2021年CAIA獎一等獎：低成本、高靈敏、高穩定非貴金屬增強拉曼光譜基底研制
完成單位：中國檢驗檢疫科學研究院
完成人：席廣成、楊海峰、李俊芳、李亞輝、劉偉、李文濤、白樺
成果簡介：
本項目針對痕量化學有害物難以快速檢出、傳統的貴金屬 SERS 基底使用成本高、信號均勻性差等關鍵科學問題，開展了非貴金屬表面增強拉曼光譜（SERS)增強機理、SERS 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的研究，取得了系列創新性的學術研究成果。本項目研究成果發表SCI論文21篇，包括Nat.Commun., ACS Nano, Nano Lett., Anal. Chem.等一區論文15 篇，其中影響因子10以上論文8篇，申請發明專利6項。
創新點及科學價值：
1. 發現二維過渡金屬碳化物（MXenes）單原子層獨特的二維電子結構為SERS提供了理想的無核散射傳輸通道，使其拉曼增強因子高達3.82×108。
2. 首次制備出了具有可見光區強等離子體共振效應的過渡金屬氮化物SERS基底，對二氯苯酚、雙酚A等禁限用物質的檢測靈敏度高達10-11 M，并且可以抵御高溫氧化、強酸強堿腐蝕。
3. 百克級制備了形貌高度統一的準金屬性氧化物納米枝晶，利用二維納米打印技術，獲得了大面積信號均勻的SERS基底，信號的相對標準偏差（RSD）僅為6-7%/cm2，實現了復雜基質分離和檢測的同步進行。
4. 實現了非貴金屬SERS基底對細胞內納米顆粒的三維定位成像，清晰地獲得了納米顆粒在細胞表面聚集的情況、被細胞吞噬的過程以及被吞噬后在細胞內的位置。
5. 發展了一系列基于大比表面、高孔率、特定活性晶面暴露的納米結構前處理材料，提高了復雜基質分離富集效率，減少了易揮發溶劑的用量，縮短了分析過程時間。
社會經濟效益：
作為非傳統公共安全領域的最重要的分支之一，消費品安全日益引起人們的高度重視。2017 年，美國強生就被判賠償一位使用了強生嬰兒爽身粉而罹患卵巢癌的婦女4.17億美元。近幾年，國內消費品安全事故也是頻頻發生，嚴重威脅人們的身體健康。因此，對消費品中痕量有毒有害、禁限用化學物質的分析方法研究尤其重要。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。雖然近年來表面增強拉曼光譜的發展非常迅猛，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，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。低成本、高靈敏、高穩定非貴金屬增強拉曼光譜基底的成功研制有效地發展了表面增強拉曼光譜分析方法，為消費品中禁限用物質的提供了現場快速檢測技術，有效地支持了市場監管。
