一种采用纳米级铝掺杂氧化锌作为基底进行SEIRAS检测的方法与流程

本发明属于纳米材料与检测技术领域，具体涉及一种采用纳米级铝掺杂氧化锌(AZO)材料作为基底，在中红外光谱指纹区1300～600cm^-1范围对探针分子进行表面增强红外吸收光谱(SEIRAS)检测的新方法。

背景技术：

红外光谱(Infrared Spectroscopy，IR)是一种吸收光谱。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。大多数有机化学分子和生物分子的红外特征信号都集中在中红外区域，但在痕量分析时中红外区域信号灵敏度较低，而SEIRAS可以提高探针分子在中红外区域的灵敏度。这一效应可以大幅提高红外光谱检测的灵敏度和可应用性。

1980年，Hartstein等采用衰减内反射(ATR)方法研究溅射在硅基片上的岛状银、金薄膜对对硝基苯甲酸(PNBA)等分子的吸附时，首次发现了这些分子的红外吸收强度是普通测量条件下没有金属存在时的几十倍，由于这一现象与1974年发现的表面增强拉曼光谱(SERS)很相似，所以被称为表面增强红外吸收光谱(SEIRAS)。之后，相继有人观察到分子吸附在金属岛状颗粒后，其红外吸收强度明显增加的现象。SERS和SEIRAS均属于分子的表面增强振动光谱，虽然SEIRAS比SERS的增强倍数小好几个数量级，但实际上，红外吸收截面(10^-20cm².molecule^-1)远大于拉曼散射的散射截面(10^-29cm².molecule^-1)，加上增强的倍数后，SEIRAS的检测灵敏度与SERS类似，亦能轻而易举地获得高质量的痕量分子的信号，这也使得SEIRAS和SERS一样具有无限的应用潜能。

相对于传统的红外光谱来说，SEIRAS的灵敏度更高，并且能够在单分子层水平上对分子信息进行研究，因此其在表面化学以及分析化学研究中具有极大的应用意义。此外，SEIRAS在获取高质量的表面吸附分子信号的同时，也避免了溶液中物质信号的干扰，拓宽了红外光谱的应用领域。目前SEIRAS已被应用到微量分析、生物医学、催化过程、表面修饰等多个领域，相信随着SEIRAS的不断发展，其会在更多领域做出贡献。

对于SEIRAS的应用，表面增强红外吸收基底的选择和制备尤为重要，目前研究只发现银、金纳米薄膜具有SEIRAS效应，但是银和金的价格昂贵，不能广泛地应用在半导体、光电、医疗等领域，并且银和金的增强效果也不是特别理想。所以，目前比较缺乏经济且增强效果理想的SEIRAS基底，如何简单而又快速地制备出具有优异SEIRAS性能的新型基底是亟待解决的一个问题。

以传统的银、金纳米薄膜作为SEIRAS基底存在一定缺陷：一方面，由于银、金本身的能带结构条件和过高的载流子浓度，带间和带内的电子转移十分容易，使得其帯间和带内损耗严重；另一方面，由于银、金的介电常数的虚部在红外波段的响应十分微弱，决定了其红外吸收利用效率相当的低。因此，发展新的材料来满足SEIRAS的检测需求是十分必要的。

众所周知，对于半导体材料而言，当不断提高其载流子浓度时，半导体材料会表现出类似金属材料的性质，在某些特定条件下半导体介电常数的实部可由正值变化为负值。一种基底在中红外区是否具有增强现象，可从它的介电常数上体现：介电常数的实部必须为负数，另外，为了降低材料自身的损耗，虚部同时要尽可能小。这样，中红外区半导体基等离激元增强材料就应运而生。基于这样的理论推导，我们设计合成了AZO表面等离激元材料，首次实现了在中红外光谱指纹区1300～600cm^-1范围对探针分子的红外吸收的选择性增强。

氧化锌作为直接带隙半导体材料，其价带最高点和导带最低点同时位于Brillouin区中心的Γ点。氧化锌导带由Zn⁺²的空态4s轨道(离子键)或反键sp³杂化轨道(共价键)组成，具有Γ7对称性。价带由O^-2的满态2p轨道或成键的sp³轨道组成，在自旋轨道(Spin-orbit)耦合与晶体场(Crystal field)相互作用下，价带顶分裂成3个二重简并的子价带能级，从上到下分别为AΓ7、BΓ9和CΓ7自由激子发射态。Γ7主要是由Px和Py轨道组成，还有少量Pz特征，Γ9则由纯Px和Py轨道组成。氧化锌近带边(Near-band-edge，NBE)的本征光吸收和发射主要来自导带与价带3个子价带之间的跃迁。导带中的电子和价带分裂的三个子价带中的空穴形成的自由激子分别用A、B和C来表示，其中A表示导带到重空穴的跃迁，B表示导带到轻空穴的跃迁，C表示导带到晶体场劈裂带的跃迁。A和B激子极化垂直于c轴，两者之间的间距为4.9meV；C激子极化平行于c轴，B、C激子之间间距为43.7meV。氧化锌作为一种二元化合物半导体，其晶格中可能产生的本征点缺陷有六种，即施主型缺陷：氧空位(V_O)、锌填隙(Zn_i)、锌反位(Zn_O)，受主缺陷：锌空位(V_Zn)、氧填隙(O_i)、氧反位(O_Zn)。每种缺陷均有0、1、2三种电荷态。可以看出，氧化锌的缺陷比较复杂。

AZO材料表面等离激元基底具有特有的自身优势，可以弥补银、金材料表面等离激元基底的不足：一方面，AZO材料的载流子浓度可通过Al的掺杂浓度进行调节，这样就可以相对容易地通过对表面等离激元峰位调控来覆盖1300～600cm^-1整个较宽的指纹区范围；另一方面，AZO材料还具有的一个优势是其特有的能带结构，禁带结构的存在可有效的降低带间损耗。相比于银、金材料，AZO材料的价格更便宜，因此，AZO纳米材料是新型的具有巨大潜力的基于表面等离激元增强机制的SEIRAS增强基底材料。

技术实现要素：

针对上面的问题，我们首次采用纳米级铝掺杂氧化锌(AZO)材料作为基底进行SEIRAS检测。

为实现对氧化锌材料本征缺陷的调控，进而控制其宏观物理性能，掺杂是一种常用的处理手段。对氧化锌材料的掺杂改性主要包括施主n型掺杂和受主p型掺杂。对氧化锌材料的n型掺杂中，第三主族中Al元素掺杂是一个理想的手段。由于Al³⁺半径(0.057nm)小于Zn²⁺(0.074nm)，且掺杂替位锌原子格点后体系会多1个电子。AZO材料是铝掺杂氧化锌纳米材料，其性质在一定程度上和氧化锌材料性质相近。掺杂后的AZO材料的等离激元共振频率位于红外区，共振增强的作用较大。因此，AZO作为SEIRAS增强基底，对吸附在其表面的探针分子的SEIRAS信号的等离激元共振增强作用的增强能力能达到1000倍。

本发明使用新颖且光电性能良好的AZO纳米材料作为SEIRAS基底，其增强能力比已有的基底(银、金纳米薄膜)增强能力高一个数量级或以上。因此本发明既拓宽了现有SEIRAS基底材料的范围，又在已有基础上提高了SEIRAS的增强能力，是对SEIRAS基底领域的重大贡献。

本发明的目的是提供一种全新方法，它能够将SEIRAS基底材料从贵金属的范畴延伸至在红外部分波段具有等离激元性质的半导体纳米材料范围。本发明所述的方法包括铝掺杂氧化锌纳米材料的合成和探针分子的表面修饰制备，以及以铝掺杂氧化锌纳米材料为新型SEIRAS基底对探针分子进行SEIRAS检测三部分。

通过新型基底的使用会得到许多材料表面和探针分子的结构和相互作用的信息，为进一步研究SEIRAS效应的机理提供理论和实验依据，同时也为发展SEIRAS效应成为材料表面的通用表征工具奠定基础。

分别采用生物分子：心磷脂等；化学分子：对巯基苯胺(PATP)、对巯基苯甲酸(MBA)等；工业染色剂：碱性紫3、氯化罗丹明B等作为探针分子，检测吸附到AZO纳米材料表面的SEIRAS信号比探针分子本体的红外信号明显增强，增强因子可以达到10³。这项工作明确验证了纳米级AZO材料在中红外指纹区具有良好的等离激元共振效应，在指纹区能产生优异的SEIRAS效应，使得该材料作为基底在增强红外效应方面有很好的应用前景。

本发明是将AZO纳米材料与探针分子进行自组装，将探针分子通过化学键连接在AZO纳米材料上。

本发明所述的方法包括三个步骤，分别为中红外指纹区等离激元共振纳米材料AZO的合成，探针分子表面修饰制备，以及对探针分子进行SEIRAS检测三部分。具体如下：

(1)等离激元共振纳米材料AZO的合成：

纳米级AZO材料的制备。

方法1：称取40mg六水合硝酸锌和摩尔用量为六水合硝酸锌1％～10％的九水合硝酸铝，加入到30～50mL乙二醇中溶解，得到溶液A；再将氢氧化钠水溶液加入到A溶液中，混匀，氢氧化钠与六水合硝酸锌的用量质量比为1：2～5，然后将上述溶液在150～200℃条件下水热反应20～30小时；冷却至室温后将产物离心，所得沉淀分别用乙醇、去离子水清洗；产物于60～80℃干燥20～30小时，得到AZO纳米粒子粉末；再将得到的AZO纳米粒子粉末用去离子水或有机溶剂(甲苯、氯仿或环己烷)溶解，得到浓度为0.2～5.5g/L的AZO纳米粒子溶胶；

方法2：称取40mg的氧化锌粉末和摩尔用量为氧化锌1％～10％的异丙醇铝，加入到50～70mL去离子水中，磁力搅拌5～6小时；然后将反应产物过滤，用乙醇、去离子水依次清洗，烘干后研磨5～10分钟；最后于空气气氛、850～950℃条件下煅烧3～4小时，产物随炉冷却至室温，得到AZO纳米粒子粉末；进一步，将得到的AZO纳米粒子粉末用去离子水或有机溶剂(甲苯、氯仿或环己烷)溶解，得到浓度为0.2～5.5g/L的AZO纳米粒子溶胶。

(2)探针分子的表面修饰：

将步骤(1)中方法1或方法2得到的AZO纳米粒子粉末0.01g加入到10^-8～10^-2mol/L的探针分子的水溶液或乙醇溶液中，剧烈搅拌，室温避光反应3～6小时；将产物离心，用与探针分子溶液相同的溶剂多次清洗和离心分离，除掉未吸附的探针分子，得到表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子粉末；

或将步骤(1)中方法1或方法2得到的AZO纳米粒子溶胶，通过自组装技术将其组装到基片上，具体方法是：用真空镀膜的方法在洗干净的玻璃片或硅片基片上镀一层10～2000nm厚的银或金薄膜，之后将镀银或金的基片浸入0.01～0.1mol/L的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)水溶液中10～20分钟，取出后去离子水清洗，再浸入AZO纳米粒子溶胶中5～8小时，取出后用与AZO纳米粒子溶胶相同的溶剂进行清洗，氮气吹干，得到表面自组装有AZO纳米粒子溶胶的SEIRAS基底；然后再将组装有AZO纳米粒子溶胶的基底浸泡到10^-8～10^-2mol/L的探针分子的水溶液或乙醇溶液中，室温避光反应3～6小时；取出后用与探针分子溶液相同的溶剂进行清洗干净，氮气吹干，得到表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子薄膜。

或将步骤(1)中方法1或方法2得到的AZO纳米粒子溶胶中直接加入10^-8～10^-2mol/L的探针分子的水溶液或乙醇溶液，搅拌2～8小时，即可得到表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子溶胶。

(3)采用AZO纳米材料作为基底进行SEIRAS测试：

本发明使用的仪器是Bruker公司的Vertex 80V Vacuum Fourier Transform Infrared Spectrometer光谱仪。

上述方法中，采用AZO纳米材料作为基底进行SEIRAS测试，AZO纳米材料可以使用不同的形式，如溶胶、粉末或者薄膜的形式。

对于表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子薄膜样品，可以采用红外掠角反射附件直接测试。

对于表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子粉末样品，采用溴化钾(KBr)压片的方法测试。具体方法是：(1)首先，取200mg的溴化钾和1～6mg的所测样品，研磨1～5分钟。注意顺着一个方向研磨，以免破坏晶体结构。工作台应配备红外灯，全程在红外灯烘烤下完成。(2)然后，取模具，擦拭干净。装好底座，把内模块光面向上放入，用药品匙将样品均匀放入，将顶柱加好，可轻轻转动来使样品均匀铺开。(3)将模具放在压片机上，旋紧螺旋，关紧放气阀，加压至20MPa，停留1～4分钟。(4)最后，慢慢打开放气阀，使压力缓慢下降到0。拧开螺旋取出模具。打开底座，反向压出内模块，用平面的药铲小心取出压好的压片，放入药片夹中即可。

对于表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子溶胶样品，根据待测样品的具体情况可以采取不同的方式进行测试，如：将40～800μL的溶胶滴在金属反射片上，等其晾干，采用红外掠角反射附件进行测试。

上述方法中，采用AZO纳米材料作为基底进行SEIRAS测试，探针分子分别是生物分子：心磷脂等；化学分子：对巯基苯胺(PATP)、对巯基苯甲酸(MBA)等；工业染色剂：碱性紫3、氯化罗丹明B等。探针分子均为分析纯。

上述方法中，采用AZO纳米材料作为基底进行SERS测试，结果表明：AZO纳米材料在中红外光谱指纹区具有表面增强的光学特性。

上述方法中，采用AZO纳米材料作为基底进行SEIRAS测试，结合扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)，初步判断引起信号明显增强的原因是属于中红外光指纹区等离激元的物理增强机制。

本发明中，采用AZO纳米材料作为基底，对探针分子进行SEIRAS检测，进一步拓宽了SEIRAS基底的范围。通过新型基底的使用，可以得到更多探针分子与基底相互作用的信息，为进一步研究SEIRAS的机理提供实验依据，同时也为发展SEIRAS成为广泛适用的表征工具奠定基础。

附图说明

图1：心磷脂探针分子(10^-6mol/L)修饰在九水合硝酸铝摩尔分数为7％的AZO纳米粒子薄膜上得到的SEIRAS谱图(曲线a)；心磷脂未增强前的红外光谱图(曲线b)。

图2：对巯基苯胺(PATP)探针分子(10^-6mol/L)修饰在九水合硝酸铝摩尔分数为7％的AZO纳米粒子上得到的SEIRAS谱图(曲线a)；PATP未增强前的红外光谱图(曲线b)。

图3：对巯基苯甲酸(MBA)探针分子(10^-6mol/L)修饰在九水合硝酸铝摩尔分数为7％的AZO纳米粒子上得到的SEIRAS谱图(曲线a)；MBA未增强前的红外光谱图(曲线b)。

图4：碱性紫3探针分子(10^-6mol/L)修饰在九水合硝酸铝摩尔分数为7％的AZO纳米粒子上得到的SEIRAS谱图(曲线a)；碱性紫3未增强前的红外光谱图(曲线b)。

图5：氯化罗丹明B探针分子(10^-6mol/L)修饰在九水合硝酸铝摩尔分数为7％的AZO纳米粒子上得到的SEIRAS谱图(曲线a)；氯化罗丹明B未增强前的红外光谱图(曲线b)。

具体实施方案

下面结合实施例对本发明作进一步的阐述，而不是对本发明进行限制。

实施例1

摩尔分数为7％的AZO纳米粒子溶胶的制备、表面修饰及SEIRAS检测。

1、AZO纳米粒子溶胶的制备：

(1)量筒量取60mL去离子水加入烧杯中，再用天平称量40mg的氧化锌粉末和一定质量的异丙醇铝(摩尔分数占氧化锌的7％)，将两者混合加入烧杯中。

(2)对其进行磁力搅拌6小时。然后对生成物进行过滤，用乙醇、去离子水依次清洗三遍，烘干，并用玛瑙研钵磨8分钟。

(3)最后于马弗炉中空气气氛下900℃，进行热处理3小时，随炉冷却至室温，得到AZO纳米粒子粉末0.065g。进一步，将得到的AZO纳米粒子粉末用130mL去离子水溶解，得到浓度为0.5g/L的AZO纳米粒子溶胶。

2、探针分子的表面修饰：

将AZO纳米粒子溶胶，通过自组装技术将其组装到具有金属反射膜的基片上，具体方法是：用真空镀膜的方法在洗干净的玻璃片上镀一层200nm厚的银薄膜，之后将镀银或金基片浸入0.01mol/L的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)水溶液中15分钟，取出后用去离子水清洗，再浸入AZO纳米粒子溶胶中6小时，取出后用去离子清洗，氮气吹干，得到表面自组装有AZO纳米粒子溶胶的SEIRAS基底。然后将组装有AZO纳米粒子溶胶的基底浸泡到10mL的10^-6mol/L的心磷脂的乙醇溶液中，室温避光反应6小时；用乙醇清洗干净，氮气吹干，得到表面修饰有心磷脂的AZO纳米粒子薄膜。

3、表面修饰的AZO纳米粒子的SEIRAS检测：

用红外掠角反射附件进行测试。如图1所示，分别为浓度为10^-6mol/L的心磷脂修饰在AZO纳米粒子薄膜上的SEIRAS光谱图(曲线a)和浓度为10^-6mol/L的心磷脂本体的红外光谱图(曲线b)。可以看出，浓度为10^-6mol/L的心磷脂本体的红外信号很弱，利用AZO纳米材料作为增强基底后，其信号明显增强了。说明新型的AZO纳米粒子基底具有较高的SEIRAS活性，这也验证了前文中的观点：纳米级AZO材料在中红外指纹区具有良好的等离激元共振效应，在中红外区能产生很好的SEIRAS效应。增强机理是当不断提高其载流子浓度时，AZO材料会表现类似金属材料的性质，而且AZO材料还具有的一个优势是其特有的能带结构，禁带结构的存在可有效地降低带间损耗，使其介电常数的虚部尽可能小，在某些特定条件下半导体介电常数的实部可由正值变化为负值，产生的局域表面等离子体共振效应在中红外指纹区波段有很强的吸收，使得该材料在增强红外效应方面有很好的应用前景。

实施例2

摩尔分数为7％的AZO纳米粒子的制备、表面修饰以及SEIRAS检测。

1、AZO纳米粒子的制备：

(1)用量筒量取40mL乙二醇，加入烧杯中，再用天平称取40mg六水合硝酸锌和摩尔分数占六水合硝酸锌7％的九水合硝酸铝，加入烧杯中溶解，得到溶液A。

(2)用天平称取10mg的氢氧化钠固体，溶于10mL去离子水中。然后，将氢氧化钠溶液加入到A溶液中，混匀。

(3)将烧杯中的溶液转移到50mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，放入恒温烘箱中，于160℃下反应24小时。之后，将反应釜取出，冷却至室温。

(4)打开反应釜，将产物离心，沉淀分别用乙醇、去离子水依次清洗三遍，放入烘箱中，80℃干燥24小时，得到AZO纳米粒子粉末0.011g。

2、探针分子的表面修饰：

将制备出来的AZO纳米粒子粉末0.01g加入到10mL的10^-6mol/L的对巯基苯胺(PATP)乙醇溶液中，剧烈搅拌，室温避光反应6小时；将产物离心，用乙醇清洗和离心分离三遍，除掉未吸附的探针分子，得到表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子粉末。

3、表面修饰的AZO纳米粒子的SEIRAS测试：

采用前面所制备出的AZO纳米粒子作为SEIRAS基底，对吸附到其表面的单分子层对巯基苯胺(PATP)探针分子进行SEIRAS检测，采用溴化钾压片的方法测试，具体方法是：(1)首先，取200mg的溴化钾和2mg的所测样品，研磨2分钟。注意顺着一个方向研磨，以免破坏晶体结构。工作台应配备红外灯，全程在红外灯烘烤下完成。(2)然后，取模具，擦拭干净。装好底座，把内模块光面向上放入，用药品匙将样品均匀放入，将顶柱加好，可轻轻转动来使样品均匀铺开。(3)将模具放在压片机上，旋紧螺旋，关紧放气阀，加压至20MPa，停留2分钟。(4)最后，慢慢打开放气阀，使压力缓慢下降到0。拧开螺旋取出模具。打开底座，反向压出内模块，用平面的药铲小心取出压好的压片，放入药片夹中即可。从图2可以得到明显的结论：相比于10^-6mol/L的PATP本体的红外光谱，其SEIRAS信号得到了明显的增强。增强原因同实施例1，在此不再赘述。

实施例3

摩尔分数为7％的AZO纳米粒子溶胶的制备、表面修饰及SEIRAS检测。

1、AZO纳米粒子溶胶的制备：

方法同实施例1。

2、探针分子的表面修饰：

将制备出来的AZO纳米粒子粉末0.01g加入到10mL的10^-6mol/L的对巯基苯甲酸(MBA)乙醇溶液中，剧烈搅拌，室温避光反应6小时；将产物离心，用乙醇清洗和离心分离三遍，除掉未吸附的探针分子，得到表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子粉末。

3、表面修饰的AZO纳米粒子的SEIRAS测试：

采用前面所制备出的AZO纳米粒子作为SEIRAS基底，对吸附到其表面的单分子层对巯基苯甲酸(MBA)探针分子进行SEIRAS检测，采用溴化钾压片的方法测试，方法同实施例2。从图3可以看到：相比于10^-6mol/L的MBA本体的红外光谱，其SEIRAS信号得到了明显的增强。

实施例4

摩尔分数为7％的AZO纳米粒子溶胶的制备、表面修饰及SEIRAS检测。

1、AZO纳米粒子溶胶的制备：

方法同实施例1。

2、探针分子的表面修饰：

在AZO纳米粒子溶胶中直接加入10mL的10^-6mol/L的碱性紫3的乙醇溶液中，搅拌6小时，即可得到表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子溶胶。

3、表面修饰的AZO纳米粒子的SEIRAS检测：

将200μL的AZO纳米粒子溶胶滴在金属反射片上，等其晾干，采用红外掠角反射附件进行测试。从图4得到的结果与图1、2、3的结果是一样的。说明不论用什么方法制备AZO以及将探针分子修饰到AZO纳米粒子上，其SEIRAS效应都是很明显的。

实施例5

摩尔分数为7％的AZO纳米粒子的制备、表面修饰以及SEIRAS检测。

1、AZO纳米粒子的制备：

方法同实施例2。

2、探针分子的表面修饰：

将制备出来的AZO纳米粒子粉末0.01g加入到10mL的10^-6mol/L的氯化罗丹明B的乙醇溶液中，剧烈搅拌，室温避光反应6小时；将产物离心，用乙醇清洗和离心分离三遍，除掉未吸附的探针分子，得到表面修饰有探针分子的AZO纳米粒子粉末。

3、表面修饰的AZO纳米粒子的SEIRAS测试：

采用前面所制备出的AZO纳米粒子作为SEIRAS基底，对吸附到其表面的单分子层氯化罗丹明B探针分子进行SEIRAS检测，采用溴化钾压片的方法测试，方法同实施例2。从图5可以得到明显的结论亦如实施例1、2、3、4，充分说明AZO作为SEIRAS基底应用的普适性。