Insegnamento BIOFOTONICA

Nome del corso di laurea	Fisica
Codice insegnamento	A003087
Curriculum	Fisica della materia
Docente responsabile	Maurizio Mattarelli
Docenti	Maurizio Mattarelli
Ore	42 Ore - Maurizio Mattarelli
CFU	6
Regolamento	Coorte 2026
Erogato	Erogato nel 2026/27
Erogato altro regolamento
Attività	Affine/integrativa
Ambito	Attività formative affini o integrative
Settore	PHYS-03/A
Anno	1
Periodo	Primo Semestre
Tipo insegnamento	Opzionale (Optional)
Tipo attività	Attività formativa monodisciplinare
Lingua insegnamento	Italiano
Contenuti	L'insegnamento presenta tecniche avanzate di bio-fotonica. Partendo dai fondamenti dell'ottica classica e dell'interazione luce-materia, il corso sviluppa il formalismo dell'ottica di Fourier come strumento unificante per trattare diffrazione, formazione dell'immagine e microscopia ottica avanzata. Il percorso coniuga aspetti teorici e sperimentali, evidenziando come proprietà strutturali e dinamiche di sistemi di rilevanza biologica possano essere caratterizzate tramite tecniche di fotonica avanzata, dalla microscopia di fluorescenza alla spettroscopia Raman e Brillouin. T
Testi di riferimento	Testi di riferimento principali (disponibili su https://www.proquest.com/): - Kailash K. Sharma, "Optics: Principles and Applications", Academic Press, 2006. - David L. Andrews (ed.), "Photonics, Volume 4: Biomedical Photonics, Spectroscopy and Microscopy", Wiley, 2015. - Douglas B. Murphy, Michael W. Davidson, "Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging", 2nd ed., Wiley-Blackwell, 2012. - Ulrich Kubitscheck (ed.), "Fluorescence Microscopy: From Principles to Biological Applications", 2nd ed., Wiley-VCH, 2017. - J. W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics", 4th ed., W. H. Freeman, 2017. Ulteriore materiale didattico (dispense, articoli, slide) sarà messo a disposizione dal docente sulla piattaforma Unistudium.
Obiettivi formativi	Il corso introduce la disciplina della bio-fotonica integrando una solida base teorica con la descrizione delle principali tecniche sperimentali. Il percorso formativo muove dai fondamenti dell'ottica di Fourier e dell'interazione luce-materia fino alle frontiere della microscopia di super-risoluzione e delle spettroscopie vibrazionali, con costante riferimento alle applicazioni in biofisica e biomedicina. L'insegnamento fornisce agli studenti le basi per: 1) comprendere il formalismo dell'ottica di Fourier e applicarlo alla diffrazione, alla formazione dell'immagine e alla valutazione delle prestazioni dei sistemi ottici; 2) padroneggiare i processi fondamentali dell'interazione luce-materia sia in un quadro classico che quantistico; 3) affrontare la caratterizzazione strutturale e dinamica di sistemi di interesse biologico mediante tecniche avanzate di imaging e spettroscopia. Le principali conoscenze acquisite saranno: - fondamenti dell'ottica di Fourier: diffrazione, formazione dell'immagine, risoluzione e coerenza (PSF e OTF come strumenti descrittivi, non come fine a se stessi); - principi fisici della microscopia ottica avanzata: contrasto di fase, DIC, fluorescenza, confocale, super-risoluzione (STED, SMLM, SIM, TIRF, 2P); - approccio classico all'interazione luce-materia: modello di Lorentz, oscillatore armonico forzato con smorzamento, dispersione anomala, relazioni di Kramers-Kronig; - meccanismi quantistici dell'interazione luce-materia: coefficienti di Einstein, regola d'oro di Fermi, regole di selezione; - principi e strumentazione delle spettroscopie Raman e Brillouin e loro applicazioni a sistemi biologici; - metodi di acquisizione, campionamento e analisi delle immagini, inclusa la riduzione di dimensionalità di dati iperspettrali. Le principali abilità (capacità di applicare le conoscenze) saranno: - utilizzare i concetti di PSF, OTF e risoluzione per valutare le prestazioni di un sistema microscopico e confrontare diverse tecniche di imaging; - scegliere la tecnica di microscopia o spettroscopia più adeguata in funzione del sistema biologico e dell'obiettivo scientifico; - analizzare dati spettroscopici e di imaging per estrarre informazioni strutturali e dinamiche.
Prerequisiti	Al fine di comprendere i contenuti del corso è necessario aver acquisito conoscenze di base di Analisi Matematica I (calcolo integrale e serie di Fourier), Fisica I e Fisica II (ottica geometrica e ondulatoria, elettromagnetismo). È fortemente consigliato seguire parallelamente, nel primo semestre, gli insegnamenti di Struttura della Materia e Meccanica Quantistica, ai cui concetti fondamentali il corso fa riferimento nei moduli di interazione luce-materia e fluorescenza.
Metodi didattici	Il corso è strutturato in lezioni frontali in aula (42 ore, 6 CFU) su tutti gli argomenti del programma, con il supporto di presentazioni multimediali e strumenti software (Python, ImageJ) per dimostrazioni numeriche e di analisi delle immagini. Le lezioni alterneranno derivazioni teoriche formali, esempi numerici e discussione di risultati sperimentali tratti dalla letteratura, con l'obiettivo di sviluppare sia la comprensione concettuale sia la capacità di applicazione. Il materiale didattico (slide, dispense, notebook) sarà reso disponibile su Unistudium.
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 dell'apprendimento si svolge mediante una prova orale della durata di circa 45 minuti. La prova è finalizzata ad accertare: 1) la conoscenza e la comprensione dei contenuti teorici del corso (ottica di Fourier, interazione luce-materia, principi fisici delle tecniche microscopiche e spettroscopiche); 2) la capacità di applicare tali conoscenze a problemi concreti (stima della risoluzione di un sistema ottico, interpretazione di uno spettro Raman o Brillouin, scelta della tecnica più adeguata per un dato sistema biologico); 3) le abilità comunicative: esposizione rigorosa con appropriato linguaggio tecnico-scientifico, capacità di collegare tematiche diverse del corso. La Commissione sottoporrà allo studente 2-3 domande su argomenti diversi del programma, scelti in modo da coprire sia la parte teorico-formale (ottica di Fourier, interazione luce-materia) sia quella sperimentale/applicativa (strumentazione, microscopia avanzata, spettroscopie, analisi delle immagini). Potrà essere richiesta la derivazione di formule chiave o la discussione di schemi sperimentali. Il colloquio prende avvio da un argomento scelto dallo studente. Criteri di valutazione (in trentesimi): - correttezza e completezza delle conoscenze: 40%; - capacità di applicare le conoscenze e di ragionamento critico: 40%; - proprietà di linguaggio e chiarezza espositiva: 20%. La lode è attribuita in caso di dimostrazione di conoscenza approfondita e capacità di sintesi originale.
Programma esteso	1. Richiami di Ottica Classica Indice di rifrazione complesso; modello di Lorentz dell'oscillatore armonico classico; dispersione e assorbimento; relazioni di Kramers-Kronig; formula di Sellmeier; leggi di Fresnel; riflessione interna totale e applicazioni. 2. Ottica di Fourier Principio di Huygens-Fresnel in forma integrale; approssimazione di Fraunhofer e trasformata di Fourier 2D dell'apertura; funzione di punto di diffrazione (PSF); la lente come operatore di trasformata di Fourier; funzione pupilla; formazione dell'immagine come convoluzione; funzione di trasferimento ottico (OTF) e sua derivazione per apertura circolare; criterio di Rayleigh dal taglio in frequenza; coerenza temporale e spaziale; teorema di van Cittert-Zernike; PSF e OTF in illuminazione incoerente. 3. Microscopia Ottica Microscopio corretto all'infinito; illuminazione Kohler; contrasto in campo chiaro; campo scuro; teoria di Abbe della formazione dell'immagine; oggetti di fase e contrasto di fase (Zernike); microscopia DIC (Nomarski); strumenti dispersivi: reticoli, interferometro Fabry-Perot, interferometro di Michelson. 4. Interazione Luce-Materia Approccio quantistico; densita degli stati fotonici; legge di Planck; effetto fotoelettrico; coefficienti di Einstein; regola d'oro di Fermi; transizioni di dipolo elettrico e multipolari; regole di selezione; tempo di vita e meccanismi di allargamento di riga. Sorgenti di luce (lampade a scarica, LED, laser) e rivelatori (fotodiodi, APD, PMT, CCD, CMOS). Esperimenti di riflessione, trasmissione e assorbimento con spettrometri. 5. Fluorescenza e Microscopia Avanzata Meccanismo fisico della fluorescenza; molecole fluorescenti e marcatori; apparato sperimentale; microscopia di fluorescenza risolta in tempo (FRAP, FLIM, FRET). Super-risoluzione: limite di diffrazione; ingegnerizzazione della PSF ed eccitazione non lineare; tecniche SIM, SMLM, STED, 2P, TIRF, SNOM. 6. Spettroscopie Vibrazionali e di Scattering Modi normali di vibrazione; assorbimento IR; scattering Raman; attivita ottica IR e Raman; scattering Brillouin; diffusione da onde acustiche; applicazioni a mezzi torbidi e cellule; strumentazione (interferometro Brillouin, spettrometro Raman). 7. Analisi delle Immagini e Applicazioni di Biofotonica Campionamento e digitalizzazione; elaborazione delle immagini (correzione di campo piano, filtri, segmentazione); riduzione di dimensionalita di immagini iperspettrali; applicazioni di biofotonica a sistemi di rilevanza biologica.