2019年CAIA獎二等獎獲獎項目成果簡介：準金屬表面增強拉曼光譜分析基底的研制
完成單位： 中國檢驗檢疫科學研究院
完成人：席廣成，白樺，李俊芳，劉偉，李亞輝， 李文濤，李夢晨
成果簡介：
本項目針對痕量化學性有害物難以快速檢出、傳統的貴金屬表面增強拉曼光譜基底使用成本高、難以定量等科學問題，開展了以下研究： 在非貴金屬表面增強拉曼光譜增強機理、分析基底的設計研制及在消費品安全分析中的應用等方面，取得了一系列創新性的學術研究成果。本 項 目 研 究 成 果 發 表 代 表 性 論 文 6 篇 ， 包 括 Nature Communicatons，Analytical Chemistry等一區論文 6 篇，其中影響因 子 10 以上論文 2 篇。獲得授權發明專利 2 項，新申請發明專利 5 項。主要學術成果包括：1. 針對貴金屬表面增強拉曼光譜基底制備復雜、使用成本較高、生物兼容性較差的局限性，開展了準金屬表面增強拉曼光譜基底的設計與機理研究，研制出多種準金屬基底；2. 針對 SERS 檢測技術“靈敏度高”但“定量難” 的瓶頸，原位構建內標分子的高密度“熱點”準金屬納米結構，對消費品中常見的禁限用物質如雙酚 A、多氯苯酚、富馬酸二甲酯等實現了低成本定量檢測。
創新點及科學價值：
研究結果證明了“通過調控自由電子密度轉化半導體為準金屬，實現低成本高靈敏 表面增強拉曼光譜定性檢測”這一設想。一系列準金屬性納米材料，如 MoO2、W18O49、Ti3O5、及 VO2都被發現具有優秀的表面增強拉曼光譜傳感性能。在這些準金屬納米結構中，利用強烈的局域等離子體共振效應和光生電荷在基底與待測物分子之間的電荷傳輸的協同效應，耦合產生出了高拉曼增強因子 (106-107)。表面增強拉曼光譜檢測靈敏度提高的同時，基底的成本大大降低，實現了“一箭雙雕”。
社會經濟效益：
相對于傳統的貴金屬SERS基底和半導體SERS基底，本項目發展的準金屬SERS基底同時兼備了貴金屬基底的物理增強(EM)效應和半導體基底的化學增強(CM)效應，因此具有靈敏度高、穩定性強、成本低、生物兼容性好等優點。在實際應用場景中，可有效節約檢測時間、降低檢測成本，對于發展大規模實際應用的SERS技術具有積極的意義。
應用前景：
作為一種重要的分析技術，表面增強拉曼光譜除了具有高靈敏的特點外，還具有檢測時間短和便于現場檢測等優點，在化學物質痕量測定、生物組織成像、產品真偽鑒別以及催化反應過程監測等領域有著非常廣泛的應用前景。雖然近年來表面增強拉曼光譜領域的發展非常迅猛，然而仍然存在幾大問題束縛了其大規模的實際應用。首先，由于金基底的價格較高、制備復雜，在大批量的檢測活動中還存在使用成本過高的問題；其次，盡管銀的價格只有金的百分之一左右，但其容易被空氣氧化，只適合小范圍的實驗室研究用；第三，目前正在大力發展的半導體表面增強拉曼光譜技術，盡管具有成本低的優點，但其信號增強因子和化學穩定性均較差。因此，本項目發展的準金屬SERS技術，由于其優異的靈敏度、較高的化學穩定性以及較低的使用成本，在環境污染物檢測、生物分子成像、痕量有害物質檢測方面具有廣闊的應用前景。
