专利名称：一种制备去除表面生物分子的基于石墨烯电极的分子器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备去除表面生物分子的基于石墨烯电极的分子器件的方法。
背景技术：
石墨烯是一种新兴的二维平面材料，有很多优良的性质，如它有较高的强度、较高的电子迁移率以及热导率(Geim, A. K. ；Novoselov, K. S. Nature. Mater. 2007,6,183.) 石墨烯由于其良好的导电性和化学稳定性可以作为一种理想的电极材料，我们已经建立在石墨烯的纳米间隙之间通过牢固的酰胺键连接一个或者几个分子构建单分子器件的方法。 该石墨烯分子器件不仅可以有效地连接DNA分子，而且可以承受外界条件刺激。(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与生物分子通过η-η效应吸附或者由于生长的石墨烯表面存在一些功能基团，DNA等生物分子与石墨烯表面产生一定的作用，从而对利用石墨烯的纳米间隙定量检测DNA等生物分子产生影响。发明内容
本发明的目的是提供一种制备去除表面生物分子的基于石墨烯电极的分子器件的方法，以克服现有制备方法在石墨烯电极表面残留的生物分子。
本发明所提供的制备去除表面生物分子的基于石墨烯电极的分子器件的方法，包括下述步骤
I)制备石墨烯晶体管器件阵列；其中，所述石墨烯晶体管器件阵列中每个石墨烯晶体管器件均包括栅极、源极、漏极和导电沟道，所述导电沟道为石墨烯；其中，在所述石墨烯上设有由电子束刻蚀和氧等离子体刻蚀石墨烯得到的一个通道，所述通道上间隔设有长度为I-IOnm的纳米间隙，即DNA序列连接部位，所述DNA序列连接部位与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；
2)将步骤I)制备的石墨烯晶体管器件阵列在TritonX-100 (聚乙二醇辛基苯基醚)中浸泡0. 5-3小时；
3)将步骤2)处理后的石墨烯晶体管器件阵列中的纳米间隙两侧的石墨烯的末端羧基进行活化，然后与下述序列I)或2)进行纳米间隙中的酰胺键共价连接，得到基于石墨烯电极的分子器件所述序列I)为与待测有机生物小分子具有相互作用的末端经氨基修饰的DNA序列；所述序列2)为与待测有机生物小分子具有相互作用的末端连接氨基修饰的有机分子的DNA序列。
经Trion X-100自组装后，通过对照实验证明本发明方法能够去除石墨烯电极表面非特异作用的生物分子如DNA等。通过电学测量的I-V曲线检测结合过程，可以得到不同器件之间一致的实验结果，证明本发明具有较好的可信性与重现性。
本发明所述的基于石墨烯电极的分子器件，包括
a)石墨烯晶体管器件阵列，所述石墨烯晶体管器件阵列中每个石墨烯晶体管器件均包括栅极、源极、漏极和导电沟道，所述导电沟道为石墨烯；其中，在所述石墨烯上设有由电子束刻蚀和氧等离子体刻蚀石墨烯得到的一个通道，所述通道上间隔设有长度为I-IOnm 的DNA序列连接部位(纳米间隙)，所述DNA序列连接部位与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；
b)与待测有机生物小分子具有相互作用的末端(3'端和5'端)经氨基修饰的 DNA序列，或与待测有机生物小分子具有相互作用的末端(3'端和5'端)连接氨基修饰的有机分子的DNA序列；其连接于所述DNA序列连接部位。
其中，所述栅极为含有厚度为IOO-IOOOnm(如300nm) 二氧化硅层的硅基底，其电阻率为5-20ohm · CnT1 ;所述源极和漏极均由Cr电极层和设于所述Cr电极层上的Au电极层组成，所述Cr电极层厚度为l_100nm(如80nm),所述Au电极层厚度为20_1000nm(如 600nm)。
上述步骤I)中制备石墨烯晶体管器件阵列的方法，包括下述步骤
i)构建石墨烯晶体管器件阵列；
ii)在所述石墨烯晶体管器件阵列的每个石墨烯晶体管器件的石墨烯上旋涂正性电子束光刻胶，用电子束对所述电子束光刻胶进行曝光，得到虚线形状的曝光图案(见图 5)，然后进行氧等离子体刻蚀，使所述石墨烯晶体管器件的源极和漏极之间得到一个通道， 并在所述通道上间隔得到长度为I-IOnm的纳米间隙，所述纳米间隙与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；
所述虚线形状的曝光图案中，线条宽度为2-10nm(如5nm)，每段实线的长度为 150-500nm(如 150nm)、实线间距为 20_50nm(如 40nm)。
其中，步骤i)中构建石墨烯晶体管器件的方法具体包括下述三个步骤
a)在石墨烯上旋涂光刻胶，记为光刻胶1，对光刻胶I进行曝光得到标记图案，在标记图案处依次蒸镀厚度为I-IOOnm (如80nm) Cr层、20-1000nm (如200nm)Au层，除去光刻胶1，在石墨烯曝光位置处留下了蒸镀的金属标记，所述金属标记用于下两步光刻的位置对准标记；其中，所述石墨稀附着于表面具有_■氧化娃层的娃基底上；
b)在步骤a得到的有金属标记的石墨烯上旋涂光刻胶2,通过步骤a的标记定位， 曝光，留下条带状的光刻胶将部分石墨烯保护起来，其它部分通过曝光显影将石墨烯曝露出来，用氧等离子体刻蚀掉其它部分曝露的石墨烯，保护在条带状光刻胶下面的石墨烯不被刻蚀得以保留，除去光刻胶2，得到条带状石墨烯，将所述条带状石墨烯在氢气和氩气气氛下于400-450度退火，清洁石墨烯条带的表面；
c)在步骤b得到的有石墨烯条带的娃片上旋涂光刻胶3,通过步骤a的标记定位在石墨烯条带上曝光源极和漏极电极图案，所述源极和漏极之间的间距为4-7 μ m，在所述电极图案上依次蒸镀厚度为I-IOOnm(如80nm)的Cr层、厚度为20_1000nm(如600nm)的 Au层作为器件的源极和漏极，除去光刻胶3，得到所述石墨烯晶体管器件阵列。
上述步骤a)中所述石墨烯是按照下述方法进行制备的在铜箔上使用化学气相沉积的方法生长大面积连续的单层石墨烯，再将所述石墨烯从铜箔转移到表面具有 IOO-IOOOnm(如300nm) 二氧化硅层的硅基底上；所述表面具有IOO-IOOOnm 二氧化硅层的硅基底的电阻率为5-20ohm · CnT1。
其中，转移石墨烯的方法可按照常规方法进行，具体方法如下利用柔性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子膜做担载，在所述已生长石墨烯的铜箔上旋涂PMMA薄膜，180°C 烘2分钟，然后将样品置于饱和硝酸铁溶液中，将铜箔腐蚀掉，石墨烯包埋在PMMA薄膜中被分离出来。PMMA薄膜携带着石墨烯薄膜可以附着硅基底上，然后用丙酮除去PMMA薄膜即可。
步骤ii)中进行氧等离子体刻蚀后，对于没有形成所述纳米间隙的部位可以利用电流烧断法继续处理，逐渐缓慢增大通过电流，石墨烯会在氧化切割的缺陷部位优先断裂， 直至得到所述的纳米间隙。
上述步骤3)中对纳米间隙两侧的石墨烯的末端羧基进行活化的方法为将步骤 2)得到的具有纳米间隙的石墨烯分子器件在含有氨基耦合和活化试剂(Sulfo-NHS，EDCI) 的IO-IOOmM(优选50nm)MES缓冲溶液中浸泡8-12小时；所述MES缓冲溶液的pH值为3_10， 所述MES缓冲溶液中Sulfo-NHS (N羟基硫代琥珀酰亚胺)的浓度为5_15mM，EDCI (I-(3- 二甲氨基丙基)-3_乙基碳二亚胺盐酸盐)的浓度为3-10mM;步骤3)中所述酰胺键共价连接在PBS缓冲液(磷酸盐缓冲液)中进行，所述PBS缓冲液的浓度为10-100mM，pH值为6_8。
本发明所提供的去除基于石墨烯电极的分子器件表面生物分子的方法具有以下优点使用该发明的分子器件与之前的检测方法相比，具有减少检测噪音的功能，尤其对定量检测生物分子，在高灵敏度检测的过程中提高了准确度。
图I未切割的石墨烯电极的分子器件的DNA-EB(溴化己锭)体系检测示意图。
图2未切割的自组装修饰的石墨烯电极的分子器件对DNA连接检测图。
图3实施例I中切割后自组装修饰的石墨烯电极的分子器件对DNA-EB体系检测图。
图4制备石墨烯电极的分子器件的第一次光刻图。
图5光学显微镜表征的石墨烯器件结构图。
图6石墨烯分子器件上虚线间隔的曝光图案。
图7石墨烯分子器件切割得到的纳米间隙表征图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例I :基于自组装修饰的石墨烯电极的分子器件检测EB
检测EB的分子器件，包括
石墨烯晶体管器件阵列，所述石墨烯晶体管器件阵列中每个石墨烯晶体管器件均包括栅极、源极、漏极和导电沟道，所述导电沟道为石墨烯；其中，在所述石墨烯上设有由氧等离子体刻蚀石墨烯得到的一个通道，所述通道上间隔设有长度为I-IOnm的分子连接部位(纳米间隙)，所述分子连接部位与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；
其中，所述栅极为含有厚度为300nm 二氧化硅层的硅基底，其电阻率为 5-20ohm · cnT1 ;所述源极和漏极均由Cr电极层和设于所述Cr电极层上的Au电极层组成， 所述Cr电极层厚度为80nm,所述Au电极层厚度为600nm。
与EB分子具有相互作用的末端经氨基修饰的DNA序列(见序列I)，其连接于所述分子连接部位。
制备方法如下
I)在铜箔(Alfa Aesar,99. 8% )上使用化学气相沉积的方法,用甲烧做碳源， 900°C生长大面积石墨烯，利用柔性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子膜做担载，在所述已生长石墨烯的铜箔上旋涂PMMA薄膜，180°C烘2分钟，然后将样品置于饱和硝酸铁溶液中，将铜箔腐蚀掉，石墨烯包埋在PMMA薄膜中被分离出来。PMMA薄膜携带着石墨烯薄膜附着在含有300nm 二氧化硅层的硅基底(其电阻率为5-20ohm · cnT1)，然后用丙酮除去PMMA 薄膜。
2)通过三步光刻的方法在石墨烯上得到图形化的光刻胶掩膜第一步，在大片的石墨烯上旋图光刻胶，特定位置曝光(见图4)，得到标记图案，在标记图案处依次蒸镀厚度为SOnm的Cr层、200nm的Au层后，丙酮浸泡除去光刻胶，在石墨烯上曝光的位置上留下了蒸镀的金属标记，作为下两步光刻的位置对准标记；第二步，在有标记的大片石墨烯上旋涂光刻胶，通过第一步的标记定位，曝光，留下条带状的光刻胶将部分石墨烯保护起来，其它部分通过曝光显影将石墨烯曝露出来，用氧等离子体刻蚀掉其它部分曝露的石墨烯，保护在条带状光刻胶下面的石墨烯不被刻蚀得以保留，丙酮浸泡除去光刻胶后，得到20*40 μ m 的石墨烯条带；第三步，在第二步得到有石墨烯条带的硅片上旋涂光刻胶，通过第一步中的标记定位在石墨烯条带上曝光出电极图案。热蒸镀先后蒸镀Cr (80nm)、Au (600nm)作为器件的源极和漏极，构建石墨烯晶体管器件，图5显示为光学显微镜表征的石墨烯器件结构图。
3)在石墨烯晶体管器件的石墨烯上旋涂PMMA电子束光刻胶，选择虚线间隔的曝光图案(见图6)，对步骤2)得到的石墨烯晶体管器件进行电子束曝光和氧等离子体刻蚀， 在石墨烯上得到一系列锯齿形的纳米间隙。对于没有直接氧化切断的部位，可以辅助大电流烧断法，逐渐缓慢增大通过电流，石墨烯会在氧化切割的缺陷位点优先断裂，得到ι- ο 纳米间隔的纳米间隙(见图7)。
4)用TritonX-IOO浸泡石墨烯分子器件2个小时。
5)将步骤4)处理的具有纳米间隙的石墨烯器件在含有氨基耦合和活化试剂 (Sulfo-NHS, EDCI)的 50mM MES 缓冲溶液(pH 值为 4. 7，Sulfo-NHS 的浓度为 5mM, EDCI 的浓度为IOmM)中浸泡12小时，进行末端羧基活化；然后将经活化的石墨烯与经末端氨基修饰的浓度为10 μ M的EB对应的DNA在PBS缓冲液(10mM，pH值为7. 2)中进行纳米间隙中的单分子共价连接，得到连接DNA的单分子器件。
使用的DNA序列如下
H2N- (CH2) 3-5 ' -TGTCGTCTTACACCATTGAG-3 ' - (CH2) 3_NH2 与 ACAGCAGAATGTGGTAACTC 组成的双链 DNA 序列。
利用上述自组装修饰的石墨烯电极的分子器件检测EB，同时设置对照实验
a)未切割(即无锯齿形的纳米间隙)的石墨烯电极的分子器件对DNA-EB体系检测图，如图I所示，石墨烯表面连接DNA后，加入EB能产生明显变化，结果表明石墨烯表面存在一定量的DNA分子。
b)未切割(即无锯齿形的纳米间隙)的TritonX-IOO自组装修饰的石墨烯电极的分子器件对DNA连接检测图，如图2所示，通过TritonX-IOO处理后，进行连接DNA，电流没有发生变化，结果表明自组装修饰的石墨烯表面能有效去除DNA的连接等。
对步骤5)中得到的DNA单分子连接器件进行EB结合与识别的电学信号检测，器件经过EB处理，EB作用双链DNA，以致电流发生变化(见图3)。所有的工作器件均显示出一致的变化趋势。
通过改变EB的浓度来研究连接器件的灵敏度。多个DNA单分子连接器件用来检测不同浓度的EB。在EB处理前后，通过电学测量的I-V曲线检测，在不同的检测浓度下可以得到不同器件之间一致的实验结果，再次证明本发明具有较好的可信性与重现性。
综上所述，本发明所提供的去除石墨烯电极的分子器件表面生物分子的方法能够减少检测噪音的功能，尤其对定量检测生物分子，在高灵敏度检测的过程中提高了准确度。
权利要求
1.一种制备基于石墨烯电极的分子器件的方法，包括下述步骤1)制备石墨烯晶体管器件阵列；其中，所述石墨烯晶体管器件阵列中每个石墨烯晶体管器件均包括栅极、源极、漏极和导电沟道，所述导电沟道为石墨烯；其中，在所述石墨烯上设有由电子束刻蚀和氧等离子体刻蚀石墨烯得到的一个通道，所述通道上间隔设有长度为 I-IOnm的纳米间隙，即DNA序列连接部位，所述DNA序列连接部位与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；2)将步骤I)制备的石墨烯晶体管器件阵列在聚乙二醇辛基苯基醚中浸泡O.5-3小时；3)将步骤2)处理后的石墨烯晶体管器件阵列中的纳米间隙两侧的石墨烯的末端羧基进行活化，然后与下述序列I)或2)进行纳米间隙中的酰胺键共价连接，得到基于石墨烯电极的分子器件所述序列I)为与待测有机生物小分子具有相互作用的末端经氨基修饰的 DNA序列；所述序列2)为与待测有机生物小分子具有相互作用的末端连接氨基修饰的有机分子的DNA序列。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤I)中，所述栅极为含有厚度为 IOO-IOOOnm 二氧化娃层的娃基底,其电阻率为5_20ohm *cm_1 ;所述源极和漏极均由Cr电极层和设于所述Cr电极层上的Au电极层组成,所述Cr电极层厚度为I-IOOnm,所述Au电极层厚度为20-1000nm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述栅极为含有厚度为300nm二氧化硅层的娃基底；所述Cr电极层厚度为80nm,所述Au电极层厚度为600nm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于步骤I)中，所述石墨烯晶体管器件阵列是按照包括下述步骤的方法制备得到的i)构建石墨烯晶体管器件阵列； )在所述石墨烯晶体管器件阵列的每个石墨烯晶体管器件的石墨烯上旋涂正性电子束光刻胶，用电子束对所述电子束光刻胶进行曝光，得到虚线形状的曝光图案，然后进行氧等离子体刻蚀，使所述石墨烯晶体管器件的源极和漏极之间得到一个通道，并在所述通道上间隔得到长度为I-IOnm的纳米间隙，所述纳米间隙与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；所述虚线形状的曝光图案中，线条宽度为2-10nm，优选5nm，每段实线的长度为 150-500nm，优选 150nm，实线间距为 20_50nm，优选 40nm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述方法还包括在步骤ii)中进行氧等离子体刻蚀后，对所述氧等离子体刻蚀没有形成所述纳米间隙的部位，利用电流烧断法继续处理，得到所述纳米间隙。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于步骤i)中构建石墨烯晶体管器件阵列的方法包括三个步骤；a)在石墨烯上旋涂光刻胶，记为光刻胶1，对光刻胶I进行曝光得到标记图案，在标记图案处依次蒸镀厚度为I-IOOnmCr层、20-1000nmAu层，除去光刻胶1，在石墨烯曝光位置处留下了蒸镀的金属标记，所述金属标记用于下两步光刻的位置对准标记；所述石墨烯附着于表面具有二氧化娃层的娃基底上；b)在步骤a得到的有金属标记的石墨烯上旋涂光刻胶2,通过步骤a的标记定位，曝光，留下条带状的光刻胶将部分石墨烯保护起来，其它部分通过曝光显影将石墨烯曝露出来，用氧等离子体刻蚀掉其它部分曝露的石墨烯，保护在条带状光刻胶下面的石墨烯不被刻蚀得以保留，除去光刻胶2，得到条带状石墨烯，将所述条带状石墨烯在氢气和氩气气氛下于400-450度退火,清洁石墨烯条带的表面；c)在步骤b得到有石墨烯条带的硅片上旋涂光刻胶3，通过步骤a的标记定位在石墨烯条带上曝光出源极和漏极电极图案，所述源极和漏极之间的间距为4-7 μ m，在所述电极图案上依次蒸镀厚度为I-IOOnm的Cr层、厚度为20_1000nm的Au层作为器件的源极和漏极，除去光刻胶3，得到所述石墨烯晶体管器件阵列。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于所述步骤3)中对纳米间隙两侧的石墨烯的末端羧基进行活化的方法为将步骤2)得到的具有纳米间隙的石墨烯分子器件在含有N-羟基硫代琥珀酰亚胺和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的 IO-IOOmM MES缓冲溶液中浸泡8_12小时；所述MES缓冲溶液的pH值为3_10，所述MES缓冲溶液中N羟基硫代琥珀酰亚胺的浓度为5-15mM，1_ (3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐的浓度为3-10mM ;步骤3)中所述酰胺键共价连接在PBS缓冲液中进行，所述PBS缓冲液的浓度为lO-lOOmM，pH值为6_8。
全文摘要
本发明公开了一种制备去除表面生物分子的基于石墨烯电极的分子器件的方法。该方法包括下述步骤1)制备石墨烯晶体管器件阵列；其中，所述石墨烯晶体管器件阵列中的导电沟道为石墨烯；在所述石墨烯上设有一个通道，所述通道上间隔设有长度为1-10nm的DNA序列连接部位，该连接部位与所述石墨烯晶体管器件中的源极和漏极垂直；2)对石墨烯电极的分子连接器件用TritonX-100浸泡0.5-3小时；3)将设计的DNA序列连接到纳米间隙中，得到DNA单分子连接器件。将本发明制备的基于石墨烯电极的单分子连接器件进行电学信号检测，同时设置对照实验，检测结果表明该方法可以有效去除石墨烯电极的分子器件表面的生物分子，有利于提高检测的准确度。
文档编号H01L51/56GK102983291SQ20121049229
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者郭雪峰, 高力 申请人:北京大学