Studying electrostatic polarization forces at the nanoscale. dielectric constant of supported biomembranes measured in air and liquid environment

Abstract

[eng] The objective of my thesis was to develop novel techniques and methods to probe the dielectric properties of biomembranes in air and their natural environment - liquid solution. The dielectric constant ε(r) of biomembranes is a parameter especially important in cell electrophysiology as it ultimately determines the ion membrane permeability, the membrane potential formation or the action potential propagation velocity, among others. However, no technique is able to provide this quantity with the required nanoscale spatial resolution and in electrolyte solution.

AFM is an extremely versatile tool to investigate electric properties at the nanoscale, and hence constitutes a good candidate technique to approach the quantification of the nanoscale dielectric properties of biomembranes. Although a few AFM techniques exist, capable of investigating polarization properties, it remains difficult to extract quantitative values of εr from the measurements, especially in liquid environment. One reason for this is on the instrumental side, since for studies at the nanoscale very small quantities have to be measured, that can be easily overwhelmed by electronic noise as it maybe for example the case in current sensing based techniques. Electrostatic Force sensing techniques may in principle have an advantage here, since the used cantilevers for force detection are extremely sensitive and naturally, undesired nonlocal electrical signals from the cantilever are suppressed. Another important aspect is attributed to a lack of sufficiently precise quantitative models to relate measured force with the dielectric constant value of the sample. Indeed, for measurements on insulating substrates like mica or glass that are sometimes required for biological samples, still no quantitative model is available. Moreover, successful measurements of dielectric properties in liquid media, that is fundamental for the functionality of some biological samples, has not been shown until now. As consequence of the existing limitations for quantitative dielectric imaging the objectives of this work were to extend the quantitative capabilities of Electrostatic Force Microscopy to image the dielectric constant of biomembranes with nanoscale spatial resolution. In particular, the three objectives I addressed in the work are: 1. To evaluate the possibility to perform quantitative dielectric measurement on biomembranes on metallic substrates and in air with Electrostatic Force Microscopy that may offer higher precision with respect to current sensing techniques. 2. To extend the applicability of quantitative dielectric measurement to the case of thick insulating substrates in order to facilitate its use with biomembranes that cannot be prepared on metallic substrates. 3. To develop a setup for dielectric imaging in liquid environment based either on current detection or on the principles of electrostatic force microscopy. Finally to perform nanoscale dielectric measurements on bio-membranes in their natural liquid environment. How each of these objectives could be reached is detailed in my thesis.

[spa] El objetivo de mi tesis era desarrollar nuevas técnicas y métodos para medir las propiedades dieléctricas de biomembranas en aire y en su medio natural, es decir, en solución líquida. La constante dieléctrica (εr) de las biomembramas es un parámetro especialmente importante en la electrofisiología celular, ya que fundamentalmente determina la permeabilidad iónica de la membrana, la formación del potencial de membrana o la velocidad de propagación del potencial de acción, entre otros. El AFM es una herramienta extremadamente versátil para investigar propiedades eléctricas a nanoescala, y por ello constituye una buena técnica candidata para la cuantificación de las propiedades dieléctricas de las biomembranas a nanoescala. Aunque existen algunas técnicas basadas en el AFM capaces de investigar las propiedades de polarización, continúa siendo difícil extraer valores cuantitativos de εr de las medidas, especialmente en medio líquido. Una de las razones radica en la parte instrumental, ya que para los estudios en la nanoescala tienen que medirse cantidades muy pequeñas, y este proceso puede verse entorpecido por ruido electrónico como puede ser el caso, por ejemplo, en las técnicas basadas en la detección de corriente eléctrica. En principio, las técnicas de detección de fuerza electroestática disponen aquí de una ventaja, ya que las sondas utilizadas para la detección de la fuerza son extremadamente sensibles y naturalmente se suprimen señales eléctricas no locales y no deseadas. Otro aspecto importante se atribuye a la falta de modelos cuantitativos suficientemente precisos para relacionar la fuerza medida con el valor de la constante dieléctrica de la muestra. En realidad, para realizar medidas en sustratos aislantes como son la mica o el vidrio, que a veces son necesarios para muestras biológicas, todavía no se dispone de ningún modelo cuantitativo. Por otra parte, hasta ahora no se han publicado medidas de propiedades dieléctricas en medio líquido, que para algunas muestras biológicas es fundamental para mantener la funcionalidad. Como consecuencia de las limitaciones existentes de las medidas dieléctricas, el objetivo de este trabajo fue extender las capacidades cuantitativas de la Microscopía de Fuerzas Eletroestáticas para hacer imágenes dieléctricas de biomembranas con resolución espacial a nanoescala en substratos conductores, aislantes y en medio líquido.