Caracterización eléctrica de muestras biológicas con resonadores de cuarzo como nanosensores

Abstract

La caracterización eléctrica local a escala nanométrica cobra un rol esencial en diversos campos de la biología. La caracterización eléctrica de muestras biológicas proporciona una visión sobre diferentes aspectos de éstas, como su relación con el medio o su comportamiento químico. Las microscopías por sonda de barrido (SPM) son unas de las principales herramientas para realizar este tipo de medidas. Estas microscopías se basan en la caracterización de muestras a nivel local a partir del control de las interacciones que aparecen entre la punta (extremo del sensor) y la muestra, principalmente la corriente túnel (STM – Scanning Tunneling Microscope) o las fuerzas atómicas (AFM – Atomic Force Microscope). En el STM, cuando una punta metálica afilada se sitúa suficientemente cerca de una muestra conductora, gracias al efecto túnel, aparece una corriente circulante entre ambas. Controlando esta corriente, se consigue regular la distancia entre ambas, pero restringiéndose su uso con muestras conductoras. Como evolución, el AFM detecta las fuerzas atómicas entre punta y muestra, posibilitando trabajar con cualquier tipo de muestra independientemente de sus propiedades eléctricas. La necesidad de caracterizar eléctricamente una muestra ha llevado a la aparición de diferentes soluciones para combinar ambas medidas AFM/STM. Una de las técnicas más extendidas es el uso del resonador de cuarzo (QTF – Quartz tuning fork) y una punta metálica como nanosensor de conductividad y AFM. El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de plataformas tecnológicas de gran precisión para la caracterización eléctrica de muestras biológicas a nivel nanométrico basadas en las técnicas AFM/STM. Una de las mayores limitaciones de las soluciones existentes para trabajar con el QTF como sensor C-AFM (Conductive AFM), es la necesidad de trabajar en la configuración Qplus, donde el QTF se debe excitar mecánicamente, siendo difícil cuantificar las medidas de fuerza realizadas; además, este modo obliga a trabajar con la punta vibrando perpendicularmente a la muestra con lo que se deben usar complejos sistemas para procesar ambas señales (fuerza y corriente) al ser adquiridas a través del mismo electrodo. En este trabajo se presenta un nuevo microscopio C-AFM basado en un QTF con una punta metálica acoplada sin adhesivo y en configuración Shear (oscilando en paralelo a la superficie de la muestra). Esta técnica se sustenta en el diseño de un cabezal que permite contactar un extremo del QTF con la punta, detectando las fuerzas y adquiriendo la corriente simultáneamente. El resonador se excita eléctricamente lo que posibilita una posterior cuantificación de las medidas. En este trabajo se presenta su validación a partir de medidas C-AFM sobre muestras de calibración. A partir de los diferentes resultados obtenidos y una vez observado el potencial de esta tecnología, se adaptó este sistema a una plataforma robótica multipunta. Esta plataforma está compuesta por dos nanoherramientas adaptadas para realizar medidas C-AFM. Cada una controlada por dos sistemas de posicionamiento ultrapreciso (movimiento micrométrico y nanométrico) junto a un microscopio óptico para el control del posicionamiento relativo de los sensores y la muestra. Este trabajo presenta diferentes validaciones con sistemas de calibración, demostrando la capacidad de esta plataforma para trabajar con dos nanoherramientas C-AFM simultáneas y capaces de realizar medidas diferenciales de impedancia. Una vez validado el sistema con la medida de capacidades discretas de valor conocido, se han realizado medidas de la impedancia de micropartículas de aluminio. Los últimos experimentos realizados sobre muestras de interés, muestran todo el potencial de estos equipos, capaces de realizar imágenes C-AFM sobre diferentes bacterias, determinar patrones en los tiempos de cultivo de biolfilms a partir de su impedancia, y situarse sobre micropartículas deseadas, midiendo su respuesta eléctrica. Además, se presentan otras tecnologías desarrolladas aplicadas a estas plataformas, que proporcionan una visualización conceptual de las posibilidades para realizar ensayos electroquímicos a distancia controlada, ofreciendo nuevas posibilidades para ensayos SECM/AFM. Las diferentes prestaciones, posibilidades y resultados mostrados en este trabajo proporcionan una visión de las características y funcionamiento de esta tecnología, así como la gran oportunidad que se presenta en el estudio de las características eléctricas de muestras biológicas a partir de este nuevo punto de vista.

Electrical characterization of biological samples can give important information about the properties of the biological agents, their relationship with the medium, their chemical behavior and the basis of diverse biological phenomena. However, these types of characterization technologies have to overcome many limitations and difficulties, especially in microscopic and nanoscopic scenarios. The main objective accomplished by this Thesis is the development of high precision technological platforms applied to electrical characterization of biological samples at nanoscale. The present work shows different technologies based on a novel Conductive-AFM nanosensor using a QTF-metallic tip nanotool capable of simultaneously imaging the topography and conductance of a sample with nanoscale spatial resolution. The system is based on a header design which allows the metallic tip to be placed in tight and stable mechanical contact with the QTF without the need to use any glue. This technology allows force measurements while the electrical current is acquired by the metallic tip. The equipment has been validated with calibration sets and biological samples (CC and AC conditions). Results obtained show the possibilities of this technology for being adapted to a nanorobotic multitool platform. This platform consists of a two nanosensor systems composed by two 3 DoF motor units (micro and macro range) for each tool, and an optical microscope for the tip positioning. The combination of this C-AFM technology with the multitool station gives a new vision of the possibilities of the developed microscopy. During this work it has been demonstrated the great behavior of this novel platform validated by several calibration tests with known substrates, resistors and capacitors. Last experiments presented in this work explore the equipment capabilities studying the impedance of selected aluminum microparticles, the electrical behavior evolution of Escherichia Coli biofilms with the culture time and the nanoelectrical mapping of bacteria. Concept essays exploring the capabilities of the equipment with SECM/AFM measurements are also presented in the document. Results provided during this Thesis gives an overview of the behavior and the possibilities of this C-AFM nanorobotic multiplatform for the study of the electrical behavior of biological samples.