石墨烯與雙鏈DNA分子復(fù)合結(jié)構(gòu)電導(dǎo)性的c-AFM研究

牛冬校 胡 鈞

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

石墨烯(graphene oxide)的碳原子以 sp2雜化軌道鍵合，平面內(nèi)碳原子間以強(qiáng)鍵σC-C結(jié)合，在垂直二維平面方向上以π鍵形成界面弱鍵結(jié)合[1]，因此具有超強(qiáng)的韌性、良好的電導(dǎo)性和熱穩(wěn)定性，是理想的二維納米材料，也是納米器件研究領(lǐng)域的明星材料。

DNA分子記錄生物遺傳信息，圍繞DNA分子進(jìn)行的基因復(fù)制、基因表達(dá)、基因損傷修復(fù)等生化行為，不同程度地表現(xiàn)出了長程有序性，因此Mallajosyula等[2,3]猜測(cè) DNA分子具有特殊電子通道，允許電子在雙鏈上快速地長程傳遞。但是，關(guān)于 DNA分子電子輸運(yùn)能力和機(jī)制的理論預(yù)測(cè)，以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，目前還存在不少爭議[4–6]。作為天然的一維納米材料，DNA分子是分子器件科學(xué)的重要研究對(duì)象之一[7]。

石墨烯-DNA分子復(fù)合體是在溶液中依靠石墨烯界面和邊緣吸附形成的自組裝復(fù)合體，是一種納米尺度上的一維材料和二維材料復(fù)合的特殊結(jié)構(gòu)。單鏈DNA因?yàn)閴A基暴露而易形成這種復(fù)合體[8,9]，而雙鏈 DNA和石墨烯的結(jié)合弱，尚未見這種復(fù)合體的電性質(zhì)研究報(bào)道。

本工作對(duì)石墨烯-雙鏈DNA分子復(fù)合體進(jìn)行電導(dǎo)性測(cè)量，解決的技術(shù)問題有：(1)將石墨烯-DNA分子展開并固定在絕緣襯底表面；(2)過程中對(duì)復(fù)合體進(jìn)行無損的形貌觀察；(3)盡可能地降低電極和復(fù)合體之間的接觸電阻。先將水溶液中形成的石墨烯-DNA分子復(fù)合體旋涂制樣到裸云母表面，用物理方法剝離的石墨薄片加工成適合導(dǎo)電原子力顯微鏡(c-AFM, conductive atomic force microscope)觀測(cè)的納米電極，并利用c-AFM的扭轉(zhuǎn)共振隧穿電流模式(Tr-TUNA, torsional resonance tunneling current AFM)[10]對(duì)復(fù)合體進(jìn)行電導(dǎo)性測(cè)量。選用的雙鏈DNA分子是從 lambda噬菌體分離出來的lambda-DNA，有 48502個(gè)匹配的堿基對(duì)構(gòu)成，在AFM觀察襯底上完全展開的長度可達(dá)10–20 μm。

1 材料與方法

1.1 材料

石墨烯為水合肼對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行化學(xué)還原方法制備[11]，lambda-DNA購自生工(上海)生物工程有限公司；石墨購自Mikromasch公司(本原納米儀器有限公司代理)；AFM為multimode-V型(美國Veeco公司)，探針型號(hào)SCM-PIC。

1.2 石墨烯-DNA分子復(fù)合體的構(gòu)建和在云母表面的旋涂制樣

取0.5 mg/mL石墨烯溶液10 μL，與10 μL 20μg/mL的lambda-DNA溶液混合，輕輕振蕩使其混合均勻；預(yù)先將1 cm×1 cm云母薄片用雙面膠粘在AFM樣品鐵托片上，用膠帶在云母上表面剝離出新鮮襯底面待用；取10 μL石墨烯和DNA的混合溶液，滴在云母襯底中央，然后放置在旋涂儀上，設(shè)置旋涂程序?yàn)椋?00 r/min，2 min后，10 s內(nèi)轉(zhuǎn)速升到5000 r/min后停止，至此在云母襯底上就完成了石墨烯-DNA復(fù)合體的制樣過程，圖1(a)與 1(b)為制樣前后的AFM圖像。由圖1(b)，lambda-DNA分子能夠和單片石墨烯形成多點(diǎn)的連接，連接點(diǎn)多在石墨烯邊緣，也可找到一個(gè) DNA分子和多個(gè)石墨烯薄片串聯(lián)式連接形成的復(fù)合體。圖1(a)的典型薄片高度分析表明，實(shí)驗(yàn)所用還原石墨烯表面平整、邊緣清晰。

圖1 石墨烯及石墨烯-DNA復(fù)合體的AFM觀察輕敲模式，掃描范圍8 μm×8 μmFig.1 AFM image of graphene-DNA composite bady. In tapping mode, scanning region 8 μm×8 μm.

1.3 石墨烯-DNA分子復(fù)合體電導(dǎo)性測(cè)量

1.3.1 c-AFM線性方向電導(dǎo)測(cè)量的納米電極構(gòu)建

石墨烯-DNA復(fù)合體電導(dǎo)性，是指沿DNA分子鏈方向和沿石墨烯薄片二維平面方向的電子輸運(yùn)能力(圖2)。重點(diǎn)考察的是DNA分子能否將一端的電位激勵(lì)轉(zhuǎn)化成另一端石墨烯連接體上的電流響應(yīng)。但是 c-AFM 只能對(duì)處在導(dǎo)電針尖和導(dǎo)電襯底間的樣品進(jìn)行I/V測(cè)量，不能直接應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建的一維、二維材料的復(fù)合體沿維度方向的電導(dǎo)能力測(cè)量，還需要在絕緣的云母襯底上制作適合c-AFM的納米電極，并使其和針尖構(gòu)成回路。

圖2 c-AFM測(cè)量示意圖Fig.2 Schematics of the c-AFM measurement.

圖3是納米電極制作法示意圖：將物理方法剝離的石墨薄片鋪在已制樣了的云母襯底上，一端指向云母襯底中央，一端靠近云母襯底邊緣，在邊緣處用導(dǎo)電膠把石墨片和導(dǎo)電鐵托連接起來，與c-AFM系統(tǒng)構(gòu)成回路，指向云母片中央的一端作為和c-AFM針尖配合的納米電極。圖3的插圖是搭建好納米電極的樣品圖片。

圖3 用石墨薄片制作適合c-AFM的納米電極示意圖；插圖為搭建有電極的樣品Fig.3 Schematic presentation of fabricating the nanoelectrode suitable for c-AFM. The insert is a sample with the electrode.

1.3.2 復(fù)合體電導(dǎo)性的Tr-TUNA測(cè)量

c-AFM進(jìn)行的I/V特性測(cè)量中，為了保證作為電極之一的AFM探針針尖和樣品表面很好的接觸，通常采用接觸模式同步成像。但接觸模式并不適合石墨烯-DNA復(fù)合體，成像時(shí)針尖-樣品側(cè)壓力能夠在云母表面推動(dòng)DNA分子，甚至破壞石墨烯-DNA復(fù)合體。為此實(shí)驗(yàn)中采取了扭轉(zhuǎn)共振模式(Trmode)，實(shí)現(xiàn)對(duì)與襯底結(jié)合強(qiáng)度低的軟樣品進(jìn)行形貌觀察的同時(shí)進(jìn)行TUNA的測(cè)量。為確保后加工的石墨電極有效性，需要在TUNA測(cè)量前對(duì)石墨電極做導(dǎo)電性的測(cè)量和表征：將c-AFM探針針尖?？吭谑姌O表面，在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化針尖-電極之間電壓，同時(shí)記錄相應(yīng)的電流值。圖4是一個(gè)典型的在石墨電極表面獲得的I/V曲線。電壓變化為–200～+200 mV，電壓變化為10 mV/s。

圖4 石墨電極的I/V特性曲線Fig.4 I/V curve of graphite electrode.

在確定石墨電極同c-AFM回路導(dǎo)通后，選擇和石墨電極連接的石墨烯-DNA復(fù)合體進(jìn)行Tr-TUNA的測(cè)量。首先利用AFM的輕敲模式(tapping-mode)進(jìn)行大范圍的掃描成像，選出石墨薄片邊緣高度小于10 nm的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)找到和石墨形成連接的石墨烯-DNA復(fù)合體，利用offset和zoom in程序指令把AFM探針移到目標(biāo)位置，切換成Tr-TUNA模式，逐漸增加DC sample bias的電壓，并配合調(diào)節(jié)drive amplitude setpoint值，直到TUNA current圖像中電極位置出現(xiàn)明顯的電流信號(hào)。圖5為對(duì)石墨烯-DNA復(fù)合體的一次測(cè)量結(jié)果。圖5(a)為Tr-mode下的形貌圖，圖5(b)為對(duì)應(yīng)的TUNA current圖像。Tr-TUNA模式，樣品直流偏壓–5 V，掃描范圍 4 μm×4 μm。c-AFM 操作的環(huán)境溫度為 25oC，相對(duì)濕度為40%。

圖5 石墨烯-DNA連接體的AFM形貌圖(a)和TUNA模式下電流圖(b)Fig.5 Topographic image (a) and TUNA current image (b) of graphene-DNA composite body.

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)中，在絕緣的云母襯底上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適合石墨烯-DNA復(fù)合體沿襯底表面方向電導(dǎo)能力測(cè)量的石墨電極，通過c-AFM的I/V測(cè)量，確定了該電極能滿足隧穿電流精度的測(cè)量要求。當(dāng)應(yīng)用該電極對(duì)石墨烯-DNA復(fù)合體進(jìn)行 c-AFM 測(cè)量時(shí)，在TUNA current圖像中，直接與石墨電極連接的石墨烯片在針尖-石墨電極電壓作用下，產(chǎn)生電流信號(hào)；未直接與電極相連，而通過 DNA分子與電極連接的石墨烯片未產(chǎn)生電流信號(hào)(圖5)，針尖-石墨電極電壓為5 V，電流精度為1 pA，說明復(fù)合體的阻抗大于5×1012?。宋波等[12]的模擬計(jì)算表明，石墨烯表面和 DNA分子堿基間的能隙很窄，允許較低能量的隧穿電子通過堿基-石墨烯的界面連接。石墨烯和DNA的連接以及石墨電極和DNA分子的連接所產(chǎn)生的接觸電阻應(yīng)遠(yuǎn)小于 DNA分子鏈上的阻抗，因此可以判定復(fù)合體的電阻主要來自 DNA分子沿鏈方向的阻抗，這個(gè)阻抗大到不能及時(shí)將電子輸運(yùn)到遠(yuǎn)端的石墨烯片上，形成c-AFM可觀測(cè)到的隧穿電流。

但假設(shè)雙鏈 DNA分子僅是以一種非常狹窄的電通道形式對(duì)電子進(jìn)行長程輸運(yùn)，則實(shí)驗(yàn)中因電子累計(jì)速度滿足不了電流測(cè)量精度的下限要求，同樣不能得到有效的電流信號(hào)。因此實(shí)驗(yàn)并不能完全否定雙鏈 DNA分子對(duì)電子的長程輸運(yùn)的可能，實(shí)驗(yàn)方案有待于更精巧的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，以獲得更精確的關(guān)于雙鏈DNA長程電子輸運(yùn)能力的測(cè)量結(jié)果。

3 結(jié)語

通過對(duì)石墨烯-DNA復(fù)合體的c-AFM測(cè)量，結(jié)果表明，雙鏈 DNA分子可以作為中間連接體連接石墨烯片，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建在微電子科學(xué)及分子器件科學(xué)的研究中具有重要的意義。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在pA量級(jí)的電流精度條件下，復(fù)合體中的DNA分子電阻大于5×1012?，實(shí)驗(yàn)中沒有可觀測(cè)電流通過連接石墨烯的 DNA分子，說明盡管雙鏈DNA分子是可用作連接體的一維納米材料，具有非常好的操控性[13]，但利用其進(jìn)行分子器件的設(shè)計(jì)時(shí)不能作為導(dǎo)體材料。然而，隨著DNA折紙術(shù)[14]和其它基于 DNA分子雙鏈結(jié)構(gòu)的納米構(gòu)建技術(shù)的快速發(fā)展[15,16]，經(jīng)過精巧設(shè)計(jì)后的以 DNA分子為模板的自組裝復(fù)合體可能會(huì)給分子器件研究和微電子技術(shù)帶來突破性的進(jìn)展。

致謝 感謝復(fù)旦大學(xué)表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備支持。

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