Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de ciències Fotòniques (ICFO)

[ANGLÈS] A recurring topic in cell biology has been the study of cell membrane molecules. Specifically the involvement of the distribution and dynamics of these molecules on cellular function. Several microscopy techniques have been employed for these studies and this thesis is focused on the utilization of the Near-field Scanning Optical Microscopy (NSOM) technique combined with Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). This approach provides high resolution and fast dynamic analysis at the cell membrane scale. Furthermore, the use of optical antenna probes has showed a significant improvement in the resolution [1,2]. However, these optical antennas lack the optical throughput necessary for FCS and have motivated the fabrication of Bow-tie Nano-Aperture (BNA) probes that have both the optical resolution as well as two orders of magnitude higher throughput [3]. On the other hand, the complex near-fields emanating from the BNA [3] complicates the interpretation of the FCS data. The goal of this thesis has been to design an optical probe that combines resolution, high optical throughput and simple excitation fields by using a new type of probe: Circular Nano-Aperture (CNA). The performance of BNA and CNA probes were compared in order to evaluate the viability of CNA probes to study cell membrane molecules dynamics.

[CASTELLÀ] Un tema recurrente en biología celular ha sido el estudio de las moléculas de la membrana celular. Concretamente, la implicación de la distribución y la dinámica de estas moléculas en las funciones celulares. Distintas técnicas de microscopía han sido empleadas para estos estudios, y esta tesis se focaliza en la utilización de la técnica Near-Field Scanning Optical Microscopy (NSOM) combinada con Fluoescence Correlation Spectroscopy (FCS). Este método proporciona una gran resolución y análisis de dinámica rápida a la escala de la membrana celular. Además, el uso de antenas ópticas ha mostrado una mejora significativa en la resolución. Sin embargo, la falta de transmisión óptica de estas antenas necesaria para FCS ha motivado la fabricación de pruebas Bowtie Nano-Aperture (BNA) que poseen tanto resolución óptica, como una transmisión óptica de dos órdenes de magnitud mayor. Por otra parte, la complejidad de los campos cercanos que emanan de las BNA complica la interpretación de los datos de FCS. El objetivo de esta tesis es diseñar una prueba óptica que combine resolución, gran transmisión óptica y campos cercanos sencillos diseñando un nuevo tipo de prueba: Circular Nano-Aperture (CNA). El rendimiento de las pruebas BNA y CNA ha sido comparado para evaluar la viabilidad de las CNA para el estudio de la dinámica de las moléculas de la membrana celular.

[CATALÀ] Un tema recurrent en biologia cel·lular ha estat el estudi de les molècules de la membrana cel•lular. Concretament, la implicació de la distribució i la dinàmica d’aquestes molècules en les funcions cel·lulars. Per a aquests estudis s’han utilitzat diferents tècniques de microscopia, i aquesta tesi es focalitza en l’utilització de la tècnica “Near-Field Scanning Optical Microscopy” (NSOM) combinada amb “Fluorescence Correlation Spectroscopy” (FCS). Aquest mètode proporciona una gran resolució i un ràpid anàlisi de la dinàmica a l’escala de la membrana cel·lular. A més, l’ús d’antenes òptiques ha demostrat una millora significativa en la resolució. Tot i així, la falta de transmissió òptica d’aquestes antenes necessària per FCS ha motivat la fabricació de proves “Bowtie Nano-Aperture” (BNA) que disposen tant de resolució òptica, com una transmissió òptica dos ordres de magnitud major. Per altre banda, la complexitat dels camps propers que surgeixen de les BNA complica la interpretació de les dades de FCS. L’objectiu d’aquesta tesi és disenyar una prova òptica que combini resolució, gran transmissió òptica i camps propers senzills disenyant un nou prototip de prova: “Circular Nano-Aperture” (CNA). El rendiment de les proves BNA i CNA s’ha comparat per a evaluar la viabilitat de les CNA per a l’estudi de la dinàmica de les molècules de la membrana cel·lular.