Praktyczne zastosowania spektroskopii Ramana

monograficzne

Zakłada się, że student opanował podstawy spektroskopii molekularnej, ze szczególnym uwzględnieniem rozpraszania ramanowskiego

zdalnie

Celem wykładu jest zapoznanie studentów z podstawami wybranych technik wykorzystujących w zaawansowany sposób efekt rozpraszania Ramana oraz zaprezentowanie przeglądu zastosowań metod spektroskopii ramanowskiej w nauce, sztuce i przemyśle. Szczególny nacisk położony będzie na zastosowania biologiczne i biomedyczne (tj. w medycynie lub farmacji).

Krótka charakterystyka technik spektroskopii ramanowskiej: klasycznego rozpraszania ramanowskiego, rezonansowego efektu Ramana (RR), powierzchniowo wzmocnionego rozpraszania ramanowskiego (SERS), techniki TERS (tip-enhanced Raman scattering) oraz spektroskopii CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering). Porównanie zasad i możliwości technik obrazowania: mapowania ramanowskiego, CARS oraz TERS.

Zaprezentowanie podstaw fizycznych zjawisk wykorzystywanych w danej technice oraz przydatności i ograniczeń poszczególnych metod do identyfikacji substancji oraz oznaczeń ilościowych, w badaniach, struktury krystalicznej, kinetyki procesów chemicznych, procesów powierzchniowych, nanomateriałów, polimerów, leków, biologicznie ważnych molekuł, patogenów (bakterii i wirusów) oraz składników organizmów żywych (białek, kwasów nukleinowych, komórek i tkanek).

Zademonstrowanie zastosowań metod spektroskopii ramanowskiej w archeologii, sztuce, konserwacji zabytków, medycynie (w tym diagnostyce oraz teranostyce), farmacji, geologii, astrobiologii oraz analityce chemicznej, z uwzględnieniem trudności analizy jakościowej na podstawie widm/map ramanowskich. Omówienie zastosowań nanotechnologii w kontekście spektroskopii SERS i materiałów wielofunkcyjnych oraz nakreślenie zarysu możliwości chemometrii i uczenia maszynowego do dużych zestawów danych ramanowskich.

W trakcie wykładu szczegółowo omówione zostaną m.in. następujące zagadnienia:

a) spektrometr ramanowski w poszukiwaniu życia na Marsie,

b) zasada działania ramanowskich szczypiec optycznych,

c) możliwość pomiarów ramanowskich in vivo (w tym we wnętrzu komórek),

d) obrazowanie komórek, tkanek i metabolitów za pomocą spektroskopii CARS,

e) monitorowanie dystrybucji leku oraz jego oddziaływań z komórkami w próbkach biologicznych poprzez rejestrację map ramanowskich,

f) działanie wewnątrzkomórkowego czujnika pH opartego na spektroskopii SERS,

g) badanie mechanizmu przeniesienia elektronu w układach imitujących procesy biologiczne za pomocą rozdzielczej w czasie spektroskopii SERRS (sprzężenie SERS i RR),

h) analiza pigmentów używanych w dziełach sztuki za pomocą technik RR i SERS,

i) spektroskopia RR jako narzędzie do analizy lakierów samochodowych pozwalającej ująć sprawców stłuczek samochodowych,

j) identyfikacja bakterii z użyciem techniki Ramana oraz SERS,

k) testy immunologiczne wykorzystujące efekt SERS (w tym wykrywanie wirusa SARS-CoV-2),

l) diagnostyka chorób za pomocą technik ramanowskich wspartych uczeniem maszynowym i chemometrią,

m) wielofunkcyjne nanomateriały hybrydowe funkcjonalne aktywne w spektroskopii SERS (m.in. do celów teranostycznych),

n) użyteczność spektroskopii Ramana w analizie mikroplastiku.

W przypadku każdej techniki przykłady zastosowań zostały dobrane tak, aby uwypuklić zalety i ograniczenia danego podejścia. Stanowią one także aktualny przegląd możliwości poszczególnych metod w wybranych dziedzinach.

Całkowity nakład pracy: 35 godz. w tym:

- udział w zajęciach - 15 godz.

- konsultacje z prowadzącym - 10 godz.

- przygotowanie do zaliczenia - 10 godz.

1. Praca zbiorowa, red. Małek K. Spektroskopia oscylacyjna. Od teorii do praktyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.

2. Materiały z prezentacji multimedialnych demonstrowanych w ramach wykładu

3. Polecane publikacje przeglądowe.

Wiedza

Po wysłuchaniu wykładu student zna i rozumie:

• Fizyczne podstawy oraz aspekty budowy nowoczesnej aparatury pomiarowej stosowanej w zaawansowanych technikach spektroskopii ramanowskiej (klasyczne rozpraszanie, RR, SERS, TERS, CARS) wykorzystywanej w badaniach chemicznych i biomedycznych.

• Możliwości wykorzystania technik ramanowskich do monitorowania dystrybucji i oddziaływań substancji leczniczych w układach biologicznych w kontekście poznawania mechanizmów działania leków na poziomie molekularnym oraz specyfiki projektowania substancji leczniczych

• Zasady działania, właściwości i potencjał aplikacyjny biosensorów oraz nowoczesnych metod obrazowania ramanowskiego w diagnostyce medycznej, szczególnie w wykrywaniu zmian patologicznych w obrębie tkanek oraz całego organizmu.

• Metody otrzymywania i charakterystyki nanomateriałów (w tym hybrydowych materiałów wielofunkcyjnych) oraz korelacje między ich strukturą a właściwościami fizykochemicznymi istotnymi dla celów terapeutycznych i diagnostycznych (teranostyka z wykorzystaniem technik ramanowskich)

• Podstawowe algorytmy, narzędzia informatyczne i bazy danych niezbędne do obróbki, prezentacji oraz interpretacji złożonych wyników badań naukowych (tu: dane spektralne i map ramanowskie).

• Aktualne trendy rozwojowe współczesnej analityki medycznej oraz zaawansowane zjawiska fizyczne i chemiczne leżące u podstaw nowoczesnej diagnostyki molekularnej za pomocą technik ramanowskich.

Umiejętności

Po wysłuchaniu wykładu student potrafi:

• Wskazać i uzasadnić wybór konkretnej techniki ramanowskiej (np. SERS, CARS, TERS) adekwatnej do analizy postawionego konkretnego problemu z zakresu chemii medycznej lub diagnostyki obrazowej.

• Wykorzystać wiedzę o zaawansowanych technikach spektroskopii Ramana do opisu procesów chorobowych, w szczególności poprzez wykorzystanie obrazowania medycznego do identyfikacji zmian patologicznych w tkankach i narządach.

• Analizować i krytycznie oceniać wiarygodność wyników uzyskanych za pomocą metod ramanowskich, biorąc pod uwagę specyfikę próbek biologicznych oraz ograniczenia różnych koncepcji pomiarowych (np. rozdzielczość obrazowania ramanowskiego vs CARS i TERS).

• Zaplanować eksperyment bazujący na spektroskopii Ramana, pozwalający na identyfikację substancji chemicznych lub patogenów w złożonych matrycach biologicznych.

• Zaplanować i przeprowadzić badania doświadczalne, zebrać i interpretować dane empiryczne oraz ocenić wiarygodność uzyskanych wyników i błędów pomiarowych.

• Samodzielnie zdobywać wiedzę i rozwijać profesjonalne umiejętności, korzystając z fachowej literatury (także obcojęzycznej) oraz zasobów baz danych w celu zaprojektowania eksperymentu.

Kompetencje społeczne

Po wysłuchaniu wykładu student jest gotów do:

• Krytycznej oceny treści naukowych i popularnonaukowych z zakresu zaawansowanych metod spektroskopii Ramana stosowanych w chemii i medycynie.

• Określenia zakresu posiadanej przez siebie wiedzy oraz krytycznej oceny stopnia jej zaawansowania, a w przypadku trudności – do zasięgania opinii ekspertów.

• Ciągłego dokształcania się oraz samodzielnego wyszukiwania informacji w literaturze fachowej (także obcojęzycznej) w celu podnoszenia kompetencji zawodowych.

Wiedza:

K_W02 aspekty budowy i działania nowoczesnej aparatury pomiarowej wspomagającej badania naukowe w laboratorium chemicznym

K_W06 mechanizmy działania leków na poziomie molekularnym

K_W07 zasad działania, właściwości i zastosowań różnego rodzaju biosensorów

K_W11 aktualne trendy rozwojowe współczesnej analityki medycznej

K_W13 podstawowe algorytmy, narzędzia informatyczne i bazy danych stosowane w badaniach i obliczeniach naukowych

K_W16 wybrane, zaawansowane zjawiska i procesy chemiczne, fizyczne i biologiczne

K_W20 sposoby otrzymywania nanomateriałów do zastosowań biomedycznych i potrafi wymienić sposoby ich otrzymywania z punktu widzenia chemii organicznej i nieorganicznej

K_W21 metody charakterystyki nanomateriałów stosowanych w medycynie w szczególności

korelacji pomiędzy metodami strukturalnymi, fizykochemicznymi, spektroskopowymi oraz

chromatograficznymi nanomateriałów substancji leczniczych

Umiejętności:

K_U02 zastosować odpowiednie metody, techniki, narzędzia badawcze i informatyczne konieczne dla wyjaśnienia postawionego problemu badawczego

K_U06 analizować możliwości usprawniania postępowania analitycznego na potrzeby zastosowań analizy chemicznej dla potrzeb medycznych

K_U07 rozpoznawać możliwości wykorzystania różnych konstrukcji zmechanizowanej

instrumentacji do potrzeb analitycznych

K_U09 oceniać możliwości i ograniczenia stosowania różnych koncepcji usprawniania pomiarów analitycznych

K_U12 samodzielnie zdobywać wiedzę i rozwijać swoje profesjonalne umiejętności, korzystając z różnych źródeł, w tym także w języku obcym

K_U15 planować i wykonywać badania doświadczalne lub obserwacje oraz analizować ich wyniki

K_U16 przeprowadzać pomiary wybranych wielkości fizykochemicznych, wyznaczać ich wartości oraz błędy pomiarowe oraz ocenić wiarygodność uzyskanych wyników

K_U18 zaplanować i określić cel badawczy, zaplanować oraz przeprowadzić jego realizację, jak również zbierać i interpretować dane empiryczne

K_U20 korzystać z literatury fachowej, baz danych oraz innych źródeł informacji, oraz

umiejętność oceny rzetelności pozyskanych informacji.

K_U21 opisać podstawy stojące za wykorzystaniem nanomateriałów w diagnostyce, w

szczególności w obrazowaniu medycznym oraz wykrywaniu zmian patologicznych w

obrębie tkanek czy całego organizmu

K_U22 wymienić podstawowe typy nanocząstek stosowanych w diagnostyce oraz rozumie

podstawy zjawisk fizycznych za nimi stojących

Kompetencje społeczne:

K_K01 ciągłego dokształcania się oraz samodzielnego wyszukiwania informacji w literaturze,

także obcojęzycznej

K_K04 krytycznej oceny treści naukowych i popularnonaukowych

K_K05 określenia zakresu posiadanej przez siebie wiedzy i umiejętności oraz do podnoszenia

kompetencji zawodowych i osobistych

K_K07 krytycznej oceny stopnia zaawansowania swojej wiedzy (w przypadku trudności z

samodzielnym rozwiązaniem problemu zasięga opinii ekspertów) i samodzielnego

podejmowania i inicjowania prostych działań badawczych

Egzamin końcowy w formie pisemnej lub ustnej: kilka otwartych pytań wymagających zwięzłej odpowiedzi, w tym również propozycja techniki ramanowskiej stosownej do rozwiązania wskazanego problemu badawczego. Czas: do 90 minut.

Nie dotyczy