Insegnamento TECNOLOGIE DI IMAGING

Nome del corso Biotecnologie
Codice insegnamento A000992
Curriculum Comune a tutti i curricula
Docente responsabile Maurizio Mattarelli
Docenti
  • Maurizio Mattarelli
Ore
  • 42 ore - Maurizio Mattarelli
CFU 6
Regolamento Coorte 2024
Erogato Erogato nel 2026/27
Erogato altro regolamento
Attività Affine/integrativa
Ambito Attività formative affini o integrative
Settore FIS/03
Tipo insegnamento Opzionale (Optional)
Tipo attività Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento Italiano
Contenuti
Elementi di elettromagnetismo, ottica ondulatoria, e ottica geometrica per la comprensione delle principali tecniche di imaging.
Principio di funzionamento ed esempi di applicazione delle principali tecniche di microscopia, rilevanti per applicazioni biotecnologiche.
Testi di riferimento
Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging, 2nd Edition Douglas B. Murphy Michael W. Davidson (Wiley-Blackwell Ed). Disponibile anche tra le risorse elettroniche di Ateneo (in particolare su Proquest Ebook Central).

Un testo universitario di Fisica generale II (elettromagnetismo e ottica).
Per esempio: P. Mazzoldi, M. Nigro, C. Voci, Elementi di Fisica, Vol. 2, (Ed. EdiSES).
D. Halliday, R. Resnik, J. Walker, Fondamenti di Fisica (Vol. 2), Casa Editrice Ambrosiana, Milano.
Dispense del docente, articoli e capitoli di libri di testo ivi indicati (disponibili tra le risorse online dell’Ateneo).
Obiettivi formativi
L’obiettivo principale del corso è quello di fornire agli studenti le conoscenze di base per comprendere i fondamenti teorici ed alcuni metodi sperimentali di imaging della materia biologica.
Conoscenze e capacità di comprensione Le principali conoscenze acquisite riguarderanno i principi e le potenzialità di alcuni metodi sperimentali di imaging ottico e spettroscopico, microscopia elettronica e a scansione di sonda, con particolare attenzione ai fondamenti fisici che ne determinano il principio di funzionamento, le potenzialità e i limiti.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate Le principali abilità che il corso si propone di trasmettere sono: - saper utilizzare ed analizzare i risultati dei principali metodi di imaging per applicazioni rilevanti nel campo delle Biotecnologie.
Autonomia di giudizio Lo studente acquisirà la capacità di scegliere la tecnica sperimentale più adatta per ottenere determinate informazioni su un campione biologico, nonché di leggere un articolo scientifico e valutare criticamente l’approccio sperimentale adottato riguardo alle tecniche di imaging utilizzate.
Abilità comunicative Lo studente sarà in grado di esporre in forma orale gli aspetti tecnici e sperimentali di un articolo scientifico, descrivendo strumentazione, meccanismi fisici e potenzialità della tecnica analizzata.
Capacità di apprendere Le tecniche studiate durante il corso costituiscono esempi paradigmatici di un approccio metodologico generale. Lo studente acquisirà gli strumenti concettuali necessari per valutare autonomamente tecniche di imaging non trattate esplicitamente nel corso, estendendo le competenze acquisite a contesti nuovi.
Prerequisiti
Al fine di comprendere i contenuti del corso è opportuno aver acquisito conoscenze di base di Fisica e Matematica, quali quelle fornite nei rispettivi insegnamenti del primo anno di corso.
Metodi didattici
Sono previste lezioni frontali su tutti gli argomenti trattati nel corso e l’analisi di esperimenti riguardanti le microscopie ottiche, SEM ed imaging spettroscopico
Altre informazioni
Ricevimento studenti: gli orari possono essere concordati a seguito di comunicazione via email. Il ricevimento è disponibile anche tramite piattaforma Microsoft Teams.
Sede: Dipartimento di Fisica, Via Pascoli - V piano.
Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Modalità di verifica dell'apprendimento
La verifica degli obiettivi formativi dell’insegnamento prevede una prova orale di circa 30 minuti di durata. La prova consisterà nella breve esposizione di una tecnica di imaging studiata durante il corso (15 minuti indicativamente) sulla base di un caso sperimentale in campo biologico tratto da un articolo scientifico.
L’esposizione deve prevedere la descrizione della strumentazione, del meccanismo fisico di interazione,
della capacità della tecnica in termini di risoluzione. Oltre a possibili richieste di chiarimento o
approfondimento durante l’esposizione, l’esame continuerà poi con una o due domande tese a verificare l’ampiezza della preparazione.
La prova ha lo scopo di verificare: 1) la conoscenza acquisita delle problematiche teoriche e delle varie tecniche e strumentazioni studiate durante il corso; 2) l’acquisizione di una capacità critica finalizzata alla scelta della tecnica sperimentale più adatta allo studio del campione in esame; 3) l'abilita` di comunicare in modo efficace e pertinente in forma orale.
La valutazione finale verrà stabilita dalla Commissione in trentesimi.

Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso
Fondamenti di ottica fisica Campi e onde elettromagnetiche. Cenni sulla polarizzazione della materia. Indice di rifrazione. Assorbimento. Elementi di ottica geometrica. Rifrazione e riflessione. Leggi di Snell. Angolo limite. Lenti e specchi. Sistemi ottici: occhio, telescopio, microscopio. Aberrazioni ottiche. Onde coerenti. Esperimento di Young. Interferenza e diffrazione. Disco di Airy e limite di diffrazione. Interferenza da film sottili. Legge di Bragg. Analisi spettrale. Interferometro. Reticoli. Filtri ottici. Risoluzione spettrale. Contrasto e risoluzione. Apertura numerica. Limite di Abbe. Criterio di Rayleigh.
Strumentazione Effetto fotoelettrico e natura quantistica della radiazione. Sorgenti luminose: sole, lampade a incandescenza, lampade a gas, LED, laser. Rivelatori: fotomoltiplicatori, fotodiodi a valanga, rivelatori a semiconduttore (CCD, CMOS, sCMOS), rivelatori per l’infrarosso (MCT, FPA).
Tecniche di imaging ottico Imaging iperspettrale di riflettanza. Il colore: stimolo e percezione. Riflettanza diffusa e speculare. Colorimetria. L’occhio umano. Strategie di mapping. Applicazioni allo studio della vegetazione. Indici spettrali. Microscopia ottica. Elementi del microscopio composto. Illuminazione. Risoluzione spaziale laterale e assiale. Formazione del contrasto. Microscopie: campo chiaro, campo scuro, contrasto di fase, luce polarizzata. Microscopia a fluorescenza. Meccanismo fisico della fluorescenza. Molecole fluorescenti. Marcatori. Tecniche: FRET, FRAP, FLIM. TIRF. Microscopia confocale a fluorescenza. Deconvoluzione. Strategie per superare il limite di diffrazione. Tecniche: SIM, STED, SMLM, SNOM, microscopia a due fotoni.
Spettroscopia vibrazionale e imaging chimico Modi normali di vibrazione in molecole e solidi. Assorbimento infrarosso. Microscopia FTIR. Effetto Raman. Microscopia Raman. Spettroscopia e microscopia Brillouin. Apparati di misura.
Altre tecniche di imaging Microscopia elettronica. Lunghezza d’onda degli elettroni. Strumentazione: sorgenti, lenti, rivelatori. Interazione elettrone-materia. Elettroni secondari e retrodiffusi. EDX. Risoluzione spaziale. Apparati: SEM, TEM, STEM, cryo-TEM. Preparazione di campioni biologici. Microscopia a scansione di sonda. Microscopio a effetto tunnel. Microscopia a forza atomica. Modalità di imaging: contact, tapping, non-contact. AFM su campioni biologici.
Acquisizione e analisi delle immagini digitali Campionamento. Criterio di Nyquist. Caratteristiche dei rivelatori. Elaborazione delle immagini. Calibrazione. Filtri digitali. Segmentazione. Riduzione di dimensionalità di immagini multispettrali.
Obiettivi Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Obiettivo 4 - Istruzione di qualità. Il corso contribuisce all’Obiettivo 4 promuovendo l’acquisizione di competenze scientifiche e tecnologiche avanzate nel campo delle biotecnologie. L’approccio metodologico adottato, basato sulla lettura critica della letteratura scientifica e sull’analisi di casi sperimentali reali, favorisce lo sviluppo di capacità di apprendimento autonomo e di pensiero critico.