CN105593166A - 石墨烯的涂布 - Google Patents

Abstract

本发明处于高度结晶的石墨烯和用层涂布所述石墨烯的领域。所述石墨烯可具有其它结构，例如纳米孔、纳米间隙和纳米带。经涂布的石墨烯可以用于生物分子分析和修饰，例如DNA测序，作为传感器等。本发明因此还涉及经涂布的石墨烯的用途。

Description

石墨烯的涂布

发明领域

本发明属于石墨烯和用层涂布所述石墨烯的领域。所述石墨烯可具有其它结构，例如纳米孔、纳米间隙和纳米带。经涂布的石墨烯可以用于生物分子分析和修饰，例如DNA测序，作为传感器等。本发明因此还涉及经涂布的石墨烯的用途。

发明背景

石墨烯是含碳材料。它的结构涉及在晶体学上致密填充于蜂巢状晶格中的sp2键合碳原子的一个原子厚的平面片。石墨的结晶或“薄片”形式由堆叠在一起的许多石墨烯片组成。它可以是所有其它维度的石墨材料的基本构建块。它可以缠绕成富勒烯，卷成1D碳纳米管或堆叠成3D石墨。

由于涉及其理论上优良的电子迁移率、机械强度和导热性的有前景的电子应用，石墨烯已吸引大量研究关注。它可以具有广泛范围的应用，例如场效应晶体管、光子或光电装置、作为气体或液体膜、通过石墨烯中的纳米洞测序DNA等。石墨烯宏观样品具有独特特性例如双极晶体管效应、电荷弹道输运、大量子振荡等。

大多数这些应用要求将石墨烯片修饰成特定纳米式样。一般而言，石墨烯的生产方法不提供其单层；至多获得单层的岛。

纳米孔被深入研究用于单分子筛选和DNA测序。因为石墨烯可以是仅一个原子薄的层的形式，并且可以具有极佳的电性能，所以它被视为生物学和基于硅的纳米孔的潜在继承者。

对于基于纳米孔的DNA单分子分析和测序纳米孔，膜中的微小洞原则上可以用作纳米级记录器，其从头到尾扫描DNA分子以最终读出遗传信息，例如使用穿过孔的离子电流来探测碱基的身份。在过去十年中，许多团体已开发使用纳米孔检测DNA分子的策略，以理解DNA易位的生物物理学。仅在最近，证实了如果将DNA聚合酶用于将DNA缓慢拉动(ratchet)穿过孔，则生物学纳米孔可以用于获得序列信息。近来，引入了石墨烯纳米孔。原则上，结晶石墨烯形成最终的纳米孔膜，因为它会是具有仅单个原子厚度的六角形碳片，而它完全阻止越过膜的离子转运。此外，它是导电的，这打开了直接探测碱基的化学性质的新模式，例如通过运行隧穿电流通过穿越石墨烯间隙的DNA分子。

纳米结构例如纳米孔的问题在于(尤其是当分析生物分子例如DNA时)：孔趋于堵塞并且生物分子可粘着至膜或粘在孔中。因此，分析充其量是不完全的并且更可能是不可能的。纳米孔等的其它问题在于其尺寸不好界定。进一步地，在其边缘处，石墨烯不再是单层，而是通常为多层(5-10层)，例如因加工而引起。边缘自身也是不规则的，例如不再是结晶的。因此，无法获得可靠结果，例如在电导、电流等方面的结果。上述的后果是制备的纳米结构没有价值。

各种专利文件和科学文件记载了纳米管的涂布(例如用酶)。涂布的目的在于使纳米管官能化。因此，纳米管自身的特征改变。

各种专利文件和科学文件记载了石墨烯氧化物的涂布，所述氧化物具有不同性质。目的可以是提供石墨烯(氧化物)在极性溶剂中的分散体。注意到的是氧化物的特征之一是它不是传导性的或充其量是半传导性的(电学上)。这样的文件的实例是WeiliWei等人的论文，“Chiraldetectionusingreusablefluorescentamylose-functionalizedgraphene”，Chem.Sci.，2011，2，第2050-2056页。不论标题，石墨烯氧化物被有效地官能化，所述石墨烯氧化物在稍后的阶段被还原为石墨烯，所述还原石墨烯仍包含氧残余。所获得的“石墨烯”不能视为石墨烯，因为不清楚它的确切组成。它也不适合许多应用，因为由于石墨烯的氧化、其还原和作为氧的杂质的存在，它含有太多缺陷。Teng等人(Carbon49(2011)，第5107-5116页，“Thermalconductivityandstructureofnon-covalenetfunctionalizedgraphene/epoxycomposites”)采用了类似方法，其中在石墨烯氧化为石墨烯氧化物后，该氧化物被还原为石墨烯，并且其后用相当大的聚合物分子官能化，以获得(热)传导层。在略微不同的方法(Liu等人，Langmuir，2010，26(12)，第10068-10075页，“Synthesis，characterization，andmultilayerassemblyofpHsensitivegraphene-polymernanocomposites”)中，形成了复杂多层复合物。根据相同作者，形成了与先前论文一致的石墨烯纳米复合物(Liu等人，J.Pol.Sci.，PartA，Pol.Chem.第48卷(2010)，第426-433页)。

各种文件集中讨论研究自装配层，特别是在金属表面上的。通常，使用有机硅烷官能化，其原则上是仅可用还原的石墨烯氧化物来应用的方法，其中石墨烯缺陷允许与硅烷的键形成。

各种文件记载了涂层(分子)的相互作用，其依赖于待涂布的表面的结构中缺陷的存在。因此，结构的特征被改变，通常被不利地改变。

在涂层的实例中(Mann等人的论文，AngewandteChemieInt.Ed.，第52卷，nr.11，2013，第3177-3180页)，用三脚架(tripod)覆盖石墨烯层。这样的覆盖在表面上是不均匀的，并且它形成相对厚的层。由于所涉及的复杂化学，层的厚度在层上不是恒定的，并且官能性也可改变。在来自相同作者的类似方法中，描述了石墨烯的官能化(Mann等人，JACS，2011，133，第17614-17617页，“MultivalentbindingmotifsforthenoncovalentfunctionalizationofGraphene”)。

本发明因此涉及石墨烯层和用层涂布所述石墨烯，其克服了上述缺点中的一个或多个，而不危害官能性及优势。

发明概述

本发明在第一个方面涉及根据权利要求1的方法，在第二个方面涉及包含至少一个分子单层的石墨烯层，在第三个方面涉及包含所述石墨烯层的装置，在第四个方面涉及包含至少一个分子单层的所述石墨烯层的用途，在第五个方面涉及包含分子单层的石墨烯层，并且在第六个方面涉及使用所述石墨烯层易位单链DNA的方法。

对于本申请的实例，已发现关键是理解且阻断DNA和石墨烯之间的强相互作用。本发明人在此处证实了新型的方案，其基于定制的自装配单层阻止DNA-石墨烯相互作用。对于裸露石墨烯，本发明人已鉴定了值得注意的现象：已发现结晶质量越好，诱导的孔的DNA堵塞越强。本发明人开发了一般性策略以通过设计专用的自装配的分子(例如芘乙二醇)单层来修饰(或者有时也称为官能化)例如石墨烯纳米孔的原则上疏水的表面，从而使得其表面亲水。本发明人证实使用单层对石墨烯表面的这种修饰(所述单层隐藏石墨烯表面)阻止DNA堵塞石墨烯纳米孔，并且显示目前可以检测和分析单链DNA而同时维持极佳的纳米孔耐久性和重现性。

已鉴定为了追求其一些方面中的本方法，重要的是维持石墨烯的结晶度一直到(且优选包括)纳米结构例如纳米孔等的边缘，其是“无缺陷”石墨烯。(注意到石墨烯氧化物以及还原的石墨烯氧化物[石墨烯]均包括许多缺陷，并且还原的石墨烯氧化物还包括杂质例如氧化物/氧；因此考虑到太高的缺陷密度，这样的还原的石墨烯氧化物不视为落入本发明的范围内)。边缘自身可以被视为不规则结构，因为在碳不存在的情况下，丧失完全结晶度。本发明涉及纳米结构，除去(一个碳原子)宽的边缘(区域)，石墨烯的结晶度在很大程度上无缺陷。本发明特别涉及在距离边缘0.3-10nm的区域中是结晶的纳米结构。如此，提供了明确定义的高度结晶的石墨烯单层，其不含接近边缘和/或在边缘处的丘陵结构(例如多层)。因此，本发明的石墨烯被本发明的单层完全覆盖直到纳米结构的边缘。事实上，如果且仅如果石墨烯保持电学上未改变，并且这通过保存其结晶度直到边缘来实现，则未来的石墨烯装置(例如涉及纳米间隙或纳米带的那些)理论上预测为具有测序能力。此外，石墨烯的共价结构需要是完整的；这显著限制(单)层的使用。注意到边缘被视为这样的装置中例如就结晶度而言的关键部分。如果纳米结构未以可控、重现性和可靠方式提供，则装置将具有变化的且并非很容易预测的特征，这在许多情况下是非期望的。这样的装置可以在一定程度上起作用，但必须个别校正。本发明人鉴定当石墨烯纳米孔是干净和结晶的时，由于DNA的严重堵塞和粘着，单链和双链DNA的DNA易位事实上困难得多。开发了一般性方法来用修饰基团的结合(间接)修改石墨烯的特征。特别地靶向结合，而不是石墨烯的直接官能化，以阻止对石墨烯的不可逆的电损害。首先形成具有本发明的第一分子的在石墨烯上的单层，并且随后第一分子与第二分子反应，该第二分子任选修饰所述单层。如所述的，石墨烯保持未改变。如此，相对于例如溶剂例如水性溶剂、油性溶剂、有机溶剂，和相对于这样的溶剂中存在的分子例如生物分子，以及相对于进一步的任选层(例如在半导体、膜等中的)，石墨烯可以被官能化，或类似地被修饰。特别地，例如考虑到预期用途，可改变石墨烯的疏水性/亲水性。经修饰的石墨烯因此适合许多应用。

在现有技术的石墨烯纳米孔构建中，通过用300keV电子束局部轰击单层在室温下制造孔，如图1A中所示。然而，这些条件产生石墨烯晶格随着束暴露时间增加的退化(如通过石墨烯的特征性六角形衍射图样证明的；图1A，情形1-3)。本发明人已通过在高于500℃的温度下在TEM的STEM模式中暴露石墨烯来克服这个问题。如此，目前有可能保存例如纳米孔附近的石墨烯晶格(图1B)。在得自上述方法的纯石墨烯(包括石墨烯纳米结构)的情况下，不存在(或基本上不存在)缺陷。

本发明人使用上述方法在一个实例中制造了具有3-20nm直径的石墨烯纳米孔，其在含有1MKCl和10mMTris(pH8.1)的缓冲液中进行离子探测。图1C针对孔直径标绘这些纳米孔的电导值。如预期的，纳米孔的电导对于增加的孔直径而增加。电导可以例如通过将具有直径d的孔在电导率σ的缓冲液中的总电导G描述为接入电阻贡献和长度L的柱体的电阻的倒数和来进行建模。与模型的拟合显示本发明的电导值分布在L＝0nm和L＝3nm之间，其中最佳拟合在L＝1.2nm处；换言之，接近于石墨烯单层的长度。这进一步证明下述事实：对于现有技术数据，其中公开的结构涉及具有约9nm的柱体长度的孔；即，孔不涉及石墨烯单层，而是通常涉及5-10层，这与本发明所要求保护的相反。更精确地说，孔涉及具有一定厚度的扭曲的石墨烯结构，该厚度是比单层石墨烯更厚的因子，而周围石墨烯可以是一个单层厚，例如可见为开口周围的丘陵结构。这还与本发明人的观察完全一致，因为高度结晶和原子上平坦的纳米孔等不能在例如室温下制备。令人惊讶的是，如果图1C中报告的结晶纳米孔用于检测DNA分子，则经历严重堵塞(图2A)，如通过纳米孔的离子电流的逐步减少可见的，产生不可逆的孔关闭。对于在DNA存在下的几秒温育，观察到少数易位事件。然而，随后孔变得堵塞。开孔电流下降至接近零，表示关闭的、不可逆堵塞的孔。即使短的1V脉冲(图2A)也不足以清除孔的堵塞。本发明人将该特定孔在堵塞前和堵塞后进行成像(分别为图2B和2C)。在使用后，DNA材料在STEM显微照片上清晰可见，作为孔中的白色滴状聚集体连同在孔周围的纤丝样结构。

本发明人假设堵塞是由于DNA粘着至石墨烯导致的。为了调查这点，本发明人用原子力显微镜检查(AFM)研究石墨上的单链DNA。当DNA在石墨表面上温育(图2D)时，发现它吸附在表面上，如通过AFM图像上的更高高度的斑的出现所见的(图2E)。推测地，DNA分子的相互作用涉及石墨烯表面上的不可逆吸附。为了抵消这些吸附现象，之前提出极高的盐浓度(即含有3MKCl的缓冲液)可能阻碍DNA(单链和双链的)吸附到石墨烯上。然而，这与本发明的对于单链DNA(以3MKCl的图2D)和双链DNA(以1M和3M的KCl浓度，以及范围为8.1至12的各种pH；图2E)的观察相矛盾。虽然这样的相互作用在一些传感器装置中是期望的，但它们优选在纳米孔易位中被防止，其中每个核碱基应滑动穿过纳米孔(相反于与石墨烯表面的不可逆粘着)。

为了解决干净的结晶石墨烯纳米孔在DNA的存在下变得堵塞的问题，本发明人设计了专用的自装配单层。注意到通常单层将在石墨烯的任何可自由接近的侧面处提供，即在一个侧面或两个侧面上。优选地，单层是正交的，即本发明的第二分子(或第二基团)或其至少部分定向为远离石墨烯表面，从而突出至例如溶剂中，优选基本上以相同的方向。在本申请中，术语“正交”应理解为在相对于石墨烯表面的角度下，该角度对于第二分子的部分在溶剂中的突出是足够大的，例如30-90度的角。在一个实例中，它基于两种化学物质的组合，即氨基芘分子和4聚体乙二醇分子的N-羟基琥珀酰亚胺衍生物(分别为图3Ai)和ii))。虽然芘部分将粘着至石墨烯，但乙二醇将向外粘着至溶液中，并且使得石墨烯表面亲水。注意到，重要的是，这种自装配的钝化方案使石墨烯材料保持完整不受化学和电学降解，其否则将容易地起因于(现有技术)氧化或共价钝化方法。在一个实例中，涂层在两个连续步骤中从两种分子各自在甲醇中的10mg/mL溶液施加。已发现具有0.1-10mg/ml浓度的溶液是优选的，更优选1-10mg/ml。如果选择更高的浓度，则更短的反应/相互作用时间是足够的，反之亦然。通过使用更高的浓度，获得更好的覆盖，并且第二分子略微更加突出到例如溶剂内。在第一步中，相互作用驱动氨基芘单层在石墨烯上的吸附。在实施例中，这之后为羰基(蓝色，图3Aii)上的N-羟基琥珀酰亚胺酯通过芘分子上的伯胺(红色，图3Ai)的氨基分解，形成在两个分子之间的化学稳定的肽NHCO键(图3Aiii)。

本发明人使用AFM表征了自装配单层的DNA钝化特性。重要的是，本发明人发现即使在高达10ng/μL的DNA浓度下，DNA也不吸附到用本发明的自装配单层涂布的石墨上。这通过对照AFM图像(图3B，在与10mMTris、1MKCl、8M尿素，pH8.1一起温育10分钟的HOPG上的自装配单层)和与含有10ng/μL单链DNA的相同缓冲液一起温育的相同的自装配单层之间的相似性加以证明(图3C)。自装配的单层因此看起来充当有效的亲水屏障，其通过本发明的第一和第二分子的反应产物的致密填充的薄单层，防止DNA中的核碱基和石墨烯中的芳香族六角形之间的疏水性相互作用。填充优选覆盖石墨烯表面至少20％、更优选至少50％、例如至少80％，并且它可以完全覆盖石墨烯表面。

最重要的是，使用这种策略，本发明人能够重现性易位单链DNA，而无孔堵塞，其中总实验时间容易接近数小时，如通过在实验时间上稳定的电导水平所证明的(图3D和插图)。这不能用现有技术方法例如上文提及的那些来实现。

为了估计石墨烯上的自装配单层的添加厚度，在对于分别具有5、10和15nm直径的三个孔施加本发明的涂层后，本发明人探测了孔电导中的变化(图3E)。通过拟合数据，本发明人发现在上文提及的三个纳米孔上形成本发明的自装配单层后，假定的柱体(自装配的单层、石墨烯层、自装配单层)的长度L从1.5nm增加到5.5nm的表观厚度L*(图3E，蓝色曲线)。这提示约4nm的添加厚度。因为自装配单层原则上在石墨烯膜的两个侧面上(在纳米孔的顶部和底部上)形成，所以每层的厚度为约2nm。该值与示例Pyr-NHCO-EG4分子的预期头至尾长度(关于氨基芘的0.4nm和关于氨基分解的4聚体乙二醇的1.5nm)一致。

然而，假定乙二醇链推测还突出到纳米孔区域内；因此，孔将有效地具有更小的直径d*。拟合的结果在表S1中概括，并且显示0.7±0.1nm的涂层厚度和突出距离x。类似值通过与图3E中呈现的数据拟合而获得(即，对于x＝0.6±0.2nm的最少降低的χ²)。0.6–0.7nm的值与乙二醇分子在水中的估计持续长度(即0.3-0.5nm)良好一致。

上文研究的三个经涂布的孔用于使用单链DNA的易位实验。在一个实例中，首先研究具有10nm直径的纳米孔(图4)。单链DNA可以电泳驱动穿过本发明的纳米孔，并且通过监控离子电流进行检测。在孔的一个侧面上添加环状M13单链DNA分子，且施加跨越石墨烯膜的200mV电压后，在电导图录中观察到一系列峰(图4A)。测量的电导中的每个暂时下降ΔG起因于易位穿过孔的单一DNA分子。观察到两个特征性信号，对应于两类易位事件：1型事件(其中环状分子以非折叠构象易位)和21型事件(其中环状DNA分子以折叠构象)。示例事件显示于图4B中。根据大量(n＝545)这样的事件，本发明人获得电导阻滞水平ΔG的直方图，如图4B中呈现的。三个峰是可见的，第一个是在0nS时(即基线)的开孔电流；在3.8±0.5nS时的峰，其对应于在孔中的一个环状M13分子(即，两条平行单链)；以及在7.5±0.6nS时的峰，其起因于孔中的相同DNA分子的两个部分(即，四条单链)。ΔG针对事件的持续时间的散点图显示于图4C中。该图中的每个点代表单个M13DNA易位事件。除事件振幅之外，本发明人还研究了事件的易位时间。发现平均易位时间为180±30μs。

对于两个其它纳米孔(即5和15nm)进行类似分析，并且电导和驻留时间直方图分别显示于图5A和5B中。对于10nm孔，1型易位是最多呈现的，具有ΔG_5nm＝5.8±0.1nS和ΔG_15nm＝3.4±0.1nS的电导阻滞振幅。对于5和15nm孔，事件分布中的最可能的易位时间分别为250±50μs和135±20μs。如图5C中表示的，当孔直径减少时，这些电导阻滞和驻留时间均增加，这是对于氮化硅孔同样发现的趋势。图5C定性捕获ΔG(d)中的趋势，但未非常良好地定量描述由开发用于固态纳米孔的模型预期的电导阻滞的值。

根据本发明的实验，本发明人得出结论，如果例如用短的亲水乙二醇链修改石墨烯的疏水性，则石墨烯纳米孔可以用于重现性检测单一DNA分子，而无孔的主要粘着和堵塞，如当不使用自装配的单层所观察到的。本发明人鉴定了使用极短链(例如乙二醇的例如2-10个单体单元，理想地4个单元)的涂布程序，来防止任何生物分子与石墨烯(更具体为石墨烯纳米孔)相互作用。在实例中，优选具有由本发明的单层覆盖的相对薄的石墨烯层。本发明人显示孔是重现性和稳定的，并且在吸附双链和单链DNA后未变得堵塞，同时石墨烯保持化学上未改变的，这是设计未来的亲水石墨烯纳米孔、纳米带和纳米间隙装置的先决条件。本发明人因此证实修改石墨烯的疏水性的一般性方法。

从而，本发明提供了对上述问题中的一个或多个的解决方案。

本说明书的优势详述于整个说明书中。

发明详述

本发明在第一个方面涉及根据权利要求1的形成经修饰的石墨烯表面的方法，其中所述石墨烯优选是高度结晶的。该方法可以在一个反应器中执行。

原则上，作为备选，第一和第二分子可以首先进行反应来形成组合分子，并且随后组合分子的芳香族部分可以与石墨烯表面相互作用。换言之，本发明的方法可以以鉴定的步骤的任何顺序执行。

在本申请中，通过使用术语如“分子”、“基团”、“部分”、“溶剂”及其给出的实例，还包括了其取代变体，以及其混合物。

在方法中，提供了合适溶剂，其能够溶解第一分子和石墨烯，并且优选还溶解第二分子，以使得可以发生本发明的相互作用和反应两者。注意到在实例中，本发明的方法包括两个连续步骤；一个用于第一分子与石墨烯的相互作用，并且第二个用于使第一和第二分子反应，从而例如通过缩合反应形成反应产物，从而形成化学键。对于相互作用，第一分子具有包含至少一个芳烃基团的结合基团。芳烃基团可以包含4、5、6或7个原子，优选5-6个原子，更优选6个原子。芳香族碳基团可以是杂基团，优选包含N、O、S中的一种或多种，然而，芳香族碳基团是同基团，仅包含碳。已发现至少一个芳烃基团和石墨烯具有足够强的相互作用。进一步地，第一分子具有化学活性的第一部分，能够与第二分子的化学活性的第二部分反应，或反之亦然。反应提供了在第一和第二分子之间的强化学键。原则上，首先，第一和第二分子可以反应形成反应产物，并且随后反应产物可以与石墨烯相互作用；然而，已发现在后面一种情况下，难以实现石墨烯的良好覆盖。注意到第一分子和石墨烯相互作用；因此，特别地，例如当测量电导、施加电流等时，石墨烯的物理性质仍足以提供可靠结果。

在本发明的方法的实例中，芳烃基团具有1-20个芳香族基团，例如2-10个芳香族基团，优选是多芳烃基团，选自萘、菲、蒽、并四苯、、苯并菲、芘、并五苯、碗烯、并六苯、晕苯、苯并芘、并七苯、并八苯、卵苯、并十一苯(undecacene)、并十苯(decacene)及其组合。已在实验上发现包含至少少数芳香族基团的略微更大的第一分子提供了与石墨烯的良好相互作用。注意到原则上还可以提供第一分子的混合物。如此，可以更详细地修改官能性。已发现萘、蒽和芘是非常合适的结合基团，即提供良好的相互作用。

其它芳香族基团例如核苷酸、氨基酸也可以用于本发明的方法和石墨烯中。

在本发明的方法的实例中，第一部分选自醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺及其衍生物例如其盐中的一种或多种。酰胺、醇和羧酸是优选的，例如因为这些分子可以在本发明的溶剂中反应，而无需进一步测量。可能的是每第一分子利用超过一个部分，从而形成“二聚体”、“寡聚体”等。优选每第一分子具有1-4个部分，并且与本发明的第二分子形成1-4个键。

在本发明的方法的实例中，第二部分选自醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺及其衍生物例如其盐中的一种或多种。酰胺、醇和羧酸是优选的，例如因为这些分子可以在本发明的溶剂中反应，而无需进一步测量。可能的是每第一分子利用超过一个部分，从而形成“二聚体”、“寡聚体”等。通常认为聚合物对于预期修饰是过大的。

在本发明的方法的实例中，步骤d)反应是缩合反应，优选形成肽、酯和醚中的一种或多种。若需要，边界条件例如温度、pH、缓冲液、激活物、时间和催化剂，可以进行调整以实现所需结果。对于本发明的方法，目前的边界条件通常是足够的。因此，提供了适合用于特定目的的化学键，例如是稳定的、相对强的、在各种环境下可应用并且不干扰本发明的石墨烯单层的预期用途。

在本发明的方法的实例中，第一分子还包含烷烃基团例如环烷烃基团及其衍生物(例如具有1-12个碳原子，优选具有5-6个碳原子)中的一种或多种。

在本发明的方法的实例中，第二分子包含尾部，所述尾部选自醇例如单醇、烷二醇、烷三醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺、烷烃、烯烃、糖及其组合、及其衍生物。在实例中，尾部被设计为防止溶质和石墨烯的相互作用。在实例中，尾部被设计为改善石墨烯在溶剂中的溶解度。优选使用相对短的第二分子，例如具有小于10个单体单元。第二分子可以提供亲水性。

在本发明的方法的实例中，溶剂是醇，例如C₁-C₁₂醇，例如甲醇、乙醇和丙醇，优选甲醇。溶剂可以采取其纯形式、醇混合物、包含醇的水等。甲醇是优选的，因为它充分支持第一和第二分子之间的预期反应，并且它提供针对石墨烯的良好溶解性。优选地，使用无毒(或轻微毒性)溶剂。

在本发明的方法的实例中，第二分子具有小于20nm、优选小于10nm的长度。对于各种应用，相对短的第二分子是优选的。已发现第二分子的长度是重要的，以便维持本发明的原子上薄的电极设计，特别是当石墨烯的电流或电导中不受控制的变异得到最佳避免时。在一些应用中，第二分子优选不干扰例如待分析或测序的分子。在实例中，第二分子小于5nm，例如2nm。

在第二个方面，本发明涉及根据权利要求7的包含至少一个分子单层的石墨烯，优选是高度结晶的石墨烯层。该分子包含结合基团、第二基团，所述结合基团包含至少一个芳烃基团，所述第二基团连接至结合基团。在实例中，本发明的单层具有小于25nm、优选小于10nm，例如小于5nm，例如1-2nm的厚度。

在本发明的石墨烯的实例中，优选地，至少两个芳烃基团存在于分子中，如上文所示。

在本发明的石墨烯的实例中，第二基团通过酯、醚和肽中的一种或多种与结合基团结合。

在本发明的石墨烯的实例中，第二基团选自醇例如单醇、烷二醇、烷三醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺、烷烃、烯烃、糖及其衍生物中的一种或多种。

原则上，本发明的石墨烯层可通过上述本发明的方法获得。因此，本发明的方法的细节原则上一对一地应用于本发明的石墨烯。

在本发明的石墨烯的实例中，芳烃基团具有1-20个芳香族基团，例如2-10个芳香族基团，优选选自萘、菲、蒽、并四苯、、苯并菲、芘、并五苯、碗烯、并六苯、晕苯、苯并芘、并七苯、并八苯、卵苯、并十一苯、并十苯及其组合。

在本发明的石墨烯的实例中，石墨烯包含选自纳米孔、纳米带、纳米间隙中的一种或多种的具有至少一个边缘的结构，优选具有3-20nm的宽度。已发现对于一些应用，重要的是在形状、大小、直径等方面具有非常精确限定的结构。结构的限定越好，则例如在使用中的结构的准确度、重现性、分析等方面获得越好的结果。对于各种应用，本发明的结构用0.1nm(其近似一个原子(C))或更好的准确度进行限定。本发明结构的宽度可以针对其预期用途进行修改。例如，纳米间隙被设想用于分析和测序DNA，具有约3nm的宽度。当设计本发明的结构时，还可考虑溶剂、分析物等的特征。本发明的石墨烯可以具有多于一种结构。在这方面，还注意到各种文件宣称提供类似结构；然而，使用在那些文件中提及的现有领域技术实际上是不可能的。

在本发明的石墨烯的实例中，结构的边缘是单层，并且具有少于1个缺陷/10nm²的缺陷密度。用于获得这样的低缺陷密度结构的方法在荷兰专利申请NL2008412中描述。用于获得大型单一结晶石墨烯的方法在荷兰专利申请NL2010216中描述，两个专利申请具有相同申请人。缺陷密度对于一些应用是相对重要的。如所述的，已发现例如电导率和电流的准确度和重现性在很大程度上依赖使用的石墨烯的结晶度。本发明的石墨烯因此优选具有少于几个缺陷/单位面积的缺陷密度。注意到本发明的缺陷密度极低。缺陷通常涉及杂质、晶格的扭曲等。如此，与本发明的方法组合的形成纳米结构的方法也是重要的，以使缺陷密度保持尽可能低。这对于生物分子的测序是特别重要的。为了获得高速度的电子(石墨烯中)和弹道输运，本发明的经涂布的高度结晶石墨烯层的实例已被发现是非常合适的。

在本发明的石墨烯的实例中，石墨烯单层具有1mm–5cm的长度，而宽度为1mm-2cm。这样的石墨烯层足够大以处理、加工并且提供本发明的优点。

优选地，石墨烯层包含许多纳米结构，例如纳米孔的阵列，例如1-10乘1-100纳米孔(例如10x10)的阵列，从而允许平行测量。对于这样的结构，石墨烯的结晶度和结构的确切尺寸甚至是更重要的，以提供可靠和可重现的结果。用于获得这样的阵列的方法在同一申请人的荷兰专利申请NL2008412中描述。

在其它方面，本发明涉及包括本发明的石墨烯层的装置。

在其它方面，本发明涉及根据权利要求12，石墨烯层优选高度结晶的石墨烯层的用途。这样的用途的实例在说明书和实施例中给出。

在其它方面，本发明涉及用于特别是生物分子的测序、分析和感测中的一种或多种，例如用于DNA测序、RNA测序、用于分析生物分子和用于再现生物分子的石墨烯层，优选高度结晶的石墨烯层。注意到现有技术石墨烯具有不足够的结晶质量(特别是靠近纳米结构的边缘处)以执行可靠、可重现和可控制的测量。进一步，在本发明的质量的情况下，快速记录是可能的，这与现有技术装置相反。

注意到一些现有技术装置可以以相对结晶的石墨烯(相对远离其边缘)起始，但在施加涂层等后，固有地破坏结晶度。

在其它方面，本发明涉及官能化的石墨烯或石墨烯层。

在其它方面，本发明涉及使用根据本发明的石墨烯层优选高度结晶的石墨烯层，易位单链DNA的方法。

本发明进一步通过附图和实施例详述，其具有示例性和说明性性质并且不限制本发明的范围。对于本领域技术人员，清楚的是可以设想落入通过本发明的权利要求限定的保护范围内的明显或不明显的许多变体。

附图简述

图1A-C显示了在单层石墨烯中的结晶纳米孔和离子转运特征。

图2A-E显示了DNA分子堵塞结晶石墨烯纳米孔。

图3A-E显示了用亲水基团对石墨烯的非共价官能化以防止DNA与石墨烯相互作用。

图4A-D显示了用自装配单层官能化的结晶性10nm石墨烯纳米孔的易位特征。

图5A-C显示了关于5、10和15nm的经涂布的石墨烯纳米孔的易位特征。

附图详述

图1显示了单层石墨烯中的结晶纳米孔和离子转运特征。A)在HREM模式中的纳米孔钻孔期间通过在室温下石墨烯上的聚焦电子束诱导的污染和无定形化。HREM纳米孔钻孔在300kV、斑点大小4和C2孔径20nm下，使用配备Cs图像校正器的FEITitan来进行。将聚焦成10纳米大小探针的电子束在情形1-4中以增加的残留时间暴露在石墨烯上，即分别为10、20、30和40秒。在电子束暴露后，获取纳米电子衍射，并且结果显示于1A的下图中。B)使用配备有高亮度电子枪、电子枪单色器、探针像差校正器和CS-CCachro-齐明镜图像校正器的FEITitan60-300PICOTEM，在600℃下在STEM模式中钻取的具有干净和结晶边缘的3nm孔的80kVHREM图像。C)结晶纳米孔的电导对孔直径的依赖性。黑线代表电导模型(参见方程1)，并且针对L＝0nm、3nm和10nm进行标绘，其中L代表纳米孔膜的厚度。红色实线代表针对L＝1.2nm的最佳拟合(最少降低的χ²)。

图2显示了DNA分子堵塞结晶石墨烯纳米孔。A)与在1MKCl和8M尿素中以2.5ng/uL浓度的单链DNAM13一起温育的5nm直径石墨烯纳米孔的离子电流针对时间的图。在时间0.7s(*)时，电压从0mV转变为200mV，导致-5.2nA的基线电流和对应于DNA易位事件的向上峰。在200mV下2秒后，电流基线开始以不连续的阶段降低至零，对应于堵塞的孔。随后跨越纳米孔施加大的1V脉冲以尝试恢复稳定的电流基线，但这并未成功。B-C)在DNA易位前的小图A中讨论的5nm纳米孔(B)和在实验后显示孔堵塞的相同纳米孔(C)，两者均在TEM的STEM模式中成像。D)与3MKCl和8M尿素的溶液一起温育5分钟并且用超纯水冲洗的高定向热解石墨(HOPG)的原子力显微照片(AFM)。E)在相同缓冲液中与单链M13DNA(10ng/μL)一起温育5分钟的HOPG。

图3显示了用亲水基团对石墨烯的非共价官能化，以防止DNA与石墨烯相互作用。A)1-氨基芘(i)、4聚体乙二醇分子的N-羟基琥珀酰亚胺酯衍生物(ii)、以及i)和ii)之间的化学反应的产物(iii)的化学结构。B-C)涂布有由iii)制成的自装配单层并且在不存在的情况下与1MKCl和8M尿素一起温育的HOPG(B)，以及在与含有10ng/μL单链M13的相同缓冲液后续温育10分钟后的HOPG(C)。D)对于14nm直径石墨烯纳米孔的离子电流针对时间的代表性原始图录，所述石墨烯纳米孔涂布有SAM且与在1MKCl和8M尿素中以10ng/μL浓度的单链DNAM13一起温育，并且针对实验时间进行标绘。插图代表针对实验时间标绘的纳米孔电导中的变异。E)在施加由分子iii)组成的自装配单层之前(红色方块)和之后(蓝色圆圈)，分别具有5、10和15nm直径的三个石墨烯孔的电导。红色实线对应于方程1的拟合，获得L＝1.5nm。蓝色实线是方程2的拟合，针对L＝1.5nm，获得x＝0.7nm。

图4显示了用自装配单层官能化的结晶性10nm石墨烯纳米孔的易位特征。A)环状M13单链DNA跨过石墨烯单层中的10nm纳米孔的易位。DNA分子溶解于10mMTris(pH8.1)、1MKCl和8M尿素中。B)在该10nm孔中以200mV记录的非折叠(1型，上图)和部分折叠的DNA(21型，下图)分子的易位事件的实例。C)由545个易位事件收集的电导直方图，包括在事件之前和之后的开孔电导。D)对于穿过石墨烯单层中的10nm直径纳米孔的DNA易位，电导阻滞的振幅针对易位时间的散点图。关于所有事件类型的伴随直方图包括在顶部和右侧上。该散点图中的每个点对应于单个易位事件。施加的电压是200mV。

图5显示了5、10和15nm的经涂布的石墨烯纳米孔的易位特征。A)电导阻滞直方图。B)通过分析针对5nm(灰色)和15nm(黑色)石墨烯纳米孔的散点图获得的驻留时间直方图。C)对于三个石墨烯纳米孔标绘的电导阻滞和驻留时间(插图)针对孔直径的图。黑色实线代表在dssDNA＝2.2±0.3nm时ΔG(d)的最佳拟合。

实施例

尽管在详细说明上下文中描述，可与伴随的实施例和附图结合来最好地理解本发明。

应当理解对于商业应用，可以优选使用本发明系统的一种或多种变异，其可类似于本申请中公开的那些，并且在本发明的精神范围内。

Claims (15)

1.形成经修饰的石墨烯表面的方法，其包括下述步骤：

a)提供无缺陷石墨烯单层，

b)在合适溶剂中提供包含结合基团的第一分子，

b1)其中所述结合基团包含至少一个芳烃基团，优选至少两个芳烃基团，其中所述第一分子进一步包含化学活性的第一部分，

c)使所述第一分子的所述至少一个芳烃基团和石墨烯相互作用，从而在石墨烯表面上形成第一分子的至少一个致密填充的(单)层，和

d)使所述第一分子的化学活性的第一部分与第二分子的化学活性的第二部分反应，从而形成薄的反应产物层。

2.根据权利要求1的方法，

b1)其中所述芳烃基团具有1-20个芳香族基团，例如2-10个芳香族基团，优选选自萘、菲、蒽、并四苯、苯并菲、芘、并五苯、碗烯、并六苯、晕苯、苯并芘、并七苯、并八苯、卵苯、并十一苯、并十苯及其组合，

其中所述第一部分选自醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺及其衍生物中的一种或多种，以及

d2)其中所述第二分子的第二部分选自醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺及其衍生物中的一种或多种，并且其中所述第二分子提供亲水性。

3.根据前述权利要求中任一项或多项的方法，其中在步骤d)中，反应是缩合反应，优选形成肽、酯和醚中的一种或多种。

4.根据前述权利要求中任一项或多项的方法，·

b1)其中所述第一分子进一步包含烷烃基团例如环烷烃基团及其衍生物中的一种或多种，

其中d2)所述第二分子包含尾部，所述尾部选自醇例如单醇、烷二醇、烷三醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺、烷烃、烯烃、糖及其组合、及其衍生物。

5.根据前述权利要求中任一项或多项的方法，其中所述溶剂是醇，例如C₁-C₁₂醇，例如甲醇、乙醇和丙醇，优选甲醇。

6.根据前述权利要求中任一项或多项的方法，其中所述第二分子具有小于20nm、优选小于10nm的长度。

7.包含至少一个致密填充的薄分子单层的无缺陷石墨烯层，所述分子包含结合基团、第二基团，所述结合基团包含至少一个芳烃基团，优选至少两个芳烃基团，所述至少一个芳烃基团与石墨烯相互作用，所述第二基团例如通过酯、醚、肽连接至所述结合基团，所述第二基团选自醇例如单醇、烷二醇、烷三醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺、烷烃、烯烃、糖及其衍生物中的一种或多种，例如可通过根据权利要求1-6中任一项的方法获得。

8.根据权利要求7的石墨烯层，其中所述芳烃基团具有1-20个芳香族基团，例如2-10个芳香族基团，优选选自萘、菲、蒽、并四苯、苯并菲、芘、并五苯、碗烯、并六苯、晕苯、苯并芘、并七苯、并八苯、卵苯、并十一苯、并十苯及其组合。

9.根据权利要求7-8中任一项或多项的石墨烯层，其中所述石墨烯包含选自纳米孔、纳米带、纳米间隙中的一种或多种的具有至少一个边缘的结构，优选具有3-20nm的宽度，

其中所述石墨烯是高度结晶的，和

其中所述结构的边缘是单层，且具有少于1个缺陷/10nm²的缺陷密度。

10.根据权利要求7-9中任一项或多项的石墨烯层，其中所述石墨烯包含纳米结构的阵列，例如纳米孔的阵列。

11.包含根据权利要求7-10中任一项或多项的石墨烯层的装置，例如NEMS、MEMS、电路、膜、能量存储装置、电子设备、涂层、粘合剂、传感器、光学器件、光子设备、激光应用、触摸屏、纳米化学装置及其组合。

12.根据权利要求7-10中任一项或多项的石墨烯层在下列中的用途：生物学应用、生物化学应用、用于分子诊断、用于分析样品例如血样、作为传感器、用于渗透、作为膜、用于特异性吸附、用于生物分子分析、用于分散体中、作为润滑剂及其组合。

13.根据权利要求7-10中任一项或多项的石墨烯层，其用于特别是生物分子的测序、分析和感测中的一种或多种，例如用于DNA测序、用于RNA测序、用于分析生物分子和用于再现生物分子。

14.根据权利要求7-10中任一项或多项的石墨烯层，例如包含至少一个分子单层，所述分子包含结合基团、第二基团，所述结合基团包含至少一个芳烃基团，优选至少两个芳烃基团，所述第二基团例如通过酯、醚、肽连接至所述结合基团，所述第二基团选自醇例如单醇、烷二醇、烷三醇、羧酸、醚、酯、氨基酸、胺、酰胺、烷烃、烯烃、糖及其衍生物中的一种或多种。

15.易位单链DNA的方法，其使用根据权利要求7-10中任一项或多项的石墨烯层。