2019年CAIA奖二等奖获奖项目成果简介:准金属表面增强拉曼光谱分析基底的研制
时间:2020-03-10      来源:中国分析测试协会


 

完成单位: 中国检验检疫科学研究院

完成人:席广成,白桦,李俊芳,刘伟,李亚辉, 李文涛,李梦晨

成果简介:

 本项目针对痕量化学性有害物难以快速检出、传统的贵金属表面增强拉曼光谱基底使用成本高、难以定量等科学问题,开展了以下研究: 在非贵金属表面增强拉曼光谱增强机理、分析基底的设计研制及在消费品安全分析中的应用等方面,取得了一系列创新性的学术研究成果。本 项 目 研 究 成 果 发 表 代 表 性 论 文 6 篇 , 包 括 Nature Communicatons,Analytical Chemistry等一区论文 6 篇,其中影响因 子 10 以上论文 2 篇。获得授权发明专利 2 项,新申请发明专利 5 项。主要学术成果包括:1. 针对贵金属表面增强拉曼光谱基底制备复杂、使用成本较高、生物兼容性较差的局限性,开展了准金属表面增强拉曼光谱基底的设计与机理研究,研制出多种准金属基底;2. 针对 SERS 检测技术“灵敏度高”但“定量难” 的瓶颈,原位构建内标分子的高密度“热点”准金属纳米结构,对消费品中常见的禁限用物质如双酚 A、多氯苯酚、富马酸二甲酯等实现了低成本定量检测。

创新点及科学价值:

 研究结果证明了“通过调控自由电子密度转化半导体为准金属,实现低成本高灵敏 表面增强拉曼光谱定性检测”这一设想。一系列准金属性纳米材料,如 MoO2W18O49Ti3O5、及 VO2都被发现具有优秀的表面增强拉曼光谱传感性能。在这些准金属纳米结构中,利用强烈的局域等离子体共振效应和光生电荷在基底与待测物分子之间的电荷传输的协同效应,耦合产生出了高拉曼增强因子 (106-107)。表面增强拉曼光谱检测灵敏度提高的同时,基底的成本大大降低,实现了“一箭双雕”。

社会经济效益:

 相对于传统的贵金属SERS基底和半导体SERS基底,本项目发展的准金属SERS基底同时兼备了贵金属基底的物理增强(EM)效应和半导体基底的化学增强(CM)效应,因此具有灵敏度高、稳定性强、成本低、生物兼容性好等优点。在实际应用场景中,可有效节约检测时间、降低检测成本,对于发展大规模实际应用的SERS技术具有积极的意义。

应用前景:

 作为一种重要的分析技术,表面增强拉曼光谱除了具有高灵敏的特点外,还具有检测时间短和便于现场检测等优点,在化学物质痕量测定、生物组织成像、产品真伪鉴别以及催化反应过程监测等领域有着非常广泛的应用前景。虽然近年来表面增强拉曼光谱领域的发展非常迅猛,然而仍然存在几大问题束缚了其大规模的实际应用。首先,由于金基底的价格较高、制备复杂,在大批量的检测活动中还存在使用成本过高的问题;其次,尽管银的价格只有金的百分之一左右,但其容易被空气氧化,只适合小范围的实验室研究用;第三,目前正在大力发展的半导体表面增强拉曼光谱技术,尽管具有成本低的优点,但其信号增强因子和化学稳定性均较差。因此,本项目发展的准金属SERS技术,由于其优异的灵敏度、较高的化学稳定性以及较低的使用成本,在环境污染物检测、生物分子成像、痕量有害物质检测方面具有广阔的应用前景。

 

 

 


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