ZnO/Au復(fù)合薄膜的制備及SERS性能的研究

劉肖，張霞，翁儀瑾，張壘，楊文思

(上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海 201620)

1 引言

羅丹明B (Rhodamine B, RhB) 是一種人工合成的堿性染料，曾經(jīng)被廣泛用作食品染色劑，后經(jīng)國際癌癥研究署 (IARC) 通過實(shí)驗(yàn)證明羅丹明B具有一定的致癌性[1]。因此，我國嚴(yán)禁食品中添加羅丹明B這類染色劑。但因其具有色澤鮮艷、著色穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)[2- 3]，仍被一些不法商販作為染色劑添加到食品當(dāng)中 (以辣椒產(chǎn)品為主[4])，嚴(yán)重威脅消費(fèi)者的身體健康。目前，檢測羅丹明B等常見染料的方法有熒光探針法[5]、高效液相色譜熒光檢測法[6]、液相色譜-質(zhì)譜法[7]、氣相色譜法[8-9]以及氣相色譜-質(zhì)譜法等[10-11]。但是這些檢測方法都存在檢測極限高、檢測時(shí)間較長、檢測方法較繁雜、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)對羅丹明B這類染料的快速微量檢測。表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS：Surface-Enhanced Raman Scattering)主要表征的是分子振動(dòng)信息，具有分子“指紋”特征，它是以金屬粗糙表面或者金屬納米顆粒作為SERS活性基底對探針分子進(jìn)行檢測的一類光譜檢測技術(shù)[12 -14]。探針分子吸附于貴金屬納米顆粒表面并產(chǎn)生等離子共振，可促使超乎微量的待測物探針分子的拉曼信號放大[15]。

多年來，SERS基底基本限制在貴金屬材料(金、銀、銅)，這能產(chǎn)生微弱的SERS活性，其增強(qiáng)因子的范圍為101～103。最近，SERS已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)廣泛延伸至各種各樣的半導(dǎo)體材料，如ZnO，TiO2，Cu2O和CuO。半導(dǎo)體(Si、ZnO、TiO2)和貴金屬(Au、Ag)構(gòu)成的復(fù)合基底材料或異質(zhì)結(jié)構(gòu)不斷引起人們的關(guān)注與討論。由于局部表面激發(fā)貴金屬等離子體振蕩的電磁增強(qiáng)和電荷轉(zhuǎn)移引起的貴金屬和半導(dǎo)體之間的化學(xué)增強(qiáng)的作用，該復(fù)合基底材料的SERS效應(yīng)十分優(yōu)異。ZnO作為一種新型半導(dǎo)體材料，一直獲得相關(guān)研究學(xué)者們的廣泛青睞。ZnO薄膜材料能夠提供天然的、粗糙化的表面，在其表面覆蓋一層貴金屬，能夠大大地提升SERS活性。如Sinha G等人研究了Au涂覆在ZnO納米棒上(Au-ZnO NRs)作為廉價(jià)、有效和可回收的SERS活性基底，通過低溫水熱法制備ZnO納米棒，并通過在室溫下濺射沉積金納米島來制備SERS活性基底，優(yōu)化的樣品能夠在很寬的低濃度范圍內(nèi)(從1×10-4到1×10-12M)檢測亞甲基藍(lán)[16]；Liu等人通過晶種生長和隨后的Au-ZnO核-殼納米顆粒的濕化學(xué)蝕刻制備了花形Au-ZnO雜化納米顆粒，用光催化實(shí)驗(yàn)表明，Au-ZnO雜化納米顆粒作為不同分子種類的生物相容和可回收的表面增強(qiáng)拉曼活性基底非常有前景[17]；Wang等人利用溶膠-凝膠(sol-gel)旋涂法制備不同Al摻雜量的ZnO薄膜，Al元素的摻雜量為0.015時(shí),薄膜表面相對均勻致密,可見光范圍內(nèi)平均透過率最高達(dá)到90%,并且具有較好的導(dǎo)電性能[18]；Zhao等人將微量In摻雜入ZnO納米棒中, 調(diào)控紫外發(fā)光峰由378 nm(純ZnO)紅移至397 nm; 在制備過程中引入過量的氧, 在樣品中產(chǎn)生大量缺陷, 降低了ZnO的紫外近帶邊發(fā)光峰強(qiáng)度。兩方面協(xié)同導(dǎo)致在室溫下可清楚地觀察到In摻雜ZnO納米棒的6階LO拉曼峰[19]。

本文以二水乙酸鋅作為鋅源，通過溶膠-凝膠法制備了層數(shù)為8層的氧化鋅納米薄膜，用不同濃度(1.5 g·L-1、2 g·L-1、2.5 g·L-1、3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1)的氯金酸溶液浸泡薄膜，采用紫外燈照射使其發(fā)生光還原反應(yīng)將Au納米顆粒(Au NPs)沉積在氧化鋅薄膜上。通過X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和EDS元素分析對樣品進(jìn)行性質(zhì)表征，利用探針式臺階儀測試分析ZnO薄膜的厚度。通過浸泡低濃度羅丹明B(10-9M)將其吸附在ZnO/Au復(fù)合薄膜基底上，然后進(jìn)行拉曼測試。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試劑和儀器

乙酸鋅(AR)，醇胺(AR)，二醇甲醚(AR)，氯金酸三水合物(AR)，羅丹明B均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

本文采用多功能X射線粉晶衍射儀(荷蘭PNAalytical公司)來定性分析物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。采用掃描電子顯微鏡的電鏡(Hitachi S4800，HORIBA，7593-H)對薄膜進(jìn)行形貌表征。采用探針式P-7臺階儀(KLA Tencor公司)分析薄膜厚度。采用法國Horiba公司生產(chǎn)的Horiba Evolution 拉曼光譜儀來測試樣品的拉曼光譜，激光發(fā)光波長為532 nm。

2.2 樣品制備

2.2.1ZnO納米薄膜的制備

通過溶膠-凝膠法制備獲得ZnO納米薄膜。以二水乙酸鋅(C4H10O6Zn·2H2O)作為Zn源，乙二醇甲醚(HOCH2CH2OCH3)作為溶劑，乙醇胺(HOCH2CH2NH2)作為成膜劑和穩(wěn)定劑。膠體制備過程如下：取13.170 g的二水乙酸鋅與96 mL的乙二醇甲醚混合倒入圓底燒瓶，60℃恒溫下磁力攪拌1.5 h，產(chǎn)生明顯的白色沉淀。再加入7.2 mL乙醇胺，再經(jīng)過1 h的恒溫加熱回流，得到ZnO的透明均質(zhì)溶膠溶液，常溫下靜置24小時(shí)。采用旋涂技術(shù)制備所需薄膜。將載玻片刀切割成2.5 cm×2.5 cm的正方形，超聲處理15分鐘，醇洗、水洗多次。載玻片吸附到甩膠機(jī)上，所制溶膠滴在旋轉(zhuǎn)中心處正方形載玻片的中心位置，前12秒完成滴膠，轉(zhuǎn)速為500 r·min-1。后60 s進(jìn)行甩膠，轉(zhuǎn)速為2000 r·min-1。將載玻片取出，放置270℃的烘膠機(jī)上烘烤10 min左右，使其表面的有機(jī)物溶劑(乙二醇甲醚、乙醇)蒸發(fā)分解。冷卻至室溫，記錄薄膜層數(shù)及涂敷時(shí)間。上述步驟重復(fù)8次后得到薄膜層數(shù)為8層的ZnO薄膜。薄膜在馬弗爐中500℃退火1小時(shí)，冷卻備用。退火后發(fā)現(xiàn)薄膜明顯變色，在光線下觀察有彩色反光，初步判定氧化鋅薄膜生成。

2.2.2ZnO/Au復(fù)合薄膜基底的制備

取一定量氯金酸粉末溶解到去離子水中，配置濃度分別為1.5 g·L-1、2 g·L-1、2.5 g·L-1、3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1的氯金酸溶液，將制備好的ZnO薄膜分別浸泡在不同濃度的氯金酸溶液中。用功率為8 W紫外燈在暗室內(nèi)照射30分鐘，取出自然晾干，明顯觀察到氯金酸溶液的顏色變淺且薄膜表面出現(xiàn)一層新的物質(zhì)，即產(chǎn)生了紫紅色的Au納米顆粒沉淀，初步判斷成功地將氯金酸中的Au3+還原為Au。將制備的薄膜樣品命名為ZnO/Au-X(X為Au的濃度)。將上述制備的ZnO/Au復(fù)合薄膜取出室溫下自然晾干，作為ZnO/Au復(fù)合薄膜SERS活性基底。如圖1所示為ZnO/Au復(fù)合薄膜基底材料的制作流程示意圖。

圖1 ZnO/Au復(fù)合薄膜基底制作流程

2.3 SERS檢測羅丹明B

將不同濃度的ZnO/Au復(fù)合薄膜(1.5 g·L-1、2 g·L-1、2.5 g·L-1、3 g·L-1、4 g·L-1、5 g·L-1)分別置于1×10-9M濃度下的RhB溶液中并在暗室下浸泡30 min，取出所有復(fù)合薄膜，待室溫下自然晾干后進(jìn)行SERS檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 物相分析

為了驗(yàn)證ZnO薄膜的結(jié)晶狀態(tài)，通過XRD測量研究了樣品的晶相結(jié)構(gòu)。如圖2 XRD譜所示，圖2中顯示在2θ= 31.8°，34.4°，36.3°，47.5°，56.6°，62.9°，66.6°，68.0°，69.2°處均出現(xiàn)明顯的衍射峰。對照卡片JCPDS No. 36-1451可知，該制備所得的薄膜的衍射峰對應(yīng)為六方晶相，它們與XRD卡片中六方晶相纖鋅礦ZnO 的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(200)、(112)和(201)相吻合。由此可知，本實(shí)驗(yàn)制備所得薄膜的成分為ZnO，且合成的氧化鋅具有較好的結(jié)晶性。在該衍射圖案中ZnO的衍射峰都在標(biāo)準(zhǔn)位置，且沒有其它雜質(zhì)衍射峰的出現(xiàn)。由圖2中能直觀地看出ZnO的擇優(yōu)生長取向?yàn)?101)面，未沿垂直方向生長。

圖2 ZnO薄膜的XRD譜圖

3.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

為驗(yàn)證樣品ZnO/Au復(fù)合薄膜制備的成功，對樣品進(jìn)行SEM、EDS元素分析。圖3(a,b)所示為ZnO薄膜的掃描電鏡譜圖，從圖中可以看到許多的納米顆粒密集地排布在一起形成薄膜，微粒的尺寸大約為500 nm，證明ZnO薄膜制備成功，與物相分析結(jié)果一致。圖3(c)所示為經(jīng)過紫外燈照射之后，光還原Au3+為Au，并使Au NPs沉積在ZnO薄膜表面形成ZnO/Au復(fù)合薄膜的掃描電鏡譜圖，從圖3(c)中可以明顯看出，許多尺寸不同的Au NPs沉積在ZnO薄膜表面，說明氯金酸在紫外燈的照射下發(fā)生光還原反應(yīng)將Au3+還原為Au，從而得到Au納米顆粒沉積在ZnO薄膜表面，證明ZnO/Au復(fù)合薄膜基底制備成功。圖3(d)是ZnO/Au復(fù)合薄膜基底的高放大倍率的SEM譜圖，發(fā)現(xiàn)顆粒發(fā)生嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象且無規(guī)則形狀，所以Au NPs的尺寸不易計(jì)算。Au NPs與ZnO納米薄膜構(gòu)成復(fù)合基底材料，在相鄰的納米結(jié)構(gòu)之間的大小為納米級的縫隙之間產(chǎn)生了“熱點(diǎn)”，特別是緊鄰的晶界與晶界之間，產(chǎn)生很強(qiáng)的拉曼信號，導(dǎo)致Au NPs在ZnO納米薄膜表面的沉積不均勻，因此Au NPs出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。圖3(e)為5萬倍放大倍數(shù)下復(fù)合基底材料的SEM譜圖，在該放大倍數(shù)下能夠更加清晰地看出所制備的部分Au NPs為棒形，其他Au NPs的形狀都不規(guī)則，導(dǎo)致在低放大倍數(shù)下的SEM圖中不易判斷出Au NPs的形狀，從圖3(e)可以判斷出棒狀金納米顆粒的短徑約為30 nm，長徑為小于100 nm。

圖3 ZnO薄膜與ZnO/Au復(fù)合薄膜的SEM譜圖：(a) 25k倍下ZnO薄膜；(b) 100k倍下ZnO薄膜；(c) 25k倍下ZnO/Au復(fù)合薄膜；(d) 50k倍下ZnO/Au復(fù)合薄膜；(e) 50k倍下ZnO/Au復(fù)合薄膜中放大的Au NPs

如圖4(a,b)所示為對ZnO薄膜的EDS元素分析mapping圖，圖4(a)中紅色顆粒點(diǎn)表示Zn原子的元素分布，圖4(b)中綠色顆粒點(diǎn)表示O原子的元素分布，從圖中明顯觀察出氧化鋅薄膜元素分布均勻密集，Zn與O元素的分布位置基本一致，且不含其他雜質(zhì)元素，說明成功制備的ZnO薄膜符合化學(xué)計(jì)量比。與物相分析、顯微結(jié)構(gòu)分析得到結(jié)果一致。圖4(c)為電鏡圖掃描區(qū)域，圖4(d,e,f)為ZnO/Au復(fù)合薄膜在SEM下的EDS元素分析mapping圖。如圖4(d,e)所示，在ZnO/Au復(fù)合薄膜中Zn和O元素分布均勻，其中O元素分布更加密集。圖4(f)明顯可以看出ZnO/Au復(fù)合薄膜中含有Au元素，且Au納米顆粒產(chǎn)生了團(tuán)聚現(xiàn)象，Au元素大部分分布于顆粒團(tuán)聚的位置，沉積在氧化鋅薄膜表面，其它地方沉積著少量Au。圖4(f)表明雖然ZnO/Au復(fù)合薄膜中Au納米顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，但是Au納米顆粒成功地沉積在ZnO薄膜表面，ZnO/Au復(fù)合薄膜基底制備成功。與圖2、圖3分析結(jié)果一致。

3.3 臺階儀測試分析

如圖5所示為探針式臺階儀測試結(jié)果，曲線的變化表示薄膜表面與襯底之間的距離。左高度(黃色框中曲線)平均值為16.8 ?，右高度(藍(lán)色框中曲線)平均值為-487.2 ?，可以得知ZnO納米薄膜的厚度為50 nm。表1為臺階儀測試結(jié)果關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由表1知左高度(L Height)為16.8 ?，右高度(R Height)為-487.2 ?，臺階高度(Step Height=R Height-L Height)為-502.0 ?，接近-500 ?，表示薄膜厚度為50 nm。與曲線得到的結(jié)果一致。

圖4 EDS元素分析mapping譜圖：(a,b) ZnO薄膜；(c)ZnO/Au復(fù)合薄膜掃描電鏡圖；(d,e,f)ZnO/Au復(fù)合薄膜

圖5 (a)ZnO/Au復(fù)合薄膜臺階儀測試結(jié)果

3.4 SERS測試結(jié)果分析

如圖6所示是在拉曼光譜儀下的顯微成像，明顯觀察到薄膜表面附著大片Au納米顆粒，由于有大片“熱點(diǎn)”區(qū)域在該復(fù)合薄膜體系的相鄰納米級縫隙間形成，所以該復(fù)合薄膜的局部Au NPs發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。與圖3(d)、圖4(f)分析結(jié)果一致。

圖7(a,b)為不同濃度Au納米顆粒的ZnO/Au復(fù)合基體的Raman光譜數(shù)據(jù)圖。圖(a)中4條曲線是ZnO薄膜分別用濃度為1.5 g·L-1、2 g·L-1、2.5 g·L-1、3 g·L-1的氯金酸浸泡反應(yīng)后，再用濃度為10-9M的RhB溶液浸泡，室溫下自然干燥后測試?yán)盘柕玫降慕Y(jié)果。雖然Au納米顆粒在ZnO薄膜表面的沉積不均勻且有團(tuán)聚現(xiàn)象，但是羅丹明B的SERS信號明顯增強(qiáng)。其中濃度為3 g·L-1的金納米顆粒的拉曼信號是最強(qiáng)的，SERS信號增強(qiáng)效果最好。同時(shí)，在620 cm-1、1071 cm-1、1194 cm-1、1355 cm-1、1502 cm-1、1646 cm-1處的特征峰，SERS信號增強(qiáng)比較明顯。為了進(jìn)一步驗(yàn)證3 g·L-1的金納米顆粒的拉曼信號是最強(qiáng)的，繼續(xù)增大ZnO/Au復(fù)合薄膜上Au納米顆粒的濃度。分別配制4 g·L-1、5 g·L-1的氯金酸溶液，ZnO薄膜浸泡反應(yīng)后，再用濃度為10-9M的RhB溶液浸泡，室溫自然干燥后測試?yán)盘?，結(jié)果如圖7(b)所示。在620 cm-1，1071 cm-1，1194 cm-1，1355 cm-1，1502 cm-1，1646 cm1處的特征峰，SERS信號增強(qiáng)同樣比較明顯，但比濃度為3 g·L-1的氯金酸溶液制作的基底的拉曼信號弱。說明ZnO/Au復(fù)合薄膜制備成功，且濃度為3 g·L-1的金納米顆粒的ZnO/Au復(fù)合薄膜基底SERS信號增強(qiáng)效果最好。

圖7(c)為所有不同濃度Au NPs的拉曼光譜3D圖，能夠更加直觀地顯示出在不同濃度的Au沉積在ZnO薄膜上后所形成的活性基底對RhB的拉曼活性增強(qiáng)效果是不同，均在特征峰的位置出現(xiàn)了尖銳的峰，明顯看出Au在3 g·L-1的濃度下的RhB待測物的拉曼峰強(qiáng)度最高。

為了能夠進(jìn)一步分析金屬顆粒濃度對拉曼峰值強(qiáng)度的影響，本文選取了1646 cm-1、1502 cm-1、1355 cm-1、620 cm-1四個(gè)拉曼增強(qiáng)強(qiáng)度作為Y軸，金屬納米顆粒的濃度作為X軸繪制了折線圖，如圖7(d)所示。明顯看出當(dāng)ZnO/Au復(fù)合基底上Au納米顆粒濃度為3 g·L-1時(shí)，4個(gè)特征峰的強(qiáng)度均高于其他濃度下的特征峰強(qiáng)度，這與前文的結(jié)論相符，說明適量的金屬納米顆粒的濃度能夠很好地增強(qiáng)探針分子的拉曼強(qiáng)度。隨著濃度的增加，拉曼強(qiáng)度并不呈現(xiàn)為線性變化，而是會出現(xiàn)最佳濃度，因此當(dāng)探針分子與Au NPs的濃度適當(dāng)時(shí)，能夠使增強(qiáng)效果達(dá)到最佳。

圖6 ZnO / Au復(fù)合薄膜的拉曼顯微成像

為了進(jìn)一步驗(yàn)證ZnO/Au復(fù)合基底SERS信號增強(qiáng)效果好，選取參考文獻(xiàn)[20]中關(guān)于不同濃度RhB的拉曼活性增強(qiáng)對比圖8與本實(shí)驗(yàn)中所用的濃度為10-9M的RhB的拉曼光譜圖9進(jìn)行比較，如圖8所示。圖8中可以看出濃度為10-9M時(shí)RhB的拉曼信號不是很強(qiáng)，且很多特征峰強(qiáng)度弱化。圖9為本實(shí)驗(yàn)中ZnO/Au復(fù)合基底上Au納米顆粒濃度為3 g·L-1時(shí)，用濃度為10-9M的RhB溶液浸泡后的拉曼光譜圖，圖9拉曼增強(qiáng)效果明顯，特征峰都十分尖銳，說明我們制備的活性基底中Au納米顆粒濃度為3 g·L-1時(shí)增強(qiáng)效果好。

圖8 參考文獻(xiàn)中關(guān)于不同濃度RhB的拉曼活性增強(qiáng)對比圖[20]

圖9 濃度為10-9 M的RhB的拉曼光譜圖

4 結(jié)論

本文以二水乙酸鋅作為Zn源，通過溶膠-凝膠法制備出了顆粒排布密集的層數(shù)為8層的ZnO薄膜，利用紫外燈照射浸泡在氯金酸溶液中的薄膜，用光還原法還原氯金酸形成單質(zhì)金，將Au納米顆粒沉積在薄膜表面，對制備的ZnO薄膜進(jìn)行物相分析、臺階儀測試分析，證明通過這種制備簡單、成本低的復(fù)合基底材料的制備方法，成功制備了厚度均勻、分子緊密地排布的ZnO薄膜，厚度為50 nm。對ZnO/Au復(fù)合薄膜進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析，證明Au納米顆粒成功的沉積在ZnO薄膜表面，ZnO/Au復(fù)合薄膜基底制備成功。以10-9M的RhB作為探針分子，研究其拉曼增強(qiáng)效應(yīng)，與其它活性基底做對比，均證明ZnO/Au復(fù)合薄膜基底制備成功，且濃度為3 g·L-1的金納米顆粒的ZnO/Au復(fù)合薄膜基底SERS信號增強(qiáng)效果最好。該樣品制備方法操作簡單，成本低，且能夠在襯底上大面積分布，為其它多功能復(fù)合材料的制備提供了一種快捷簡便的途徑。今后還可以嘗試以3 g·L-1的Au納米顆粒的ZnO/Au復(fù)合薄膜基底檢測更低濃度的RhB染料分子。