Detail předmětu

Microscopic and spectroscopic techniques in the life sciences

FEKT-MPA-SSTAk. rok: 2026/2027

Předmět je koncipován jako přehled technik v oblasti mikroskopie a spektroskopie. Předmět tak pokrývá oblasti od světelné mikroskopie včetně pokročilých zobrazovacích technik, dále oblast elektronové mikroskopie a vybrané techniky z oblasti spektroskopických a dalších laboratorních metod nejčastěji používaných v živých vědách. Důraz je kladen na korektní a přiměřené objasnění základních pojmů a technik. 

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Vstupní znalosti

Student(ka) by měl(a) být schopen/schopna vysvětlit základní optické zákony a znát principy popisu elektromagnetického pole. Měl(a) by mít také dostatečný matematický základ v oblasti maticového počtu. 

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

Hodnocení protokolů z laboratoří: max. 50 bodů
Prezentace vybrané laboratorní úlohy: max. 10 bodů
Hodnocení závěrečné zkoušky: max. 40 bodů
Závěrečná zkouška je zaměřena na testování znalostí jednotlivých principů ve světelné mikroskopii.
Laboratorní praktika jsou povinná a v případě omluvené absence je možná náhrada po domluvě s vyučujícím. 

Učební cíle

Cílem předmětu je poskytnout základní orientaci v oblasti světelné mikroskopie a spektroskopie a dalších laboratorních metodách používaných v oblasti živých věd. Absolvent(ka) předmětu je schopen/schopna:
- popsat základní vlastnosti elektromagnetického záření a světelných zdrojů,
- vysvětlit pojmy jako útlum, absorpce a rozptyl světla,
- aplikovat Fresnelovy koeficienty pro konkrétní případy,
- popsat princip světelného mikroskopu a funkci jednotlivých komponent,
- srovnat vlastnosti polarizační mikroskopie, temného pole, fázového kontrastu a Nomarského kontrastu,
- popsat jev fluorescence,
- popsat stavbu a aplikace fluorescenčního mikroskopu,
- popsat stavbu a aplikace laserového konfokálního mikroskopu,
- vysvětlit princip dvou-fotonové mikroskopie, metody TIRF, FLIM, FRET,
- vysvětlit princip superrozlišovacích technik,
- popsat princip elektronových mikroskopů a vybraných technik,
- popsat pincipy elektronové spektroskopie (absorpční, emisní),
- popsat principy vibrační spektroskopie (IR, Raman),
- diskutovat princip funkce spektrofotometrů a vlastností jednotlivých komponenty,
- charakterizovat a porovnat detektory světelného záření.
- vybrat vhodnou mikroskopickou či spektroskopickou techniku pro danou aplikaci. 

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

1. Zdroje světa, vlastnosti světla a základní radiometrické veličiny.
2. Interakce světla s hmotou (tkání) - absorpce, rozptyl, fluorescence. Chování světla na rozhraní prostředí (lom, odraz, Fresnelovy koeficienty).
3. Základní princip světelného mikroskopu, jeho parametry (prostorové rozlišení, numerrická apertura, hloubka ostrosti) a limitace dána difrakcí světla.
4. Popis a vlastnosti jednotlivých komponent mikroskopu - tělo mikroskopu, okulár, objektiv, kondenzor. Příklady mikroskopů jednotlivých výrobců.
5. Přímý a invertovaný mikroskop , fluorescenční mikroskop, temné pole, fázový kontrast, Nomarského diferenciální interferenční kontrast, Hoffmanův modulační kontrast.
6. Laserová konfokální mikroskopie - princip konfokality, vliv na prostorové rozlišení. Fluorescenční konfokální mikroskopie, dvoufotonová a vícefotonová mikroskopie.
7. Pokročilé mikroskopické techniky - TIRF, FRAP, FRET, holografická mikroskopie, light sheet.
8. Superrozlišovací techniky - STED, STORM, PALM.
9. Elektronová absorpční a emisní spektroskopie.
10. Vibrační spektroskopie - infračervená (FTIR) a Ramanova.
11. Elektronová mikroskopie  - základní principy TEM, SEM, STEM a další.
12. Detekory světla - bodové (PMT, APD, HyD) a maticové (CCD, CMOS, sCMOS), parametry a vlasnosti. 

Laboratorní cvičení

30 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

V rámci jednotlivých laboratorních úloh studentky a studenti postupují podle návodu, vyhodnotí a popíší výsledky měření a na závěr je diskutují s vyučujícím. Dostanou tak zpětnou vazbu a případně se doptají a doplní znalosti z dané problematiky. Témata úloh jsou následující:

1. Principy stereomikroskopu - měření rozlišení, ověření vlivu osvětlení, clonového čísla na scénu.

2. Princip mikroskopu - konstrukce mikroskopu na optické lavici, vliv kvality osvětlení na rozlišení.

3. Konstrukce fluorescenčního mikroskopu - sestavení fluorescenčního mikroskopu, měření rozlišení, vliv objektivů na kvalitu obrazu.

4. Difrakce a princip spektrofotometru - využití difrakční mřížky při konstrukci spektrofotometru, vliv štěrbiny.

5. Mikroskopie v tmavém poli a fázový kontrast - studování vlastností temného pole a fázového kontrastu včetně základního zpracování obrazu scény.

6. Měření v polarizovaném světle - ověření principu polarizace, Malusův zákon.

7. Vlastnosti fluorescence - práce se spektrofotometry, Kashovo pravidlo, efekt vnitřního filtru.

8. Měření statických vlastností optických detektorů - měření prenosové charakteristiky fotonásobiče a lavinové fotodiody.

9. Optické aberace - praktické měření s Hartmann-Shackovým aberometrem, eliminace sférické aberace, studium astigmatismu.

10. Maticová reprezentace optických systémů - základní princip a popis jednoduchých systémů.

Seminář

3 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Během semináře studenti a studentky prezentují vybranou laboratorní úlohu, včetně základní teorie, svých výsledků měření a jejich interpretaci. Seminář je koncipován jako mini-konference, tedy i s dotazy z publikace, tvořeného vyučujícími a studenty a studentkami.

Exkurze

3 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Během semestru je organizována exkurze/workshop k některému výrobci elektronových mikroskopů  (Delong Instruments, ThermoFisher Scientific, Tescan).

Individuální příprava na laboratoře

20 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Studenti a studentky mají k dispozici ke každé laboratorní úloze  zpracované materiály ke studiu. Ty si samostaně projdou předem a případně si dohlédavají informace v prezentacích k přednáškám či čerpají z jiných zdrojů, které jsou uvedeny na e-learningu k předmětu.

Čas také věnují přípravě na seminář, kde prezentují předem určené téma.

Individuální příprava na závěrečnou zkoušku

38 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor