單分子芯片製備實驗技術問世

  北京大學化學與分子工程學院郭雪峰教授課題組研發出成熟的單分子芯片製備實驗技術，主要揭示了石墨烯場效應晶體管的製備與單分子錨定兩大關鍵步驟。這些技術生產的單分子器件具有普適性，將會催生新一代單分子電子設備，並與其他學科交叉融合，推動單分子交叉科學新領域的發展，例如單分子物理與化學基本物性、單分子化學反應動力學和單分子生物物理的發展。相關研究成果以《在分子尺度上檢測電子反應的石墨烯-分子-石墨烯單分子結》為題，于日前在國際學術期刊《自然·協議》發表。
  郭雪峰介紹，單分子是物質世界的基本單元，是構造物質世界的基因，也是調控生命過程的關鍵，具有豐富的科學內涵。其中，石墨烯基單分子器件具有確定的界面耦合、高穩定性、對複雜環境的良好耐受性等，有望為探索無限大的底部空間打造強勁引擎。
  研究過程中，團隊在銅片上通過化學氣相沉積生長高質量單層石墨烯。通過聚甲基丙烯酸甲酯的輔助，在對銅片刻蝕後，將石墨烯轉移至特定尺寸硅片上，以滿足後續測試需求。之後通過氧等離子體刻蝕，將石墨烯切割為條帶圖案。進一步通過蒸鍍，製備電極陣列，得到石墨烯場效應晶體管。錨定單個分子則需要製備系列間隔的石墨烯電極對。通過電子束曝光，在石墨烯表面旋涂的聚甲基丙烯酸甲酯上製備虛線窗口，結合進一步氧等離子體各向同性刻蝕以及輔助的電燒斷，可得到石墨烯點接觸，進而製備具有羧基末端、納米間隙的電極對。
  隨後，研究團隊在燒瓶中加入石墨烯芯片，根據不同分子橋末端的官能團，利用點擊化學或共價縮合製備共價鍵錨定的單分子結。其中，錨定的單個分子可通過電學、光學等多模態表徵得到進一步驗證：包括柵壓依賴性實驗、隨機光學重構超分辨成像、單分子光譜以及非彈性電子隧穿譜。
  「這些技術利用單個分子製備出光電子器件，為分子電子器件的潛在應用邁出了關鍵一步，有望發展顛覆性的單分子芯片集成技術和新一代精準分子診斷/測序技術，也有望為揭示物質轉換的內在機理和生命現象的本徵規律提供劃時代的研究範式和譜學方法，進而推動形成單分子交叉科學新的增長點和科技突破口。」郭雪峰說。（記者晉浩天）