石墨烯纳米孔传感器制造与单分子过孔形态检测

纳米孔传感技术是一种新兴的生物分子检测技术。其工作原理如图1所示，在纳米孔两侧盐溶液中施加电场，溶液中带负电的生物分子在电场驱动下穿过纳米孔，生物分子在纳米孔内的物理占位产生阻塞电流。通过检测待测分子穿过纳米孔时产生的阻塞电流来判断分子的结构特征。纳米孔主要分为生物纳米孔和固态纳米孔两类。与生物纳米孔相比，固态纳米孔具有尺寸可调节、化学稳定性良好以及可扩展的优点，在蛋白质、病毒等复杂结构生物分子检测中具有巨大的潜力。然而，传统固态纳米孔的检测分辨率不足，限制其在生物分子检测中的应用。石墨烯、二硫化钼、二硫化钨等二维材料具有原子层厚度，能提高固态纳米孔传感器检测分辨率。其中，石墨烯是目前所发现的最薄的二维材料，单原子层厚度的石墨烯具有优异的力学性能，可制成悬空式纳米孔传感器，极大地提升固态纳米孔检测分辨率。

图1 纳米孔传感器工作原理图

据麦姆斯咨询报道，广东工业大学研究人员利用石墨烯为加工材料，基于MEMS工艺与二维材料湿法转移工艺组合制造出超薄石墨烯纳米孔传感器，并在此基础之上开展牛血清蛋白（BSA）分子过孔形态检测研究。研究结果显示，该石墨烯纳米孔传感器可以有效检测出BSA分子不同的过孔形态。相关研究成果以论文形式于发表于《机械工程学报》期刊。

石墨烯纳米孔制备

采用如图2所示工艺制备获得石墨烯纳米孔。首先，通过低压化学气相沉积法在硅片两侧沉积200 nm的低应力氮化硅（Si3N4）薄膜。随后，通过光刻与反应离子刻蚀（RIE）工艺在背面Si3N4薄膜上刻蚀出硅基体释放窗口。接着使用氢氧化钾（KOH）刻蚀基体硅，得到Si3N4纳米薄膜。继而，利用光刻与RIE工艺在薄膜的中央制造出直径为3 μm的Si3N4微孔。再借助于石墨烯湿法转移技术，将单层石墨烯转移至Si3N4微孔上方。最后，利用氦离子束在单层石墨烯上制造出石墨烯纳米孔。

图2 石墨烯纳米孔制造工艺流程图

石墨烯纳米孔检测牛血清蛋白

通过膜片钳放大器在纳米孔两侧施加电压以形成电流通路，检测设备如图3所示。在溶液中未添加BSA分子的情况下，采集到的电流信号为一条稳定的基线，如图4a所示。在液池Cis端添加样品后，带负电的BSA分子在电场驱动下穿过石墨烯纳米孔，其在纳米孔内的物理占位会导致电信号产生阻塞电流，如图4b所示。通过统计分析BSA分子过孔时阻塞电流的平均幅值及过孔时间分布，可以间接得到BSA分子的结构、过孔形态等信息。

图3 膜片钳检测系统

图4 石墨烯纳米孔膜片钳检测

根据BSA分子过孔事件统计分析的结果可以发现，BSA分子穿过石墨烯纳米孔时阻塞电流主要分布在150 pA，继而计算出BSA分子直径约为4.83 nm，与BSA分子实际直径相符。此外，从BSA分子过孔事件分布可以看出BSA分子主要是以竖直形态穿过石墨烯纳米孔。同时，该实验使用的超薄石墨烯纳米孔传感器检测到的BSA分子阻塞电流可以计算出BSA分子横截面积，从而推出BSA分子的旋转角度，具有更高的检测分辨率。

图5 BSA分子检测实验

图6 BSA分子过孔特征信号图及简化结构

总体而言，制备出的超薄石墨烯纳米孔传感器可以检测出BSA分子不同的过孔形态。但由于石墨烯纳米孔直径较大，还存在多个BSA分子同时穿过石墨烯纳米孔的现象。未来，还需要制造孔径更小的石墨烯纳米孔，以限制孔内BSA分子数量，提高石墨烯纳米孔传感器的检测分辨率。此外，还需要减小石墨烯悬空膜的面积或者在石墨烯表面沉积氧化铝等绝缘层来降低石墨烯纳米孔传感器的噪音。

审核编辑 ：李倩