Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Physical methods in bilogy and medicine
Course of study:
2018/2019
Code:
JFM-2-101-DE-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
Dozymetria i elektronika w medycynie
Field of study:
Medical Physics
Semester:
1
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Responsible teacher:
prof. dr hab. Burda Kvetoslava (kvetoslava.burda@fis.agh.edu.pl)
Academic teachers:
dr Orzechowska Aleksandra (Aleksandra.Orzechowska@fis.agh.edu.pl)
dr Fiedor Joanna (Joanna.Fiedor@fis.agh.edu.pl)
prof. dr hab. Burda Kvetoslava (kvetoslava.burda@fis.agh.edu.pl)
dr inż. Nęcki Jarosław (necki@agh.edu.pl)
dr hab. Woch Wiesław Marek (wmwoch@agh.edu.pl)
dr hab. Przewoźnik Janusz (januszp@agh.edu.pl)
Module summary

W ramach modułu studenci zapoznają się z podstawami fizycznymi wybranych metod pomiarowych wykorzystywanych w badaniach biologicznych i medycznych, w teorii i w praktyce.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole w czasie przeprowadzania eksperymentów, czynnie bierze udział w dyskusjach, potrafi trafnie dobierać argumenty. Activity during classes,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
M_K002 Student potrafi samodzielnie, bądź pracując w grupie, opracować zagadnienie obejmujące wiedzę na temat wybranych nowoczesnych metod wykorzystywanych w biologii i medycynie. Activity during classes,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
M_K003 Student rozumie potrzebę zdobywania wiedzy z różnych dziedzin nauki i jej kompilacji w celu wyjaśnienia zjawisk zachodzących w organizmach żywych. Activity during classes,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
Skills
M_U001 Student potrafi wskazać metody fizyczne i je zastosować do badania zadanych zjawisk biofizycznych i biochemicznych. FM2A_U09 Activity during classes,
Participation in a discussion
M_U002 Student potrafi samodzielnie przeprowadzić badania wybranych próbek przy użyciu wybranej zaawansowanej aparatury fizycznej. Potrafi opracowywać dane eksperymentalne i je interpretować. FM2A_U09 Activity during classes,
Report,
Participation in a discussion,
Execution of laboratory classes
Knowledge
M_W001 Student posiada szczegółową wiedzę dotyczącą podstaw fizycznych wybranych metod fizycznych stosowanych w badaniach układów biologicznych i w medycynie. Activity during classes,
Examination,
Participation in a discussion
M_W002 Student zna i rozumie zasady działania wybranej aparatury pomiarowej wykorzystywanej w badaniach układów biologicznych i w medycynie. Activity during classes,
Examination,
Participation in a discussion
M_W003 Student zna zastosowania wybranych metod fizycznych w badaniach biologicznych i w medycynie. Activity during classes,
Examination,
Participation in a discussion
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole w czasie przeprowadzania eksperymentów, czynnie bierze udział w dyskusjach, potrafi trafnie dobierać argumenty. + - + - - + - - - - -
M_K002 Student potrafi samodzielnie, bądź pracując w grupie, opracować zagadnienie obejmujące wiedzę na temat wybranych nowoczesnych metod wykorzystywanych w biologii i medycynie. - - - - - + - - - - -
M_K003 Student rozumie potrzebę zdobywania wiedzy z różnych dziedzin nauki i jej kompilacji w celu wyjaśnienia zjawisk zachodzących w organizmach żywych. + - + - - + - - - - -
Skills
M_U001 Student potrafi wskazać metody fizyczne i je zastosować do badania zadanych zjawisk biofizycznych i biochemicznych. + - - - - + - - - - -
M_U002 Student potrafi samodzielnie przeprowadzić badania wybranych próbek przy użyciu wybranej zaawansowanej aparatury fizycznej. Potrafi opracowywać dane eksperymentalne i je interpretować. - - + - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student posiada szczegółową wiedzę dotyczącą podstaw fizycznych wybranych metod fizycznych stosowanych w badaniach układów biologicznych i w medycynie. + - + - - + - - - - -
M_W002 Student zna i rozumie zasady działania wybranej aparatury pomiarowej wykorzystywanej w badaniach układów biologicznych i w medycynie. + - + - - + - - - - -
M_W003 Student zna zastosowania wybranych metod fizycznych w badaniach biologicznych i w medycynie. + - + - - + - - - - -
Module content
Lectures:
Wykład

1. Zastosowanie laserów w biologii i medycynie. Lasery terawatowe (pentawatowe).
2. Podstawy spektroskopii absorpcyjnej i fluorescencyjnej. Zastosowanie ich w badaniach biochemicznych. Zastosowania fotouczulaczy w medycynie.
3. Podstawy spektroskopii w podczerwieni i spektroskopii Ramana. Zastosowanie w badaniach układów biologicznych.
4. Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego. Podstawy teoretyczne i zastosowania.
5. Spektroskopia ENDOR: wprowadzenie i zastosowania.
6. Metody kalorymetryczne. Skaningowa kalorymetria różnicowa.
7. Podstawy krystalografii. Metody dyfrakcyjne promieniowania X w zastosowaniu do badań układów biologicznych.
7. Zastosowanie spektroskopii mössbauerowskiej w badaniach dynamiki układów biologicznych.
8. Zastosowanie promieniowania synchrotronowego do badania układów biologicznych.
9. Chromatografia jako narzędzie analityczne.
10. Wybrane metody mikroskopowe; SEM, STM, AFM, MFM – zasada działania i ich zastosowania do badania układów biologicznych.
11. Spektroskopia polaryzacyjna układów uporządkowanych.

Seminar classes:
Seminarium

Wystąpienia studentów na temat wybranych nowoczesnych metod fizyko-chemicznych i ich zastosowań w biologii i medycynie.

Efekty kształcenia:
- student posiada wiedzę na temat podstaw fizycznych omawianej metody. Wie jak jest zbudowana aparatura pomiarowa i jak działa.
- student potrafi kompilować uzyskaną wiedzę biologiczno – chemiczno – fizyczną w celu wyjaśnienia potencjalnych możliwości zastosowania omawianej metody do badania zjawisk zachodzących w organizmach żywych na różnym poziomie ich złożoności.
- student potrafi pracować samodzielnie korzystając z książek i czasopism naukowych.
- student potrafi pracować w grupie przygotowując wspólne wystąpienie seminaryjne.
- student potrafi pracować z danymi eksperymentalnymi i wybrać model, najlepiej je opisujący.

Laboratory classes:
Laboratorium specjalistyczne

1. Przeprowadzenie pomiarów topograficznych wybranych układów biologicznych przy użyciu mikroskopu sił atomowych. Pomiary elastyczności i adhezji wybranych linii komórkowych.
Efekty kształcenia:
- student zna zasadę działania mikroskopu sił atomowych
- student potrafi przygotować układ pomiarowy do pracy, przeprowadzić kalibrację w oparciu o wyznaczoną stałą siłową ostrza,
- student potrafi dokonać pomiaru topografii próbki biologicznej w modzie kontaktowym i bezkontaktowym,
- student potrafi wyznaczyć siłę adhezji oraz moduł Younga w oparciu o zebrane krzywe
2. Zastosowanie spektroskopii absorpcyjnej i fluorescencyjnej do badania wybranych układów barwnikowych.
Efekty kształcenia:
- student zna podstawy spektroskopii absorpcyjnej i fluorescencyjnej
- student potrafi przeprowadzić izolację naturalnych barwników z układów roślinnych i ich oznaczanie przy użyciu spektroskopii absorpcyjnej i fluorescencyjnej
- student potrafi wyznaczyć efektywność transferu energii pomiędzy wybranymi barwnikami (np. chlorofile i karotenoidy)

3. Zapoznanie się z metodą elektroforetyczną i zastosowanie jej do rozdziału wybranych kompleksów biologicznych.
- student zna podstawy elektroforezy
- student potrafi samodzielnie przygotować układ do elektroforezy pionowej i przeprowadzić separację białek (samodzielnie przygotowuje żel zagęszczający i rozdzielający oraz bufor denaturujący białka),
- student potrafi wybarwić żel oraz wyznaczyć masę białek stosując odpowiedni marker

4. Zapoznanie się z metodą fluorescencyjną o podwójnej modulacji i zastosowanie jej do pomiarów kinetyki transferu energii i elektronów w układach fotosyntetycznych.
Efekty kształcenia:
- student potrafi samodzielnie przygotować próbkę do pomiarów (izolacja tylakoidów);
- student potrafi przeprowadzić pomiar oraz przeprowadzić analizę numeryczną zmierzonych krzywych czasowych
- student potrafi zinterpretować uzyskane parametry w odniesieniu do aktywności fotosyntetycznej badanego układu

5. Spektroskopia EPR
Efekty kształcenia:
- student posiada ogólną wiedzę o oddziaływaniu różnych substancji magnetycznych z zewnętrznym polem magnetycznym
- student zdobywa umiejętność posługiwania się różnymi układami jednostek magnetycznych ( SI, CGS)
- student posiada wiedzę na temat generowania, detekcji i propagacji mikrofal
- student rozumienie zasady działania spektrometru Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego
- student zdobywa umiejętność przygotowania próbek w formie litej i proszkowej kilku wybranych paramagnetyków: wzorców EPR: DFPH (DPPH), uwodnionego siarczanu miedzi oraz gadolinu, tlenku erbu itp.
- student potrafi wyjustować spektrometr oraz wykonać pomiary w temperaturze pokojowej
- student potrafi opracować krzywe spektralne: wyznaczyć poziom odniesienia, szerokość połówkową linii rezonansowej, wyznaczyć współczynnika Landego (g – factor) oraz zinterpretować uzyskane wyniki
- student potrafi oszacować niepewności pomiarowe związane z fluktuacją częstotliwości oraz niedokładnością pomiarów quasi statycznego pola magnetycznego

6. Zapoznanie z podstawami dyfrakcji rentgenowskiej i temperaturowych pomiarów rentgenowskich.
Efekty kształcenia:
- student potrafi, korzystając z „Międzynarodowych Tablic Krystalograficznych” i z komputerowego programu edukacyjnego (Diffrax), tworzyć trójwymiarowe wizualizacje prostych struktur krystalicznych (np. typu W, Cu, diamentu, CsCl, NaNl, itp.) oraz obliczać odpowiadające im rentgenogramy proszkowe dla promieniowania Kα Cu (λCu= 1.54 Å).
- student potrafi przeprowadzić symulacje komputerowe wpływu temperatury (intensywności linii) i wielkości krystalitów (szerokość linii) na dyfraktogram rentgenowski
- w zajęciach praktycznych student zapoznaje się z dyfraktometrem rentgenowskim oraz bierze udział w przygotowaniu próbki (np. proszku W) i pomiarze dyfraktogramów proszkowych w kilku wybranych kilku temperaturach (typowo od 300 do 350K)
- student zdobywa umiejętność wskaźnikowania dyfraktogramów i znajdowania dla nich reguł wygaszeń poprzez obliczanie czynników strukturalnych Fhkl i konstruowanie tabelek zawierających wskaźniki (h k l), ich krotności, odległości międzypłaszczyznowe dhkl i wartości Fhkl
- student potrafi eksperymentalnie wyznaczać współczynnik rozszerzalności liniowej badanej substancji w oparciu o zmierzoną zależność temperaturową parametru sieciowego

7. Chromatografia gazowa w zastosowaniu badań środowiskowych. Oznaczanie zawartości dwutlenku węgla w wydychanym powietrzu przy pomocy chromatografu SRI oraz detektora TCD (prosta kalibracja, rozcieńczanie próbek); (ii) oznaczenia zawartości wodoru w wydychanym powietrzu (kalibracja, całkowanie chromatogramów, ocena niepewności, program Chemstation).
Efekty kształcenia:
- student potrafi wykonać prostą kalibracje chromatografu gazowego
- student potrafi wykonać prosty pomiar stężenia wybranego związku w powietrzu z wykorzystaniem
chromatografu gazowego
- student potrafi opracować wyniki chromatograficznych pomiarów stężenia wybranych związków w powietrzu

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 150 h
Module ECTS credits 5 ECTS
Participation in lectures 30 h
Realization of independently performed tasks 35 h
Participation in seminar classes 15 h
Preparation for classes 39 h
Participation in laboratory classes 30 h
Examination or Final test 1 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Ocena z seminarium (S), ocena z laboratoriów (L) oraz ocena z egzaminu (E);
Oceny te obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.

Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu (E), seminarium (S) i laboratoriów (L):
OK = 0.7 x E + 0.15 x S + 0.15 x L

przy czym ocena z laboratoriów wyliczana jest przez prowadzącego moduł jako średnia arytmetyczna ocen wystawianych przez prowadzących poszczególne ćwiczenia laboratoryjne.
Uzyskanie pozytywnej oceny końcowej (OK) wymaga uzyskania pozytywnej oceny z egzaminu (E), seminarium (S) i laboratoriów (L). Nieuzyskanie zaliczenia z laboratoriów na czas skutkuje utratą terminu egzaminu, co jest równoznaczne z uwzględnieniem czynnika 2.0 dla pierwszego terminu w poniższych wzorach (patrz wyliczenia poniżej).

Ocena wyliczana po zaliczeniu w drugim terminie egzaminu:
E2 = 0.3*(pierwszy termin)0.7*(drugi termin)
Ocena wyliczana po zaliczeniu w trzecim terminie egzaminu:
E3 = 0.2*(pierwszy termin)0.3*(drugi termin)+0.5*(trzeci termin)

Prerequisites and additional requirements:

Student powinien posiadać wiedzę z zakresu podstaw fizyki (I stopień studiów) oraz biochemii i biofizyki (I stopień studiów).

Recommended literature and teaching resources:

1. Vij DR (ed.) Handbook of Applied Solid State Spectroscopy, Springer New York USA, 2006
2. Hrynkiewicz AZ, Rokita E (red.) Fizyczne metody badań w biologii, medycynie i ochronie środowiska., PWN Warszawa, 1999
3. Jóźwiak Z, Bartosz G (red.) Biofizyka, PWN, Warszawa 2005
4. Lakowicz JR , Principles of fluorescence spectroscopy, Springer 2006
5. W.R.Hendee, G.S.Ibbott, E.G.Hendee, Radiation Therapy Physics., Willey-Liss New Jersey, 2005
6. B.Nölting, Methods in Modern Biophysics, Springer –Verlag Heidelberg, 2004
7. Braga PC, Ricci D (ed.) Atomic Force Microscopy. Biomedical Methods and Applications. Human Press, New Jersey 2004
8. Wykład + literatura specjalistyczna i inne źródła wskazane na wykładzie. Wykład udostępniony częściowo na stronie www pracownika.

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

Wybrane publikacje:
1 R.Schulder, K.Burda, K.Strzałka, K.P.Bader and G.H.Schmid (1992) Study on the Parameters
Affecting Oxygen Release Time Measurements by Amperometry, Z.Naturforsch. 47c: 465-473,
2 K.Burda, A.Hrynkiewicz, H.Kołoczek, J.Stanek and K.Strzałka (1995) Mixed Valence State in
Ironporphyrin Aggregates, Biochim. Biophys. Acta 1244: 345-350
3 K.Burda, K.P. Bader, G.H. Schmid (2003) 18O isotope effect in the photosynthetic water splitting
process, Biochim. Biophys. Acta 1557: 77-82
4 K.Burda, K.P.Bader and G.H.Schmid (2001) An Estimation of the Size of the Water Cluster present at the Cleavage Site of the Water Splitting Enzyme, FEBS Lett. 491: 81-84
5 M. de Odrowąż Piramowicz (Lipińska), P.Czuba, M.Targosz, K.Burda , M.Szymoński (2006)
Dynamic force measurements of avidin – biotin and streptavdin – biotin interactions using AFM.
Acta Biochimica Polonica 53, 93-100.
6 K.Dziedzic-Kocurek, J.Stanek, K.Burda (2008) Dynamics of Iron in Fe-porphyrin Aggregates
Studied by X-ray Absorption and Mössbauer. Hyp. Int. 185, 87-93.
7 K.Burda, J.Kruk, R.Borgstädt, J.Stanek, K.Strzałka, G.H.Schmid, O.Kruse (2003) Mössbauer
studies of the non-heme iorn and cytochrome b559 in a Chlamydomonas reinharditi PSI- mutant
and their interactions with α- tocopherol quinone, FEBS Lett. 535: 159-165
8 K.Burda and O.Kruse (2007) Moessbauer spectroscopy studies on tocopherols in: The
Encyclopedia of Vitamin E (eds. V.R.Preedy and R.R.Watson), CABI Publishing, London, U.K.,
pp. 53-69
9 A. Orzechowska, M. Lipińska, J. Fiedor, A. Chumakov, M. Zając, T. Ślęzak, K. Matlak, K.
Strzałka, J. Korecki, L. Fiedor, K. Burda (2010) Coupling of collective motions of the protein
matrix to vibrations of the non-heme iron in bacterial photosynthetic reaction centers. Biochim.
Biophys. Acta Bioenerg. 1797, 1696-1704
10 A. Jamrozik, M. Mazurkiewicz, A. Małolepszy, L. Stobiński, K. Matlak, J. Korecki,
K.J.Kurzydłowski, K. Burda (2010) The Moessbauer spectroscopy analysis of iron compounds in
carboxylated mutliwall carbon nanotubes and their ammonium salt. Physica Status Solidi A –
Applications and Materials Science 208, 1783-1786
11 D. Augustynska, M.Jemioła-Rzeminska, K. Burda, K. Strzałka (2012) Adhesion properties of DPPC
vesicles containing β-carotene – an atomic force microscopy study. Acta Biochimica Polonica
12 W. Szczolko, L. Sobotta, P. Fitta, T. Koczorowski, M. Mikus, M. Gdaniec, A. Orzechowska, K. Burda, S. Sobiak, M. Wierzchowski, J. Mielcarek, E. Tykarska, T. Goslinski, Synthesis, characteristics and photochemical studies of novel porphyrazines possessing peripheral 2,5-dimethylpyrrol-1-yl and dimethylamino groups. Tetrahedron Lett. 53 (2012), 2040-2044
13 D. Augustyńska, M. Jemioła-Rzemińska, K. Burda, K. Strzałka, Atomic force microscopy studies of the adhesive properties of DPPC vesicles containing β-carotene, Acta Biochim. Pol., 59 (2012) 125-128.
14 A.Hałas, A.Orzechowska, V.Derrien, A.,I.Chumakov, P.Sebban, J.Fiedor, M.Lipińska, M.Zając, T.Ślęzak, K.Strzałka, K.Matlak, J.Korecki, L.Fiedor, K.Burda, The dynamics of the non-heme iron in bacterial reaction centers from Rhodobacter sphaeroides. Biochim. Biophys. Acta. 1817 ( 2012) ,2095–2102

Additional information:

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Zajęcia seminaryjne: Nieobecność na jednych zajęciach seminaryjnych wymaga od studenta samodzielnego opanowania omawianego w tym czasie materiału. Nieobecność na więcej niż dwóch seminariach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie pisemnej w wyznaczonym przez prowadzącego terminie lecz nie później jak w ostatnim tygodniu trwania zajęć. Student który bez usprawiedliwienia opuścił więcej niż 20% zajęć seminaryjnych i jego cząstkowe wyniki w nauce były negatywne może zostać pozbawiony, przez prowadzącego zajęcia, możliwości wyrównania zaległości. Od takiej decyzji prowadzącego zajęcia student może się odwołać do prowadzącego przedmiot lub Dziekana.

Zajęcia laboratoryjne: W czasie trwania semestru student, który z przyczyn losowych nie mógł wykonać w przewidzianym terminie ćwiczenia laboratoryjnego może odrobić ćwiczenie po uprzednim uzyskaniu zgody prowadzącego zajęcia. Student zobligowany jest w najkrótszym możliwym terminie zgłosić się do prowadzącego zajęcia w celu ustalenia terminu odrobienia zajęć. Jeśli niemożność odrobienia ćwiczenia związana jest z dłuższą nieobecnością studenta, to o warunkach zaliczenia decyduje prowadzący moduł. Zaliczenie ćwiczenia musi odbyć się w czasie trwania semestru.

Obecność na wykładzie: zgodnie z Regulaminem Studiów AGH.

Zasady zaliczania zajęć:

Zajęcia seminaryjne: Podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania.

Zajęcia laboratoryjne: Zaliczenie laboratorium wymaga zaliczenia wszystkich ćwiczeń podanych w treści modułu.
Warunkiem uzyskania zaliczenia z pojedynczego ćwiczenia jest:
- uzyskanie pozytywnej oceny z przygotowania teoretycznego,
- poprawnie wykonane ćwiczenie,
- zaliczone sprawozdanie z opracowaniem wyników

Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest wcześniejsze uzyskanie zaliczenia z seminarium i ćwiczeń laboratoryjnych.
W szczególnych przypadkach prowadzący przedmiot może wyrazić zgodę na przystąpienie do egzaminu bez wcześniejszego uzyskania zaliczenia z jednego ćwiczenia laboratoryjnego, pod warunkiem, że prowadzący laboratorium potwierdzi, iż zostało złożone u niego sprawozdanie z tego ćwiczenia.

Warunkiem uzyskania zaliczenia końcowego jest wcześniejsze zaliczenie seminarium i ćwiczeń laboratoryjnych oraz uzyskanie oceny pozytywnej z egzaminu obejmującego materiał omawiany na wykładach i seminariach.

Egzamin przeprowadzany jest zgodnie z Regulaminem Studiów AGH § 16.