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, mikroskopy, fototerapie, biosenzory, cytometrie, biomateriály a jejich příprava, detektory Exkurze :
•
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, mline, 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
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
10
11
12
13
Photonic
26
J. Popp, M. Strehle: Biophotonics 14, 15
1.2./2+
1.2/2
16
1.3.
17
2.1-2.1.4.
18
2.2.
19
2.2.3.
20 21
The Interplay Between Light and Matter: Interactions Allowing Us to Understand Our Environment
8-23
A Fascinating Tour Across Biophotonics
23-29
Health-related Impacts of Aerosols
31-35
Monitoring Bioaerosols
35-45
Pattern Recognition
45-55
2.3.1.2.
Preparation
55-59
2.3,.1.3.
Microscopic Imaging and Systém Integration
59-66
2.3.1.5.
Integration of the Pollen Monitor in an Online Environmental Monitoring Network
67-73
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
22
3.3., 3.3.1
Innovative Optical Technologies to Identify Bioaerosol, Monitoring of Biocontamination by Fluorescence Spectroscopy
100-109
27,28
3.3..2.
Identification of Single Microorganisms by Raman Spectroscopy Combined with Statistical Data Evaluation
3.3.2.2.
Support Vector Machine (SVM)
109-115
29 30
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
BFT - organizační Podmínky zápočtu a zkoušky : • 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 (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
Josef Fuka, Bedřich Havelka: Optika
Hod.
Datum
Náplň přednášky
1
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
2
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
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
6
8.11.10
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
6.12.10
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
11
13.12.10
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. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37.
Koherence (Kvantová elektronika, Basov) Klasifikace optických procesů, optické koeficienty (Fox : Optical properties of solids) Komplexní index lomu a dielektrická konstanta (Fox : Optical properties of solids) Měření absorpčního spektra, polovodičové detektory, fotovodiče (Fox : Optical properties of solids) Optický a elektrický „gap“. Fyzikální rozdíly, terminologie. Příklad výpočtu optického gapu Antireflexní pokrytí (Melles Griot katalog) Model atomárního oscilátoru (index lomu, absorpční koeficient, …(kap. 11.5.1 v Kenyon : The Light Fantastic…) Absorpce a reflektance světla na kovech (kap. 11.6 v Kenyon : The Light Fantastic…) Koherence (Kv. elektronika, Basov) Elmg. spektrum , detektory, černé těleso (The Light Fantastic..) Optická a teplotní odezva tkáně na laserové záření (Goldmann : Lasers in medicine) Působení UV záření na buňku a tkáň (Goldmann : Lasers in medicine) A,B) Fyzika UV ablace (Goldmann : Lasers in medicine) – 2x Absorpce a rozptyl světla na kovech (I.R. Kenyon : The Light Fantastic, kap. 11.6) Mikrovlnná mikroskopie (katalog HV test) Laser pro ničení bakterií (Biophotonics International Jan 2008) Optika pro aktivaci neuronů (Biophotonics International February 2008) Citlivá detekce malárie (Biophotonics International Febr 2008) Pokroku s SPR v biosenzorech (Biophotonics International Febr 2008) Ryba pro studium metastází (Biophotonics International Febr 2008) AFM pro studium genetických kódů (Biophotonics International March 2008) Detekce rakoviny (Biophotonics International March 2008) Nanotechnologie v biomedicíne (Biophotonics International April 2008) Ramanovská spekroskopie a cytometrie (Biophotonics International April 2008) Optická spektroskopie pro plicní onemocnění (Biophotonics International April 2008) Optika pro mikroskopování (Biophotonics International May 2008) Problémy uhlíkových nanovláken (Biophotonics International May 2008) Detekce buněk TIRF mikroskopií (Biophotonics International May 2008) Detekce onemconění pomocí kvantových teček (Biophotonics International May 2008) Videomikroskop visdí plavat bakterie v jídle (Biophotonics International May 2008) Kvantové tečky pro aktivaci buněk (Biophotonics International June 2008) Vrásky a laser (Biophotonics International Sepember 2008) Fotoreceptory a mouchy (Biophotonics International September 2008) PDT ve stomatologii (Biophotonics International July 2008) Hybridní OLED (Laser Focus World September 2008) Nová generace optoelektronických DNA biopolymerů (Laser Focus World September 2008) Více pružnosti v průtokové cytometrii (Biophotonics International August 2008)
Biofotonika jako vědní obor Elektronika pracuje s elektrony Fotonika pracuje s fotony Elektron : jedna ze subatomárních částic, charakteristická svým výskytem kolem atomového jádra a záporným elektrickým nábojem. Klidová hmotnost : m0 = 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, vrychlost 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 (c0); v látce je jeho rychlost nižší. Energie fotonu v modu o frekvenci n je
E=hn,
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 l0 = 1 mm má frekvenci 3 x 1014 Hz, neboť ve vakuu l0n = c0. 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 l0 (mm) = 1,24 / E (eV).
FOTON K vyjádření energie je často používán také vlnočet. Udává se v cm-1 (1 cm-1odpovídá 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 1014 Hz má vlnovou délku l0 = 1mm , energii 1,24 eV a vlnočet 10 000 cm-1.
FOTON
Hybnost fotonu p = h / l.
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 Io = 3.827 x 1026 W
FOTON Střední hustota fotonového toku pro několik světelných zdrojů. ZDROJ
STŘEDNÍ HUSTOTA FOTONOVÉHO TOKU (fotony/s.cm-2)
Světlo hvězdy
106
Světlo měsíce
108
Světlo za soumraku
1010
Denní světlo v místnosti
1012
Sluneční světlo
1014
Světlo laseru (10 mW He-Ne laser fokuzovaný do průměru 20 mm)
1022
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
Fotonika pro biomedicínu biozobrazování / biodetekce optická diagnostika světlem aktivovaná terapie tkáňové inženýrství manipulace buněk pomocí světla
Biomedicína
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
Disciplíny biofotoniky INŽENÝRSTVÍ • 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 ?
