CN115266876A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯‑MoS2异质结纳米孔生物传感器结构及其制备方法，所述结构包括氮化硅薄膜层、石墨烯薄膜层和MoS2薄膜层；氮化硅薄膜层部分悬空，悬空部分设置有微米级孔状结构；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；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，纳米孔位于微米级孔状结构区域范围内。本发明在保证较高空间分辨率的前提下，实现对被测蛋白质分子的过孔速度减慢的效应，过孔时间减慢至100ms以上。与其他方法相比，器件结构的复杂度没有明显增加，未引入更多噪声，被测分子的过孔难度没有明显增加。

Description

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
技术领域
本发明涉及传感分析技术领域，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-MoS2异质结固态纳米孔生物传感器的结构和制备方法。
背景技术
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。
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。
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。
发明内容
本发明的目的是提出一种石墨烯-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。
为了解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供了一种石墨烯-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。
进一步地，悬空氮化硅薄膜衬底的厚度应大于10nm。
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-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-石墨烯薄膜层-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。
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。
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。
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。
进一步地，氮化硅薄膜层孔状结构的直径在1～2μm的范围内。
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。
本发明还提供了所述石墨烯-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。
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。
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。
干法转移与机械压印可由如下步骤实现：
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；
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；
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；
4)将显微镜对焦到PDMS薄膜上，定位之前选择好的薄膜材料；
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材料较为清晰的图像；
6)通过三维转移台微调衬底与薄膜材料的位置，使薄膜材料与氮化硅薄膜衬底的孔状结构对准；
7)继续降低载玻片，从显微镜中观察到空气膜被排出，下方氮化硅薄膜衬底的颜色变深；
8)停止降低载玻片，保持该状态1～2分钟，使薄膜材料与下层衬底充分成键；
9)缓慢抬升载玻片，转移完成；
10)在光镜下确认转移后的状态。
成功转移石墨烯薄膜材料之后，重复上述步骤，继续转移MoS2薄膜材料，直至形成完整的异质结结构。全过程一般在20～30分钟完成。
优选地，上述步骤在无尘环境下操作以防止可能存在的颗粒物污染。
异质结纳米孔利用透射电子显微镜技术(TEM)构造。具体的电子束剂量、放大倍数和电子束照射时间根据所需纳米孔孔径的大小和异质结材料的厚度灵活调整。
优选地，使用透射电子显微镜的电子衍射模式对氮化硅衬底的悬空部分进行电子衍射，以确认该区域被石墨烯和MoS2同时覆盖住。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：
(1)本发明使用石墨烯和MoS2两种二维材料构成的异质结固态纳米孔生物传感器，利用两种材料与生物分子之间不同强度的作用力，在保证较高的空间分辨率的前提下，可以实现对被测蛋白质分子的过孔速度减慢的效应。与其他方法相比，本发明的器件结构的复杂度没有明显的增加，未引入更多的噪声，被测分子的过孔难度也因MoS2与分子的弱相互作用而没有明显的增加。本发明的结构成功地在蛋白质检测中将蛋白质分子的过孔时间减慢至100ms以上。
(2)本发明的结构在制备方法上全程采用干法操作，不涉及任何液体试剂，因此在整个工艺流程中不会引入额外的化学污染杂质和清洗步骤，降低了外界因素对器件质量的干扰，提高了器件制备的成功率；该种制备方法具有更高的效率，排除聚焦离子束技术和透射电子显微镜技术的固有时间开支外，材料剥离与转移构成异质结结构这一环节相比于主流的工艺方法速度更快、成本更低、良率更高。
附图说明
图1为本发明实施例的石墨烯-MoS2异质结固态纳米孔结构剖面示意图；
图2为本发明实施例的石墨烯-MoS2异质结固态纳米孔的制备流程示意图；
图3为本发明实施例的石墨烯-MoS2异质结固态纳米孔的传感器电路和传感信号示意图；
图4为本发明实施例的石墨烯-MoS2异质结固态纳米孔的光学显微镜照片，比例尺为5μm，其中(a)氮化硅薄膜层孔状结构，(b)石墨烯薄膜层转移后，(c)MoS2薄膜层转移后；
图5为本发明实施例的石墨烯-MoS2异质结固态纳米孔中贯穿异质结结构的纳米孔TEM照片，比例尺为5nm；
图6为本发明实施例的石墨烯-MoS2异质结纳米孔的功率谱密度噪声分析曲线；
图7为本发明实施例的石墨烯-MoS2异质结纳米孔的牛血清蛋白分子过孔时间分布直方图与密度分布图。
图中的附图标记为：1-硅基基底，2-氮化硅薄膜层，3-石墨烯薄膜层，4-MoS2薄膜层，5-微米级孔状结构，6-纳米孔。
具体实施方式
结合附图，对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例，即但凡以本发明申请专利范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖范围之内。
实施例1
本实施例提供了一种石墨烯-MoS2异质结纳米孔生物传感器结构，如图1所示，为本实施例石墨烯-MoS2异质结纳米孔生物传感器结构的剖面图。该结构包括硅基基底1，作为悬空薄膜衬底的氮化硅薄膜层2，位于氮化硅薄膜层2中心位置处的微米级孔状结构5，覆盖在微米级孔状结构5上的石墨烯薄膜层3，位于石墨烯薄膜层3上方并覆盖微米级孔状结构5区域的MoS2薄膜层4，石墨烯薄膜层3与MoS2薄膜层4构成异质结，异质结中心区域附近设置有贯穿整个异质结的纳米孔6。
硅基基底1设置有镂空，为氮化硅薄膜层2提供悬空；氮化硅薄膜层2的悬空部分为50μm*50μm的方形窗口，氮化硅薄膜层2的厚度为15nm。
本实施例中，硅基基底1与悬空氮化硅薄膜层2作为一个整体，采用市售圆形微栅芯片，芯片直径为2.8mm，硅基基底1厚度为200μm。
可选地，带有硅基基底1与氮化硅薄膜层2的微栅芯片衬底也可由半导体加工工艺自行制备，包括LPCVD生长低应力氮化硅薄膜，EBL光刻以及RIE干法刻蚀等步骤。
本实施例中，位于氮化硅薄膜层2中心区域的微米级孔状结构5直径为1μm。
本实施例中，石墨烯薄膜层3与MoS2薄膜层4构成的异质结结构总厚度为3nm。
本实施例中，贯穿异质结结构的纳米孔6直径为7nm。
图2展示了该结构的制备步骤。首先，在悬空氮化硅薄膜层2的中心部分利用FIB构造微米级孔状结构5。在氮化硅薄膜层2具有15nm厚度的情况下，FIB的照射时间为20ms即可构造出直径为1μm的微米级孔状结构5。该实施例的孔状结构5在光学显微镜下的照片如图4(a)所示。其次，利用机械剥离的方法从石墨烯块上撕取石墨烯薄膜层3，并将选定好的石墨烯薄膜层3按照基于三维转移台的干法转移和机械压印的方式转移到氮化硅薄膜层2表面。石墨烯薄膜层3将微米级孔状结构5完全覆盖住，如图4(b)所示。接下来，利用与石墨烯薄膜层3相同的方法得到MoS2薄膜层4并转移。MoS2薄膜层4将微米级孔状结构5对应的面积区域完全覆盖住，且位于石墨烯薄膜层3之上，如图4(c)所示。最后，利用TEM技术在由石墨烯薄膜层3和MoS2薄膜层4构成的异质结结构上构造纳米孔6，如图5所示。本实施例中，构造直径为7nm异质结纳米孔的TEM主要参数为：spot size为4，电子束剂量为
Figure BDA0003707656260000081
放大倍数为400k，照射时间为10～15s。
本实施例中，微米级孔状结构5和纳米孔6的位置均处于相应材料的中心区域。两者位于中心区域并不是强制要求，两者的位置变化不会对本结构性能产生影响，只要满足以下条件：
1)微米级孔状结构5在氮化硅薄膜层2的悬空部分；
2)纳米孔6位于异质结区域内且位于微米级孔状结构5对应的区域范围内。
本实施例中，石墨烯薄膜层3的面积大于MoS2薄膜层4的面积。两种材料的面积差异不会对本结构性能产生显著影响。
上述过程所需时间总计约1小时。从光镜照片和TEM照片中未发现结构表面存在明显污染物。
利用本实施例，按照图3的测试传感系统首先对该实施例进行功率谱密度(PSD)噪声分析，结果如图6所示。在测试电压下，该实施例的低频区域PSD小于1nA2/Hz，与常见的氮化硅、MoS2纳米孔相近，表现出了较低的噪声水平，未引入额外的噪声。
利用本实施例，按照图3的测试传感系统对牛血清蛋白(BSA)进行过孔测试，在400mV偏压下的过孔时间分布如图7所示。很大一部分蛋白质分子的过孔时间超过10ms，且有一定数量分子的过孔时间达到或超过100ms。对应的密度曲线也反映出过孔时间上较长的分布范围。这一现象证明本实施例的石墨烯-MoS2异质结纳米孔结构延长了蛋白质分子的过孔时间，即减慢了蛋白质分子的过孔速度。
实施例2
其余与实施例1相同，所不同的是氮化硅薄膜层2的厚度为25nm。
本实施例中，构造氮化硅薄膜层2表面的微米级孔状结构5时，FIB所需的照射时间为50ms。
本实施例中对蛋白质分子的过孔减慢效应与实施例1相同，空间分辨率水平相近。
实施例3
其余与实施例1相同，所不同的是石墨烯薄膜层3与MoS2薄膜层4的厚度为4nm。
本实施例中，构造异质结纳米孔6时TEM所需的照射时间为20s。
本实施例中，对蛋白质分子过孔的减慢效应与实施例1相同，空间分辨率水平略低于实施例1。
实施例4
其余与实施例1相同，所不同的是异质结纳米孔6的直径为5nm。
本实施例中，构造异质结纳米孔6时TEM所需的照射时间为7～10s。
本实施例中，蛋白质过孔的时间分布范围与实施例1相近，过孔时间大于10ms的信号个数占总过孔信号数的比例与实施例1相近。总过孔信号数为180，小于实施例1的296。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯-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-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-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-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-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-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1～2μm范围内。
7.如权利要求1所述的石墨烯-MoS2异质结纳米孔生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取氮化硅薄膜层，并在氮化硅薄膜层的悬空部分构造微米级孔状结构；
(2)获取石墨烯和MoS2薄膜材料；
(3)筛选石墨烯和MoS2薄膜材料的厚度，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，使得石墨烯和MoS2两层薄膜都覆盖住氮化硅薄膜层的微米级孔状结构；
(4)在异质结表面构造贯穿异质结的纳米孔。
8.如权利要求7所述的石墨烯-MoS2异质结纳米孔生物传感器的制备方法，其特征在于，氮化硅薄膜层的微米级孔状结构利用聚焦离子束FIB技术构造，离子束选择镓离子；异质结表面的纳米孔采用透射电子显微镜TEM技术构造。
9.如权利要求7所述的石墨烯-MoS2异质结纳米孔生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，获取石墨烯和MoS2薄膜材料的方法为：利用胶带撕取的机械剥离方式，或采用化学气相沉积技术。
10.如权利要求7所述的石墨烯-MoS2异质结纳米孔生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，筛选石墨烯和MoS2薄膜材料厚度的方法为：采用光学显微镜筛选，根据光学显微镜下材料与背景的对比度进行筛选，对比度越低，材料厚度越薄。
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