SE536322C2 - Molekylärövergångsplattform och förfarande för tillverkning av en sådan plattform - Google Patents

Abstract

13 SAM MANDRAG En molekylärövergångsplattform, en sensor innefattande en så-dan plattform och ett tillverkningsförfarande. Plattformen innefat-tar två nanoelektroder åtskilda av ett nanogap, åtminstone ennanopartikel belägen mellan nanoelektroderna och åtminstonetvå molekyler vilka förbinder nanopartikeln till nanoelektroderna.Tillverkningsförfarandet innefattar beredning av åtminstone ennanopartikel funktionaliserad med en första uppsättning moleky-ler, infångning av den åtminstone ena funktionaliserade nanopar-tikeln i nanogapet mellan två nanoelektroder på ett substrat ochåtminstone en utbytesreaktion ersättande den första uppsätt-ningen molekyler med en andra uppsättning molekyler, så att denandra uppsättningen molekyler skapar ett nätverk vilket förbindernanoelektroderna och den åtminstone ena nanopartikeln. Fig. 1

Description

25 30 35 535 32.2 För att erhålla molekylärövergångar vilka skulle kunna vara an- vändbara i t.ex. sensortillåmpningar, är det dock önskvärt att ut- veckla en flexibel och stabil molekylärövergångsplattform vilken använder molekyler med lämpliga egenskaper för sådana till- lämpningar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en, i åtminstone någon aspekt, förbättrad molekylärövergångsplatt- form, en sensor innefattande en sådan plattform och ett förbättrat förfarande för tillverkning av en sådan molekylärövergångsplatt- form och sensor. Detta syfte uppnås genom en molekyläröver- gångsplattform enligt krav 1, en sensor enligt krav 3 och ett för- farande för framställande av en molekylärövergång enligt krav 4.

Föredragna utföringsformer finns beskrivna i de osjälvständiga patentkraven.

Enligt uppfinningen åstadkoms en molekylärövergångsplattform vilken är stabil i drift vid omgivande förhållanden, reproducerbar och mångsidig, och i vilken de elektroniska egenskaperna domi- neras av de elektroniska egenskaperna hos molekylerna. Moleky- lerna kan enligt uppfinningen bytas ut och plattformen erbjuder därmed flexibilitet eftersom samma plattform kan anpassas till att vara känslig för olika sorters gaser, vätskor, biomolekyler, etc.

Plattformen är därför mycket lämplig för användning i en sensor.

Plattformen kan dessutom lätt byggas in i elektroniska kretsar eftersom tillverkningsförfarandet är kompatibelt med standardtill- verkningstekniker för elektroniska kretsar.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas i detalj med hänvisning till de bifogade ritningarna: Figur 1 är en schematisk ritning av en molekylärövergångsplatt- form enligt uppfinningen, 10 15 20 25 30 35 535 322 Figur 2 är ett diagram vilket visar resultat fràn elektriska mät- ningar pà molekylärövergàngsplattformen, Figur 3 är ett diagram visande IV-karakteristik för en molekylär- övergångsplattform enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Termen ”nanogap” såsom här använd refererar till ett gap på mindre än 1 um. Termen ”nanoelektroder” refererar till en elek- trod mindre än 1 um bred. Termen ”nanopartikel” refererar till en partikel med en storlek av 1 nm till omkring 500 nm.

Termen ”biomolekyler” såsom här använd refererar till molekyler (t.ex. proteiner, aminosyror, peptider, polynukleotider, nukleoti- der, kolhydrater, sockerarter, lipider, nukleoproteiner, glykolpro- teiner, lipoproteiner, steroider etc.), både naturligt förekommande och artificiellt skapade (t.ex. genom syntetiska eller rekombine- rande metoder), vilka är vanligt förekommande i celler och väv- nader. Specifika klasser av biomolekyler inkluderar, men är inte begränsade till, enzymer, receptorer, neurotransmittorer, hormo- ner, cytokiner, cellmodulerande substanser såsom tillväxtfaktorer och kemotaktiska faktorer, antikroppar, vacciner, haptener, toxi- ner, interferoner, ribozymer, antisenseagenser, plasmider, DNA och RNA.

En molekylärövergångsplattform enligt uppfinningen visas sche- matiskt i figur 1. Plattformen innefattar två nanoelektroder 1 be- lägna på ett substrat 2, åtminstone en nanopartikel 3, här ett an- tal nanopartiklar anordnade i ett tredimensionellt nätverk mellan nanoelektroderna, och molekyler 4 vilka ansluter nanopartiklarna 3 till nanoelektroderna 1 och till varandra. Nanoelektroderna 1 kan vara i form av en tunn film eller i form av en tunn tråd och kan vara gjorda av guld eller andra ledande metaller eller oxider.

Substratet 2 är företrädesvis en oxiderad kiselskiva, men också 10 15 20 25 30 35 535 322 andra substrat kan användas, såsom porer. Molekylerna 4 är fö- reträdesvis molekyler lämpade för sensortillämpningar. Nano- elektroderna kan vara elektriskt anslutna till makloskopiska an- ordningar genom användning av kontaktplattor med en bredd på flera tiotals mikrometer.

För tillverkning av molekylärövergångsplattformen prepareras ett eller fler nanoelektrodpar på ett substrat, såsom en oxiderad ki- selskiva, genom användning av etablerade mikrotillverkningstek- niker såsom elektronstrålelitografi, fotolitografi och/eller etsning med fokuserad jonstràle. Nanoelektroderna hos varje nanoelek- trodpar är åtskilda av ett nanogap vilket är mindre än 1 um brett, företrädesvis mindre än 100 nm brett, och mer föredraget mindre än 50 nm brett. Ett typiskt nanogapsavstånd är mellan 1 nm och 10 nm. Ett stort antal nanoelektrodpar kan tillverkas på samma substrat. Nanopartiklar funktionaliserade med en första uppsätt- ning molekyler flyttas sedan in i nanogapet mellan nanoelektro- derna genom användning av t.ex. dielektroforetiska infångnings- tekniker. Alternativa tekniker kan användas för att flytta nanopar- tiklarna in i nanogapet mellan nanoelektroderna. De infängade nanopartiklarna anordnar sig i en tredimensionell matris i nano- gapet vilket skiljer nanoelektroderna åt. I ett nästa steg tas den första uppsättningen molekyler bort i ett utbyte, och ersätts av en andra uppsättning molekyler, t.ex. sensormolekyler lämpade för sensortillämpningar, dvs. molekyler vilka reagerar känsligt på elektrondonerande eller elektronaccepterande gaser. Utbyte av molekyler är ett avgörande steg eftersom det tillåter användning av en bred variation av molekyler i nanogapet mellan nanoelek- troderna. En molekylärövergäng etableras eftersom sensormole- kylerna i båda ändar ansluter till nanopartiklarna och/eller till na- noelektroderna, varvid ett nätverk skapas vilket förbinder de två nanoelektroderna. Övergångens elektroniska gensvar domineras av de elektroniska egenskaperna hos sensormolekylen.

Nanopartiklarna som används kan vara t.ex. guld-, silver-, plati- na- eller halvledarnanopartiklar. De elektroniska egenskaperna hos molekyler påverkas kraftigt av materialegenskaperna hos 10 15 20 25 30 35 535 322 nanopartiklarna. I en föredragen utföringsform används guldna- nopartiklar. Dessa kan ha en storlek från omkring 1 nm till om- kring 500 nm, företrädesvis mindre än 100 nm. Guldnanopartiklar uppvisar överlägsen kemisk stabilitet och oxiderar inte vid rums- temperatur, även om guldatomer kan diffundera vid rumstempe- ratur. Tiol- (-SH), amino- (-NH2) och selenolterminerade (-SeH) molekyler kan kemisorberas på guldytor.

Också silvernanopartiklar i storlekar från 1 nm till omkring 100 nm kan användas. Silvernanopartiklar har en tendens att oxidera vid rumstemperatur och de är därför svårare att använda i elek- tronik eller sensorer. Tiol- och aminoterminerade molekyler kan kemisorberas på silvernanopartiklar.

Platinananopartiklar i ett storleksintervall från 2 till 10 nm kan också användas. Den kemiska bindningen mellan tiol- och ami- nogrupper och platinaytor är mycket god. Platina är också mycket stabilt vid rumstemperatur.

Nanopartiklarna funktionaliseras genom användning av en mole- kyl vilken på åtminstone en ände innefattar en grupp vilken bin- der till nanopartiklarna, såsom en tiol- eller en aminogrupp. De funktionaliserade nanopartiklarna fångas i nanogapet mellan na- noelektroderna genom användning av t.ex. dielektrofores. De funktionaliserande molekylerna agerar som distanshållare mellan nanopartiklarna, varvid de hindrar dessa från att aggregera och fusionera. De funktionaliserande molekylerna bör fungera åtmin- stone som distanshållare och följande kriterier bör därför uppfyl- las: 1) molekylerna måste vara styva, dvs. sticka ut en viss bit; och 2) de måste täcka den största delen av nanopartikelns yta.

Exempel på sensormolekyler lämpliga för sensortillämpningar är molekyler som innefattar fenylgrupper och ändgrupper, såsom tiol- eller aminogrupper, vilka ändgrupper kan binda till nanopar- tiklarna och/eller nanoelektroderna. Ett exempel på en sådan molekyl är bifenylditiol (BPDT). Andra intressanta molekyler är Lex. ferrocenditiol och andra metallinnehållande aromatiska mo- 10 15 20 25 30 35 535 322 lekyler vilka kan ändra sina elektroniska egenskaper i närvaro av gaser eller vätskor.

I en utföringsform funktionaliseras nanopartiklarna genom an- vändning av en molekyl vilken innefattar två grupper som kan binda till nanopartiklarna. De funktionaliserade nanopartiklarna fångas i nanogapet mellan nanoelektroderna. De funktionalise- rande molekylerna fungerar som distanshållare mellan nanopar- tiklarna, varvid de hindrar dessa från att aggregera, men etable- rar samtidigt också ett nätverk vilket förbinder nanoelektroderna.

I ett följande steg tas molekylerna bort i ett utbyte, och ersätts av molekyler lämpliga för sensortillämpningar, dvs. molekyler som reagerar känsligt på elektrondonerande eller elektronaccepteran- de gaser.

I en utföringsform funktionaliseras nanopartiklarna genom an- vändning av en molekyl vilken på en ände innefattar en skyddan- de ändgrupp, vilken hindrar denna ände från att binda till nano- partiklarna. Ett exempel på en sådan molekyl är en alkanditiol, vilken på en ände är skyddad av en tritylgrupp. De på så vis funktionaliserade och skyddade nanopartiklarna fångas i nano- gapet mellan nanoelektroderna med alkanditiolerna kopplade en- dast på ena sidan till nanopartiklarna. Alkanditiolerna agerar här som distanshållare mellan nanopartiklarna varvid de hindrar des- sa från att aggregera. I ett följande steg kan alkanditiolerna in- nehållande skyddande tritylgrupper tas bort i ett utbyte, och er- sättas av molekyler lämpade för sensortillämpningar, dvs. mole- kyler som reagerar känsligt på elektrondonerande eller elektron- accepterande gaser. Då molekylerna innefattande en skyddande ändgrupp ersätts av sensormolekyler etableras en molekylär- övergång eftersom sensormolekylerna vid båda ändar kopplar till nanopartiklarna och/eller till nanoelektroderna, varvid ett nätverk som förbinder de två nanoelektroderna skapas.

Användningen av en molekyl innefattande en skyddande änd- grupp vilken hindrar en ände hos den funktionaliserande moleky- len att koppla till nanopartiklarna/nanoelektroderna har fördelen 10 15 20 25 30 35 536 322 att lättare kunna ersättas i ett utbyte än molekyler kopplade vid både ändar till en nanopartikel. Andra exempel på skyddande ändgrupper är cyanoetyl och trimetylsilyletyl. Vilken atom eller atomkedja som helst som kan fästas vid den ena tiolerade änden av molekyler för att skydda dessa från att bilda en kemisorberad koppling vid molekylernas båda ändar genom så kallad ”back bi- ting" eller disulfidbindningar kan dock användas som skyddande ändgrupp. Efter infångning tas dessa ytterligare atomer bort för att bilda kemisorberade metall-molekylövergångar vid molekyler- nas båda ändar med närliggande nanoelektrod- eller nanoparti- kelytor.

Användningen av ett ”fåtal” molekyler gör det möjligt att använda denna plattform även för termoelektrisk energiomvandling genom utnyttjande av seebeckeffekten. Seebeckeffekten torde vara mycket effektiv då molekyler används i en övergång. En anord- ning för termoelektrisk energiomvandling skulle kunna inkludera åtminstone en molekylärövergångsplattform enligt uppfinningen, företrädesvis ett stort antal sådana plattformer.

Molekylärövergångsplattformen enligt uppfinningen kan användas som en sensor för att känna av t.ex. gaser, vätskor och/eller biomolekyler. Sensorn kan innefatta en eller flera molekyläröver- gångsplattformar. Denna plattform har fördelarna att vara liten och lätt att skala upp till ett väldigt stort antal sensorer, dvs. na- noelektroder. Sensormolekylärövergången kan vara så liten som omkring 1 nm. Nanoelektroderna och nanogapet mellan dem har ett storleksintervall mellan några nanometer och storleksordning- en 100 nm. Denna sensor kan därmed användas för att mäta ga- ser i mycket små enheter. Ett alternativ är att integrera sensorn i andra mikrokretsar, dvs. att integrera den direkt på ett chip. En annan variant består av att producera stora mängder sensorer på en enstaka skiva. Detta kan antingen reducera produktionskost- nad eller användas för att tillverka extremt känsliga sensorer.

Genom att använda moderna litografitekniker kan i princip sam- ma integrationsdensitet uppnås för dessa molekylärövergångs- 10 15 20 25 30 35 535 322 plattformar som för moderna mikroprocessorer, dvs. miljoner till miljarder anordningar på ett chip kan uppnås.

Recept för lagring är avgörande för användningen av molekylära elektronikanordningar i tillämpningar. Lagringstest där moleky- lärövergångsanordningar enligt uppfinningen likväl som rena na- noelektroder lagrades a) under omgivande förhållanden (luft), b) i vatten, c) i tetrametyletylendiamin (TMEDA), d) i toluen och e) i tetrahydrofuran (THF) under fyra veckor, med utvärderingar av elektriska egenskaper (resistans) och struktur (svepelektronmik- roskopi, SEM) varje vecka, har visat att den rena nanoelektrod- strukturen är mest stabil vid lagring i rent vatten liksom i toluen.

Molekylärövergångsanordningarna har enligt testerna en stabil elektrisk prestanda då lagrade l TMEDA.

Elektriska mätningar Elektriska kontakter kan anslutas till nanoelektroderna för att mäta de elektriska egenskaperna hos molekylärövergången. Övergången är utformad så att de elektriska egenskaperna hos molekylerna dominerar de elektriska egenskaperna hos över- gångarna. Användningen av sensormolekyler vilka ändrar sina elektroniska egenskaper i närvaro av gaser, vätskor och biomo- lekyler möjliggör sensorfunktionen. Då en ström flyter genom övergången, kommer strömmen att ändra sig då molekylen ut- sätts för olika omgivningar. Användningen av olika sensormoleky- ler vilka uppvisar olika elektriska signaturer i närvaro av olika gaser, vätskor och biomolekyler gör det möjligt att sikta in sig på olika sorters molekyler då olika sensormolekyler används i olika anordningar. Figur 2 till 3 visar resultat från elektriska mätningar.

Figur 3 visar I-V kurvor efter placering av molekyler i en nanopar- tikel-nanoelektrodplattform (den lägre kurvan) och efter bildande av en stabil metall-molekylövergång, dvs. en molekyläröver- gångsplattform (den övre kurvan). Ett alternativ till l-V kurvor är mätningen genom inelastisk tunnlingsspektroskopi (IETS) vilken ger signaturer av vibrationstillstånden hos sensormolekylerna. 10 15 20 25 30 35 536 322 IETS-mätningarna innefattar: att kontaktera molekylärövergångsplattformen enligt uppfinningen vid flytande helium-temperaturer; att ha byggt en stabil molekylärövergångsplattform, där över- gångarna är väl utformade för längre perioder och för olika tem- peraturer; att ha väl utformade reproducerbara övergångar i molekyläröver- gångsplattformen; och att ha känslig elektronisk mätutrustning kapabel att arbeta vid mycket låga strömmar och låga signal/brus-förhållanden.

Resultat från IETS-mätningar på molekylärövergångsplattformen med oktanditiolmolekyler (ODT) visas i figur 2. Topparna som kan hänföras till vibrationsniväer hos ODT-molekylen visar signa- turen hos ODT.

Mätningar av vibrationer hos ett fåtal (ett tiotal) molekyler kan likaledes användas som en sensorprincip eftersom vibrationerna bör ändra sig på ett väldefinierat sätt, då t.ex. gasmolekyler är fästa till molekylen i molekylärövergängsplattformen.

Exempel Utbyte utfördes i en molekylärövergångsplattform en|igt uppfin- ningen. Plattformen i detta exempel innefattade guldnanoelektro- der åtskilda av ett nanogap på mindre än 50 nm och guldnano- partiklar funktionaliserade med en första uppsättning funktionali- serande molekyler bestående av tritylskyddade oktantiolmoleky- ler. Ett substrat innefattande ett flertal av nämnda plattformar sänktes ner i en lösning av 1 mM BPDT i toluen under 48 timmar.

Utbyte bevisades genom elektriska mätningar och ramanspektro- skopi. Genom att växelvis sänka ner substratet i en lösning inne- hållande BPDT och en lösning innehållande oktantiol upptäcktes det att det är möjligt att repetera utbytessteget ett flertal gånger med goda resultat. Potentiellt skulle olika sensormolekyler kunna användas och plattformen är därför mycket mångsidig. 535 322 10 Uppfinningen är givetvis inte pà något sätt begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan en mängd möjligheter till modi- fikationer därav torde vara uppenbara för en fackman på områ- det, utan att denne för den skull avviker från uppfinningens grundtanke så som den har definierats i bifogade patentkrav.

Claims (10)

1. 0 15 20 25 30 35 536 322 11 PATENTKRAV Förfarande för tillverkning av en molekylärövergångsplatt- form innefattande två nanoelektroder mindre än 1 pm breda åtskilda av ett nanogap på mindre än 1 pm, åtminstone en nanopartikei med en storlek av 1-500 nm belägen mellan nanoelektroderna och åtminstone två molekyler förbindande den åtminstone ena nanopartikeln till nanoelektroderna, vil- ket förfarande innefattar stegen: - beredning av åtminstone en nanopartikei funktionalise- rad med en första uppsättning molekyler; - infångande av den åtminstone ena funktionaliserade nanopartikeln i ett nanogap mellan två nanoelektroder på ett substrat; - åtminstone en utbytesreaktion vilken ersätter den för- sta uppsättningen molekyler med en andra uppsättning molekyler, så att den andra uppsättningen molekyler skapar ett nätverk förbindande nanoelektroderna och den åtminstone ena nanopartikeln. Förfarande för tillverkning av en molekylärövergångsplatt- form enligt krav 1, varvid det tillverkas en molekylär- övergångsplattform innefattande ett flertal nanopartiklar anordnade i ett tredimensionellt nätverk förbundna av nämnda molekyler. Förfarande för tillverkning av en molekylärövergångsplatt- form enligt krav 1 eller 2, där den första uppsättningen mole- kyler innefattar molekyler vilka på en ände inkluderar en skyddande ändgrupp vilken hindrar den skyddade änden från att binda till en yta. Förfarande för tillverkning av en molekylärövergångsplatt- form enligt krav 3, där den skyddande ändgruppen företrä- desvis är en tritylgrupp, en cyanoetylgrupp eller en trimetyl- silyletylgrupp. 10 15 536 322 12 Förfarande för tillverkning av en molekylärövergàngsplatt- form enligt något av krav 1-4, där den andra uppsättningen molekyler är avkännande molekyler lämpade för att känna av gas, vätskor och/eller biomolekyler. Förfarande för tillverkning av en molekylärövergàngsplatt- form enligt krav 5, där de avkännande molekylerna vardera inkluderar åtminstone en fenylgrupp. Förfarande för tillverkning av en molekylärövergàngsplatt- form enligt något av krav 5-6, där de avkännande moleky- lerna vardera inkluderar åtminstone en tiolgrupp, en amino- grupp eller en selenolgrupp. Förfarande för tillverkning av en molekylärövergàngsplatt- form enligt något av krav 1-7, där infångningen av de funk- tionaliserade nanopartiklarna görs med hjälp av dielektrofo- res.