石墨烯與雙鏈DNA分子復合結構電導性的c-AFM研究

牛冬校 胡 鈞

（中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800）

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

DNA分子記錄生物遺傳信息，圍繞DNA分子進行的基因復制、基因表達、基因損傷修復等生化行為，不同程度地表現出了長程有序性，因此Mallajosyula等[2,3]猜測 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，關于 DNA分子電子輸運能力和機制的理論預測，以及實驗測量結果，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的重要研究對象之一[7]。

石墨烯-DNA分子復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合體，是一種納米尺度上的一維材料和二維材料復合的特殊結構。單鏈DNA因為堿基暴露而易形成這種復合體[8,9]，而雙鏈 DNA和石墨烯的結合弱，尚未見這種復合體的電性質研究報道。

本工作對石墨烯-雙鏈DNA分子復合體進行電導性測量，解決的技術問題有：(1)將石墨烯-DNA分子展開并固定在絕緣襯底表面；(2)過程中對復合體進行無損的形貌觀察；(3)盡可能地降低電極和復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電原子力顯微鏡(c-AFM, conductive atomic force microscope)觀測的納米電極，并利用c-AFM的扭轉共振隧穿電流模式(Tr-TUNA, torsional resonance tunneling current AFM)[10]對復合體進行電導性測量。選用的雙鏈DNA分子是從 lambda噬菌體分離出來的lambda-DNA，有 48502個匹配的堿基對構成，在AFM觀察襯底上完全展開的長度可達10–20 μm。

1 材料與方法

1.1 材料

石墨烯為水合肼對氧化石墨烯進行化學還原方法制備[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SCM-PIC。

1.2 石墨烯-DNA分子復合體的構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，設置旋涂程序為：500 r/min，2 min后，10 s內轉速升到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的連接，連接點多在石墨烯邊緣，也可找到一個 DNA分子和多個石墨烯薄片串聯式連接形成的復合體。圖1(a)的典型薄片高度分析表明，實驗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分子復合體電導性測量

1.3.1 c-AFM線性方向電導測量的納米電極構建

石墨烯-DNA復合體電導性，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能力(圖2)。重點考察的是DNA分子能否將一端的電位激勵轉化成另一端石墨烯連接體上的電流響應。但是 c-AFM 只能對處在導電針尖和導電襯底間的樣品進行I/V測量，不能直接應用于該實驗中構建的一維、二維材料的復合體沿維度方向的電導能力測量，還需要在絕緣的云母襯底上制作適合c-AFM的納米電極，并使其和針尖構成回路。

圖2 c-AFM測量示意圖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，在邊緣處用導電膠把石墨片和導電鐵托連接起來，與c-AFM系統構成回路，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 復合體電導性的Tr-TUNA測量

c-AFM進行的I/V特性測量中，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復合體，成像時針尖-樣品側壓力能夠在云母表面推動DNA分子，甚至破壞石墨烯-DNA復合體。為此實驗中采取了扭轉共振模式(Trmode)，實現對與襯底結合強度低的軟樣品進行形貌觀察的同時進行TUNA的測量。為確保后加工的石墨電極有效性，需要在TUNA測量前對石墨電極做導電性的測量和表征：將c-AFM探針針尖停靠在石墨電極表面，在一定范圍內連續變化針尖-電極之間電壓，同時記錄相應的電流值。圖4是一個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回路導通后，選擇和石墨電極連接的石墨烯-DNA復合體進行Tr-TUNA的測量。首先利用AFM的輕敲模式(tapping-mode)進行大范圍的掃描成像，選出石墨薄片邊緣高度小于10 nm的區域，在該區域內找到和石墨形成連接的石墨烯-DNA復合體，利用offset和zoom in程序指令把AFM探針移到目標位置，切換成Tr-TUNA模式，逐漸增加DC sample bias的電壓，并配合調節drive amplitude setpoint值，直到TUNA current圖像中電極位置出現明顯的電流信號。圖5為對石墨烯-DNA復合體的一次測量結果。圖5(a)為Tr-mode下的形貌圖，圖5(b)為對應的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 操作的環境溫度為 25oC，相對濕度為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 結果與討論

實驗中，在絕緣的云母襯底上設計并實現了適合石墨烯-DNA復合體沿襯底表面方向電導能力測量的石墨電極，通過c-AFM的I/V測量，確定了該電極能滿足隧穿電流精度的測量要求。當應用該電極對石墨烯-DNA復合體進行 c-AFM 測量時，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，產生電流信號；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生電流信號(圖5)，針尖-石墨電極電壓為5 V，電流精度為1 pA，說明復合體的阻抗大于5×1012?。宋波等[12]的模擬計算表明，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分子的連接所產生的接觸電阻應遠小于 DNA分子鏈上的阻抗，因此可以判定復合體的電阻主要來自 DNA分子沿鏈方向的阻抗，這個阻抗大到不能及時將電子輸運到遠端的石墨烯片上，形成c-AFM可觀測到的隧穿電流。

但假設雙鏈 DNA分子僅是以一種非常狹窄的電通道形式對電子進行長程輸運，則實驗中因電子累計速度滿足不了電流測量精度的下限要求，同樣不能得到有效的電流信號。因此實驗并不能完全否定雙鏈 DNA分子對電子的長程輸運的可能，實驗方案有待于更精巧的設計和改進，以獲得更精確的關于雙鏈DNA長程電子輸運能力的測量結果。

3 結語

通過對石墨烯-DNA復合體的c-AFM測量，結果表明，雙鏈 DNA分子可以作為中間連接體連接石墨烯片，這種復合結構的構建在微電子科學及分子器件科學的研究中具有重要的意義。但實驗結果表明，在pA量級的電流精度條件下，復合體中的DNA分子電阻大于5×1012?，實驗中沒有可觀測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]，但利用其進行分子器件的設計時不能作為導體材料。然而，隨著DNA折紙術[14]和其它基于 DNA分子雙鏈結構的納米構建技術的快速發展[15,16]，經過精巧設計后的以 DNA分子為模板的自組裝復合體可能會給分子器件研究和微電子技術帶來突破性的進展。

致謝 感謝復旦大學表面物理國家重點實驗室提供的設備支持。

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