專利名稱：一種制備去除表面生物分子的基于石墨烯電極的分子器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備去除表面生物分子的基于石墨烯電極的分子器件的方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是一種新興的二維平面材料，有很多優(yōu)良的性質(zhì)，如它有較高的強(qiáng)度、較高的電子遷移率以及熱導(dǎo)率(Geim, A. K. ；Novoselov, K. S. Nature. Mater. 2007,6,183.) 石墨烯由于其良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性可以作為一種理想的電極材料，我們已經(jīng)建立在石墨烯的納米間隙之間通過牢固的酰胺鍵連接一個或者幾個分子構(gòu)建單分子器件的方法。 該石墨烯分子器件不僅可以有效地連接DNA分子，而且可以承受外界條件刺激。(I Guo, X. et al. Science，2006，311，356. 2 :Guo，X. et al. Nano Lett.，2007，7,1119. 3 :Guo，X.， Gorodetsky, A. A.，Hone，J.，Barton, J. K.，Nuckolls，C. Nat. Nanotechnol. 2008，3，163.)。 但是石墨烯表面可以與生物分子通過η-η效應(yīng)吸附或者由于生長的石墨烯表面存在一些功能基團(tuán)，DNA等生物分子與石墨烯表面產(chǎn)生一定的作用，從而對利用石墨烯的納米間隙定量檢測DNA等生物分子產(chǎn)生影響。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制備去除表面生物分子的基于石墨烯電極的分子器件的方法，以克服現(xiàn)有制備方法在石墨烯電極表面殘留的生物分子。
本發(fā)明所提供的制備去除表面生物分子的基于石墨烯電極的分子器件的方法，包括下述步驟
I)制備石墨烯晶體管器件陣列；其中，所述石墨烯晶體管器件陣列中每個石墨烯晶體管器件均包括柵極、源極、漏極和導(dǎo)電溝道，所述導(dǎo)電溝道為石墨烯；其中，在所述石墨烯上設(shè)有由電子束刻蝕和氧等離子體刻蝕石墨烯得到的一個通道，所述通道上間隔設(shè)有長度為I-IOnm的納米間隙，即DNA序列連接部位，所述DNA序列連接部位與所述石墨烯晶體管器件中的源極和漏極垂直；
2)將步驟I)制備的石墨烯晶體管器件陣列在TritonX-100 (聚乙二醇辛基苯基醚)中浸泡0. 5-3小時；
3)將步驟2)處理后的石墨烯晶體管器件陣列中的納米間隙兩側(cè)的石墨烯的末端羧基進(jìn)行活化，然后與下述序列I)或2)進(jìn)行納米間隙中的酰胺鍵共價連接，得到基于石墨烯電極的分子器件所述序列I)為與待測有機(jī)生物小分子具有相互作用的末端經(jīng)氨基修飾的DNA序列；所述序列2)為與待測有機(jī)生物小分子具有相互作用的末端連接氨基修飾的有機(jī)分子的DNA序列。
經(jīng)Trion X-100自組裝后，通過對照實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明方法能夠去除石墨烯電極表面非特異作用的生物分子如DNA等。通過電學(xué)測量的I-V曲線檢測結(jié)合過程，可以得到不同器件之間一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明本發(fā)明具有較好的可信性與重現(xiàn)性。
本發(fā)明所述的基于石墨烯電極的分子器件，包括
a)石墨烯晶體管器件陣列，所述石墨烯晶體管器件陣列中每個石墨烯晶體管器件均包括柵極、源極、漏極和導(dǎo)電溝道，所述導(dǎo)電溝道為石墨烯；其中，在所述石墨烯上設(shè)有由電子束刻蝕和氧等離子體刻蝕石墨烯得到的一個通道，所述通道上間隔設(shè)有長度為I-IOnm 的DNA序列連接部位(納米間隙)，所述DNA序列連接部位與所述石墨烯晶體管器件中的源極和漏極垂直；
b)與待測有機(jī)生物小分子具有相互作用的末端(3'端和5'端)經(jīng)氨基修飾的 DNA序列，或與待測有機(jī)生物小分子具有相互作用的末端(3'端和5'端)連接氨基修飾的有機(jī)分子的DNA序列；其連接于所述DNA序列連接部位。
其中，所述柵極為含有厚度為IOO-IOOOnm(如300nm) 二氧化硅層的硅基底，其電阻率為5-20ohm · CnT1 ;所述源極和漏極均由Cr電極層和設(shè)于所述Cr電極層上的Au電極層組成，所述Cr電極層厚度為l_100nm(如80nm),所述Au電極層厚度為20_1000nm(如 600nm)。
上述步驟I)中制備石墨烯晶體管器件陣列的方法，包括下述步驟
i)構(gòu)建石墨烯晶體管器件陣列；
ii)在所述石墨烯晶體管器件陣列的每個石墨烯晶體管器件的石墨烯上旋涂正性電子束光刻膠，用電子束對所述電子束光刻膠進(jìn)行曝光，得到虛線形狀的曝光圖案(見圖 5)，然后進(jìn)行氧等離子體刻蝕，使所述石墨烯晶體管器件的源極和漏極之間得到一個通道， 并在所述通道上間隔得到長度為I-IOnm的納米間隙，所述納米間隙與所述石墨烯晶體管器件中的源極和漏極垂直；
所述虛線形狀的曝光圖案中，線條寬度為2-10nm(如5nm)，每段實(shí)線的長度為 150-500nm(如 150nm)、實(shí)線間距為 20_50nm(如 40nm)。
其中，步驟i)中構(gòu)建石墨烯晶體管器件的方法具體包括下述三個步驟
a)在石墨烯上旋涂光刻膠，記為光刻膠1，對光刻膠I進(jìn)行曝光得到標(biāo)記圖案，在標(biāo)記圖案處依次蒸鍍厚度為I-IOOnm (如80nm) Cr層、20-1000nm (如200nm)Au層，除去光刻膠1，在石墨烯曝光位置處留下了蒸鍍的金屬標(biāo)記，所述金屬標(biāo)記用于下兩步光刻的位置對準(zhǔn)標(biāo)記；其中，所述石墨稀附著于表面具有_■氧化娃層的娃基底上；
b)在步驟a得到的有金屬標(biāo)記的石墨烯上旋涂光刻膠2,通過步驟a的標(biāo)記定位， 曝光，留下條帶狀的光刻膠將部分石墨烯保護(hù)起來，其它部分通過曝光顯影將石墨烯曝露出來，用氧等離子體刻蝕掉其它部分曝露的石墨烯，保護(hù)在條帶狀光刻膠下面的石墨烯不被刻蝕得以保留，除去光刻膠2，得到條帶狀石墨烯，將所述條帶狀石墨烯在氫氣和氬氣氣氛下于400-450度退火，清潔石墨烯條帶的表面；
c)在步驟b得到的有石墨烯條帶的娃片上旋涂光刻膠3,通過步驟a的標(biāo)記定位在石墨烯條帶上曝光源極和漏極電極圖案，所述源極和漏極之間的間距為4-7 μ m，在所述電極圖案上依次蒸鍍厚度為I-IOOnm(如80nm)的Cr層、厚度為20_1000nm(如600nm)的 Au層作為器件的源極和漏極，除去光刻膠3，得到所述石墨烯晶體管器件陣列。
上述步驟a)中所述石墨烯是按照下述方法進(jìn)行制備的在銅箔上使用化學(xué)氣相沉積的方法生長大面積連續(xù)的單層石墨烯，再將所述石墨烯從銅箔轉(zhuǎn)移到表面具有 IOO-IOOOnm(如300nm) 二氧化硅層的硅基底上；所述表面具有IOO-IOOOnm 二氧化硅層的硅基底的電阻率為5-20ohm · CnT1。
其中，轉(zhuǎn)移石墨烯的方法可按照常規(guī)方法進(jìn)行，具體方法如下利用柔性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子膜做擔(dān)載，在所述已生長石墨烯的銅箔上旋涂PMMA薄膜，180°C 烘2分鐘，然后將樣品置于飽和硝酸鐵溶液中，將銅箔腐蝕掉，石墨烯包埋在PMMA薄膜中被分離出來。PMMA薄膜攜帶著石墨烯薄膜可以附著硅基底上，然后用丙酮除去PMMA薄膜即可。
步驟ii)中進(jìn)行氧等離子體刻蝕后，對于沒有形成所述納米間隙的部位可以利用電流燒斷法繼續(xù)處理，逐漸緩慢增大通過電流，石墨烯會在氧化切割的缺陷部位優(yōu)先斷裂， 直至得到所述的納米間隙。
上述步驟3)中對納米間隙兩側(cè)的石墨烯的末端羧基進(jìn)行活化的方法為將步驟 2)得到的具有納米間隙的石墨烯分子器件在含有氨基耦合和活化試劑(Sulfo-NHS，EDCI) 的IO-IOOmM(優(yōu)選50nm)MES緩沖溶液中浸泡8-12小時；所述MES緩沖溶液的pH值為3_10， 所述MES緩沖溶液中Sulfo-NHS (N羥基硫代琥珀酰亞胺)的濃度為5_15mM，EDCI (I-(3- 二甲氨基丙基)-3_乙基碳二亞胺鹽酸鹽)的濃度為3-10mM;步驟3)中所述酰胺鍵共價連接在PBS緩沖液(磷酸鹽緩沖液)中進(jìn)行，所述PBS緩沖液的濃度為10-100mM，pH值為6_8。
本發(fā)明所提供的去除基于石墨烯電極的分子器件表面生物分子的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)使用該發(fā)明的分子器件與之前的檢測方法相比，具有減少檢測噪音的功能，尤其對定量檢測生物分子，在高靈敏度檢測的過程中提高了準(zhǔn)確度。


圖I未切割的石墨烯電極的分子器件的DNA-EB(溴化己錠)體系檢測示意圖。
圖2未切割的自組裝修飾的石墨烯電極的分子器件對DNA連接檢測圖。
圖3實(shí)施例I中切割后自組裝修飾的石墨烯電極的分子器件對DNA-EB體系檢測圖。
圖4制備石墨烯電極的分子器件的第一次光刻圖。
圖5光學(xué)顯微鏡表征的石墨烯器件結(jié)構(gòu)圖。
圖6石墨烯分子器件上虛線間隔的曝光圖案。
圖7石墨烯分子器件切割得到的納米間隙表征圖。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明的方法進(jìn)行說明，但本發(fā)明并不局限于此。
下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。
實(shí)施例I :基于自組裝修飾的石墨烯電極的分子器件檢測EB
檢測EB的分子器件，包括
石墨烯晶體管器件陣列，所述石墨烯晶體管器件陣列中每個石墨烯晶體管器件均包括柵極、源極、漏極和導(dǎo)電溝道，所述導(dǎo)電溝道為石墨烯；其中，在所述石墨烯上設(shè)有由氧等離子體刻蝕石墨烯得到的一個通道，所述通道上間隔設(shè)有長度為I-IOnm的分子連接部位(納米間隙)，所述分子連接部位與所述石墨烯晶體管器件中的源極和漏極垂直；
其中，所述柵極為含有厚度為300nm 二氧化硅層的硅基底，其電阻率為 5-20ohm · cnT1 ;所述源極和漏極均由Cr電極層和設(shè)于所述Cr電極層上的Au電極層組成， 所述Cr電極層厚度為80nm,所述Au電極層厚度為600nm。
與EB分子具有相互作用的末端經(jīng)氨基修飾的DNA序列(見序列I)，其連接于所述分子連接部位。
制備方法如下
I)在銅箔(Alfa Aesar,99. 8% )上使用化學(xué)氣相沉積的方法,用甲燒做碳源， 900°C生長大面積石墨烯，利用柔性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子膜做擔(dān)載，在所述已生長石墨烯的銅箔上旋涂PMMA薄膜，180°C烘2分鐘，然后將樣品置于飽和硝酸鐵溶液中，將銅箔腐蝕掉，石墨烯包埋在PMMA薄膜中被分離出來。PMMA薄膜攜帶著石墨烯薄膜附著在含有300nm 二氧化硅層的硅基底(其電阻率為5-20ohm · cnT1)，然后用丙酮除去PMMA 薄膜。
2)通過三步光刻的方法在石墨烯上得到圖形化的光刻膠掩膜第一步，在大片的石墨烯上旋圖光刻膠，特定位置曝光(見圖4)，得到標(biāo)記圖案，在標(biāo)記圖案處依次蒸鍍厚度為SOnm的Cr層、200nm的Au層后，丙酮浸泡除去光刻膠，在石墨烯上曝光的位置上留下了蒸鍍的金屬標(biāo)記，作為下兩步光刻的位置對準(zhǔn)標(biāo)記；第二步，在有標(biāo)記的大片石墨烯上旋涂光刻膠，通過第一步的標(biāo)記定位，曝光，留下條帶狀的光刻膠將部分石墨烯保護(hù)起來，其它部分通過曝光顯影將石墨烯曝露出來，用氧等離子體刻蝕掉其它部分曝露的石墨烯，保護(hù)在條帶狀光刻膠下面的石墨烯不被刻蝕得以保留，丙酮浸泡除去光刻膠后，得到20*40 μ m 的石墨烯條帶；第三步，在第二步得到有石墨烯條帶的硅片上旋涂光刻膠，通過第一步中的標(biāo)記定位在石墨烯條帶上曝光出電極圖案。熱蒸鍍先后蒸鍍Cr (80nm)、Au (600nm)作為器件的源極和漏極，構(gòu)建石墨烯晶體管器件，圖5顯示為光學(xué)顯微鏡表征的石墨烯器件結(jié)構(gòu)圖。
3)在石墨烯晶體管器件的石墨烯上旋涂PMMA電子束光刻膠，選擇虛線間隔的曝光圖案(見圖6)，對步驟2)得到的石墨烯晶體管器件進(jìn)行電子束曝光和氧等離子體刻蝕， 在石墨烯上得到一系列鋸齒形的納米間隙。對于沒有直接氧化切斷的部位，可以輔助大電流燒斷法，逐漸緩慢增大通過電流，石墨烯會在氧化切割的缺陷位點(diǎn)優(yōu)先斷裂，得到ι- ο 納米間隔的納米間隙(見圖7)。
4)用TritonX-IOO浸泡石墨烯分子器件2個小時。
5)將步驟4)處理的具有納米間隙的石墨烯器件在含有氨基耦合和活化試劑 (Sulfo-NHS, EDCI)的 50mM MES 緩沖溶液(pH 值為 4. 7，Sulfo-NHS 的濃度為 5mM, EDCI 的濃度為IOmM)中浸泡12小時，進(jìn)行末端羧基活化；然后將經(jīng)活化的石墨烯與經(jīng)末端氨基修飾的濃度為10 μ M的EB對應(yīng)的DNA在PBS緩沖液(10mM，pH值為7. 2)中進(jìn)行納米間隙中的單分子共價連接，得到連接DNA的單分子器件。
使用的DNA序列如下
H2N- (CH2) 3-5 ' -TGTCGTCTTACACCATTGAG-3 ' - (CH2) 3_NH2 與 ACAGCAGAATGTGGTAACTC 組成的雙鏈 DNA 序列。
利用上述自組裝修飾的石墨烯電極的分子器件檢測EB，同時設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)
a)未切割(即無鋸齒形的納米間隙)的石墨烯電極的分子器件對DNA-EB體系檢測圖，如圖I所示，石墨烯表面連接DNA后，加入EB能產(chǎn)生明顯變化，結(jié)果表明石墨烯表面存在一定量的DNA分子。
b)未切割(即無鋸齒形的納米間隙)的TritonX-IOO自組裝修飾的石墨烯電極的分子器件對DNA連接檢測圖，如圖2所示，通過TritonX-IOO處理后，進(jìn)行連接DNA，電流沒有發(fā)生變化，結(jié)果表明自組裝修飾的石墨烯表面能有效去除DNA的連接等。
對步驟5)中得到的DNA單分子連接器件進(jìn)行EB結(jié)合與識別的電學(xué)信號檢測，器件經(jīng)過EB處理，EB作用雙鏈DNA，以致電流發(fā)生變化(見圖3)。所有的工作器件均顯示出一致的變化趨勢。
通過改變EB的濃度來研究連接器件的靈敏度。多個DNA單分子連接器件用來檢測不同濃度的EB。在EB處理前后，通過電學(xué)測量的I-V曲線檢測，在不同的檢測濃度下可以得到不同器件之間一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再次證明本發(fā)明具有較好的可信性與重現(xiàn)性。
綜上所述，本發(fā)明所提供的去除石墨烯電極的分子器件表面生物分子的方法能夠減少檢測噪音的功能，尤其對定量檢測生物分子，在高靈敏度檢測的過程中提高了準(zhǔn)確度。
權(quán)利要求
1.一種制備基于石墨烯電極的分子器件的方法，包括下述步驟1)制備石墨烯晶體管器件陣列；其中，所述石墨烯晶體管器件陣列中每個石墨烯晶體管器件均包括柵極、源極、漏極和導(dǎo)電溝道，所述導(dǎo)電溝道為石墨烯；其中，在所述石墨烯上設(shè)有由電子束刻蝕和氧等離子體刻蝕石墨烯得到的一個通道，所述通道上間隔設(shè)有長度為 I-IOnm的納米間隙，即DNA序列連接部位，所述DNA序列連接部位與所述石墨烯晶體管器件中的源極和漏極垂直；2)將步驟I)制備的石墨烯晶體管器件陣列在聚乙二醇辛基苯基醚中浸泡O.5-3小時；3)將步驟2)處理后的石墨烯晶體管器件陣列中的納米間隙兩側(cè)的石墨烯的末端羧基進(jìn)行活化，然后與下述序列I)或2)進(jìn)行納米間隙中的酰胺鍵共價連接，得到基于石墨烯電極的分子器件所述序列I)為與待測有機(jī)生物小分子具有相互作用的末端經(jīng)氨基修飾的 DNA序列；所述序列2)為與待測有機(jī)生物小分子具有相互作用的末端連接氨基修飾的有機(jī)分子的DNA序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中，所述柵極為含有厚度為 IOO-IOOOnm 二氧化娃層的娃基底,其電阻率為5_20ohm *cm_1 ;所述源極和漏極均由Cr電極層和設(shè)于所述Cr電極層上的Au電極層組成,所述Cr電極層厚度為I-IOOnm,所述Au電極層厚度為20-1000nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述柵極為含有厚度為300nm二氧化硅層的娃基底；所述Cr電極層厚度為80nm,所述Au電極層厚度為600nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于步驟I)中，所述石墨烯晶體管器件陣列是按照包括下述步驟的方法制備得到的i)構(gòu)建石墨烯晶體管器件陣列； )在所述石墨烯晶體管器件陣列的每個石墨烯晶體管器件的石墨烯上旋涂正性電子束光刻膠，用電子束對所述電子束光刻膠進(jìn)行曝光，得到虛線形狀的曝光圖案，然后進(jìn)行氧等離子體刻蝕，使所述石墨烯晶體管器件的源極和漏極之間得到一個通道，并在所述通道上間隔得到長度為I-IOnm的納米間隙，所述納米間隙與所述石墨烯晶體管器件中的源極和漏極垂直；所述虛線形狀的曝光圖案中，線條寬度為2-10nm，優(yōu)選5nm，每段實(shí)線的長度為 150-500nm，優(yōu)選 150nm，實(shí)線間距為 20_50nm，優(yōu)選 40nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述方法還包括在步驟ii)中進(jìn)行氧等離子體刻蝕后，對所述氧等離子體刻蝕沒有形成所述納米間隙的部位，利用電流燒斷法繼續(xù)處理，得到所述納米間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于步驟i)中構(gòu)建石墨烯晶體管器件陣列的方法包括三個步驟；a)在石墨烯上旋涂光刻膠，記為光刻膠1，對光刻膠I進(jìn)行曝光得到標(biāo)記圖案，在標(biāo)記圖案處依次蒸鍍厚度為I-IOOnmCr層、20-1000nmAu層，除去光刻膠1，在石墨烯曝光位置處留下了蒸鍍的金屬標(biāo)記，所述金屬標(biāo)記用于下兩步光刻的位置對準(zhǔn)標(biāo)記；所述石墨烯附著于表面具有二氧化娃層的娃基底上；b)在步驟a得到的有金屬標(biāo)記的石墨烯上旋涂光刻膠2,通過步驟a的標(biāo)記定位，曝光，留下條帶狀的光刻膠將部分石墨烯保護(hù)起來，其它部分通過曝光顯影將石墨烯曝露出來，用氧等離子體刻蝕掉其它部分曝露的石墨烯，保護(hù)在條帶狀光刻膠下面的石墨烯不被刻蝕得以保留，除去光刻膠2，得到條帶狀石墨烯，將所述條帶狀石墨烯在氫氣和氬氣氣氛下于400-450度退火,清潔石墨烯條帶的表面；c)在步驟b得到有石墨烯條帶的硅片上旋涂光刻膠3，通過步驟a的標(biāo)記定位在石墨烯條帶上曝光出源極和漏極電極圖案，所述源極和漏極之間的間距為4-7 μ m，在所述電極圖案上依次蒸鍍厚度為I-IOOnm的Cr層、厚度為20_1000nm的Au層作為器件的源極和漏極，除去光刻膠3，得到所述石墨烯晶體管器件陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述步驟3)中對納米間隙兩側(cè)的石墨烯的末端羧基進(jìn)行活化的方法為將步驟2)得到的具有納米間隙的石墨烯分子器件在含有N-羥基硫代琥珀酰亞胺和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽的 IO-IOOmM MES緩沖溶液中浸泡8_12小時；所述MES緩沖溶液的pH值為3_10，所述MES緩沖溶液中N羥基硫代琥珀酰亞胺的濃度為5-15mM，1_ (3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽的濃度為3-10mM ;步驟3)中所述酰胺鍵共價連接在PBS緩沖液中進(jìn)行，所述PBS緩沖液的濃度為lO-lOOmM，pH值為6_8。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備去除表面生物分子的基于石墨烯電極的分子器件的方法。該方法包括下述步驟1)制備石墨烯晶體管器件陣列；其中，所述石墨烯晶體管器件陣列中的導(dǎo)電溝道為石墨烯；在所述石墨烯上設(shè)有一個通道，所述通道上間隔設(shè)有長度為1-10nm的DNA序列連接部位，該連接部位與所述石墨烯晶體管器件中的源極和漏極垂直；2)對石墨烯電極的分子連接器件用TritonX-100浸泡0.5-3小時；3)將設(shè)計的DNA序列連接到納米間隙中，得到DNA單分子連接器件。將本發(fā)明制備的基于石墨烯電極的單分子連接器件進(jìn)行電學(xué)信號檢測，同時設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)，檢測結(jié)果表明該方法可以有效去除石墨烯電極的分子器件表面的生物分子，有利于提高檢測的準(zhǔn)確度。
文檔編號H01L51/56GK102983291SQ20121049229
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者郭雪峰, 高力 申請人:北京大學(xué)