一种石墨烯-二硫化钼异质结纳米孔生物传感器结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯
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二硫化钼异质结纳米孔生物传感器结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及传感分析
，涉及基于二维材料固态纳米孔的生物单分子传感器技术，特别涉及一种基于石墨烯
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MoS2异质结固态纳米孔生物传感器的结构和制备方法。

技术介绍

[0002]目前，基于固态材料，尤其是基于氮化硅、二维材料等薄膜材料的固态纳米孔器件广泛应用于包括DNA、RNA、蛋白质等生物分子在单分子级别上的传感与检测。利用在固态薄膜材料上构造的直径在100nm以内的纳米孔，通过外加电压的驱动和纳流体内被测生物分子在电场驱动下通过纳米孔孔道造成的离子阻塞效应，可以得到相应的单分子级的离子阻塞电学信号。在离子阻塞信号的统计分布分析与单个信号的形态分析中，可以得到被测生物分子相关的几何结构、表面电学特征等信息以及分子在纳米孔中的运动模式与运动规律。现有的固态纳米孔结构受限于纳米孔处过于集中的电势差异，导致被测生物分子，尤其是空间结构和电学特征更加复杂的蛋白质分子的过孔时间仅在1ms左右，使得传感器无法在单个信号中将生物分子的内部信息识别出来。这一缺陷将极大限制固态纳米孔器件在生物传感领域的应用范围与应用效果。
[0003]针对生物分子过孔速度过快这一问题，领域内已展开了广泛而深入的研究。一种思路是在原有的纳米孔结构基础上进行材料的改变或额外的修饰。香港科技大学的Yobas教授课题组在固态纳米孔上集成掺杂硅栅极，进而利用栅极电压引入的场效应减慢DNA分子的过孔速度；圣母大学的Chang教授课题组则在纳米孔上增加了氧化锌绝缘层，使得纳米孔形状变为倒锥形，进而利用介电材料的漏电效应拖慢DNA的过孔速度；东北大学的Wanunu教授课题组将构成纳米孔器件的材料改为氧化铪，利用氧化铪和DNA之间优良的物理化学作用减慢DNA的过孔速度。上述方法可以将DNA分子的过孔时间最长延长至1s左右。然而，栅极或绝缘层的引入会使得制备工艺更加复杂，在测试中不光会带来额外的噪声，同时也会由于较厚的材料厚度导致空间分辨率无法得到保证，生物分子的内部信息仍旧无法得到较高精度的识别。此外，上述方法未在蛋白质测试中得到有效的验证。
[0004]另一种方式则是对固态纳米孔工作时的外部条件进行调整。阿肯色大学的Li教授课题组对固态纳米孔工作时的外加电压和溶液温度进行了控制，表面在低压、低温的情况下生物分子的过孔速度有一定程度的减慢；瑞士联邦理工学院的Radenovic教授课题组则更改了二硫化钼纳米孔工作时的离子溶液粘度，使得纳米孔两端存在明显的粘性梯度，进而减慢DNA的过孔速度。第一种方法减慢过孔速度的程度太小，在该速度下分子的内部信息仍无法识别，且空间分辨率较低；第二种方法会增加生物分子的过孔难度，同时其有效性也没有在蛋白质检测中得到进一步的确认。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提出一种石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器结构及其制备方
法，可以应用到生物单分子的传感检测中，实现减慢生物分子，尤其是蛋白质分子的过孔速度，同时保持较高的空间分辨率，进而得到分子内部的细节信息。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器结构，包括部分悬空的氮化硅薄膜衬底作为该结构的基本支撑部分，在氮化硅薄膜上具有微米级孔状结构；氮化硅薄膜层上表面设置有石墨烯薄膜层和MoS2薄膜层，两者形成上下堆叠结构的异质结，石墨烯薄膜层构成异质结结构的第一层，并覆盖氮化硅薄膜的孔状结构；MoS2薄膜层构成异质结结构的第二层；异质结表面具有贯穿MoS2和石墨烯薄膜的纳米孔。
[0008]进一步地，悬空氮化硅薄膜衬底的厚度应大于10nm。
[0009]石墨烯薄膜层表面具有较强的疏水性，与生物分子之间会形成很强的π
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π键，进而可以将生物分子拖住；而MoS2薄膜层与生物分子之间的作用较弱，因而不会影响生物分子的过孔。根据上述两层材料的不同特点，本结构中石墨烯薄膜层必须在异质结结构中的下层，MoS2薄膜层必须在异质结结构中的上层，进而整个器件结构由下至上为悬空氮化硅薄膜层
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石墨烯薄膜层
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MoS2薄膜层。该顺序确保被测分子首先接触MoS2层以降低过孔难度，之后与石墨烯层接触以利用上述的相互作用减慢被测分子的过孔速度。
[0010]石墨烯薄膜层与MoS2薄膜层的厚度应分别小于2nm，使得异质结结构的整体厚度小于4nm，保证传感器具有较高的空间分辨率。
[0011]优选地，石墨烯薄膜层选择石墨烯单层，MoS2薄膜层选择MoS2单层。
[0012]可选地，在石墨烯层接入电流传感器，利用石墨烯薄膜较好的导电性增加对受生物分子过孔影响的石墨烯表面电流的检测，以丰富检测结果。
[0013]进一步地，氮化硅薄膜层孔状结构的直径在1～2μm的范围内。
[0014]贯穿异质结的纳米孔直径需根据被测分子的尺寸大小而定。基本的原则是：异质结纳米孔直径接近于被测生物分子的直径，大于生物分子直径的部分不超过3nm。
[0015]本专利技术还提供了所述石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器结构的制备方法，包括以下步骤：在悬空氮化硅薄膜层上构造微米级孔状结构；利用胶带撕取的机械剥离方式获取石墨烯和MoS2薄膜材料；根据光学显微镜下材料与背景的对比度初步筛选较薄的材料，对比度越低，材料厚度越薄；利用基于三维转移台的干法转移和机械压印的方式转移材料并形成异质结，材料转移的顺序为先石墨烯后MoS2，两层材料必须都覆盖住氮化硅薄膜层的微米级孔状结构区域；在异质结表面构造贯穿该结构的纳米孔；利用原子力显微镜技术的非接触模式确定异质结边缘与氮化硅薄膜之间的高度差以得到异质结结构的准确厚度。
[0016]具体地，氮化硅薄膜层的微米级孔状结构利用聚焦离子束技术(FIB)构造，离子束选择镓离子。
[0017]可选地，石墨烯薄膜与MoS2薄膜还可以利用化学气相沉积技术获取，获取薄膜后，同样采用基于三维转移台的干法转移和机械压印的方式转移材料并形成异质结。
[0018]干法转移与机械压印可由如下步骤实现：
[0019]1)在机械剥离得到的薄膜材料转移至PDMS薄膜后，在光学显微镜下按照上述方法筛选所需的薄膜材料并拍照记录相对位置；
[0020]2)将氮化硅薄膜衬底用双面胶固定在三维转移台一边；并通过三维转移台配套的
显微镜确定悬空氮化硅薄膜衬底上微米级孔状结构的位置；
[0021]3)将带有目标薄膜材料的PDMS薄膜固定在干净的载玻片上，有材料的一面向下对准衬底，载玻片另一端固定在三维转移台的另一边；
[0022]4)将显微镜对焦到PDMS薄膜上，定位之前选择好的薄膜材料；
[0023]5)将显微镜对焦到下方氮化硅薄膜衬底上的孔状结构，并使载玻片缓慢下降，直至显微镜中出现薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器结构，其特征在于，包括氮化硅薄膜层、石墨烯薄膜层和MoS2薄膜层；所述的氮化硅薄膜层部分悬空，悬空部分设置有微米级孔状结构；所述的石墨烯薄膜层设置于氮化硅薄膜层上表面，覆盖所述的微米级孔状结构；所述的MoS2薄膜层设置于石墨烯薄膜层上表面，与石墨烯薄膜层构成上下堆叠结构的异质结；石墨烯薄膜层和MoS2薄膜层设置有纳米孔，所述的纳米孔位于微米级孔状结构区域范围内。2.如权利要求1所述的石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器，其特征在于：所述的氮化硅薄膜层设置于硅基基底上表面，所述的硅基基底设置有镂空，所述镂空使得氮化硅薄膜层部分悬空。3.如权利要求1所述的石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器，其特征在于：所述氮化硅薄膜层的厚度大于10nm。4.如权利要求1所述的石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器，其特征在于：所述石墨烯薄膜层和MoS2薄膜层的厚度分别小于2nm。5.如权利要求4所述的石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器，其特征在于：所述石墨烯薄膜层选择石墨烯单层，所述MoS2薄膜层选择MoS2单层。6.如权利要求1所述的石墨烯
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MoS2异质结纳米孔生物传感器，其特征在于：所述微米级孔状结构的直径在...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷超明，虞周斌，叶志，刘旸，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：