Fotonika pro bioaplikace

Garant předmětu:

Tomáš Martan

Přednášející:

David Mareš, Tomáš Martan

Cvičící:

David Mareš, Tomáš Martan

Předmět zajišťuje:

katedra mikroelektroniky

Anotace:

Téměř každý organismus, rostlinný nebo živočišný, potřebuje ke svému životu světlo. Růst organismu i jeho zdravotní stav jsou závislé mj. i na vlnové délce a intenzitě dopadajícího světla.

Předmět FBA je zaměřen na optické metody, principy a zařízení na bázi planárních, vláknově optických i volnosvazkových technologií využívajících optoelektronické prvky ve vazbě na biologické struktury (rostlinné nebo živočišné). V rámci zkvalitnění výuky budou pro studenty zorganizovány exkurze na špičková pracoviště, jakým je Biocev (Biotechnologické a biomedicínské centrum Akademie věd a Univerzity Karlovy ve Vestci u Prahy) a na pracoviště ÚFE AVČR, v.v.i. v Praze 8 – Kobylisích). Tyto exkurze by měly více prohloubit aplikační znalosti a zájem o interdisciplinární obor, kombinující vědecké poznatky, zejména z oboru fyziky (optiky) a biologie.

Předmět je svou strukturou koncipován mezioborově a svým obsahem je určen zejména studenům studijních programů: Lékařská elektronika a bioinformatika (BIO) a Elektronika a komunikace (EK). Předmět je ale též vhodný pro studenty dalších studijních programů, kteří mají zájem o biofotoniku. Předmět je proto v celofakultní nabídce.

Požadavky:

Osnova přednášek:

1.Úvodní přednáška - organizace předmětu, motivace, historický vývoj, základní pojmy, úvod k optickým metodám, interakce světla s hmotou (biologickou tkání).

2.Šíření paprsku optickým prostředím, planární optické vlnovody, přenosové vlastnosti vlnovodů, vlnovody pro senzoriku, biokompatibilní planární vlnovody.

3.Vláknové optické vlnovody, materiálové, spektrální a přenosové vlastnosti, speciální vláknové vlnovody, optická vlákna pro senzoriku.

4.Zdroje optického záření, koherentní a nekoherentní zdroje, principy generace záření, srovnání spekter, slunce jako širokospektrální zdroj – vliv na životní prostředí.

5.Detektory optického záření, principy fotodetekce, spektrální pásma pro bio-aplikace.

6.Optoelektronika pro medicínské aplikace, v zemědělství a v potravinářském průmyslu.

7.Optické zobrazovací metody pro biologické aplikace, optická mikroskopie, endoskopické zobrazovací metody a doplňkové metody.

8.Optická spektroskopie (Lineární: Absorpční, Fluorescenční, Infračervená, Ultrafialová a viditelná; Nelineární: Ramanova, Brillouinova a další).

9.Planární optické senzory pro detekci biofyzikálních veličin a procesů. Biomolekulární detekční schémata, intracelulární diagnostika in vitro (SERS, optické senzory na bázi povrchových plazmonů).

10.Vláknově optické senzory pro detekci biofyzikálních veličin a procesů, vláknové aplikátory.

11.Vybrané optické diagnostické a terapeutické metody (LDPI, PPGI, OCT, PDT, apod.)

12.Laserová chirurgie - operace očí (šedý a zelený zákal, dioptrická korekce, fixace sítnice), odstranění křečových žil, kosmetická chirurgie.

13.Světelné terapie - léčebné metody založené na světle (fototerapie, nízkoúrovňová laserová terapie - fotobiomodulace, IR termoterapie, UV aktinoterapie)

14.Nejmodernější metody ve fotonice, fotonické biosignály: detekce a aplikace; nano-fotonika - výhledy a směřování v oboru.

Osnova cvičení:

1.Úvod, školení - bezpečnost práce s optickými zdroji (lasery), optikou a dalším vybavením – výběr/zadání semestrálních prací.

2.Základní rovnice a výpočty pro práci s optickými vlnovody (volno-svazkové, planární, vláknové).

3.SW nástroje pro návrh optických vlnovodů a senzorů, simulace šíření světla.

4.Laboratoře I. - práce na semestrálním projektu (návrh senzoru).

5.Optické vlnovody pro detekci fyzikálně-chemických veličin (transmisní, reflexní uspořádání), lokální nebo distribuovaná detekce, optická (vláknová) refraktometrie, technologie přípravy senzorů a použití v praxi.

6.Laboratoře II. - práce na semestrálním projektu (konstrukce senzoru).

7.Optické zobrazovací nástroje a metody pro biologii.

8.Exkurze 1. – BIOCEV, Vestec u Prahy.

9.Detekce biologických signálů v rostlinách, vliv světelného záření na funkci rostlin.

10.Laboratoře III. - práce na semestrálním projektu (měření zkonstruovaným senzorem).

11.Optické biosenzory – senzory s povrchovými plazmony.

12.Exkurze 2. – ÚFE AVČR v Praze.

13.Prezentace semestrálních prací.

14.Zápočtový test, zápočet.

Cíle studia:

Předmět je zaměřen na fotoniku, optické metody, principy a zařízení pro bioaplikace. V rámci tohoto zaměření předmětu je jeho cílem vzbudit u studentů zájem o jednotlivá témata v rámci přednášek a cvičení, která aplikačně doplní znalosti získané ve studijních programech. Jedním z dílčích cílů je získání zkušeností s návrhem, realizací a použitím optických senzorů, resp. lokálních/distribuovaných senzorových systémů pro biologické aplikace. Na základě toho by měl předmět studenty motivovat, dále se těmito směry rozvíjet, případně později i tyto směry rozvíjet.

Studijní materiály:

1.Popescu G.: Principles of Biophotonics, Vol. 3, IOP Publishing, 2022.

2.Tosi D. et al.: Optical Fiber Biosensors, Elsevier Academic Press, 2022.

3.Ozkan, S. A., Uslu, B., Sezgintürk, M. K.: Biosensors - Fundamentals, Emerging Technologies, and Applications, CRC Press, 2022.

4.Panja, A. K.: Biomedical Sensors and Smart Sensing, Elsevier Academic Press, 2022.

5.Pudake, R. N., Jain, U., Kole, Ch.: Biosensors in Agriculture - Recent Trends and Future Perspectives, Springer, 2021.

6.Culshaw, B.: Introducing Photonic, Cambridge University Press, 2020.

7.Gupta, B.D., Shrivastav, A.M., Usha, S. P.: Optical Sensors for Biomedical Diagnostics and Environmental Monitoring, CRC Press, 2018.

8.Novotný K., Martan T., Šístek J.: Systémy pro optické komunikace, Vyd. ČVUT, Praha 2007.

9.Saleh B. E. A., Teich M. C.: Základy fotoniky, svazek 1-4, Matfyzpress, Praha, 1994-1996.

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů: