Київський національний університет імені Тараса Шевченка Інститут високих технологій Кафедра молекулярної біології, біотехнології та біофізики Укладач: докт біол наук, проф. Дзядевич С. В



Скачати 218.4 Kb.
Дата конвертації31.12.2016
Розмір218.4 Kb.


Київський національний університет
імені Тараса Шевченка

Інститут високих технологій
Кафедра молекулярної біології, біотехнології та біофізики
Укладач: докт. біол. наук, проф. Дзядевич С.В.

Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки




РОБОЧА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ


Спеціальність 8.18.01.00.23 „Високі технології”

Затверджено

на засіданні кафедри

Протокол № 4 від «15»жовтня 2012 р.


Зав. кафедрою

Говорун Д.М.

Директор інституту

Третяк О.В. .
КИЇВ - 2012
Робоча навчальна програма з дисципліни „Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки”
Укладач: докт. біол. наук, проф. Дзядевич С.В.

Лектори: докт. біол. наук, проф. Дзядевич С.В.

Викладачі: докт. біол. наук, проф. Дзядевич С.В.

Погоджено

з науково-методичною комісією

« » 2012 р.

.
Методичні рекомендації по вивченню дисципліни
Дисципліна „Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки” є однією з профілюючих для спеціалізації „Високі технології", яка викладається в 3 семестрі магістратури в обсязі 3 кредитів (за Європейською Кредитно-Трансферною Системою ECTS), в тому числі 51 години аудиторних занять. З них 34 години лекцій та 17 практичних робіт. Передбачається, що студенти матимуть 57 годин самостійної роботи. Підсумковий контроль у 3 семестрі – іспит.
Метою вивчення нормативної дисципліни „Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки”: є ознайомлення студентів з фізико-хімічними основами біомолекулярної електроніки та сучасними дослідженнями в цій галузі, навичками розробки та створення приладів бімолекулярної електроніки різного типу. Курс „Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки” є важливою складовою підвищення фундаментальної підготовки та вдосконалення їх умінь на старших курсах.
Предмет навчальної дисціпліни Біомолекулярна електроніка є сучасним мультидисциплінарним напрямком науки, який використовує фізичні перетворювачі різного типу та різноманітні біологічно селективні матеріали (ферменти, живі клітини, нуклеїнові кислоти та ін.) із залученням сучасних технологій.

В курсі детально розглядаються фізико-хімічні основи приладів біомолекулярної електроніки: I модуль (1 кредит) – сучасні електрохімічні перетворювачі біологічного сигналу в електричний; II модуль (1 кредит) – сучасні фізичні перетворювачі біологічного сигналу в електричний; III модуль (1 кредит) – сучасні технології створення приладів біомолекулярної електроніки та сенсорні масиви.


Вимоги до знань та вмінь.

Знати: основні типи сучасних приладів біомолекулярної електроніки, підходи до створення сучасних електрохімічних та фізичних перетворювачів та біоселективних елементів приладів біомолекулярної електроніки, методи інтеграції живих біологічних молекул з неживими трандюсерами.

Вміти: самостійно іммобілізувати деякі ферменти та інші біологічні молекули на поверхнях фізичних та електрохімічних перетворювачів, створювати деякі найпростіші лабораторні прототипи приладів біомолекулярної електроніки (наприклад, модель глюкозного біосенсора, уреазного електрохімічного біосенсора та модель ДНК-ового біосенсора на основі поверхневого плазмонного резонансу) .
Місце в структурно-логічній схемі спеціальності. Дисципліна „Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки” є складовою фундаментальної підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня „магістр” на спеціалізації «Високі технології», є підсумковим курсом, що в логіко-структурній схемі освіти на старших курсах спирається на курси, що вивчалися раніше: «Ензимологія», «Молекулярна біологія», розділи загальних курсів фізики та хімії, «Вибрані розділи математики та інформаційних технологій”, „Фундаментальні основи високих технологій”.
Контроль знань
Контроль здійснюється за модульно-рейтинговою системою. Підсумкова оцінка розраховується за накопичувальною системою. При цьому максимальна кількість балів встановлюється наступним чином:


3 семестр

Змістовний модуль 1

Змістовний модуль 2

Змістовний модуль 3

Комплексний підсумковий модуль (іспит)

Підсумкова оцінка за повний курс

Максимальна кількість балів

25

25

25

25

100



Зауваження. Оскільки комплексний підсумковий модуль (іспит) в 3 семестрі включає повний об’єм матеріалу даного курсу, необхідно, щоб остаточна підсумкова оцінка враховувала б оцінки за кожний модуль семестру.






Підсумкова оцінка за семестр

Комплексний підсумковий результат за курс (іспит)

Підсумкова оцінка за повний курс

Вагові коефіцієнти

1

1




Максимальна кількість балів

100

100

100

На семестр заплановано певну кількість контрольних та самостійних робіт, а саме:

3 контрольних та 3 самостійних робіт:

3 семестр

За 1 контрольну роботу студент може отримати - максимум 20 балів.

За самостійне завдання в першому модулі – максимум 5.

За перший змістовний модуль – максимум 25 балів.


За 2 контрольну роботу студент може отримати - максимум 20 балів.

За самостійне завдання в другому модулі – максимум 5.

За другий змістовний модуль – максимум 25 балів.
За 3 контрольну роботу студент може отримати - максимум 20 балів.

За самостійне завдання в третьому модулі – максимум 5.

За третій змістовний модуль – максимум 25 балів.

Терміни проведення модульних контролів у 3 семестрі :

1 модульний контроль – до 10 жовтня;

2 модульний контроль – до 20 листопада;

3 модульний контроль – до 25 грудня;

При цьому, кількість балів відповідає оцінці:



1-34 – «незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням дисципліни;

35-59 – «незадовільно» з можливістю повторного складання;

60-64 – «задовільно» («достатньо») ;

65-74 – «задовільно»;

75 - 84 – «добре»;

85 - 89 – «добре» («дуже добре»);

90 - 100 – «відмінно».
Шкала відповідності


За 100-бальною шкалою

Оцінка за національною шкалою

90 – 100

5

відмінно

85 – 89

4

добре

75 – 84

65 – 74

3

задовільно

60 – 64

35 – 59

2

незадовільно

1 – 34


Якщо за результатами модульно-рейтингового контролю студент отримав сумарну оцінку за три змістовні модуля, яка менше ніж 40 балів, то студент не допускається до заліку і вважається таким, що не виконав усі види робіт, які передбачаються навчальним планом на семестр з дисципліни „Фізико-хімічні основи біомолекулярної електроніки”.

Тематичний план лекцій та практичних занять

3 семестр


Номер

лекції


Назва лекції

Кількість годин

лекції

практичні

лабораторні

СРС

Контрольно модульна робота


ЗМ1: Сучасні електрохімічні перетворювачі біологічного сигналу в електричний (1 кредит)

1

Вступ до біомолекулярної електроніки. Класифікація приладів біомолекулярної електроніки. Типи біоселективних елементів. Типи перетворювачів. Методи іммобілізації біологічних молекул. Основні робочі характеристики приладів біомолекулярної електроніки. Переваги та недоліки.

2







17




2

Амперометричні датчики. Основні електрохімічні принципи, що лежать в основі амперометричного методу вимірювань. Типи електродів і варіанти підключень. Безмедіаторні та медіаторні амперометричні датчики. Амперометричні сенсори, основані на прямому переносі електронів.

2

2










3

Кондуктометричні датчики. Теоретичні основи кондуктометричного методу вимірювань. Електрохімічний імпеданс системи метал-розчин. Електропровідність розчинів. Перетворювачі для кондуктометричних біосенсорів та. схеми вимірювань.

2

2










4

Кондуктометричний метод у ферментному каталізі. Кондуктометричні ферментні біосенсори.

2













5

Потенціометричні датчики на основі (ІСПТ). Теоретичні основи роботи іон-селективних польових транзисторів (ІСПТ). Технологія створення ІСПТ. Схеми вимірювань для роботи з ІСПТ.

2

2










6

Ферментні біосенсори на основі ІСПТ.

2
















Модульна контрольна робота №1













1




Номер

лекції


Назва лекції

Кількість годин

лекції

практичні

лабораторні

СРС

Контро-льно модульна робота


ЗМ2: Сучасні фізичні перетворювачі біологічного сигналу в електричний (1 кредит)

7

Гравіметричні та термічні датчики. П’єзоелектричні біосенсори. Сенсори на основі поверхнево-активних хвиль. Термічні біосенсори. Термістори.

2

2




21




8

Оптичні датчики. Поляриметричні сенсори. Інтерферометри. Датчики на основі оптичних волокон. Оптроди.

2













9

Спектрофотометричні датчики. Спектрофотометричний метод в біології. Фотоплетизмографи. Оксиметри. Труднощі, що виникають при реалізації неінвазійних сенсорів.

2













10

Люмінесцентні датчики. Загальні відомості про люмінесценцію. Теоретичні основи методу індукції флуоресценції хлорофілу. Хронофлуорометри.

2













11

Датчики на основі поверхневого плазмонного резонансу. Загальні принципи поверхневого плазмонного резонансу (ППР). Аналіз оптоелектронних каналів ППР сенсорів з паралельним і з розбіжним світловим пучком. Приклади приладів на основі поверхневого плазмонного резонансу.

2

2













Модульна контрольна робота №2













1



Номер

лекції


Назва лекції

Кількість годин

лекції

практичні

лабораторні

СРС

Контро-льно модульна робота


ЗМ3: Сучасні технології створення приладів біомолекулярної електроніки та сенсорні масиви (1 кредит)



12

Сучасні матеріали та технології створення приладів біомолекулярної електроніки.

2







21




13

Типи біоселективних елементів для приладів біомолекулярної електроніки: каталітичного типу, афінного типу, біоміміки.

2













14

Сучасні мікросистемні технології. Мікроелектромеханічні системи (МЕМС), мікропроточні комірки .

2













15

Мультисенсори та мультиферментні масиви. Мультисенсори прямого ферментного аналізу. Мультисенсори на основі ферментного інгібіторного аналізу. Біосенсори з використанням каскаду ферментативних реакцій. Датчики на основі мікроорганізмів.

2

2










16

Загальні принципи побудови інтелектуальних систем, функціональна схема, проектування, взаємодія з користувачем, зовнішній інтерфейс.

2

2










17

Комерційні варіанти систем на основі приладів біомолекулярної електроніки. Аналізатори для клінічної діагностики. Портативні аналізатори для використання в домашніх умовах. Системи для in vivo моніторингу в клінічних умовах. Аналізатори для харчової промисловості, біотехнологічного виробництва і екологічного моніторингу.

2
















Модульна контрольна робота №3













1




ВСЬОГО

34

14




57

3



Докладний план лекцій та самостійних завдань
6 семестр
Змістовний модуль 1: Сучасні електрохімічні перетворювачі біологічного сигналу в електричний
ЛЕКЦІЯ 1. (2 години)

Вступ до біомолекулярної електроніки. Класифікація приладів біомолекулярної електроніки. Типи біоселективних елементів. Типи перетворювачів. Методи іммобілізації біологічних молекул. Основні робочі характеристики приладів біомолекулярної електроніки. Переваги та недоліки.
ЛЕКЦІЯ 2. (2 години)

Амперометричні датчики. Основні електрохімічні принципи, що лежать в основі амперометричного методу вимірювань. Типи електродів і варіанти підключень. Безмедіаторні та медіаторні амперометричні датчики. Амперометричні сенсори, основані на прямому переносі електронів.

Практичні заняття. Ознайомлення з амперометричними біосенсорами.
ЛЕКЦІЯ 3. (2 години)

Кондуктометричні датчики. Теоретичні основи кондуктометричного методу вимірювань. Електрохімічний імпеданс системи метал-розчин. Електропровідність розчинів. Перетворювачі для кондуктометричних біосенсорів та. схеми вимірювань.

Практичні заняття. Ознайомлення з кондуктометричними біосенсорами.
ЛЕКЦІЯ 4. (2 години)

Кондуктометричний метод у ферментному каталізі. Кондуктометричні ферментні біосенсори.
ЛЕКЦІЯ 5. (2 години)

Потенціометричні датчики на основі (ІСПТ). Теоретичні основи роботи іон-селективних польових транзисторів (ІСПТ). Технологія створення ІСПТ. Схеми вимірювань для роботи з ІСПТ.

Практичні заняття. Ознайомлення з потенціометричними біосенсорами на основі ІСПТ.
ЛЕКЦІЯ 6. (2 години)

Ферментні біосенсори на основі ІСПТ.
Модульний контроль №1

Контрольні запитання.

  1. Визначення біомолекулярної електроніки. Як можна класифікувати прилади біомолекулярної електроніки.?

  2. Класифікація приладів біомолекулярної електроніки за типом біоселективного елементу.

  3. Класифікація приладів біомолекулярної електроніки за типом фізичного перетворювача. Типи електрохімічних біосенсорів.

  4. Наведіть методи іммобілізації біологічного матеріалу на поверхні перетворювачів.

  5. Сфери застосування приладів біомолекулярної електроніки.

  6. На чому основана робота амперометричних датчиків?

  7. Які ферменти використовуються для створення безмедіаторних амперометричних біосенсорів, наведіть приклади та загальні схеми таких реакцій.

  8. Наведіть приклади ферментів та медіаторів та загальні схеми реакцій для медіатор них амперометричних біосенсорів.

  9. Наведіть приклади амперометричних сенсорів, основаних на прямому переносі електронів

  10. На чому основана робота кондуктометричних датчиків?

  11. Наведіть приклади кондуктометричних ферментних біосенсорів.

  12. На чому основана робота потенціометричних біосенсорів на основі рН-чутливих польових транзисторів?

  13. Що з себе представляє іон-селективний польовий транзистор?

  14. Наведіть приклади ферментних біосенсорів на основі ІСПТ.


Самостійна робота студентів.

Постійними завданнями для самостійної роботи є:



1. Нанобіосенсори.
Література: [1, 2, 4, 9]
Змістовний модуль 2: Сучасні фізичні перетворювачі біологічного сигналу в електричний

ЛЕКЦІЯ 7. (2 години)

Гравіметричні та термічні датчики.. Сенсори на основі поверхнево-активних хвиль. Термічні біосенсори. Термістори.



Практичні заняття. Ознайомлення з термічними біосенсорами.
ЛЕКЦІЯ 8. (2 години)

Оптичні датчики. Поляриметричні сенсори. Інтерферометри. Датчики на основі оптичних волокон. Оптроди.
ЛЕКЦІЯ 9. (2 години)

Спектрофотометричні датчики. Спектрофотометричний метод в біології. Фотоплетизмографи. Оксиметри. Труднощі, що виникають при реалізації неінвазійних сенсорів.
ЛЕКЦІЯ 10. (2 години)

Люмінесцентні датчики. Загальні відомості про люмінесценцію. Теоретичні основи методу індукції флуоресценції хлорофілу. Хронофлуорометри.
ЛЕКЦІЯ 11. (2 години)

Датчики на основі поверхневого плазмонного резонансу. Загальні принципи поверхневого плазмонного резонансу (ППР). Аналіз оптоелектронних каналів ППР сенсорів з паралельним і з розбіжним світловим пучком. Приклади приладів на основі поверхневого плазмонного резонансу.

Практичні заняття. Ознайомлення з біосенсорами на основі поверхневого плазмонного резонансу.
Модульний контроль №2

Контрольні запитання.

  1. Наведіть приклади гравіметричних датчиків.

  2. Наведіть приклади термічних датчиків.

  3. Наведіть приклади термічних біосенсорів.

  4. Наведіть приклади п’єзоелектричних біосенсорів.

  5. Наведіть приклади сенсорів на основі поверхнево-активних хвиль.

  6. Наведіть приклади оптичних датчиків.

  7. Наведіть приклади поляриметричних сенсорів.

  8. Наведіть приклади датчиків на основі оптичних волокон.

  9. Наведіть пр иклади спектрофотометричних датчиків.

  10. Які труднощі виникають при реалізації неінвазійних сенсорів?

  11. Наведіть приклади люмінесцентних датчиків.

  12. Наведіть приклади хронофлуорометрів.

  13. Що таке поверхневий плазмонний резонанс?

  14. Наведіть приклади приладів на основі поверхневого плазмонного резонансу.


Самостійна робота студентів.

Постійними завданнями для самостійної роботи є:



  • робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою;

  • виконання самостійних завдань;

  • опрацювання частини лекційного матеріалу, винесеного на самостійне вивчення, а саме:

1. Сенсори на основі біоміміків


Література: [3, 5, 7, 12, 13]
Змістовний модуль 3: Сучасні технології створення приладів біомолекулярної електроніки та сенсорні масиви.

ЛЕКЦІЯ 12. (2 години)

Сучасні матеріали та технології створення приладів біомолекулярної електроніки.

ЛЕКЦІЯ 13. (2 години)

Типи біоселективних елементів для приладів біомолекулярної електроніки: каталітичного типу, афінного типу, біоміміки. Методи іммобілізації.
ЛЕКЦІЯ 14. (2 години)

Сучасні мікросистемні технології. Мікроелектромеханічні системи (МЕМС), мікропроточні комірки .
ЛЕКЦІЯ 15. (2 години)

Мультисенсори та мультиферментні масиви. Мультисенсори прямого ферментного аналізу. Мультисенсори на основі ферментного інгібіторного аналізу. Біосенсори з використанням каскаду ферментативних реакцій. Датчики на основі мікроорганізмів.

Практичні заняття. Ознайомлення з електрохімічними мультисенсорами та мультиферментними масивами (амперметричними, потенціометричними та кондуктометричними).
ЛЕКЦІЯ 16. (2 години)

Загальні принципи побудови інтелектуальних систем, функціональна схема, проектування, взаємодія з користувачем, зовнішній інтерфейс.

Практичні заняття. Ознайомлення з принципами побудови інтелектуальних систем.
ЛЕКЦІЯ 17. (2 години)

Комерційні варіанти систем на основі приладів біомолекулярної електроніки. Аналізатори для клінічної діагностики. Портативні аналізатори для використання в домашніх умовах. Системи для in vivo моніторингу в клінічних умовах. Аналізатори для харчової промисловості, біотехнологічного виробництва і екологічного моніторингу.

Модульний контроль №3

Контрольні запитання.

    1. Яким чином класифікуються технології, що використовуються при виготовленні біосенсорів.

    2. Наведіть типи біоселективних елементів для приладів біомолекулярної електроніки.

    3. Визначення сучасних мікросистемних технологій.

    4. Наведіть приклади мікроелектромеханічних систем.

    5. Основні принципи (підходи) іммобілізації ферментів та клітин.

    6. Необхідні вимоги, яких потрібно дотримуватись, при іммобілізації біологічного матеріалу.

    7. Що таке мультисенсори і для чого вони використовується?

    8. Які математичні підходи використовується для кількісного визначення токсинів?

    9. Які проблеми створення біосенсорів і як їх можна вирішити за допомогою мікроорганізмів.

    10. Коротко опишіть принцип роботи «електронного носу».

    11. Загальні принципи побудови інтелектуальних систем.

    12. Як розподіляються комерційні прилади на основі біосенсорів для використання в медичній діагностиці?

    13. Які вимоги приділяються при створенні стаціонарних аналізаторів для клінічної медичної діагностики?

    14. Перспективи розвитку біомолекулярної електроніки


Самостійна робота студентів.

Постійними завданнями для самостійної роботи є:



  • робота над лекційним матеріалом з конспектом та рекомендованою літературою;

  • виконання самостійних завдань;

  • опрацювання частини лекційного матеріалу, винесеного на самостійне вивчення, а саме:

1.  Електронний ніс та язик.


Література: [ 1, 3, 6, 10, 11, 14]
Підсумковий контроль – екзамен.

Перелік рекомендованої літератури
Основна:


  1. С.В.Дзядевич, О.П.Солдаткін. Наукові та технологічні засади створення мініатюрних електрохімічних біосенсорів. / Київ: Наукова думка, 2006.-

  2. S.V.Dzyadevych, A.P.Soldatkin Solid-state electrochemical enzyme biosensors / Київ: Академперіодика, 2008.-223с.

  3. І.Д.Войтович, В.М.Корсунський Інтелектуальні сенсори / редакційно-видавничий відділ з поліграфічною дільницею Інституту кібернетики ім. В.М.Глушкова НАН України, 2007.- 514 с.

  4. E.A.H.Hall, Biosensors. / Cambridge: Open University Press, 1991.- 351 р

  5. B.R. Eggins, Chemical sensors and biosensors. – John Willey and Sons, LTD, 1998.

  6. И. Корыта, И. Дворжак, В. Богачкова Электрохимия.- Москва: Мир, 1977.- 472 с.

  7. Encyclopedia of Sensors, Ed. C.A.Grimes, E.C.Dickey, M.V.Pishko, American Scientific Publisher, California, USA, 2006, V. 7, P.331-339.

  8. Bergveld P. Thirty years of ISFETOLOGY. What happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years // Sens. Actuators B. - 2003.- 88.- P. 1-20.


Додаткова:

  1. Coulet P.R. What is biosensor // Biosensor principles and application / Eds. L.J.Blum, P.R.Coulet. – New York: Marcel Dekker, 1991. – 1-6.

  2. Yu Lei, Wilfred Chen and Ashok Mulchandani Microbial biosensors //Analytica Chimica Acta, 2006, V. 568, # 1-2, P. 200-210.

  3. Lindy Murphy Biosensors and bioelectrochemistry // Current Opinion in Chemical Biology, 2006. –V.10, #2, P. 177-184.

  4. Silvana Andreescu and Jean-Louis Marty Twenty years research in cholinesterase biosensors: From basic research to practical applications // Biomolecular Engineering. - 2006. – V. 23, # 1, P. 1-15.

  5. Aziz Amine, Hasna Mohammadi, Ilhame Bourais and Giuseppe Palleschi Enzyme inhibition-based biosensors for food safety and environmental monitoring // Biosensors and Bioelectronics. - 2006, V. 21, # 8, , P.1405-1423.

  6. М.Д. Треван, Иммобилизованные ферменты: введение и применение в биотехнологии. / Москва: Мир,




База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка