專利名稱：一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的電化學鉗及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電分析化學、分子電子器件、生物傳感器技術領域，具體涉及一種可用 于開發(fā)蛋白質分子電子器件的電化學鉗的結構及其制作方法。
背景技術：
大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展趨勢是不斷縮小電子器件的尺寸，現已進入納米 電子器件時代。研制納米電子器件目前主要有兩條途徑 一是采用微電子加工技術進一 步縮小傳統(tǒng)電子器件的尺寸，但在接近或達到納米尺度時，量子力學效應與熱力學統(tǒng)計 起伏效應逐漸使得當代微電子的發(fā)展受到嚴重制約；二是開發(fā)分子電子器件。后者是一 個新領域，但已引起國內外的高度重視，紛紛投入大量的人力、物力、財力進行研究開 發(fā)，這是因為與傳統(tǒng)電子器件相比，分子電子器件的優(yōu)越性是顯著的，開關與邏輯操 作在分子水平上進行，其體積可以縮小數百乃至數千倍；分子可以在空間的各個方向上 作用，不像傳統(tǒng)的硅集成電路只是形成在一個二維面上，分子邏輯電路密集度將比傳統(tǒng) 電子器件提高十萬倍左右；利用化學反應進行工作，只需要很少能量就可進行；流動電 子間碰撞的可能性極小，不會產生發(fā)熱問題。利用這些分子電子器件，可設計制造出對 納米空間進行操作的"分子馬達"和"生物導彈"、二十一世紀全新概念的"生物計算 機"。分子電子器件有兩個來源 一是合成大分子；二是天然生物大分子，從來源的廣 泛性、性能的優(yōu)越性來看，后者更具優(yōu)勢，其中的蛋白質分子尤顯重要。蛋白質分子內 部有多個氧化還原中心，氧化還原中心之間以及其與外部存在廣泛的電子傳遞行為，探 索這種分子內電子轉移中心的相互關系與電子在其間轉移和駐留的規(guī)律，即可發(fā)現其具 有的"分子電子器件"的特性，即蛋白質分子在恰當的化學激發(fā)、光化學激發(fā)、電化學 激發(fā)下，具有類似于電阻、電容、二極管、開關、導線、邏輯門、存儲器、反饋電路等 傳統(tǒng)電子器件的性質，實現蛋白質分子電子器件功能。
目前開發(fā)分子電子器件多采用掃描隧道顯微鏡(STM)或導電針尖原子力顯微鏡 (CP—AFM)的方法尸/ 3^.2002, 81: 3043; 5Wewce, 2001, 294: 571; 2001, 292: 2303; 5We"ce, 2003, 301: 1221; 乂爿肌C7zem Sbc., 2003, 125: 16164)，將少數 分子鑲嵌在兩個電極之間，形成金屬一分子一金屬(metal—molecules—metal， MMM)的 分子結，施加激發(fā)信號，分析其響應。但用該方法開發(fā)蛋白質分子電子器件存在一些不足①欲實現MMM的連接，必須使用接觸模式，電極或導電針尖與蛋白質分子直接接 觸，易導致蛋白質變形變性，進而影響其電化學性質；②接觸分子數目小，信號微弱， 易受噪聲千擾；③電極或導電針尖的表面更新比較困難； 所使用的儀器價格昂貴，研 究成本極高。為彌補上述不足，Armstrong等(A^we， 1992, 356: 361; J！ C/zem. 5bc, 2005, 127: 14964;歷oc/zeOT/Wo/, 2003, 42: 8653; Cwm (9p/". 2005, 9: 110)提
出采用蛋白膜伏安法將氧化還原蛋白質以單層或亞單層形式固載于界面友好的電極表 面，施加電位擾動導致電子傳入、傳出蛋白質或在其內部遷移，以循環(huán)伏安技術研究這 些電子遷移行為與電位、時間等參數的關系，考察蛋白質的分子電子器件行為，該方法 采用分子間力固載蛋白質，作用力小而蛋白質不易變形；接觸分子數目較多，信號較強; 電極表面更新相對容易，拋光即可；所使用的儀器簡單。但該方法同時也存在一些不足: 結論通過電化學信息推導出來，是間接的、非現場的；所采用的電化學技術主要為循環(huán) 伏安技術，可以提供的信息是有限的，尚不能滿足開發(fā)各種分子電子器件的需求；循環(huán) 伏安技術可以使用的掃描速度較小，即便采用目前己知最快的超快伏安法，也僅有1 MHz左右，無法開發(fā)出具有高速響應能力的蛋白質分子電子器件。
針對上述兩種方法各自的不足，本發(fā)明制作了一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的電化 學鉗，作用力輕微而蛋白質不易變形變性；接觸分子數目多，信號較強；表面更新容易， 切斷前端形成新的截面即可；所使用的儀器簡單；信息是現場的；電化學技術多樣；掃 描速度快，可開發(fā)出具有高速響應能力的蛋白質分子電子器件。上述開發(fā)蛋白質分子電 子器件的電化學鉗及其制作方法在其他文獻或專利中均未見到。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的首要技術問題是克服上述現有開發(fā)蛋白質分子電子器件的兩種 方法中存在的作用力大導致蛋白質變形變性、信號較弱、表面更新困難、儀器設備昂貴、 信息為非現場的、掃描速度慢而無法開發(fā)高速響應能力的蛋白質分子電子器件之不足， 提供一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的電化學鉗，它作用力輕微而蛋白質不易變形變性； 接觸分子數目多，信號較強；表面更新容易，切斷前端形成新的截面即可；所使用的儀 器簡單；信息是現場的；電化學技術多樣；掃描速度快，可開發(fā)出具有高速響應能力的 蛋白質分子電子器件。
本發(fā)明所要解決的另一個技術問題是克服上述現有開發(fā)蛋白質分子電子器件的兩 種方法中存在的作用力大導致蛋白質變形變性、信號較弱、表面更新困難、儀器設備昂 貴、信息為非現場的、掃描速度慢而無法開發(fā)高速響應能力的蛋白質分子電子器件之不 足，提供一種簡單實用、容易實施、重復使用、成本低廉的開發(fā)蛋白質分子電子器件的 電化學鉗的制作方法，
5解決本發(fā)明首要技術問題的技術方案是這樣的 一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的電 化學鉗，其特征在于在絕緣基材表面均勻鍍有納米級厚度的內導體層、外導體層，它 們通過納米級厚度的內絕緣層隔離，內導體層和外導體層用導電膠連接上各自導線，利 用蛋白質分子表面的氨基酸殘基帶有的電荷，在內導體層、外導體層上分別施加適當電 壓以鉗住蛋白質分子，使其定向排列于內導體層和外導體層之間。
作為改進，所述的內導體層、外導體層做成環(huán)狀，成為內環(huán)導體、外環(huán)導體，內絕 緣層也做成環(huán)狀，而且厚度可調，這樣便于實際制造。
作為改進，所述的內環(huán)導體、外環(huán)導體上段之間在內絕緣層外另外增設了玻璃毛細 管，使內環(huán)導體的導線通過環(huán)氧樹脂固定在絕緣基材上，而外環(huán)導體的導線通過環(huán)氧樹 脂固定在玻璃毛細管上，使導線更加容易布置在電化學鉗上。
作為改進，外環(huán)導體表面至少從玻璃毛細管下部起均勻涂覆或聚合上外絕緣層，起 到必要的保護作用。
作為優(yōu)選，絕緣基材為玻璃纖維、石英玻璃纖維、陶瓷纖維、或者石棉纖維，便于 實際使用。
作為優(yōu)選，內環(huán)導體、外環(huán)導體由碳、包括金、鉑、銀的貴金屬材料或稀有金屬材 料構成，使電化學鉗保持良好的導電性能，提高工作靈敏性；
進一步改進，內環(huán)導體、外環(huán)導體的涂覆采用蒸發(fā)或濺射的方法，其厚度通過改變 蒸發(fā)或濺射的時間與強度進行調節(jié)，控制在l-50nm之間，這樣容易實現，方法實用。
進一步改進，內絕緣層、外絕緣層由電聚合形成的高分子聚合物構成，所述內絕緣 層、外絕緣層的厚度通過改變電聚合的電位和時間進行調節(jié)，控制在1-500 nm之間。 這樣容易實現，方法簡單實用。
解決本發(fā)明另一個技術問題的技術方案是這樣的 一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的 電化學鉗制作方法，其特征在于包括如下步驟
a) 在絕緣基材表面均勻鍍一層導體，構成內環(huán)導體，該內環(huán)導體層經導電膠由導 線引出；
b) 在該內環(huán)導體一端表面均勻涂覆或聚合一納米級的內絕緣層后，再將另一端密 封于玻璃毛細管內，用環(huán)氧樹脂固定；
c) 在該內絕緣層及玻璃毛細管外表面均勻鍍上一層導體，構成外環(huán)導體，該外環(huán)導 體層經導電膠由導線引出，用環(huán)氧樹脂固定；
d) 該外環(huán)導體表面至少從玻璃毛細管下部起均勻涂覆或聚合一外絕緣層；
e) 將涂覆有導體層和絕緣層的絕緣基材前端垂直切斷，露出的內外兩層納米級厚 度環(huán)狀導體截面作為電化學鉗。
所述絕緣基材為玻璃纖維、石英玻璃纖維、陶瓷纖維、石棉纖維；所述內環(huán)導體、 外環(huán)導體由碳、貴金屬材料金、鉑、銀或稀有金屬材料構成；所述內環(huán)導體、外環(huán)導體的涂覆采用蒸發(fā)或濺射的方法，其厚度通過改變蒸發(fā)或濺射的時間與強度進行調節(jié)，控 制在l-50nm之間；所述內絕緣層、外絕緣層由電聚合形成的高分子聚合物構成，內絕 緣層、外絕緣層的厚度通過改變電聚合的電位和時間進行調節(jié)，控制在l-500nm之間。 與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點具有下列技術效果
(1) 本發(fā)明利用蛋白質分子表面的氨基酸殘基帶有的電荷，在內、外兩層環(huán)狀導體 上分別施加適當電壓以鉗住蛋白質分子，使其定向排列于內、外兩層環(huán)狀導體之間以開
發(fā)蛋白質分子電子器件，作用力主要為靜電引力，輕微而不會導致蛋白質變形變性；
(2) 本發(fā)明由于實現較多的蛋白質分子在內、外兩層環(huán)狀導體之間以并聯形式定向 排列，因而信號較強；
(3) 本發(fā)明電化學鉗表面更新非常容易，將其前端垂直切斷露出新鮮表面即可，操 作簡單，穩(wěn)定性好；
(4) 本發(fā)明用于開發(fā)蛋白質分子電子器件，所需使用的儀器簡單價廉，僅需任意波 形發(fā)生器、示波器、放大器搭建一個系統(tǒng)，總價僅約STM或CF-AFM價格的1/50左右， 且該研究系統(tǒng)無需運行成本；
(5) 本發(fā)明所得到的蛋白質分子電子器件的信息，是直接的、現場的；
(6) 本發(fā)明可以使用各種波形作為激發(fā)信號進行研究，信息豐富多樣；
(7) 本發(fā)明可以使用高頻輸入信號，開發(fā)出具有高速響應能力的蛋白質分子電子器
件；
(8) 本發(fā)明電化學鉗制作工藝簡單、實用，操作容易，制作條件容易控制，成本低 廉，在一般化學實驗室均可制作，具有較好的推廣應用價值。
本發(fā)明提供的電化學鉗，可以通過靜電引力鉗住蛋白質分子，使其定向并聯排列于 內、外兩層環(huán)狀導體之間以開發(fā)蛋白質分子電子器件，作用力輕微而蛋白質不易變形變 性，接觸分子數目多而信號較強，表面更新容易，所使用的儀器簡單，信息是現場的， 掃描速度快，可用于開發(fā)蛋白質分子電子器件，特別是具有高速響應能力的蛋白質分子 電子器件。
圖la為本發(fā)明電化學鉗的結構剖視圖(M);
圖lb為本發(fā)明電化學鉗的結構橫截面圖(N);
圖2為蛋白質分子在電化學鉗橫截面上定向排列示意圖3為采用電化學鉗開發(fā)蛋白質分子電子器件的電路系統(tǒng)示意圖4為銅藍蛋白在電化學鉗上的I V曲線。
其圖1中
1、絕緣基材，2、內環(huán)導體，3、外環(huán)導體，4、內絕緣層，5、導電膠，6、導線，
7，9、導電膠，10、導線，11、環(huán)氧樹脂，12、外絕緣層; M、縱剖面，N、橫截面。
具體實施例方式
以下結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。 實施例1
本實施例中選用玻璃纖維作為絕緣基材，金作為內環(huán)導體2、外環(huán)導體3，清洗用 乙醇、雙蒸水超聲清洗，導電膠5、 9采用銀導電膠，內、外絕緣層4、 12采用聚合方 式形成的高分子聚合物。其具體制作方法為先將玻璃纖維置于丙酮中回流10小時， 再用乙醇、雙蒸水超聲清洗，完全干燥后截取3-4cm長度作為絕緣基材l，在其表面蒸 發(fā)鍍上一層約20 nm厚的金充當內環(huán)導體2，用銀導電膠5粘接于^ 0.1 mm的銅絲末 端，構成內環(huán)導體導線6，將該表面鍍金的玻璃纖維浸在苯酚和2-烯丙基苯酚溶液中， 金層維持恒電位5.2 V約3-6 min，使苯酚和2-烯丙基苯酚在金層表面發(fā)生聚合，經15(TC 高溫烘烤形成厚度約為5-10 nm的內絕緣層4;將上述結構小心置入玻璃毛細管7，用 玻璃毛細管拉制器將其密封，鍍有內環(huán)導體2和內絕緣層4的一端露出于玻璃毛細管7 外，另一端露出的銅導線用環(huán)氧樹脂8固定，構成了內環(huán)導體導線6;采用與上述相同 的處理方法，在內絕緣層4和玻璃毛細管7外壁蒸發(fā)鍍上一層約20 nm厚的金充當外環(huán) 導體3，經銀導電膠9用00.1mm的銅絲引出，作為外環(huán)導體導線10，用環(huán)氧樹脂11 固定；采用與上述相同的處理方法，再于外環(huán)導體3表面形成厚度約為10-20 nm的外 絕緣層12;最后，用手術刀將玻璃纖維的絕緣基材1前端切斷，暴露出內外環(huán)狀導體2、 3的截面，即獲得電化學鉗。
將上述制得的電化學鉗浸泡在5 mmol/L的銅藍蛋白醋酸緩沖溶液(pH = 4.64)中， 維持內環(huán)導體恒電位為+0.1 V、外環(huán)導體恒電位為一O.l V， 2小時后，取出用超純水沖 洗，干燥，按附圖3安裝，任意波形發(fā)生器發(fā)出線性掃描電壓一O.l V +0.1V，掃速為 1V/s，輸入信號、輸出信號輸入示波器分別為X軸、Y軸，記錄電流一電壓(1 V)曲 線，如附圖4所示，表明在該實驗條件下銅藍蛋白表現為電阻的分子電子器件性質。
說明了在內環(huán)導體2、外環(huán)導體3上分別施加適當電壓以鉗住蛋白質分子，使其定 向并聯排列于內環(huán)導體2和外環(huán)導體3之間。通過外部電路施加激發(fā)信號于被電化學鉗 鉗住的蛋白質分子，分析輸入信號與輸出信號之間的關系，獲知蛋白質分子內部的電子 傳遞機制，開發(fā)蛋白質分子電子器件。
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權利要求
1、一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的電化學鉗，其特征在于在絕緣基材表面均勻鍍有納米級厚度的內導體層、外導體層，它們通過納米級厚度的內絕緣層隔離，內導體層和外導體層用導電膠連接上各自導線，利用蛋白質分子表面的氨基酸殘基帶有的電荷，在內導體層、外導體層上分別施加適當電壓以鉗住蛋白質分子，使其定向排列于內導體層和外導體層之間。
2、 根據權利要求l所述的電化學鉗，其特征在于內導體層、外導體層做成環(huán)狀， 成為內環(huán)導體、外環(huán)導體，內絕緣層也做成環(huán)狀，而且厚度可調。
3、 根據權利要求2所述的電化學鉗，其特征在于內環(huán)導體、外環(huán)導體上段之間 在內絕緣層外另外增設了玻璃毛細管，使內環(huán)導體的導線通過環(huán)氧樹脂固定在 絕緣基材上，而外環(huán)導體的導線通過環(huán)氧樹脂固定在玻璃毛細管上。
4、 根據權利要求3所述的電化學鉗，其特征在于外環(huán)導體表面至少從玻璃毛細 管下部起均勻涂覆或聚合上外絕緣層。
5、 根據權利要求4所述的電化學鉗，其特征在于絕緣基材為玻璃纖維、石英玻 璃纖維、陶瓷纖維、或者石棉纖維。
6 根據于權利要求4所述的電化學鉗，其特征在于內環(huán)導體、外環(huán)導體由碳、 包括金、鉬、銀的貴金屬材料或稀有金屬材料構成。
7、 根據權利要求4所述的電化學鉗，其特征在于內環(huán)導體、外環(huán)導體的涂覆采 用蒸發(fā)或濺射的方法，其厚度通過改變蒸發(fā)或濺射的時間與強度進行調節(jié)，控制在l-50nm之間。
8、 根據權利要求4所述的電化學鉗，其特征在于內絕緣層、外絕緣層由電聚合 形成的高分子聚合物構成，所述內絕緣層、外絕緣層的厚度通過改變電聚合的 電位和時間進行調節(jié)，控制在1-500 nm之間。
9、 一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的電化學鉗制作方法，其特征在于包括如下步驟a) 在絕緣基材表面均勻鍍一層導體，構成內環(huán)導體，該內環(huán)導體層經導電膠 由導線引出；b) 在該內環(huán)導體一端表面均勻涂覆或聚合一納米級的內絕緣層后，再將另一 端密封于玻璃毛細管內，用環(huán)氧樹脂固定；c) 在該內絕緣層及玻璃毛細管外表面均勻鍍上一層導體，構成外環(huán)導體，該 外環(huán)導體層經導電膠由導線引出，用環(huán)氧樹脂固定；d) 該外環(huán)導體表面至少從玻璃毛細管下部起均勻涂覆或聚合一外絕緣層；e) 將涂覆有導體層和絕緣層的絕緣基材前端垂直切斷，露出的內外兩層納米級厚度環(huán)狀導體截面作為電化學鉗。
10、根據權利要求9所述的電化學鉗制作方法，其特征在于所述絕緣基材為 玻璃纖維、石英玻璃纖維、陶瓷纖維、石棉纖維；所述內環(huán)導體、外環(huán)導體由 碳、貴金屬材料金、鉬、銀或稀有金屬材料構成；所述內環(huán)導體、外環(huán)導體的涂覆采用蒸發(fā)或濺射的方法，其厚度通過改變蒸發(fā)或濺射的時間與強度進行調節(jié)，控制在l-50nm之間；所述內絕緣層、外絕緣層由電聚合形成的高分子聚 合物構成，內絕緣層、外絕緣層的厚度通過改變電聚合的電位和時間進行調節(jié)， 控制在1-500 nm之間。
全文摘要
一種開發(fā)蛋白質分子電子器件的電化學鉗及其制作方法，其特征在于在絕緣基材表面均勻鍍有納米級厚度的內外兩層環(huán)狀導體，通過納米級、厚度可調的絕緣層隔離，在內外兩層環(huán)狀導體上分別施加適當電壓，利用靜電引力鉗住蛋白質分子，使其定向并聯排列，通過外部電路施加激發(fā)信號于被電化學鉗鉗住的蛋白質分子，分析輸入信號與輸出信號之間的關系，獲知蛋白質分子內部的電子傳遞機制，開發(fā)蛋白質分子電子器件。本發(fā)明提供的電化學鉗，作用力輕微而蛋白質不易變形變性，接觸分子數目多而信號較強，表面更新容易，所使用的儀器簡單，信息是現場的，掃描速度快，可用于開發(fā)蛋白質分子電子器件，特別是具有高速響應能力的蛋白質分子電子器件。
文檔編號G01N27/30GK101424655SQ20071015649
公開日2009年5月6日 申請日期2007年11月2日 優(yōu)先權日2007年11月2日
發(fā)明者侯琳熙, 盧志強, 邃 王, 郭智勇, 魏丹毅 申請人:寧波大學