分子光譜年會分會場亮點(diǎn) 探索半導(dǎo)體SERS技術(shù)前沿
2024年11月30日-12月2日，第 23 屆全國分子光譜學(xué)學(xué)術(shù)會議和第五屆光譜年會暨黃本立院士百歲華誕學(xué)術(shù)研討會在福建省廈門市召開。會議第二天上午，分會場“半導(dǎo)體 SERS 及相關(guān)技術(shù)”中，廈門大學(xué)王翔副教授、中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院席廣成研究員、武漢紡織大學(xué)沈愛國教授、東北林業(yè)大學(xué)紀(jì)偉教授、吉林建筑大學(xué)陳雷教授、華東師范大學(xué)鄭婷婷教授、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所楊勇老師組的博士后彭宇思、瑞士萬通中國有限公司王睿經(jīng)理、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所叢杉研究員、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所林杰研究員、吉林師范大學(xué)高銘教授、北京航空航天大學(xué)王曉天教授、東南大學(xué)郝祺副教授、吉林大學(xué)趙冰教授等14位專家學(xué)者帶來精彩報(bào)告，共同探討了半導(dǎo)體SERS技術(shù)的最新研究成果和未來發(fā)展方向。
廈門大學(xué) 王翔副教授
廈門大學(xué)王翔副教授做題為“納米分辨的原位拉曼表征”的報(bào)告。在報(bào)告中介紹了其團(tuán)隊(duì)在納米分辨原位拉曼表征領(lǐng)域的進(jìn)展，特別關(guān)注電化學(xué)界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。他強(qiáng)調(diào)了電化學(xué)在綠色能源體系中的核心作用，尤其是在間歇性能源存儲轉(zhuǎn)化中的重要性。王副教授展示了原位拉曼技術(shù)在揭示活性位點(diǎn)演變、形成以及反應(yīng)物種表征方面的應(yīng)用，并提供了未發(fā)表的最新數(shù)據(jù)。該技術(shù)以其高靈敏度和空間分辨率，為理解電化學(xué)過程提供了分子層面的洞察，對能源轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院 席廣成研究員
中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院席廣成研究員做題為“基于納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼光譜分析”的報(bào)告。在報(bào)告中分享了近五年來在基于納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)分析領(lǐng)域的研究成果。他強(qiáng)調(diào)了SERS技術(shù)在食品安全檢測中的重要性，并提出了“準(zhǔn)金屬”SERS基底的新概念，這一材料介于貴金屬和半導(dǎo)體之間，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。席研究員的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種基于準(zhǔn)金屬的SERS基底，如過渡金屬氧化物和碳化物，這些材料展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和靈敏度，檢測限可低至10^-11 M。此外，他們還構(gòu)建了集成SERS基底的微流控通道，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜基質(zhì)中多組分禁限用物質(zhì)的連續(xù)在線分離和高通量檢測。
武漢紡織大學(xué) 沈愛國教授
武漢紡織大學(xué)沈愛國教授做題為“高結(jié)晶度有機(jī)小分子單晶SERS基底及其應(yīng)用”的報(bào)告。
在報(bào)告中探討了新型有機(jī)半導(dǎo)體表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）基底的研制及其在高特異性檢測中的應(yīng)用。沈教授強(qiáng)調(diào)了在有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域深入研究的重要性，并分享了他們團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域的進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)高性能的有機(jī)半導(dǎo)體SERS基底，需要滿足兩個(gè)前提條件：一是材料的尺寸需要足夠大以實(shí)現(xiàn)高精確度，二是材料必須是單晶，以確保有確定的能級結(jié)構(gòu)。沈教授提到，他們的研究不僅涉及小分子的SERS檢測，還包括天然發(fā)動材料的分析以及有機(jī)和無機(jī)半導(dǎo)體材料的光電檢測。他們的工作展示了SERS技術(shù)在復(fù)雜樣品體系分析中的優(yōu)勢，尤其是在直接和間接測量方面的能力，這對于食品、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有重要意義。
東北林業(yè)大學(xué) 紀(jì)偉教授
東北林業(yè)大學(xué)紀(jì)偉教授做題為“基于多重協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)的半導(dǎo)體SERS 基底設(shè)計(jì)與應(yīng)用”的報(bào)告。在報(bào)告中詳細(xì)介紹了其課題組在基于多重協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)的半導(dǎo)體表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）基底設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的研究成果。紀(jì)偉教授指出，相較于傳統(tǒng)金屬基底，半導(dǎo)體材料因其高化學(xué)穩(wěn)定性和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在SERS技術(shù)中展現(xiàn)出巨大潛力。他們團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控半導(dǎo)體材料的尺寸和結(jié)構(gòu)，可以有效引入米氏共振和電荷轉(zhuǎn)移共振，從而顯著提升SERS活性。此外，紀(jì)偉教授還提到了他們開發(fā)的新型SERS試紙，該試紙能夠利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對尿液中的兒茶酚胺類化合物進(jìn)行快速檢測，顯示出良好的靈敏度和選擇性。
吉林建筑大學(xué) 陳雷教授
吉林建筑大學(xué)陳雷教授做題為“金屬-半導(dǎo)體復(fù)合材料LSPR調(diào)諧策略及SERS增強(qiáng)機(jī)制研究”的報(bào)告。大多數(shù)成果是在吉林師范大學(xué)做的。在報(bào)告中介紹了其課題組近年來在金屬半導(dǎo)體復(fù)合材料的等離子體共振效應(yīng)調(diào)控策略及表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）增強(qiáng)機(jī)制研究方面的工作。陳教授的報(bào)告主要圍繞四個(gè)方面展開：通過調(diào)控載流子來改善LSPR效應(yīng)，調(diào)控載流子以調(diào)控SERS活性，以及金屬和半導(dǎo)體復(fù)合材料的制備和應(yīng)用。他們探索了金屬與半導(dǎo)體復(fù)合材料，旨在提高SERS的穩(wěn)定性并改善金屬的不穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控半導(dǎo)體材料的載流子密度，可以實(shí)現(xiàn)LSPR向可見區(qū)或接近可見區(qū)的調(diào)控，同時(shí)改善電荷轉(zhuǎn)移效率，提升SERS活性。陳教授的團(tuán)隊(duì)采用了磁控濺射技術(shù)制備了一系列材料，并通過實(shí)驗(yàn)研究了載流子密度對LSPR效應(yīng)和SERS性能的影響，取得了一系列有意義的結(jié)果。
華東師范大學(xué) 鄭婷婷教授
華東師范大學(xué)鄭婷婷教授做題為“基于半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼的疾病體外分析檢測”的報(bào)告。在報(bào)告中分享了其團(tuán)隊(duì)在基于半導(dǎo)體增強(qiáng)拉曼散射（SERS）的疾病體外分析檢測領(lǐng)域的研究成果。鄭教授的研究方向是利用SERS技術(shù)進(jìn)行疾病的早期診斷，她強(qiáng)調(diào)了半導(dǎo)體材料在提高SERS檢測選擇性和靈敏度方面的優(yōu)勢。報(bào)告中，鄭教授詳細(xì)介紹了通過調(diào)控材料與分子間的能級匹配、利用p-n結(jié)結(jié)構(gòu)促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移以及增加新的電荷轉(zhuǎn)移途徑等策略來增強(qiáng)拉曼信號。她的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種有機(jī)半導(dǎo)體包裹的鈣鈦礦復(fù)合材料，顯著提高了材料的水穩(wěn)定性和SERS活性，成功應(yīng)用于疾病標(biāo)志物的高靈敏檢測。此外，鄭教授還展示了通過間隙調(diào)控的氧化銅納米陣列實(shí)現(xiàn)對核酸病毒的超靈敏檢測，這一方法具有快速、高選擇性的特點(diǎn)，且成本低廉。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 博士后彭宇思
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所楊勇老師組的博士后彭宇思做題為“二維硫化物 SERS 材料及其增強(qiáng)機(jī)理研究”的報(bào)告。報(bào)告中介紹了近兩年關(guān)于二維硫化物SERS（表面增強(qiáng)拉曼散射）材料及其增強(qiáng)機(jī)理的研究工作。她從四個(gè)方面展開匯報(bào)，重點(diǎn)介紹了次硫化五礬的納米絨花和硫化硒微米球的研究，以及表面增強(qiáng)拉曼閃爍現(xiàn)象。她提到，通過理論計(jì)算預(yù)測化學(xué)增強(qiáng)和SERS活性貢獻(xiàn)，以及通過FTD模擬預(yù)測電視增強(qiáng)對SERS活性的貢獻(xiàn)，優(yōu)化了半導(dǎo)體材料的電子密度和互網(wǎng)互動的電子躍遷，從而改善了半導(dǎo)體的SERS性能。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)掘了五種新型SERS活性材料，并提出了半導(dǎo)體耦合共振理論策略，通過調(diào)控激發(fā)波長實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移共振、分子共振和電磁增強(qiáng)共振的耦合共振增強(qiáng)。彭雨思還展示了新型高靈敏度硫化物SERS材料在牛奶中抗生素檢測中的應(yīng)用，并利用AI技術(shù)輔助識別，取得了高準(zhǔn)確率的檢測結(jié)果。最后，她對SERS材料的研究進(jìn)行了展望，強(qiáng)調(diào)了在生物檢測應(yīng)用中需要解決的特異性檢測和排除干擾等問題。
瑞士萬通中國有限公司 王睿經(jīng)理
瑞士萬通中國有限公司王睿經(jīng)理做題為“透射型拉曼光譜儀在安防行業(yè)的應(yīng)用”的報(bào)告。在報(bào)告中介紹了公司最新推出的透射型拉曼光譜儀在安防行業(yè)的應(yīng)用。該設(shè)備以其小型化和手持式特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海關(guān)、消防、警察以及部隊(duì)等領(lǐng)域。王經(jīng)理特別提到了香港海關(guān)利用該技術(shù)成功檢測出藏有新型精神活性物質(zhì)的貨物的案例，展示了拉曼光譜儀在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。新一代的透射型拉曼光譜儀ID 1064 ST，采用1064納米激發(fā)光源，具備IP6的防護(hù)等級，能在惡劣環(huán)境下工作，其操作系統(tǒng)與現(xiàn)代智能手機(jī)相同，均為安卓系統(tǒng)，支持一鍵掃描和第三方軟件安裝。該設(shè)備特別適用于檢測有顏色或強(qiáng)熒光信號的樣品，如爆炸物等，其透射技術(shù)允許不打開包裝即可進(jìn)行物質(zhì)分析，提高了檢測效率并降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 叢杉研究員
中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所叢杉研究員做題為“基于電荷轉(zhuǎn)移共振的半導(dǎo)體SERS新材料”的報(bào)告。叢杉研究員首先強(qiáng)調(diào)了SERS技術(shù)在快速無損檢測方面的優(yōu)勢，并指出了半導(dǎo)體SERS基底相對于傳統(tǒng)金屬基底在增強(qiáng)機(jī)制上的獨(dú)特優(yōu)勢，尤其是在電荷轉(zhuǎn)移方面。團(tuán)隊(duì)通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控電荷轉(zhuǎn)移躍遷，開發(fā)了基于電核轉(zhuǎn)移共振的新型半導(dǎo)體SERS材料。研究重點(diǎn)包括缺陷型氧化物材料和低維化策略以產(chǎn)生缺陷，這些缺陷能顯著提升SERS性能。此外，團(tuán)隊(duì)還探索了通過氧空位調(diào)控電子濃度和利用MOS體系的多樣化電荷轉(zhuǎn)移途徑來增強(qiáng)SERS信號。叢杉研究員的報(bào)告展示了半導(dǎo)體SERS材料在靈敏度、選擇性和特異性檢測方面的巨大潛力，并展望了其在未來檢測技術(shù)中的應(yīng)用前景。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 林杰研究員
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所林杰研究員做題為“半導(dǎo)體 SERS 納米生物傳感器”的報(bào)告。他在報(bào)告中介紹了團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）納米生物傳感器領(lǐng)域的研究成果。林研究員的研究方向聚焦于生命健康，特別是腫瘤的早期檢測，旨在通過液體活檢技術(shù)檢測血液中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞和循環(huán)腫瘤標(biāo)志物，以期減少患者的心理和生理負(fù)擔(dān)。他們利用SERS技術(shù)，通過構(gòu)建半導(dǎo)體SERS探針靶向腫瘤細(xì)胞，并借助微納米材料的SERS增強(qiáng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)對循環(huán)腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)檢測。林研究員詳細(xì)闡述了團(tuán)隊(duì)如何通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控電荷轉(zhuǎn)移躍遷，提高SERS靈敏度和選擇性，并展示了在氧化鋅、氧化鐵等多種半導(dǎo)體材料上的應(yīng)用。此外，他們還開發(fā)了便攜式檢測設(shè)備，并與企業(yè)合作，推動了技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化。
吉林師范大學(xué) 高銘教授
吉林師范大學(xué)高銘教授做題為“半導(dǎo)體表面增強(qiáng)拉曼基底的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究”的報(bào)告。她在報(bào)告中介紹了其團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）基底設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究方面的進(jìn)展。高教授首先概述了SERS技術(shù)的核心在于基底材料選擇，特別是貴金屬基底的局限性和半導(dǎo)體基底的潛力。她詳細(xì)闡述了通過缺陷工程和漸變工程兩種關(guān)鍵技術(shù)來增強(qiáng)半導(dǎo)體基底的SERS信號，包括在帶隙中引入缺陷能級以實(shí)現(xiàn)基子共振和通過構(gòu)筑p-n結(jié)構(gòu)來調(diào)控表面電子態(tài)。高教授展示了在氧化鋅、二硫化物等材料的改性及應(yīng)用上取得的成果，特別強(qiáng)調(diào)了稀土元素?fù)诫s氧化鋅在降低熒光背景信號干擾和提升SERS性能方面的優(yōu)勢，以及二硫化物材料在生物傳感和環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。報(bào)告最后，高教授提出了未來研究的方向，包括探索制備工藝的簡化和規(guī)?；约敖Y(jié)合人工智能提升檢測效率，旨在推動SERS技術(shù)的實(shí)際轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。
北京航空航天大學(xué) 王曉天教授
北京航空航天大學(xué)王曉天教授做題為“非晶納米材料SERS效應(yīng)的機(jī)理及應(yīng)用研究”的報(bào)告。王教授首先介紹了SERS技術(shù)的優(yōu)勢，包括快速、靈敏和無損檢測，并指出物理增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)的不同特點(diǎn)。他的團(tuán)隊(duì)通過理論研究和實(shí)驗(yàn)探索，完善了半導(dǎo)體SERS效應(yīng)的機(jī)理模型，首次發(fā)現(xiàn)非晶半導(dǎo)體材料具有高SERS活性，并基于此開發(fā)了一系列高活性非晶半導(dǎo)體材料。這些材料在腫瘤細(xì)胞檢測等方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。王教授的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了非晶結(jié)構(gòu)對SERS效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)非晶材料的表面電子態(tài)和界面結(jié)合能力對SERS活性有顯著影響，并利用這一特性設(shè)計(jì)了多種非晶材料用于SERS檢測，包括二維非晶材料和金屬負(fù)載材料。
東南大學(xué) 郝祺副教授
東南大學(xué)郝祺副教授做題為“基于二維半導(dǎo)體材料合金工程的SERS電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制研究”的報(bào)告。在報(bào)告中介紹了其團(tuán)隊(duì)在基于二維半導(dǎo)體材料合金工程的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制研究方面的最新進(jìn)展。郝教授指出，通過精確控制二維半導(dǎo)體材料的合金成分比例，可以實(shí)現(xiàn)能級的連續(xù)可控調(diào)節(jié)，從而研究電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。他們選擇了單層結(jié)構(gòu)的二維材料，物理機(jī)制清晰，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為可靠和重復(fù)性高。研究發(fā)現(xiàn)，隨著合金成分比例的變化，拉曼增強(qiáng)光譜呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢，這與能級變化和能量傳輸過程密切相關(guān)。團(tuán)隊(duì)通過使用不同的材料和激光波長，驗(yàn)證了這一現(xiàn)象的普適性，為理解SERS電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了新的視角和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
吉林大學(xué) 趙冰教授
吉林大學(xué)趙冰教授做題為“半導(dǎo)體納米材料 SPR 特性及其在SERS 中的應(yīng)用”的報(bào)告。在報(bào)告中探討了半導(dǎo)體納米材料的表面等離子體共振（SPR）特性及其在表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）中的應(yīng)用。趙教授強(qiáng)調(diào)了半導(dǎo)體材料在SERS中的重要性，尤其是其優(yōu)異的選擇性，這是貴金屬基底所不具備的。他提到，商用的貴金屬基底的增強(qiáng)因子并不高，這使得半導(dǎo)體的特性尤為重要。趙教授還提到了載流子調(diào)控的重要性，這與齊老師提到的準(zhǔn)金屬半導(dǎo)體的概念相似。此外，他討論了如何通過協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，即結(jié)合CT增強(qiáng)、SPR和它們之間的相互作用，來提高SERS的信號強(qiáng)度。他的團(tuán)隊(duì)在開發(fā)基于半導(dǎo)體的SERS基底方面取得了新進(jìn)展，特別是在電磁場增強(qiáng)機(jī)制方面。
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