[发明专利]一种开发蛋白质分子电子器件的电化学钳及其制作方法

说明书

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缩小电子器件的尺寸，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 步缩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，其体积可以缩小数百乃至数千倍；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(Appl.Phys.Lett.，2002，81：3043；Science，2001，294：571；Science， 2001，292：2303；Science，2003，301：1221；J.Am.Chem Soc.，2003，125：16164)，将少数 分子镶嵌在两个电极之间，形成金属-分子-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， 易受噪声干扰；③电极或导电针尖的表面更新比较困难；④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(Nature，1992，356：361；J.Am.Chem.Soc.， 2005，127：14964；Biochemistry，2003，42：8653；Curr.Opin.Chem.Biol.，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，即便采用目前已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