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分子進行的基因復(fù)制、基因表達、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 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分子電子輸運能力和機制的理論預(yù)測，以及實驗測量結(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因為堿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)研究報道。

本工作對石墨烯-雙鏈DNA分子復(fù)合體進行電導(dǎo)性測量，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)過程中對復(fù)合體進行無損的形貌觀察；(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]對復(fù)合體進行電導(dǎo)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(gòu)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(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)置旋涂程序為：500 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(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(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)性測量

1.3.1 c-AFM線性方向電導(dǎo)測量的納米電極構(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能力(圖2)。重點考察的是DNA分子能否將一端的電位激勵轉(zhuǎn)化成另一端石墨烯連接體上的電流響應(yīng)。但是 c-AFM 只能對處在導(dǎo)電針尖和導(dǎo)電襯底間的樣品進行I/V測量，不能直接應(yīng)用于該實驗中構(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(fù)合體，成像時針尖-樣品側(cè)壓力能夠在云母表面推動DNA分子，甚至破壞石墨烯-DNA復(fù)合體。為此實驗中采取了扭轉(zhuǎn)共振模式(Trmode)，實現(xiàn)對與襯底結(jié)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(dǎo)電性的測量和表征：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，同時記錄相應(yīng)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(dǎo)通后，選擇和石墨電極連接的石墨烯-DNA復(fù)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(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。圖5為對石墨烯-DNA復(fù)合體的一次測量結(jié)果。圖5(a)為Tr-mode下的形貌圖，圖5(b)為對應(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

實驗中，在絕緣的云母襯底上設(shè)計并實現(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(yīng)用該電極對石墨烯-DNA復(fù)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(chǎn)生的接觸電阻應(yīng)遠小于 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(shè)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(shè)計和改進，以獲得更精確的關(guān)于雙鏈DNA長程電子輸運能力的測量結(jié)果。

3 結(jié)語

通過對石墨烯-DNA復(fù)合體的c-AFM測量，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。但實驗結(jié)果表明，在pA量級的電流精度條件下，復(fù)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(shè)計時不能作為導(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)計后的以 DNA分子為模板的自組裝復(fù)合體可能會給分子器件研究和微電子技術(shù)帶來突破性的進展。

致謝 感謝復(fù)旦大學(xué)表面物理國家重點實驗室提供的設(shè)備支持。

1 Neto A H C, Guinea F, Peres N,et al. The electronic properties of graphene [J]. Reviews of Modern Physics,2009, 81(1): 109

2 Mallajosyula S S, Pati S K. Toward DNA Conductivity: A Theoretical Perspective [J]. J Phys Chem Lett,2010,1(12): 1881–1894

3 Siriwong K, Voityuk A A. |D Stack Structure and Hole Transfer Couplings in DNA Hairpins and DNA. A Combined QM/MD Study [J]. J Phys Chem B,2008,112(27): 8181–8187

4 De Pablo P, Moreno-Herrero F, Colchero J,et al. Absence of dc-Conductivity in |?-DNA [J]. Phys Rev Lett, 2000,85(23): 4992–4995

5 Endres R, Cox D, Singh R. Colloquium: The quest for high-conductance DNA [J]. Reviews of Modern Physics.2004, 76(1): 195

6 Genereux J C, Barton J K. Mechanisms for DNA charge transport [J]. Chem Rev, 2010, 110(3): 1642

7 Keren K, Berman R S, Buchstab E,et al. DNA-templated carbon nanotube field-effect transistor [J], 2011, Science,2003, 302(5649): 1380

8 Lv W, Guo M, Liang M H,et al. Graphene-DNA hybrids:self-assembly and electrochemical detection performance[J]. J Mater Chem, 2010, 20(32): 6668–6673

9 Premkumar T, Geckeler K E. Graphene-DNA hybrid materials: assembly, applications, and prospects. Progress in Polymer Science, 2011

10 Harris P, Huang L, Su C. Electrical testing of soft delicate samples using Torsional Resonance Mode and TUNA(R).Veeco application notes AN107,2007

11 Stankovich S, Dikin D A, Piner R D,et al. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide [J]. Carbon, 2007, 45(7):1558–1565

12 Song B, Li D, Qi W,et al. Graphene on Au(111): A highly conductive material with excellent adsorption properties for high? esolution bio/nanodetection and identification[J]. Chem Phys Chem, 2010, 11(3): 585–589

13 Hu J, Zhang Y, Gao H,et al. Artificial DNA patterns by mechanical nanomanipulation[J]. Nano Letters, 2002,2(1): 55–57

14 Ke Y, Sharma J, Liu M,et al. Scaffolded DNA origami of a DNA tetrahedron molecular container [J]. Nano Letters,2009, 9(6): 2445–2447

15 Rakitin A, Aich P, Papadopoulos C,et al. Metallic conduction through engineered DNA: DNA nanoelectronic building blocks [J]. Phys Rev Lett, 2001,86(16): 3670–3673

16 Maune H T, Han S, Barish R D,et al. Self-assembly of carbon nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami templates [J]. Nature Nanotechnology, 2009,5(1): 61–66