Micro and nanoscale phenomena for biomedicine

Questo insegnamento, collocato al primo semestre del secondo anno della Laurea Magistrale in Nanotecnologie per le ICT, intende fornire gli strumenti teorici e metodologici aggiornati su materiali, tecnologie, caratterizzazioni e tecniche di design per la realizzazione di micro/nano-strutture e micro/nano-dispositivi da applicare alla biomedicina, con particolare enfasi alla micro/nano-fluidica e alla micro/nano-meccanica.
Il corso è suddiviso in tre parti: nella prima vengono richiamate le basi delle micro e nanotecnologie e della sensoristica; nella seconda vengono approfonditi gli aspetti fondamentali della micro/nano-fluidica e della micro/nano-meccanica nei M/NEMS (Micro/Nano-Electro-Mechanical-Systems). Nella terza parte si discutono le tematiche relative ai nuovi strumenti diagnostici che integrano nanosensori con piattaforme microfluidiche (LOC, Lab-On-Chip) per applicazioni biomedicali.

Modern Optics

This course aims to provide the mathematical and conceptual tools for understanding modern optics, in the framework of optical imaging systems. Specifically, the theoretical foundations of physical optics will be introduced, together with a number of applications relevant in the field of nano-bioscience.
Starting from the classical description of electromagnetic wave propagation, the geometrical and physical optics approximations will be introduced, while discussing their applicability limits.
Image formation is addressed for both scalar and fully vectorial electromagnetic fields, by mean of a Fourier Transformation formalism. The image formation mechanism is explained through the concepts of spatial resolution, point spread function and transfer function of optical elements, for both coherent and incoherent illumination. As application examples, the wide-field microscope and the scanning confocal microscope will be considered, wherein aberrations and image distortion (chromatic aberrations, vignetting, coma, spherical aberration, etc.) are treated mathematically.
More advanced microscopy techniques based on the use fluorescent probes will be also described, such as STED, FLIM, FRET.
In the second part of the course, the principles of temporal and spatial coherence of electromagnetic radiation will be addressed, with particular attention to the relationships between extended sources and spatial coherence (Van Cittert-Zernike theorem), spectral distribution and temporal coherence (Weiner-Khinchin theorem). Interferometric approaches to optical imaging will be introduced based on speckle analysis and wavefront analysis. Finally, specific applications of holographic and interferometric imaging will be explained (e.g. Mach-Zehnder microscopy, Quantitative Phase Imaging, Optical Coherence Tomography), by means of optoelectronic devices such as Wavefront Analysers and Spatial Light Modulators.

Micro and nanoscale phenomena for biomedicine

Al termine del corso lo studente acquisirà le seguenti conoscenze:
- nuovi concetti sulle proprietà dei materiali alla micro/nano-scala
- nuovi concetti su realizzazione e caratterizzazione di micro/nano-strutture e M/NEMS
- progettazione di micro/nano-sistemi e M/NEMS
- fondamenti di micro/nano-fluidica
- fondamenti di micro/nano-meccanica
- applicazioni di M/NEMS e LOC alla diagnostica biomedicale
Al termine del corso lo studente acquisirà le seguenti abilità:
- capacità di identificare le proprietà chiave dei materiali e dei dispositivi alla micro/nano-scala
- capacità di sfruttare fenomeni alla micro/nano-scala per dispositivi M/NEMS
- capacità di sfruttare i M/NEMS e i LOC per la diagnostica biomedicale

Modern Optics

The student is expected to acquire knowledge in:
- fundamental principles of optical imaging
- operation of most widely used microscopy/interferometric techniques with particular regard to the nano-bio domain
Expected skills are:
- ability to understand the underlying mechanisms of complex imaging systems
- ability to design and operate optical systems for specific imaging purposes

Micro and nanoscale phenomena for biomedicine

- Fisica generale (meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, ottica)
- elementi di chimica
- elementi di meccanica quantistica e di elettronica
- elementi di scienza dei materiali
- elementi di tecnologia M/NEMS

Modern Optics

Classical Electromagnetism, Mathematical Analysis (Calculus).

Micro and nanoscale phenomena for biomedicine

- Richiamo delle basi delle micro e nanotecnologie (0,5 cfu)
- Introduzione alla sensoristica (metodi di trasduzione, sensibilità, selettività, precisione, ...) e ai sensori a base M/NEMS (1,5 cfu)
- fondamenti di micro/nano-fluidica (1 cfu)
- fondamenti di micro/nano-meccanica (1 cfu)
- applicazioni biomediche di M/NEMS e LOC (2 cfu)

Modern Optics

- Brief summary of classical electromagnetism and wave propagation
- Geometrical and physical Optics
- Mathematical description of image formation theory
- Optical wide-field microscopy and scanning confocal microscopy
- Advanced fluorescence microscopy
- Statistical Optics and speckles: spatial coherence of light
- Interferometric, holographic and adaptive image formation systems
- Control and manipulation of wave fronts: wavefront analysers, spatial light modulator devices
- Imaging through turbid media

Micro and nanoscale phenomena for biomedicine

Durante il corso è prevista un’esercitazione di laboratorio presso il DISAT – Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia, nella quale gli studenti, a piccoli gruppi e sotto la supervisione del docente, implementeranno un’analisi biomedicale con nanobiosensori meccanici.

Modern Optics

The course involves class lectures, supported with electronic slides and old-fashioned blackboard writing; and class exercises. During class exercises, simple applications will be considered.
In addition, practical "hands-on" sessions will be organized, depending on the availability of research laboratories and scientific personnel.

Micro and nanoscale phenomena for biomedicine

Le slide presentate a lezione saranno periodicamente caricate sul "portale della didattica". Ad integrazione, saranno suggeriti libri e siti web.

Modern Optics

J.W. Goodman, Introduction to Fourier Optics
J.W. Goodman, Statistical Optics
B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamental of Photonics
Additional supporting material provided during the course

Micro and nanoscale phenomena for biomedicine

L’esame finale è composto da:
3. uno scritto con domande tematiche e a risposta multipla su argomenti svolti a lezione
4. una presentazione orale facoltativa di approfondimento su un dispositivo o un argomento trattato durante corso (massimo 3 punti).
L'uso di materiale didattico (libri, appunti, slides, ecc...) è vietato durante gli esami.

Modern Optics

The exam includes a written and an oral discussion. The written part consists of : a) simple symbolic or numeric examples of the concepts explained in the course; b) multiple-answer questions; c) topical themes to be extensively discussed. The total allotted time is 2 hrs. A total score of at least 15/30 is required to access to the oral examination, which will last 20-30 mins on average.