2021年CAIA獎一等獎：低成本、高靈敏、高穩(wěn)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(tǒng)的貴金屬 SERS 基底使用成本高、信號均勻性差等關(guān)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(shè)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(chuàng)新性的學術(shù)研究成果。本項目研究成果發(fā)表SCI論文21篇，包括Nat.Commun., ACS Nano, Nano Lett., Anal. Chem.等一區(qū)論文15 篇，其中影響因子10以上論文8篇，申請發(fā)明專利6項。
創(chuàng)新點及科學價值：
1. 發(fā)現(xiàn)二維過渡金屬碳化物（MXenes）單原子層獨特的二維電子結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhì)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(tǒng)一的準金屬性氧化物納米枝晶，利用二維納米打印技術(shù)，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(xiàn)了復雜基質(zhì)分離和檢測的同步進行。
4. 實現(xiàn)了非貴金屬SERS基底對細胞內(nèi)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(nèi)的位置。
5. 發(fā)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(jié)構(gòu)前處理材料，提高了復雜基質(zhì)分離富集效率，減少了易揮發(fā)溶劑的用量，縮短了分析過程時間。
社會經(jīng)濟效益：
作為非傳統(tǒng)公共安全領(lǐng)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(nèi)消費品安全事故也是頻頻發(fā)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(zhì)的分析方法研究尤其重要。作為一種重要的分析技術(shù)，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(xiàn)場檢測等優(yōu)點。雖然近年來表面增強拉曼光譜的發(fā)展非常迅猛，然而仍然存在幾大問題束縛了其大規(guī)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(shù)，盡管具有成本低的優(yōu)點，但其信號增強因子和化學穩(wěn)定性均較差。低成本、高靈敏、高穩(wěn)定非貴金屬增強拉曼光譜基底的成功研制有效地發(fā)展了表面增強拉曼光譜分析方法，為消費品中禁限用物質(zhì)的提供了現(xiàn)場快速檢測技術(shù)，有效地支持了市場監(jiān)管。
