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第九屆僑界貢獻獎人物風採錄(五十九)
田中群:重細節、敢為先,拉曼光譜鑄“慧眼”
2023年06月12日10:33  來源:中國僑聯

福建省僑聯田中群証件照

田中群,現為中國科學院院士、英國皇家化學會會士,從事電化學表面增強拉曼光譜研究。1987年初,他從英國學成回后即到廈門大學做博士后,參加固體表面物理化學國家重點實驗室的啟動建設,曾擔任固體表面物理化學國家重點實驗室主任。2005年,他當選中國科學院院士和英國皇家化學會會士,2010年當選國際電化學會會士,2014年當選第三世界科學院(TWAS)院士。

突破瓶頸,拓展拉曼光譜應用領域

田中群主要開展表面增強拉曼光譜、譜學電化學、納米和分子組裝物理化學等方面的研究。他從實驗和理論上系統深入研究表面增強拉曼散射(SERS)效應及其應用,建立殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜(SHINERS)等方法,基本解決了該領域長期未決的應用瓶頸問題。他發展電化學拉曼光譜的實驗及理論方法並建立有關聯用技術,揭示各類電化學界面的結構和反應問題。他還發展納米結構(間隔)構造及等離激元介導光(電)化學反應的實驗和模擬方法,研制用於食品和公共安全的SERS便捷快速檢測儀器,針對分子自組裝體系,提出催組裝的概念和理論模型等,取得了重要突破性進展——首次系統研究並証實了第八族過渡金屬SERS效應,為電化學等表界面科學研究提供重要譜學工具。該方面的工作主要包含四部分:(1)在具有重大(電)催化應用背景的一系列鉑族和鐵族等過渡金屬體系實現了SERS效應,發展了共焦顯微光學構造下SERS增強因子的計算方法,實驗和理論結合証實1-3個數量級的SERS增強,其主要貢獻為電磁場增強機理﹔(2)研究了在表面科學和電化學領域具有重要意義的系列表面吸附和反應過程,如發現鉑族金屬表面納米結構和組成顯著影響其表面毒性中間物(CO)的電化學行為,為其反應的雙途徑機理提供實驗証據﹔(3)國際上首次觀察到UV-SERS現象,全面闡述UV-SERS增強機理,拓寬SERS應用領域並完善其增強理論﹔(4)革新了“借力”的策略,在具有強SPR效應的金或銀納米粒子表面生長極薄且無針孔的過渡金屬殼層,如首次獲得了過渡金屬表面吸附水的拉曼信號,揭示了不同金屬表面水的吸附構型差異,探究催化劑構效關系以指導理性設計高效催化劑。通過系統性研究,田中群的團隊建立了成熟的EC-SERS方法並取得突破性進展,推動SERS技術發展成為表面科學和電化學的重要譜學工具,確立了我國在國際SERS研究領域領跑者的地位,並於2002年獲得中國高校科學技術一等獎。

盡管他的團隊成功地將SERS應用於過渡金屬表面過程,但尚無法解決SERS的材料和形貌兩大瓶頸問題,即尚不能應用於其他非金屬、半導體等體系的表面以及在表面科學中佔有重要地位的、具有原子級平滑的模型單晶表面。2010年,田中群的團隊原創性地提出將待測物質和具有SERS效應的納米粒子從空間上分離的策略,創建了殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜(Shell-Isolated Nanoparticle-Enhanced Raman Spectroscopy, SHINERS)新技術。該技術通過在金或銀納米粒子表面包覆一層極薄(1-5 nm)且致密的惰性二氧化硅殼層,形成殼層隔絕納米粒子。該殼層可以隔絕作為信號放大器的內核金屬納米粒子與待測物種及外部環境的直接接觸和相互作用,利用內核金或銀納米粒子所產生極強光電場的長程效應,增強殼層外待測物質(分子、離子、材料)的拉曼信號。在實際使用中,隻需將作為“信號放大器”的殼層隔絕納米粒子撒在待測物質表面,即可顯著增強(達百萬倍)待測物的拉曼信號。SHINERS最突出的優勢是可以直接應用於模型單晶表面。僅需在單晶表面組裝殼層隔絕納米粒子,結合表面潔淨處理方法,即可利用SHINERS增強技術從分子水平分析Au、Pt、Rh、Si等金屬和非金屬單晶表面吸附物種的表面結構和組成,發現不同單晶表面上物種的吸附行為顯著不同。這一新概念從方法學角度突破了傳統SERS在材料和形貌普適性的長期局限性,極大拓展了拉曼光譜的應用領域,並將殼層隔絕增強模式拓展至其它增強光譜領域。基於以上兩個部分的研究基礎,2011年田中群的團隊在科技部國家重大科學儀器設備開發專項《等離激元增強拉曼光譜(PERS)儀器研發和應用》的資助下,積極推動基礎研究成果向實際應用轉化,特別是在食品安全領域,對多種痕量有害物質實現現場快速SERS檢測並實現產業化。2017年,SERS快檢應用於廈門金磚會晤食品安全保障,獲得了公安系統等有關單位的高度認可。2018年,SERS快檢方法在食藥監系統內進行推廣銷售,銷售額逾1000余萬元。

2012年,田中群獲英國皇家化學會法拉弟獎章,2013年被南安普敦大學授予榮譽科學博士並獲國際電化學會Tacussel獎,2015年被法國科學院授予法中成就獎(Grand Prix Franco-Chinois Senior),2018年獲中國光譜成就獎,2019年獲國家自然科學二等獎。

福建省僑聯田中群工作照

甘為人梯,推動學科建設與人才培養

在學科建設方面,田中群於1996-2011年期間擔任固體表面物理化學國家重點實驗室常務副主任、主任、室務委員會主任,積極主持及推動國家重點實驗室的建設與發展,該實驗室5次被評為優秀實驗室。作為(籌建)院長,他組織建立了廈門大學能源學院(前身為廈門大學能源研究院,有廈門大學引進的能源領域國際青年科學家李寧教授加盟)和廈門大學石墨烯工程與產業研究院。作為主任,他牽頭組織建立教育部2011計劃能源材料化學協同創新中心、中國福建能源材料科學與技術創新實驗室(嘉庚創新實驗室)。作為廈門大學工程技術學部主任,他積極統籌工程技術學的發展與規劃,大力推動重要科研和產業化大平台的建立,為推動多院校、多層次的高質量科研和產業合作作出了積極貢獻。他還帶領大家建設了我國首個能源化學本科專業和廈門大學先進能源一級交叉學科。

在承擔科研項目方面,田中群主持國家科學基金、科技部重大科學研究計劃、教育部跨世紀優秀人才計劃項目40余項。

在教學及人才培養方面,二十余年來,田中群堅持講授本科生核心課程《物理化學》(部分),開設並主講《能源化學導論》新課程,主講研究生課程《界面電化學》《現代電化學研究進展》《諾貝爾史話民》等課程和系列科研講座。他已培養博士生54名、碩士研究生60名和博士后16名。在他培養的博士畢業生中,1人入選教育部“長江學者”特聘教授、2人獲得國家杰出青年基金,已有14人擔任教授(或研究員)、8人擔任副教授等職,為國家的教育及科研事業貢獻出力量。

田中群曾任國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)物理化學和生物物理化學委員會銜稱委員,2005年當選英國皇家化學會會士,2010年當選國際電化學會會士,2014年當選第三世界科學院院士,2019-2020年擔任國際電化學會主席,現為中國科學院化學學部常委、教育部科技委委員、國家基金委化學部咨詢委員會委員,現擔任《Chem. Soc. Rev.》《中國科學:化學》《J. Raman Spectroscopy》的副主編及《J. Am. Chem. Soc.》《Chem. Sci.》《Chem.》《ACS Central Sci.》等十余個國際刊物的顧問編委。

作為第十屆全國政協委員、第十一屆和第十二屆全國政協常委,田中群積極建言獻策,特別是在科研與教育體制改革、基礎研究與人才培養、兩岸關系與“一帶一路”、食品安全與霧霾防治等方面提交了提案和建議,曾獲得優秀提案獎。他也多次參加中央統戰部院士服務團,前往青海、雲南等地考察。

(責編:韓嘯、黃瑾)
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