoner, filtreras våglängdsselektivt och avbildas på en känslig detektor. Bilden registreras och analyseras slutligen med hjälp av kraftfulla bildbehandlingsprogram. Dessa nya avbildningssystem ställer helt andra krav på kunskap hos användaren av mikroskopet än tidigare. Följande frågeställningar kommer att behandlas:

- Ljusmikroskopet
Hur är ett modernt ljusmikroskop uppbyggt och hur skapas en transmissionsbild av det mikroskopisk objektet i tre dimensioner? Vilka möjligheter finns det till att förbättra kvalitén i en bild och vilka begränsningar måste man ta hänsyn till? Avsnittet syftar till att förklara det moderna mikroskopets (widefield och konfokal) olika delar så som objektiv, kondensor, ljuskälla etc. och hur de tillsammans kan skapa en bild av något så litet som sub-cellulära strukturer i storleksordningen motsvarande ljusets våglängd. Dessutom förklaras hur ljusets egenskaper kan användas för att skapa t.ex. polarisations och differentiell interferenskontrast mikroskopi.

- Fluorescensmikroskopi
Genom att tillsätta olika färgämnen till provet kan man avbilda selektivt infärgade strukturer och molekyler inuti cellen som annars hade varit omöjliga att observera med ett vanligt ljusmikroskop. För att avbildning används olika typer av lasrar som ljuskällor och bilden av det genererade fluorescensljuset registreras med hjälp av en lämplig detektor. Centrala begrepp i fluorescensmikroskopi är bland annat våglängd, excitation/emission, spektrum, fotoblekning och optiska filter. Förutom konventionell fluorescensmikroskopi kommer mer avancerade varianter som multi-fotons fluorescensmikroskopi, fluorescenslivstids-mikroskopi, TIRF, FRET etc. att diskuteras.

- Spektroskopiska och icke-linjära mikroskoperingsmetoder
För att kunna följa livets processer i levande celler i realtid, vill man även kunna synliggöra biomolekyler och strukturer utan att behöva tillsätta störande färgämnen. Man utnyttjar då att biomolekylerna växelverkar med mikroskopets laserljus på olika sätt beroende på ingående kemiska bindningar och atomer. Detta visar sig som karakteristiska våglängdsskift (Ramansskift, CARS, second-harmonic generation etc.) i det utsända ljusets spektrum, dock enbart där biomolekylen av intresse befinner sig i cellen. På så sätt skapas en selektiv bild av fördelningen av olika lipider/proteiner/kolhydrater etc. i cellen. Målet är här en förståelse för avancerade växelverkansprocesser ljus-biomolekyl och hur dessa kan utnyttjas för kemiskt selektiv avbildning i ett mikroskop.

- Bildbehandling
Då de moderna mikroskopimetoderna ger allt mer data tillbaka till användaren är det också viktigt att kunna ta till vara på denna information. Bildbehandling har därför kommit att bli en viktig del av mikroskopistens arbete. Vi demonstrerar hur olika bildbehandlingsmetoder kan användas för att förbättra de erhållna bilderna ytterligare. Vidare visas hur bildbehandling kan användas för att skapa en 3-dimensionell rekonstruktion av provet, hur man identifierar celler och hur man gör tidsserier. Andra centrala begrepp är brusreducering och co-lokalisering.

- Preparering av prover
Mikroskopering handlar idag inte enbart om avbildning utan även om preparering av prover. Vi demonstrerar därför olika infärgningstekniker och andra metoder för att göra förutsättningarna vid en avbildning så goda som möjligt.

- Optisk manipulering
Traditionellt sett har mikroskopisten alltid varit en passiv observatör. Optisk manipulering har kommit att ändra detta. Med hjälp av kraftigt fokuserade laserstrålar, en s.k. optisk pincett, finns det nu möjlighet att få total kontroll på provet. Celler kan fångas in och hållas fast under tiden som man studerar dem. Vidare kan laser skalpeller användas för att skära i exempelvis membran och kromosomer. Centrala begrepp är effekt, våglängd, temperatur och fotoinducerade skador.

Som en röd tråd genom alla avsnitt kommer ljusets växelverkan med materia på mikroskopisk och molekylär nivå att vara. Rayleighspridning, ljusabsorption, fluorescensemission, Ramanspridning och icke-linjära optiska processer är några av de viktigaste fenomenen som ligger bakom de moderna mikroskoperingsteknikerna och därmed viktiga att förstå. Dessa processer kommer att behandlas generellt, men framför allt belysas med cellbiologiska och biomolekylära exempel.

Organisation

Kursen omfattar heltidsstudier på dagtid motsvarande fem veckor (5 p). Undervisningen sker i form av föreläsningar och laborationer med förberedelseuppgifter. Närvaro är obligatorisk vid laborationerna samt vid muntlig redovisning av de skriftliga laborationsrapporterna.

Litteratur

Handbook of Biological Confocal Microscopy (Kluwer Academic Publishers), James B. Pawley (Editor), 2005

Introduction to Optical Microscopy, Digital Imaging, and Photomicrography,
material som kan laddas ner från http://micro.magnet.fsu.edu/primer/index.html

Examination

Skriftlig tentamen anordnas vid slutet av kursen. På godkänd laborationsredovisning och godkänt prov och ges betygen 3, 4 eller 5. Ett totalbetyg på laborationsdelen ges som avrundat medelvärdet av laborationsredovisningarnas betyg. För godkänd kurs krävs att både laborationsdelen och kunskapsprovet är godkända. Slutbetyg ges som ett uppåt avrundat medelvärdet av dessa två delbetyg. För studerande, som ej blivit godkända vid ordinarie provtillfälle, erbjuds ytterligare provtillfälle.

picture
picture
picture
Genererad 2014-04-24 12:58.
There are currently 252 visitors online (44 users logged in and 208 guests).
Served by cluster node w3-8310
©2001-2014 Chalmers tekniska högskola
Kontakt/felanmälan via Chalmers servicedesk: support(snabel-a)chalmers.se