一种超洁净转移石墨烯至金属载网的方法

技术领域

本发明属于石墨烯应用技术领域，更具体地，涉及一种超洁净转移石墨烯至金属载网的方法。

背景技术

生命科学技术一直以来都是科研工作者广泛关注的重要技术领域，生命科学囊括基因工程技术、生物工程技术、生物医药技术等多门重要学科技术，特别是以基因工程为代表的生物技术，通过解析生物分子结构获取生物基因信息并进行精准的切割重组，使有目的地改良生物的形状与品质成为可能；迄今为止基因工程所取得的成就已经在多个领域显示出诱人的前景，是21世纪毫无争议的新兴产业之一。

生命科学技术研究的最重要手段是通过冷冻电镜技术对生物分子结构进行解析从而获得目的生物信息；近年来，随着冷冻电镜技术的不断成熟，基于冷冻电镜技术的生物分子结构解析技术在病毒疫苗研发、基因治疗、生物药物等多个领域已经实现实际应用，推动了结构生物学的快速发展，显示出了巨大的应用潜力，正如诺贝尔奖官方所称“冷冻电镜技术的出现使生物化学进入了一个新的时代”。

自20世纪50年代，人们利用X射线成像技术解析蛋白质结构，首次获得蛋白质晶体的螺旋状结构图片以来，对于生物分子结构解析手段主要包括X射线晶体学和核磁共振波谱学；为获得高分辨率的生物分子结构图像，理论上电子剂量越高，生物分子结构图像分辨率越高，但生物分子往往难以承受高剂量电子的轰击。基于传统的X射线晶体学法和核磁共振技术对蛋白质样品纯度、结晶性、绝对量等具有较强的约束，使获得高分辨率的的蛋白质图像，更无法获得蛋白质结构的动态变化，结构生物学受成像技术的制约陷入技术瓶颈；随着冷冻电镜技术的出现和发展，2014年人们利用冷冻电镜三维重构技术确定了蛋白质TRPV

冷冻电镜技术对生物分子结构解析原理是使用冷冻系统将生物分子快速冷冻在玻璃态的水（液氮温度，77K）中来减轻对生物分子的破坏，使生物分子样品可在低剂量电子条件下获得原子级分辨率的图像。目前，主流的冷冻电镜可分为冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）、冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）、冷冻刻蚀电子显微镜（Freeze-ethching），其中Cryo-TEM是获得的生物分子结构图像最为清晰真实。Cryo-TEM样品通常使用具有非晶碳膜层的金属载网负载，因为金属载网表面的非晶碳膜具有较为良好的导电性，可有效避免冷冻的生物分子样品的荷电现象，同时将高能电子轰击带来的热量快速导出，避免因高能电子轰击积累的热量对生物分子样品造成破坏，因此，高电导率、高热导率的金属载网是冷冻电镜极为重要的核心零部件。

相对于冷冻电镜使用的传统金属载网表面的非晶碳膜，石墨烯具有更为优良的电子迁移率（~200000cm

发明内容

为解决上述现有石墨烯转移技术中普遍存在的残胶、破损等问题，本发明首要目的在于提供一种超洁净转移石墨烯至金属载网的方法，该方法简单快捷、且获得的石墨烯表面非常洁净，同时为石墨烯在其他衬底干净转移提供技术借鉴。

本发明的另一目的在于提供上述超洁净转移石墨烯至金属载网的应用，超洁净石墨烯负载的金属载网在冷冻电镜技术中具有重大的应用意义，可推进我国结构生物学研究快速发展。

本发明的技术方案是这样的：

一种超洁净转移石墨烯至金属载网的方法，包括步骤1，制取石墨烯/铜箔/石墨烯样品；步骤2，旋涂PMMA/聚四氢呋喃复合高分子支撑膜；步骤3，金属铜箔刻蚀；步骤4，目标衬底负载；步骤5，蒸汽去胶。

作为优选，所述步骤1中，通过CVD法在金属铜衬底表面生长石墨烯，生长有石墨烯的金属铜箔通过剪取后，使用乙醇冲洗表面，并在弱的氮气流、氩气流、空气流下吹干后，获得表面干净的石墨烯/铜箔/石墨烯样品。

进一步的，使用高温胶带或普通透明胶带将所述石墨烯/铜箔/石墨烯样品边缘压粘在旋涂基底上，并确保其边缘密封无缝；所述旋涂基底为PET膜、PS片、PE膜中的一种。

作为优选，步骤2中，所述高分子支撑膜包括外层的PMMA支撑膜和中间插层的聚四氢呋喃隔离膜。

进一步的，所述PMMA支撑膜和聚四氢呋喃隔离膜通过低速旋涂和高速旋涂两个旋涂过程获得，PMMA支撑膜的PMMA前驱液质量分数不高于10%，聚四氢呋喃隔离膜的聚四氢呋喃前驱液质量分数不低于10%。

进一步的，所述低速旋涂速度为400-1500转/s，旋涂时间为5-20s；所述高速旋涂速度为2500-3000转/s，旋涂时间为20-30s。

进一步的，每旋涂一层所述PMMA外支撑膜，需要进行烘干或自然晾干处理，烘干温度为40-80℃，烘干时间为5-20min；每旋涂一层聚四氢呋喃隔离膜，需要进行烘干或自然晾干处理，烘干温度为40-80℃，烘烤时间为5-20min；经该处理后即制得PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/铜箔/石墨烯样品。

作为优选，步骤3中，所述金属铜箔刻蚀所选用的刻蚀溶液为氯化铁溶液、过硫酸钾溶液、过硫酸钠溶液中的一种；所述金属铜箔刻蚀包括预刻蚀和刻蚀两步，所述预刻蚀包括将步骤2所制得的PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/铜箔/石墨烯样品没涂胶的一面直接漂浮在刻蚀溶液上进行预刻蚀，样品每刻蚀1min，用去离子水冲洗样品刻蚀面，预刻蚀3-5次，没有涂支撑膜这面的石墨烯薄膜被去除，制得PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/铜箔样品；之后更换刻蚀溶液，将PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/铜箔样品铜箔一面漂浮在刻蚀溶液上进行刻蚀，刻蚀结束后，用去离子水漂洗3-5次，铜箔被完全刻蚀完毕后，制得干净的PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯样品。

作为优选，步骤4中，所述的目标衬底负载为将具有碳膜一面的金属载网无褶皱地平稳贴附在步骤3获得的PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯样品上，使石墨烯膜与载网平整贴附，并在薄膜边缘滴加异丙醇溶液对薄膜进行切割，自然晾干或在40-70℃条件下烘干，制得PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/金属载网样品。

作为优选，步骤5中，所述蒸汽为聚四氢呋喃溶液与丙酮溶液混合后通过恒温加热平台获得的去胶蒸气；所述聚四氢呋喃溶液与丙酮溶液的混合液其体积比例为，聚四氢呋喃溶液：丙酮溶液=1:9。

进一步的，步骤5中，所述去胶包括将步骤4制得的PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/金属载网样品悬空且涂胶一面倒扣朝下，在由聚四氢呋喃溶液与丙酮溶液制得的去胶蒸汽中去胶60-150min，去胶蒸汽温度为60-80℃，之后晾干，即制得石墨烯/金属载网薄膜样品。

本发明的有益效果是：

1. 本发明提供的超洁净转移石墨烯至金属载网的方法可实现石墨烯在金属载网上超洁净转移。

2. 本发明提供的超洁净转移石墨烯至金属载网的方法使用蒸气去胶，可确保转移过程中石墨烯不破损。

3. 本发明提供的超洁净转移石墨烯至金属载网的方法可极大提高金属载网的电子迁移率和热传导能力，可促进结构生物学研究的发展。

4. 本发明提供的超洁净转移石墨烯至金属载网的方法原理简单，操作简便，同时该技术思路可拓展至其他负载衬底的石墨烯干净转移。

附图说明

图1为实施例1中超洁净转移石墨烯至金属载网样品在30放大倍数电子显微镜下的SEM图像。

图2为实施例1中超洁净转移石墨烯至金属载网样品在150放大倍数电子显微镜下的SEM图像。

图3为实施例1中超洁净转移石墨烯至金属载网样品在1300放大倍数电子显微镜下的SEM图像。

图4为实施例1中超洁净转移石墨烯至金属载网样品在20000放大倍数电子显微镜下的SEM图像。

具体实施方式

实施例1

剪取一块方形的平整的石墨烯/铜箔/石墨烯样品（~2cm

PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/铜箔/石墨烯样品使用1M的氯化铁溶液进行预刻蚀，其目的在于去除底部没涂胶面的石墨烯薄膜，每刻蚀1min便使用去离子水冲洗一次，预刻蚀过程总刻蚀4min，使用去离子水冲洗4次，获得PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/铜箔样品。预刻蚀结束后，换用新的氯化铁溶液对金属铜箔进行刻蚀处理，当金属铜箔被完全刻蚀完毕后，获得一份透明的干净的PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯薄膜（漂浮在氯化铁溶液表面）。

使用去离子水，对PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯薄膜进行5次以上漂洗处理。漂洗处理结束后，使用辅助工具捞取薄膜，并使金属载网平稳贴附在PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯薄膜上。金属载网为铜或镍或金材质制得的载网。

使用无尘纸巾将多余水分吸干后，在薄膜边缘滴加异丙醇溶液对薄膜进行切割，自然晾干后获得完整、平整贴附于金属载网表面的PMMA/聚四氢呋喃/石墨烯/金属载网样品。提前配置好去胶前驱液（m

如图1、图2、图3、图4所示，图1-4是实施例1中超洁净转移石墨烯至金属载网样品在不同放大倍数下的SEM图像，图像显示出在转移过程中石墨烯薄膜覆盖率高、无破损、无残胶，表面洁净。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，铜箔刻蚀溶液使用饱和的过硫酸钾溶液，其他条件不变。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，PMMA膜层和聚四氢呋喃膜层旋涂速度选用800转/s低速旋涂（10s）和2000转/s高速旋涂（20s），其他条件不变。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，PMMA旋涂两次（2层），其他条件不变。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，选用质量分数为4%的PMMA前驱液，其他条件不变。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于，选用质量分数为30%的四氢呋喃前驱液，其他条件不变。

实施例7

本实施例与实施例1的区别在于，涂覆后的PMMA薄膜、聚四氢呋喃薄膜在恒温加热平台40℃范围下烘烤10min，其他条件不变。

实施例8

本实施例与实施例1的区别在于，去胶蒸气在70℃下获得，其他条件不变。

实施例9

本实施例与实施例1的区别在于，蒸气去胶阶段，去胶前驱液是将聚苯乙烯溶于丙酮获得（V

实施例10

本实施例与实施例1的区别在于，蒸气去胶阶段，去胶前驱液利用四氢呋喃溶液滴入丙酮溶液获得，其他条件不变。

上述实施例为本发明探究过的实施例，但本发明的实施例并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的基本原理和实质下所作的任何改变、修饰、替代、组合和简化，均视为本发明的等效置换实施例，均包含在本发明的知识产权保护范围之内。