分子光譜年會分會場亮點探索半導體SERS技術前沿

　　2024年11月30日-12月2日，第 23 屆全國分子光譜學學術會議和第五屆光譜年會暨黃本立院士百歲華誕學術研討會在福建省廈門市召開。會議第二天上午，分會場“半導體 SERS 及相關技術”中，廈門大學王翔副教授、中國檢驗檢疫科學研究院席廣成研究員、武漢紡織大學沈愛國教授、東北林業大學紀偉教授、吉林建筑大學陳雷教授、華東師范大學鄭婷婷教授、中國科學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理、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所叢杉研究員、中國科學院寧波材料技術與工程研究所林杰研究員、吉林師范大學高銘教授、北京航空航天大學王曉天教授、東南大學郝祺副教授、吉林大學趙冰教授等14位專家學者帶來精彩報告，共同探討了半導體SERS技術的最新研究成果和未來發展方向。

廈門大學 王翔副教授

　　廈門大學王翔副教授做題為“納米分辨的原位拉曼表征”的報告。在報告中介紹了其團隊在納米分辨原位拉曼表征領域的進展，特別關注電化學界面的結構與性質。他強調了電化學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化中的重要性。王副教授展示了原位拉曼技術在揭示活性位點演變、形成以及反應物種表征方面的應用，并提供了未發表的最新數據。該技術以其高靈敏度和空間分辨率，為理解電化學過程提供了分子層面的洞察，對能源轉換和存儲技術的發展具有重要意義。

中國檢驗檢疫科學研究院 席廣成研究員

　　中國檢驗檢疫科學研究院席廣成研究員做題為“基于納米結構的表面增強拉曼光譜分析”的報告。在報告中分享了近五年來在基于納米結構的表面增強拉曼光譜(SERS)分析領域的研究成果。他強調了SERS技術在食品安全檢測中的重要性，并提出了“準金屬”SERS基底的新概念，這一材料介于貴金屬和半導體之間，結合了兩者的優點。席研究員的團隊開發了多種基于準金屬的SERS基底，如過渡金屬氧化物和碳化物，這些材料展現出優異的穩定性和靈敏度，檢測限可低至10^-11 M。此外，他們還構建了集成SERS基底的微流控通道，實現了復雜基質中多組分禁限用物質的連續在線分離和高通量檢測。

武漢紡織大學 沈愛國教授

　　武漢紡織大學沈愛國教授做題為“高結晶度有機小分子單晶SERS基底及其應用”的報告。

　　在報告中探討了新型有機半導體表面增強拉曼光譜（SERS）基底的研制及其在高特異性檢測中的應用。沈教授強調了在有機半導體領域深入研究的重要性，并分享了他們團隊在這一領域的進展。他們發現，為了實現高性能的有機半導體SERS基底，需要滿足兩個前提條件：一是材料的尺寸需要足夠大以實現高精確度，二是材料必須是單晶，以確保有確定的能級結構。沈教授提到，他們的研究不僅涉及小分子的SERS檢測，還包括天然發動材料的分析以及有機和無機半導體材料的光電檢測。他們的工作展示了SERS技術在復雜樣品體系分析中的優勢，尤其是在直接和間接測量方面的能力，這對于食品、生物醫學和環境檢測等領域具有重要意義。

東北林業大學 紀偉教授

　　東北林業大學紀偉教授做題為“基于多重協同增強效應的半導體SERS 基底設計與應用”的報告。在報告中詳細介紹了其課題組在基于多重協同增強效應的半導體表面增強拉曼散射（SERS）基底設計與應用方面的研究成果。紀偉教授指出，相較于傳統金屬基底，半導體材料因其高化學穩定性和廣泛的應用領域，在SERS技術中展現出巨大潛力。他們團隊的研究發現，通過調控半導體材料的尺寸和結構，可以有效引入米氏共振和電荷轉移共振，從而顯著提升SERS活性。此外，紀偉教授還提到了他們開發的新型SERS試紙，該試紙能夠利用機器學習方法對尿液中的兒茶酚胺類化合物進行快速檢測，顯示出良好的靈敏度和選擇性。

吉林建筑大學 陳雷教授

　　吉林建筑大學陳雷教授做題為“金屬-半導體復合材料LSPR調諧策略及SERS增強機制研究”的報告。大多數成果是在吉林師范大學做的。在報告中介紹了其課題組近年來在金屬半導體復合材料的等離子體共振效應調控策略及表面增強拉曼散射（SERS）增強機制研究方面的工作。陳教授的報告主要圍繞四個方面展開：通過調控載流子來改善LSPR效應，調控載流子以調控SERS活性，以及金屬和半導體復合材料的制備和應用。他們探索了金屬與半導體復合材料，旨在提高SERS的穩定性并改善金屬的不穩定性。研究發現，通過調控半導體材料的載流子密度，可以實現LSPR向可見區或接近可見區的調控，同時改善電荷轉移效率，提升SERS活性。陳教授的團隊采用了磁控濺射技術制備了一系列材料，并通過實驗研究了載流子密度對LSPR效應和SERS性能的影響，取得了一系列有意義的結果。

華東師范大學 鄭婷婷教授

　　華東師范大學鄭婷婷教授做題為“基于半導體增強拉曼的疾病體外分析檢測”的報告。在報告中分享了其團隊在基于半導體增強拉曼散射（SERS）的疾病體外分析檢測領域的研究成果。鄭教授的研究方向是利用SERS技術進行疾病的早期診斷，她強調了半導體材料在提高SERS檢測選擇性和靈敏度方面的優勢。報告中，鄭教授詳細介紹了通過調控材料與分子間的能級匹配、利用p-n結結構促進電荷轉移以及增加新的電荷轉移途徑等策略來增強拉曼信號。她的團隊開發了一種有機半導體包裹的鈣鈦礦復合材料，顯著提高了材料的水穩定性和SERS活性，成功應用于疾病標志物的高靈敏檢測。此外，鄭教授還展示了通過間隙調控的氧化銅納米陣列實現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，且成本低廉。

中國科學院上海硅酸鹽研究所 博士后彭宇思

　　中國科學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 材料及其增強機理研究”的報告。報告中介紹了近兩年關于二維硫化物SERS（表面增強拉曼散射）材料及其增強機理的研究工作。她從四個方面展開匯報，重點介紹了次硫化五礬的納米絨花和硫化硒微米球的研究，以及表面增強拉曼閃爍現象。她提到，通過理論計算預測化學增強和SERS活性貢獻，以及通過FTD模擬預測電視增強對SERS活性的貢獻，優化了半導體材料的電子密度和互網互動的電子躍遷，從而改善了半導體的SERS性能。研究團隊發掘了五種新型SERS活性材料，并提出了半導體耦合共振理論策略，通過調控激發波長實現電荷轉移光誘導電荷轉移共振、分子共振和電磁增強共振的耦合共振增強。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用，并利用AI技術輔助識別，取得了高準確率的檢測結果。最后，她對SERS材料的研究進行了展望，強調了在生物檢測應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 王睿經理

　　瑞士萬通中國有限公司王睿經理做題為“透射型拉曼光譜儀在安防行業的應用”的報告。在報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的應用。該設備以其小型化和手持式特點，被廣泛應用于海關、消防、警察以及部隊等領域。王經理特別提到了香港海關利用該技術成功檢測出藏有新型精神活性物質的貨物的案例，展示了拉曼光譜儀在實際應用中的有效性。新一代的透射型拉曼光譜儀ID 1064 ST，采用1064納米激發光源，具備IP6的防護等級，能在惡劣環境下工作，其操作系統與現代智能手機相同，均為安卓系統，支持一鍵掃描和第三方軟件安裝。該設備特別適用于檢測有顏色或強熒光信號的樣品，如爆炸物等，其透射技術允許不打開包裝即可進行物質分析，提高了檢測效率并降低了操作風險。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所 叢杉研究員

　　中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所叢杉研究員做題為“基于電荷轉移共振的半導體SERS新材料”的報告。叢杉研究員首先強調了SERS技術在快速無損檢測方面的優勢，并指出了半導體SERS基底相對于傳統金屬基底在增強機制上的獨特優勢，尤其是在電荷轉移方面。團隊通過材料結構設計調控電荷轉移躍遷，開發了基于電核轉移共振的新型半導體SERS材料。研究重點包括缺陷型氧化物材料和低維化策略以產生缺陷，這些缺陷能顯著提升SERS性能。此外，團隊還探索了通過氧空位調控電子濃度和利用MOS體系的多樣化電荷轉移途徑來增強SERS信號。叢杉研究員的報告展示了半導體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中的應用前景。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所 林杰研究員

　　中國科學院寧波材料技術與工程研究所林杰研究員做題為“半導體 SERS 納米生物傳感器”的報告。他在報告中介紹了團隊在半導體表面增強拉曼散射（SERS）納米生物傳感器領域的研究成果。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檢測血液中的循環腫瘤細胞和循環腫瘤標志物，以期減少患者的心理和生理負擔。他們利用SERS技術，通過構建半導體SERS探針靶向腫瘤細胞，并借助微納米材料的SERS增強機制實現對循環腫瘤細胞的精準檢測。林研究員詳細闡述了團隊如何通過材料結構設計調控電荷轉移躍遷，提高SERS靈敏度和選擇性，并展示了在氧化鋅、氧化鐵等多種半導體材料上的應用。此外，他們還開發了便攜式檢測設備，并與企業合作，推動了技術的臨床轉化。

吉林師范大學 高銘教授

　　吉林師范大學高銘教授做題為“半導體表面增強拉曼基底的設計及其應用研究”的報告。她在報告中介紹了其團隊在半導體表面增強拉曼散射（SERS）基底設計及其應用研究方面的進展。高教授首先概述了SERS技術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體基底的潛力。她詳細闡述了通過缺陷工程和漸變工程兩種關鍵技術來增強半導體基底的SERS信號，包括在帶隙中引入缺陷能級以實現基子共振和通過構筑p-n結構來調控表面電子態。高教授展示了在氧化鋅、二硫化物等材料的改性及應用上取得的成果，特別強調了稀土元素摻雜氧化鋅在降低熒光背景信號干擾和提升SERS性能方面的優勢，以及二硫化物材料在生物傳感和環境監測中的應用潛力。報告最后，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模化，以及結合人工智能提升檢測效率，旨在推動SERS技術的實際轉化和應用。

北京航空航天大學 王曉天教授

　　北京航空航天大學王曉天教授做題為“非晶納米材料SERS效應的機理及應用研究”的報告。王教授首先介紹了SERS技術的優勢，包括快速、靈敏和無損檢測，并指出物理增強和化學增強的不同特點。他的團隊通過理論研究和實驗探索，完善了半導體SERS效應的機理模型，首次發現非晶半導體材料具有高SERS活性，并基于此開發了一系列高活性非晶半導體材料。這些材料在腫瘤細胞檢測等方面展現出應用潛力。王教授的團隊進一步研究了非晶結構對SERS效應的影響，發現非晶材料的表面電子態和界面結合能力對SERS活性有顯著影響，并利用這一特性設計了多種非晶材料用于SERS檢測，包括二維非晶材料和金屬負載材料。

東南大學 郝祺副教授

　　東南大學郝祺副教授做題為“基于二維半導體材料合金工程的SERS電荷轉移機制研究”的報告。在報告中介紹了其團隊在基于二維半導體材料合金工程的表面增強拉曼散射（SERS）電荷轉移機制研究方面的最新進展。郝教授指出，通過精確控制二維半導體材料的合金成分比例，可以實現能級的連續可控調節，從而研究電荷轉移機制。他們選擇了單層結構的二維材料，物理機制清晰，使得實驗結果更為可靠和重復性高。研究發現，隨著合金成分比例的變化，拉曼增強光譜呈現出先增強后減弱的趨勢，這與能級變化和能量傳輸過程密切相關。團隊通過使用不同的材料和激光波長，驗證了這一現象的普適性，為理解SERS電荷轉移機制提供了新的視角和實驗依據。

吉林大學 趙冰教授

　　吉林大學趙冰教授做題為“半導體納米材料 SPR 特性及其在SERS 中的應用”的報告。在報告中探討了半導體納米材料的表面等離子體共振（SPR）特性及其在表面增強拉曼散射（SERS）中的應用。趙教授強調了半導體材料在SERS中的重要性，尤其是其優異的選擇性，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因子并不高，這使得半導體的特性尤為重要。趙教授還提到了載流子調控的重要性，這與齊老師提到的準金屬半導體的概念相似。此外，他討論了如何通過協同增強效應，即結合CT增強、SPR和它們之間的相互作用，來提高SERS的信號強度。他的團隊在開發基于半導體的SERS基底方面取得了新進展，特別是在電磁場增強機制方面。