Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Metody fizyczne w biologii i medycynie
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFM-2-101-TO-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
Techniki obrazowania i biometria
Kierunek:
Fizyka Medyczna
Semestr:
1
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Osoba odpowiedzialna:
prof. dr hab. Burda Kvetoslava (kvetoslava.burda@fis.agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
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)
Krótka charakterystyka modułu

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

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń)
Wiedza
M_W001 Student posiada szczegółową wiedzę dotyczącą podstaw fizycznych wybranych metod fizycznych stosowanych w badaniach układów biologicznych i w medycynie. Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
M_W002 Student zna i rozumie zasady działania wybranej aparatury pomiarowej wykorzystywanej w badaniach układów biologicznych i w medycynie. Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
M_W003 Student zna zastosowania wybranych metod fizycznych w badaniach biologicznych i w medycynie. Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Udział w dyskusji
Umiejętności
M_U001 Student potrafi wskazać metody fizyczne i je zastosować do badania zadanych zjawisk biofizycznych i biochemicznych. FM2A_U09 Aktywność na zajęciach,
Udział w dyskusji
M_U002 Student potrafi samodzielnie przeprowadzić badania wybranych próbek przy użyciu wybranej zaawansowanej aparatury fizycznej. Potrafi opracowywać dane eksperymentalne i je interpretować. FM2A_U09 Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Udział w dyskusji,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne
M_K001 Student potrafi konstruktywnie współpracować w zespole w czasie przeprowadzania eksperymentów, czynnie bierze udział w dyskusjach, potrafi trafnie dobierać argumenty. Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Udział w dyskusji,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_K002 Student potrafi samodzielnie, bądź pracując w grupie, opracować zagadnienie obejmujące wiedzę na temat wybranych nowoczesnych metod wykorzystywanych w biologii i medycynie. Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Udział w dyskusji,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_K003 Student rozumie potrzebę zdobywania wiedzy z różnych dziedzin nauki i jej kompilacji w celu wyjaśnienia zjawisk zachodzących w organizmach żywych. Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Udział w dyskusji,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć
Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
Wiedza
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. + - + - - + - - - - -
Umiejętności
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. - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
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. + - + - - + - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:
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.

Zajęcia seminaryjne:
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.

Ćwiczenia laboratoryjne:
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

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 150 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 35 godz
Udział w zajęciach seminaryjnych 15 godz
Przygotowanie do zajęć 39 godz
Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 1 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

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)

Wymagania wstępne i dodatkowe:

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

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

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.

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

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

Informacje dodatkowe:

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.