专利名称：一种开发蛋白质分子电子器件的电化学钳及其制作方法
技术领域：
本发明涉及电分析化学、分子电子器件、生物传感器技术领域，具体涉及一种可用 于开发蛋白质分子电子器件的电化学钳的结构及其制作方法。
背景技术：
大规模、超大规模集成电路的发展趋势是不断縮小电子器件的尺寸，现已进入纳米 电子器件时代。研制纳米电子器件目前主要有两条途径 一是采用微电子加工技术进一 步縮小传统电子器件的尺寸，但在接近或达到纳米尺度时，量子力学效应与热力学统计 起伏效应逐渐使得当代微电子的发展受到严重制约；二是开发分子电子器件。后者是一 个新领域，但已引起国内外的高度重视，纷纷投入大量的人力、物力、财力进行研究开 发，这是因为与传统电子器件相比，分子电子器件的优越性是显著的，开关与逻辑操 作在分子水平上进行，其体积可以縮小数百乃至数千倍；分子可以在空间的各个方向上 作用，不像传统的硅集成电路只是形成在一个二维面上，分子逻辑电路密集度将比传统 电子器件提高十万倍左右；利用化学反应进行工作，只需要很少能量就可进行；流动电 子间碰撞的可能性极小，不会产生发热问题。利用这些分子电子器件，可设计制造出对 纳米空间进行操作的"分子马达"和"生物导弹"、二十一世纪全新概念的"生物计算 机"。分子电子器件有两个来源 一是合成大分子；二是天然生物大分子，从来源的广 泛性、性能的优越性来看，后者更具优势，其中的蛋白质分子尤显重要。蛋白质分子内 部有多个氧化还原中心，氧化还原中心之间以及其与外部存在广泛的电子传递行为，探 索这种分子内电子转移中心的相互关系与电子在其间转移和驻留的规律，即可发现其具 有的"分子电子器件"的特性，即蛋白质分子在恰当的化学激发、光化学激发、电化学 激发下，具有类似于电阻、电容、二极管、开关、导线、逻辑门、存储器、反馈电路等 传统电子器件的性质，实现蛋白质分子电子器件功能。
目前开发分子电子器件多采用扫描隧道显微镜(STM)或导电针尖原子力显微镜 (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)，将少数 分子镶嵌在两个电极之间，形成金属一分子一金属(metal—molecules—metal， MMM)的 分子结，施加激发信号，分析其响应。但用该方法开发蛋白质分子电子器件存在一些不足①欲实现MMM的连接，必须使用接触模式，电极或导电针尖与蛋白质分子直接接 触，易导致蛋白质变形变性，进而影响其电化学性质；②接触分子数目小，信号微弱， 易受噪声千扰；③电极或导电针尖的表面更新比较困难； 所使用的仪器价格昂贵，研 究成本极高。为弥补上述不足，Armstrong等(A^we， 1992, 356: 361; J！ C/zem. 5bc, 2005, 127: 14964;历oc/zeOT/Wo/, 2003, 42: 8653; Cwm (9p/". 2005, 9: 110)提
出采用蛋白膜伏安法将氧化还原蛋白质以单层或亚单层形式固载于界面友好的电极表 面，施加电位扰动导致电子传入、传出蛋白质或在其内部迁移，以循环伏安技术研究这 些电子迁移行为与电位、时间等参数的关系，考察蛋白质的分子电子器件行为，该方法 采用分子间力固载蛋白质，作用力小而蛋白质不易变形；接触分子数目较多，信号较强; 电极表面更新相对容易，抛光即可；所使用的仪器简单。但该方法同时也存在一些不足: 结论通过电化学信息推导出来，是间接的、非现场的；所采用的电化学技术主要为循环 伏安技术，可以提供的信息是有限的，尚不能满足开发各种分子电子器件的需求；循环 伏安技术可以使用的扫描速度较小，即便采用目前己知最快的超快伏安法，也仅有1 MHz左右，无法开发出具有高速响应能力的蛋白质分子电子器件。
针对上述两种方法各自的不足，本发明制作了一种开发蛋白质分子电子器件的电化 学钳，作用力轻微而蛋白质不易变形变性；接触分子数目多，信号较强；表面更新容易， 切断前端形成新的截面即可；所使用的仪器简单；信息是现场的；电化学技术多样；扫 描速度快，可开发出具有高速响应能力的蛋白质分子电子器件。上述开发蛋白质分子电 子器件的电化学钳及其制作方法在其他文献或专利中均未见到。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是克服上述现有开发蛋白质分子电子器件的两种 方法中存在的作用力大导致蛋白质变形变性、信号较弱、表面更新困难、仪器设备昂贵、 信息为非现场的、扫描速度慢而无法开发高速响应能力的蛋白质分子电子器件之不足， 提供一种开发蛋白质分子电子器件的电化学钳，它作用力轻微而蛋白质不易变形变性； 接触分子数目多，信号较强；表面更新容易，切断前端形成新的截面即可；所使用的仪 器简单；信息是现场的；电化学技术多样；扫描速度快，可开发出具有高速响应能力的 蛋白质分子电子器件。
本发明所要解决的另一个技术问题是克服上述现有开发蛋白质分子电子器件的两 种方法中存在的作用力大导致蛋白质变形变性、信号较弱、表面更新困难、仪器设备昂 贵、信息为非现场的、扫描速度慢而无法开发高速响应能力的蛋白质分子电子器件之不 足，提供一种简单实用、容易实施、重复使用、成本低廉的开发蛋白质分子电子器件的 电化学钳的制作方法，
5解决本发明首要技术问题的技术方案是这样的 一种开发蛋白质分子电子器件的电 化学钳，其特征在于在绝缘基材表面均匀镀有纳米级厚度的内导体层、外导体层，它 们通过纳米级厚度的内绝缘层隔离，内导体层和外导体层用导电胶连接上各自导线，利 用蛋白质分子表面的氨基酸残基带有的电荷，在内导体层、外导体层上分别施加适当电 压以钳住蛋白质分子，使其定向排列于内导体层和外导体层之间。
作为改进，所述的内导体层、外导体层做成环状，成为内环导体、外环导体，内绝 缘层也做成环状，而且厚度可调，这样便于实际制造。
作为改进，所述的内环导体、外环导体上段之间在内绝缘层外另外增设了玻璃毛细 管，使内环导体的导线通过环氧树脂固定在绝缘基材上，而外环导体的导线通过环氧树 脂固定在玻璃毛细管上，使导线更加容易布置在电化学钳上。
作为改进，外环导体表面至少从玻璃毛细管下部起均匀涂覆或聚合上外绝缘层，起 到必要的保护作用。
作为优选，绝缘基材为玻璃纤维、石英玻璃纤维、陶瓷纤维、或者石棉纤维，便于 实际使用。
作为优选，内环导体、外环导体由碳、包括金、铂、银的贵金属材料或稀有金属材 料构成，使电化学钳保持良好的导电性能，提高工作灵敏性；
进一步改进，内环导体、外环导体的涂覆采用蒸发或溅射的方法，其厚度通过改变 蒸发或溅射的时间与强度进行调节，控制在l-50nm之间，这样容易实现，方法实用。
进一步改进，内绝缘层、外绝缘层由电聚合形成的高分子聚合物构成，所述内绝缘 层、外绝缘层的厚度通过改变电聚合的电位和时间进行调节，控制在1-500 nm之间。 这样容易实现，方法简单实用。
解决本发明另一个技术问题的技术方案是这样的 一种开发蛋白质分子电子器件的 电化学钳制作方法，其特征在于包括如下步骤
a) 在绝缘基材表面均匀镀一层导体，构成内环导体，该内环导体层经导电胶由导 线引出；
b) 在该内环导体一端表面均匀涂覆或聚合一纳米级的内绝缘层后，再将另一端密 封于玻璃毛细管内，用环氧树脂固定；
c) 在该内绝缘层及玻璃毛细管外表面均匀镀上一层导体，构成外环导体，该外环导 体层经导电胶由导线引出，用环氧树脂固定；
d) 该外环导体表面至少从玻璃毛细管下部起均匀涂覆或聚合一外绝缘层；
e) 将涂覆有导体层和绝缘层的绝缘基材前端垂直切断，露出的内外两层纳米级厚 度环状导体截面作为电化学钳。
所述绝缘基材为玻璃纤维、石英玻璃纤维、陶瓷纤维、石棉纤维；所述内环导体、 外环导体由碳、贵金属材料金、铂、银或稀有金属材料构成；所述内环导体、外环导体的涂覆采用蒸发或溅射的方法，其厚度通过改变蒸发或溅射的时间与强度进行调节，控 制在l-50nm之间；所述内绝缘层、外绝缘层由电聚合形成的高分子聚合物构成，内绝 缘层、外绝缘层的厚度通过改变电聚合的电位和时间进行调节，控制在l-500nm之间。 与现有技术相比，本发明的优点具有下列技术效果
(1) 本发明利用蛋白质分子表面的氨基酸残基带有的电荷，在内、外两层环状导体 上分别施加适当电压以钳住蛋白质分子，使其定向排列于内、外两层环状导体之间以开
发蛋白质分子电子器件，作用力主要为静电引力，轻微而不会导致蛋白质变形变性；
(2) 本发明由于实现较多的蛋白质分子在内、外两层环状导体之间以并联形式定向 排列，因而信号较强；
(3) 本发明电化学钳表面更新非常容易，将其前端垂直切断露出新鲜表面即可，操 作简单，稳定性好；
(4) 本发明用于开发蛋白质分子电子器件，所需使用的仪器简单价廉，仅需任意波 形发生器、示波器、放大器搭建一个系统，总价仅约STM或CF-AFM价格的1/50左右， 且该研究系统无需运行成本；
(5) 本发明所得到的蛋白质分子电子器件的信息，是直接的、现场的；
(6) 本发明可以使用各种波形作为激发信号进行研究，信息丰富多样；
(7) 本发明可以使用高频输入信号，开发出具有高速响应能力的蛋白质分子电子器
件；
(8) 本发明电化学钳制作工艺简单、实用，操作容易，制作条件容易控制，成本低 廉，在一般化学实验室均可制作，具有较好的推广应用价值。
本发明提供的电化学钳，可以通过静电引力钳住蛋白质分子，使其定向并联排列于 内、外两层环状导体之间以开发蛋白质分子电子器件，作用力轻微而蛋白质不易变形变 性，接触分子数目多而信号较强，表面更新容易，所使用的仪器简单，信息是现场的， 扫描速度快，可用于开发蛋白质分子电子器件，特别是具有高速响应能力的蛋白质分子 电子器件。
图la为本发明电化学钳的结构剖视图(M);
图lb为本发明电化学钳的结构横截面图(N);
图2为蛋白质分子在电化学钳横截面上定向排列示意图3为采用电化学钳开发蛋白质分子电子器件的电路系统示意图4为铜蓝蛋白在电化学钳上的I V曲线。
其图1中
1、绝缘基材，2、内环导体，3、外环导体，4、内绝缘层，5、导电胶，6、导线，
7，9、导电胶，10、导线，11、环氧树脂，12、外绝缘层; M、纵剖面，N、横截面。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。 实施例1
本实施例中选用玻璃纤维作为绝缘基材，金作为内环导体2、外环导体3，清洗用 乙醇、双蒸水超声清洗，导电胶5、 9采用银导电胶，内、外绝缘层4、 12采用聚合方 式形成的高分子聚合物。其具体制作方法为先将玻璃纤维置于丙酮中回流10小时， 再用乙醇、双蒸水超声清洗，完全干燥后截取3-4cm长度作为绝缘基材l，在其表面蒸 发镀上一层约20 nm厚的金充当内环导体2，用银导电胶5粘接于^ 0.1 mm的铜丝末 端，构成内环导体导线6，将该表面镀金的玻璃纤维浸在苯酚和2-烯丙基苯酚溶液中， 金层维持恒电位5.2 V约3-6 min，使苯酚和2-烯丙基苯酚在金层表面发生聚合，经15(TC 高温烘烤形成厚度约为5-10 nm的内绝缘层4;将上述结构小心置入玻璃毛细管7，用 玻璃毛细管拉制器将其密封，镀有内环导体2和内绝缘层4的一端露出于玻璃毛细管7 外，另一端露出的铜导线用环氧树脂8固定，构成了内环导体导线6;采用与上述相同 的处理方法，在内绝缘层4和玻璃毛细管7外壁蒸发镀上一层约20 nm厚的金充当外环 导体3，经银导电胶9用00.1mm的铜丝引出，作为外环导体导线10，用环氧树脂11 固定；采用与上述相同的处理方法，再于外环导体3表面形成厚度约为10-20 nm的外 绝缘层12;最后，用手术刀将玻璃纤维的绝缘基材1前端切断，暴露出内外环状导体2、 3的截面，即获得电化学钳。
将上述制得的电化学钳浸泡在5 mmol/L的铜蓝蛋白醋酸缓冲溶液(pH = 4.64)中， 维持内环导体恒电位为+0.1 V、外环导体恒电位为一O.l V， 2小时后，取出用超纯水冲 洗，干燥，按附图3安装，任意波形发生器发出线性扫描电压一O.l V +0.1V，扫速为 1V/s，输入信号、输出信号输入示波器分别为X轴、Y轴，记录电流一电压(1 V)曲 线，如附图4所示，表明在该实验条件下铜蓝蛋白表现为电阻的分子电子器件性质。
说明了在内环导体2、外环导体3上分别施加适当电压以钳住蛋白质分子，使其定 向并联排列于内环导体2和外环导体3之间。通过外部电路施加激发信号于被电化学钳 钳住的蛋白质分子，分析输入信号与输出信号之间的关系，获知蛋白质分子内部的电子 传递机制，开发蛋白质分子电子器件。
8
权利要求
1、一种开发蛋白质分子电子器件的电化学钳，其特征在于在绝缘基材表面均匀镀有纳米级厚度的内导体层、外导体层，它们通过纳米级厚度的内绝缘层隔离，内导体层和外导体层用导电胶连接上各自导线，利用蛋白质分子表面的氨基酸残基带有的电荷，在内导体层、外导体层上分别施加适当电压以钳住蛋白质分子，使其定向排列于内导体层和外导体层之间。
2、 根据权利要求l所述的电化学钳，其特征在于内导体层、外导体层做成环状， 成为内环导体、外环导体，内绝缘层也做成环状，而且厚度可调。
3、 根据权利要求2所述的电化学钳，其特征在于内环导体、外环导体上段之间 在内绝缘层外另外增设了玻璃毛细管，使内环导体的导线通过环氧树脂固定在 绝缘基材上，而外环导体的导线通过环氧树脂固定在玻璃毛细管上。
4、 根据权利要求3所述的电化学钳，其特征在于外环导体表面至少从玻璃毛细 管下部起均匀涂覆或聚合上外绝缘层。
5、 根据权利要求4所述的电化学钳，其特征在于绝缘基材为玻璃纤维、石英玻 璃纤维、陶瓷纤维、或者石棉纤维。
6 根据于权利要求4所述的电化学钳，其特征在于内环导体、外环导体由碳、 包括金、钼、银的贵金属材料或稀有金属材料构成。
7、 根据权利要求4所述的电化学钳，其特征在于内环导体、外环导体的涂覆采 用蒸发或溅射的方法，其厚度通过改变蒸发或溅射的时间与强度进行调节，控制在l-50nm之间。
8、 根据权利要求4所述的电化学钳，其特征在于内绝缘层、外绝缘层由电聚合 形成的高分子聚合物构成，所述内绝缘层、外绝缘层的厚度通过改变电聚合的 电位和时间进行调节，控制在1-500 nm之间。
9、 一种开发蛋白质分子电子器件的电化学钳制作方法，其特征在于包括如下步骤a) 在绝缘基材表面均匀镀一层导体，构成内环导体，该内环导体层经导电胶 由导线引出；b) 在该内环导体一端表面均匀涂覆或聚合一纳米级的内绝缘层后，再将另一 端密封于玻璃毛细管内，用环氧树脂固定；c) 在该内绝缘层及玻璃毛细管外表面均匀镀上一层导体，构成外环导体，该 外环导体层经导电胶由导线引出，用环氧树脂固定；d) 该外环导体表面至少从玻璃毛细管下部起均匀涂覆或聚合一外绝缘层；e) 将涂覆有导体层和绝缘层的绝缘基材前端垂直切断，露出的内外两层纳米级厚度环状导体截面作为电化学钳。
10、根据权利要求9所述的电化学钳制作方法，其特征在于所述绝缘基材为 玻璃纤维、石英玻璃纤维、陶瓷纤维、石棉纤维；所述内环导体、外环导体由 碳、贵金属材料金、钼、银或稀有金属材料构成；所述内环导体、外环导体的涂覆采用蒸发或溅射的方法，其厚度通过改变蒸发或溅射的时间与强度进行调节，控制在l-50nm之间；所述内绝缘层、外绝缘层由电聚合形成的高分子聚 合物构成，内绝缘层、外绝缘层的厚度通过改变电聚合的电位和时间进行调节， 控制在1-500 nm之间。
全文摘要
一种开发蛋白质分子电子器件的电化学钳及其制作方法，其特征在于在绝缘基材表面均匀镀有纳米级厚度的内外两层环状导体，通过纳米级、厚度可调的绝缘层隔离，在内外两层环状导体上分别施加适当电压，利用静电引力钳住蛋白质分子，使其定向并联排列，通过外部电路施加激发信号于被电化学钳钳住的蛋白质分子，分析输入信号与输出信号之间的关系，获知蛋白质分子内部的电子传递机制，开发蛋白质分子电子器件。本发明提供的电化学钳，作用力轻微而蛋白质不易变形变性，接触分子数目多而信号较强，表面更新容易，所使用的仪器简单，信息是现场的，扫描速度快，可用于开发蛋白质分子电子器件，特别是具有高速响应能力的蛋白质分子电子器件。
文档编号G01N27/30GK101424655SQ20071015649
公开日2009年5月6日 申请日期2007年11月2日 优先权日2007年11月2日
发明者侯琳熙, 卢志强, 邃 王, 郭智勇, 魏丹毅 申请人:宁波大学