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开发市场期盼的超高灵敏度分析仪器——国家重大科学仪器设备开发专项“等离激元增强拉曼光谱仪器研发与应用”成果

2018-05-29

拉曼光谱是分析各种分子结构和鉴别物质种类的重要光谱技术之一,其提供的分子指纹信息,可进行固、液、气体等各种形态样品的分析和鉴定。20世纪70年代发现的表面增强拉曼光谱技术(SERS)可以将待测物种的拉曼信号增强百万倍数量级,甚至可达单分子水平的检测灵敏度。但是,SERS技术一直未能成为市场期盼的具有超高灵敏度的分析仪器,主要因为SERS材料和表面形貌长期存在普适性差的问题。2010年,厦门大学田中群院士研究团队发明了壳层隔绝纳米粒子增强光谱(SHINERS)技术,不但提高了拉曼光谱技术的检测灵敏度,而且从方法学角度突破了SERS技术基底材料和表面形貌普适性差的局限性,为应用拉曼光谱仪器开展各类痕量物质的分析检测提供了广阔前景。

2011年,基于沉淀数十年的深厚科研基础,厦门大学联合北京大学、中山大学、军事医学科学院、中国科学院合肥智能机械研究所、中国科学院生态环境研究中心和聚光科技等多家高校研究所及企事业单位的科研团队,整合我国在拉曼光谱仪器研发和等离激元增强拉曼(PERS)技术应用研究方面的主要优势力量,实施了国家重大仪器设备开发专项“等离激元增强拉曼光谱仪器研发与应用”(国拨经费8 525万元)。项目通过系统集成创新,形成了一系列高精尖型和中低端型检测仪器,研制开发了包括台式、便携和微型三种类型的PERS仪器系统,并将其应用于与国计民生密切相关的领域。2017年初,“等离激元增强拉曼光谱仪器研发与应用”项目顺利结题。

一、仪器系统研发

集成研制了台式、便携和微型三类PERS仪器系统,自主研发了关键和核心技术增强模块以及前处理模块。台式PERS仪器系统主要包括针尖增强拉曼光谱(TERS)仪器和消逝场激发便携式PERS仪器,其综合性能较高;搭建了原位电化学TERS系统,实现了具有纳米级的超高空间分辨的电化学TERS检测。重点开发的便携式PERS快速检测系统,成功实现针对食品安全、环境监测、公共安全以及国防安全等领域的现场快速和准确高效检测,形成了专用型便携式快速检测仪,部分仪器产品的整体性能超越市场同类产品。还开发了一系列核心模块,包括小型化光谱模块、高灵敏增强模块、多功能前处理模块以及智能化算法模块,实现了整体性能的显著提升。

项目团队承担的福建省地方标准《便携式拉曼光谱快速检测仪技术要求》已完成编订工作并正式颁布,国家标准《拉曼光谱仪》已完成编订。

二、应用及产业化

在食品安全、环境检测、国防与公共安全等关系国家重大民生以及安全的领域建立了针对实际应用的系统解决方案,开发了涵盖多种食品安全风险因子、环境优控重金属和涉恐化学物质与毒品的现场快速检测全套技术。赛默飞世尔、堀场集团和必达泰克等国际仪器行业相关企业主动提出建立合作关系,开发了一系列包括硬件、试剂、检测方法以及软件在内的食品安全快速检测技术和解决方案,并推广至内蒙古、广东、福建、浙江等食品药品监督管理部门。其中,开发的公共安全PERS快速检测系统已被应用于天津“8.12”特大爆炸事故现场医学样品中氰化物监测,并指导医学救治;针对化学战剂的快速检测系统已被中国人民解放军某防化部队列入总装预研项目;食品安全PERS快速检测系统获得相关认可,并服务于2017年厦门金砖峰会期间的食安保障工作。

项目建立了PERS仪器研发与应用产业化中心,占地面积约1 500平方米,并得到厦门市科技管理部门的大力支持,投入300多万元承载项目的产品开发和产业化功能。在此基础上,项目于2013年成立了厦门普识纳米科技有限公司,公司获得了福建省产学研重大专项和厦门市“双百计划”(A类)支持。经过6年的努力,所研发的食品安全快速PERS检测系统已成功列入内蒙古自治区食药监督部门采购计划,40套系统的总采购金额达1 000万。此外,在陕西、四川和贵州等多地食药监督部门组织的各类快检仪器的现场测试评估中,项目研发的PERS检测系统屡次获得较好的成绩。

国际上PERS仪器研究正处于蓬勃发展的上升期,我国相关高精尖型和中低端型检测仪器的研究均居于国际前列。如何保持优势并实现持续发展,是摆在该领域科研工作者面前的首要问题。我国高精尖PERS仪器领域应发展具有更高灵敏度、空间和时间分辨率的PERS仪器,结合各类暂态和光谱技术,发展各类解决基础科研问题的联用技术;中低端PERS仪器领域则应以国计民生的重大问题为导向,解决实际问题。以食品安全快速检测领域为例,目前国内该领域各类快检技术百花齐放,各有特色,同时存在着鱼龙混杂、劣币驱除良币的现象。项目团队希望通过该项目的实施及其后续影响能够与该领域的多方“良币”一起通力合作,有效形成食品安全快速检测的整套解决方案,推动PERS仪器市场持续健康发展,更好地为我国乃至国际食品安全保驾护航。