Přehled nabízených témat dizertačních prací:

Plasmonické nanostruktury s extraordinární transmisí pro optické biosenzory

Školitel: Prof. Ing. Jiří Homola, CSc., DSc.

Tématem disertační práce je výzkum plasmonických nanostruktur s extraordinární transmisí a jejich využití pro konstrukci optických biosenzorů pro vysoce citlivou detekci biomolekul. Teoretická část práce bude zaměřena na modelování optických vlastností plasmonických nanostruktur založených na uspořádaném poli děr nanoskopických rozměrů  v tenké kovové vrstvě a studium vlivu parametrů nanostruktury na citlivost k lokalizovaným molekulárním procesům v různých oblastech nanostruktury. Experimentální část práce bude věnována přípravě a charakterizaci nanostruktur metodami elektronové litografie a rastrovací elektronové mikroskopie a realizaci optického systému pro měření (spektrální) transmise na těchto nanostrukturách. Student se bude rovněž podílet na experimentech, v nichž budou realizované nanostruktury a optický systém využity pro citlivou detekci vybraných biomolekul.

Téma je vhodné pro studenty fyzikálních a technických oborů (MFF UK/ FJFI ČVUT)

Mikroskopie povrchových plasmonů a její biologické aplikace

Školitel: Prof. Ing. Jiří Homola, CSc., DSc.

Práce se zabývá metodou mikroskopie povrchových plasmonů s cílem navrhnout a vybudovat aparaturu pro mikroskopii povrchových plasmonů pro detekci biomolekul. V rámci teoretické části práce se bude student zabývat modelováním zobrazení lokalizovaných (bodových) změn indexu lomu při povrchu tenké kovové vrstvy, na níž se šíří povrchové plasmony a návrhem optického systému a metod pro zpracování obrazových dat. Pozornost bude rovněž věnována rozšíření metody mikroskopie povrchových plasmonů současným měřením na několika vlnových délkách a využitím nanotexturovaných povrchů. Realizovaný systém pro mikroskopii povrchových plasmonů bude využit v modelových experimentech, v nichž budou na povrchu senzoru pokrytého vybranými molekulárními receptory detekovány molekuly nesoucí kovové či dielektrické nanočástice.

Téma je vhodné pro studenty kvantové optiky, optoelektroniky či příbuzných oborů (MFF UK/ FJFI ČVUT)

Plasmonické nanostruktury pro miniaturní optické biosenzory

Školitel: Prof. Ing. Jiří Homola, CSc., DSc.

Tématem disertační práce je výzkum optických nanostruktur s povrchovými plasmony a jejich využití pro konstrukci nových optických biosenzorů schopných vysoce lokalizované detekce biomolekul. Teoretická část práce bude zaměřena na modelování optických vlastností metalických nanostruktur numerickými metodami, např. metodou konečných diferencí v časové doméně (FDTD). V experimentální části práce se doktorand bude věnovat přípravě nanostruktur metodami elektronové a koloidní litografie a vývoji optického systému pro spektroskopii povrchových plasmonů na těchto nanostrukturách. Doktorand se bude rovněž podílet na experimentech, v nichž budou realizované nanostruktury a optický systém využity pro citlivou detekci vybraných biomolekul.

Téma je vhodné pro studenty fyzikálních a technických oborů (MFF UK/ FJFI ČVUT)

Funkční molekulární soubory pro nanosenzory

Školitel: Prof. Ing. Jiří Homola, CSc., DSc.

Rozvoj nanotechnologií a jejich biologické aplikace vytváří vzrůstající poptávku po biomolekulárních vrstvách, které budou tvořit rozhraní mezi (anorganickými) nanostrukturami a biologickým prostředím. Tyto biomolekulární vrstvy přitom mohou realizovat důležité funkce, jako je například rozpoznávání a zachycování biologicky důležitých biomolekul. Práce je zaměřená na vývoj nových molekulárních vrstev schopných rozpoznávat vybrané biomolekuly s vysokým prostorovým rozlišením (~ 10 nm) na specifických oblastech vybraných planárních nanostruktur. Práce bude rovněž zahrnovat jejich charakterizaci optickými metodami (fluorescenční spektroskopie, absorpční spektroskopie, resonance povrchových plasmonů). Realizované biomolekulární vrstvy budou charakterizovány v modelových experimentech, v nichž budou detekovány biologicky významné biomolekuly (např. molekuly se vztahem k nádorovým onemocněním či Alzheimerově chorobě).

Téma je vhodné pro studenty chemických, biochemických či biofyzikálních oborů (VŠCHT/PřF UK/MFF UK)

Biosenzory s povrchovými plasmony pro studium biomolekulárních interakcí

Školitel: Prof. Ing. Jiří Homola, CSc., DSc.

Disertační práce je zaměřená na rozvoj metody rezonance povrchových plasmonů pro studium biomolekulárních interakcí a její využití pro studium interakcí biologicky významných biomolekul. Interakce mezi biomolekulami mají zásadní význam v řadě důležitých fyziologických i patologických procesů. Dnešní metody však studují především interakce izolovaných biomolekul. Hlavním cílem práce je proto rozšířit využitelnost technologie biosenzorů s povrchovými plasmony na studium biomolekul za podmínek blízkých fyziologickým, v nichž se biomolekulární interakce odehrávají za přítomnosti dalších (bio)molekul, které mohou významně ovlivňovat podmínky interakce i její výsledek. Práce bude zahrnovat přípravu a charakterizaci funkčních vrstev pro imobilizaci biomolekul na povrchu biosenzoru a jejich charakterizaci a vývoj a optimalizaci metodologií pro pozorování molekulárních interakcí. Pozornost bude rovněž věnována analýze kinetických měření pro určování interakčních modelů a jejich parametrů. Získané poznatky budou aplikovány na studium biologicky významných biomolekul (např. molekul se vztahem k Alzheimerově chorobě).

Téma je vhodné pro studenty chemických, biochemických či biofyzikálních oborů (VŠCHT/PřF UK/MFF UK)

Optické biosenzory pro detekci biomarkerů onko-hematologických chorob

Školitel: Prof. Ing. Jiří Homola, CSc., DSc.

Disertační práce je zaměřená na vývoj metodologie založené na afinitních biosenzorech s povrchovými plasmony (surface plasmon resonance) pro detekci molekulárních biomarkerů. Hlavním cílem práce je identifikovat vhodné receptory a charakterizovat jejich interakci s vybranými biomarkery nádorových onemocnění, vyvinout metody pro jejich ukotvení na povrchu biosenzoru s povrchovými plasmony a navrhnout a optimalizovat detekční formát a metodologii pro detekci vybraných biomarkerů onko-hematologických chorob v biologických vzorcích (např. krevní plazmě). Pozornost bude rovněž věnována možnostem zvýšení citlivosti a specificity pomocí funkčních nanočástic.

Téma je vhodné pro studenty analytické chemie (VŠCHT/PřF UK) či příbuzných oborů.

Super-resolution mikroskopie s rozptylovými značkami. 

Školitel: Mgr. Marek Piliarik, Ph.D.

Molekulární značky umožňují v přirozeném prostředí sledovat chování a pohyb jednotlivých molekul, například proteinů. Použití fluorescenčních značek je limitováno stabilitou a saturací fluorescenčního signálu. Alternativou jsou takzvané rozptylové značky, jakými jsou například kovové nanočástice, které vykazují silný rezonanční rozptyl. Nevýhodou rozptylových značek je jejich obvyklá velikost v řádu 20 až 50 nm, která významně přesahuje velikost sledovaných molekul a ovlivňuje jejich pohyb a interakce. 

Cílem tohoto projektu je výzkum vlastností nové generace extrémně malých rozptylových molekulárních značek, jejichž velikost bude menší než velikost označené molekuly (např. 1.4 nm Au55 klastr). Takové nanočástice pak budou využity jako značky různých vazebných míst jediné molekuly (např. proteinu) a mohou posunout limity rozlišení „super-resolution“ optických mikroskopů až na na sub-molekulární úroveň.

Optické zobrazování nano-dynamiky proteinů

Školitel: Mgr. Marek Piliarik, Ph.D.

Pochopení dynamiky vnitřního uspořádání makromolekul, zejména proteinů, v jejich přirozeném prostředí je kritickým krokem k poznání jejich biologické funkce. Experimentální metody však v této oblasti narážejí na řadu fundamentálních překážek, ať už to je prostorové rozlišení optických soustav, rychlost snímání fluorescenčních signálů, nebo průměrování přes heterogenní soubor molekul. 

Náplň disertační práce využívá nejnovější metodu optického zobrazování jednotlivých molekul bez použití fluorescenčních značek, která je prvním krokem k jejich další analýze. Cílem projektu je vyvinout optické metody, které umožní na základě změn rozptylu světla na jednotlivých molekulách popsat změny prostorového uspořádání makromolekul v reálném čase.

Spektroskopická charakterizace optických vláken dopovaných prvky vzácných zemin pro vláknové lasery

Školitel: Ing. Pavel Peterka, Ph.D.

Cílem práce je výzkum nových typů optických vláken dopovanými thuliem, případně thuliem a holmiem. Pozornost bude soustředěna na výzkum procesů přenosu energie mezi prvky vzácných zemin a získání kvantitativních parametrů charakterizujících tyto přenosy energie pro využití v numerických modelech vláknových laserů. Vlákna budou připravována na pracovišti týmu Vláknové lasery a nelineární optika ÚFE nebo získána v rámci spolupráce v Evropské akci COST MP1401 "Advanced fibre laser and coherent source as tools for society, manufacturing and lifescience". Předpokládáme experimentální ověření vybraných aplikací thuliem dopovaných křemenných optických vláken v laserech v okolí vlnových délek 2000 nm.

Studium nestabilních stavů vláknových laserů

Školitel: Ing. Pavel Peterka, Ph.D.

Nestability vláknových laserů jsou nyní aktuálním tématem výzkumu, zejména s ohledem na rostoucí výkony a nové vlnové délky těchto typů laserů a celospolečensky rychle rostoucí význam vláknových laserů. Předmětem práce bude výzkum fyzikálních příčin samovolných pulzací vláknových laserů v různých uspořádáních rezonátoru laseru, např. Fabryova-Perotova a kruhového rezonátoru. Teoretický a experimentální výzkum bude zaměřen na roli nedávno objeveného jevu samovolného rozmítání vlnové délky jako spouštěcího mechanizmu samovolného Q-spínání laseru a na roli stimulovaného Brillouinova rozptylu.
Zásady pro vypracování:

1. Zpracovat podrobnou rešerši literatury o Q-spínaných vláknových laserech.
2. Detailně se seznámit s teoretickými modely optických vláken dopovaných prvky vzácných zemin.
3. Osvojit si práci s vybranými numerickými modely vláknových laserů. 
4. Seznámit se s experimentálními sestavami vláknových laserů a metodami jejich charakterizace. 
5. Provést systematická experimentální měření samovolných pulzních režimů u vybraných konfigurací vláknových laserů (např. Fabryův-Perotův rezonátor, kruhový rezonátor aj.), a vybraným typem dopovaného vlákna (Yb, Er, nebo Tm). 
6. Na základě konfrontace experimentálních dat a teoretických výpočtů se pokusit vysvětlit fyzikální příčiny samovolných pulzací a navrhnout opatření k jejich omezení. 
7. Výsledky publikovat v recenzovaných časopisech.

Thuliem dopované vláknové lasery

Školitel: Ing. Pavel Peterka, Ph.D.

Teoretický a experimentální výzkum nových typů laserů s křemennými optických vlákny dopovanými thuliem, případně thuliem a yterbiem. Sestavení spektrálně, časově a prostorově rozlišeného numerického modelu vlákna. Teoretická optimalizace parametrů thuliem dopovaných optických vláken a dvouplášťových optických vláken dopovaných kromě thulia i yterbiem. Charakterizace vláken připravených v laboratoři optických vláken Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR nebo na spolupracujícím pracovišti na Univerzitě v Nice ve Francii. Spektroskopická charakterizace připravených vláken s použitím teoretického modelu. Experimentální ověření vybraných aplikací thuliem dopovaných křemenných optických vláken v laserech a zesilovačích v pásmech v okolí vlnových délek 800, 1470 nm a 2000 nm.

Ultra-slabá emise fotonů z biologických vzorků

Školitel: Ing. Michal Cifra, PhD.

Ultra-slabá emise fotonů (UPE) z biologických vzorků je univerzální jev v biologických systémech, při němž jako vedlejší produkt oxidativních reakcí dochází k vyzáření světla v optické části spektra. Tato emise má mimořádně nízkou intenzitu, takže je nejen neviditelná pouhým okem, ale je i podstatně slabší oproti ostatním známým bioluminiscenčním jevům. Bakalářské/diplomové/dizertační práce na toto téma budou mít zpravidla následující zaměření:

1. Experimentální studium ultra-slabé emise fotonů (UPE) z biologických vzorků, především buněčných kultur.
2. Vývoj a aplikace metod pro statistickou analýzu naměřených dat.
3. Interpretace výsledků za použití referenčních biochemických a fyzikálních metod.
4. Testování metod měření UPE pro praktické aplikace v medicíně a biochemii.

Téma je vhodné pro studenty širokého spektra oborů od biochemie, přes fyziku, až po elektrotechniku. Konkrétní zadání lze případnému zájemci upravit „na míru.“ Vzhledem k multidisciplinaritě tématu neočekáváme, že zájemce bude mít znalosti ze všech dotčených oblastí, avšak vyžadujeme od něj vysokou míru kompetence v oboru, který zájemce studuje. Předchozí laboratorní praxe není nutností, avšak je vítaná. Zájemce musí být schopen číst a psát anglický text a spolupracovat při řešení úkolů s ostatními členy týmu.

Seznam literatury:

1. M. Cifra and J. Pospíšil: Ultra-weak photon emission from biological samples: Definition, mechanisms, properties, detection and applications. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2014.
2. G. Reguera: When microbial conversations get physical. Trends in Microbiology, 19(3), 2011, pp 105-113.

Elektrodynamické efekty v biomolekulách

Školitel: Ing. Michal Cifra, PhD.

Naprostá většina bílkovin váže ve své struktuře elektrický náboj, který je nezbytný pro jejich správnou funkci. Mechanické vibrace proteinů a struktur z nich tvořených proto vytvářejí oscilující elektrické pole v jejich blízkosti. Současný výzkum se zaměřuje na výpočetní predikci vlastností tohoto pole a jeho experimentální ověření. Bakalářské/diplomové/dizertační práce na toto téma budou mít zpravidla následující zaměření:

1. Numerické modelování dynamiky biomolekul a elektromagnetických efektů spojených s vysokofrekvenčními pohyby náboje v biomolekulách.
2. Vývoj experimentální techniky a experimentální studium vysokofrekvenčních vlastností biomolekul na základě mikrovlnné spektroskopie a skenující mikroskopie.

Téma je vhodné zejména pro studenty biofyziky nebo jiných fyzikálních a technických oborů. Konkrétní zadání lze případnému zájemci upravit „na míru“ podle jeho studijního zaměření. Předchozí zkušenost s laboratorní prací či molekulárními simulacemi je výhodou, avšak není nezbytná. Zájemce musí být schopen číst a psát anglický text a spolupracovat při řešení úkolů s ostatními členy týmu.

Seznam literatury:

1. D. Havelka, M. Cifra and O. Kučera: Multi-mode electro-mechanical vibrations of a microtubule: In silico demonstration of electric pulse moving along a microtubule. Applied Physics Letters, 104(24), 2014.
2. M. Cifra, J. Z. Fields and A. Farhadi: Electromagnetic cellular interactions. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 105(3), 2011, pp. 223-246.