[发明专利]一种基于石墨烯电极的分子器件用于检测有机生物小分子的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯电极的分子器件用于检测有机生物小分子的方法。

背景技术

单分子检测是当今科学研究的热点，单分子检测做为针对有限可数的微观个体性质和行为的分析方法，能够提供传统宏观分析方法得不到的微观个体信息，对环境监测、微量物质检测、临床医学诊断等具有较为重要的意义。对检测有机生物小分子的研究方法，目前已经发展了表面等离子共振、荧光光谱、电化学、扫描探针显微镜等。现有的一些方法缺乏更高的灵敏度，受环境因素影响变化较大，建立一种对单个生物化学事件进行快速、高灵敏地检测方法的体系是目前迫切需要的。(1：Liu，J.，Cao，Z.，Lu，Y.Chem.Rev.，2009，109，1948.2：Drummond，T.G.，Hill，M.G.，Barton，J.K.Nat.Biotechnol.，2003，21，1192.3：Fang，X.H.，Tan，W.H.Accounts of Chemical Research，2010，43，48.4：Patolsky，F.，Zheng，G.，Lieber，C.M.Nat.Protoc.，2006，1，1711.5：Zheng，G.，Patolsky，F.，Cui，Y.，Wang，W.U.，Lieber，C.M.Nat.Biotechnol.2005，23，1294.)

石墨烯是一种二维平面材料，它由碳原子按照sp²成键形成稳定的蜂巢状结构，有很多优良的性质，比如它有很高的电子迁移率、室温下表现出长程弹道输运性质，(Geim，A.K.；Novoselov，K.S.Nature.Mater.2007，6，183.)。而且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。在前期工作中，我们建立了一套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。(1：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.)

发明内容

本发明的目的是提供一种单分子水平上高灵敏度地检测有机生物小分子的方法及其专用的基于石墨烯电极的DNA单分子连接器件。

本发明所提供的基于石墨烯电极的DNA单分子连接器件，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1-10nm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100-1000nm(如300nm)二氧化硅层的硅基底，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1-100nm(如80nm)，所述Au电极层厚度为20-1000nm(如600nm)。

制备上述基于石墨烯电极的DNA单分子连接器件的方法，包括下述步骤：

1)构建石墨烯晶体管器件阵列；

2)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1-10nm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)；