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第九届侨界贡献奖人物风采录(五十九)
田中群:重细节、敢为先,拉曼光谱铸“慧眼”
2023年06月12日10:33  来源:中国侨联

福建省侨联田中群证件照

田中群,现为中国科学院院士、英国皇家化学会会士,从事电化学表面增强拉曼光谱研究。1987年初,他从英国学成回后即到厦门大学做博士后,参加固体表面物理化学国家重点实验室的启动建设,曾担任固体表面物理化学国家重点实验室主任。2005年,他当选中国科学院院士和英国皇家化学会会士,2010年当选国际电化学会会士,2014年当选第三世界科学院(TWAS)院士。

突破瓶颈,拓展拉曼光谱应用领域

田中群主要开展表面增强拉曼光谱、谱学电化学、纳米和分子组装物理化学等方面的研究。他从实验和理论上系统深入研究表面增强拉曼散射(SERS)效应及其应用,建立壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)等方法,基本解决了该领域长期未决的应用瓶颈问题。他发展电化学拉曼光谱的实验及理论方法并建立有关联用技术,揭示各类电化学界面的结构和反应问题。他还发展纳米结构(间隔)构造及等离激元介导光(电)化学反应的实验和模拟方法,研制用于食品和公共安全的SERS便捷快速检测仪器,针对分子自组装体系,提出催组装的概念和理论模型等,取得了重要突破性进展——首次系统研究并证实了第八族过渡金属SERS效应,为电化学等表界面科学研究提供重要谱学工具。该方面的工作主要包含四部分:(1)在具有重大(电)催化应用背景的一系列铂族和铁族等过渡金属体系实现了SERS效应,发展了共焦显微光学构造下SERS增强因子的计算方法,实验和理论结合证实1-3个数量级的SERS增强,其主要贡献为电磁场增强机理;(2)研究了在表面科学和电化学领域具有重要意义的系列表面吸附和反应过程,如发现铂族金属表面纳米结构和组成显著影响其表面毒性中间物(CO)的电化学行为,为其反应的双途径机理提供实验证据;(3)国际上首次观察到UV-SERS现象,全面阐述UV-SERS增强机理,拓宽SERS应用领域并完善其增强理论;(4)革新了“借力”的策略,在具有强SPR效应的金或银纳米粒子表面生长极薄且无针孔的过渡金属壳层,如首次获得了过渡金属表面吸附水的拉曼信号,揭示了不同金属表面水的吸附构型差异,探究催化剂构效关系以指导理性设计高效催化剂。通过系统性研究,田中群的团队建立了成熟的EC-SERS方法并取得突破性进展,推动SERS技术发展成为表面科学和电化学的重要谱学工具,确立了我国在国际SERS研究领域领跑者的地位,并于2002年获得中国高校科学技术一等奖。

尽管他的团队成功地将SERS应用于过渡金属表面过程,但尚无法解决SERS的材料和形貌两大瓶颈问题,即尚不能应用于其他非金属、半导体等体系的表面以及在表面科学中占有重要地位的、具有原子级平滑的模型单晶表面。2010年,田中群的团队原创性地提出将待测物质和具有SERS效应的纳米粒子从空间上分离的策略,创建了壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(Shell-Isolated Nanoparticle-Enhanced Raman Spectroscopy, SHINERS)新技术。该技术通过在金或银纳米粒子表面包覆一层极薄(1-5 nm)且致密的惰性二氧化硅壳层,形成壳层隔绝纳米粒子。该壳层可以隔绝作为信号放大器的内核金属纳米粒子与待测物种及外部环境的直接接触和相互作用,利用内核金或银纳米粒子所产生极强光电场的长程效应,增强壳层外待测物质(分子、离子、材料)的拉曼信号。在实际使用中,只需将作为“信号放大器”的壳层隔绝纳米粒子撒在待测物质表面,即可显著增强(达百万倍)待测物的拉曼信号。SHINERS最突出的优势是可以直接应用于模型单晶表面。仅需在单晶表面组装壳层隔绝纳米粒子,结合表面洁净处理方法,即可利用SHINERS增强技术从分子水平分析Au、Pt、Rh、Si等金属和非金属单晶表面吸附物种的表面结构和组成,发现不同单晶表面上物种的吸附行为显著不同。这一新概念从方法学角度突破了传统SERS在材料和形貌普适性的长期局限性,极大拓展了拉曼光谱的应用领域,并将壳层隔绝增强模式拓展至其它增强光谱领域。基于以上两个部分的研究基础,2011年田中群的团队在科技部国家重大科学仪器设备开发专项《等离激元增强拉曼光谱(PERS)仪器研发和应用》的资助下,积极推动基础研究成果向实际应用转化,特别是在食品安全领域,对多种痕量有害物质实现现场快速SERS检测并实现产业化。2017年,SERS快检应用于厦门金砖会晤食品安全保障,获得了公安系统等有关单位的高度认可。2018年,SERS快检方法在食药监系统内进行推广销售,销售额逾1000余万元。

2012年,田中群获英国皇家化学会法拉弟奖章,2013年被南安普敦大学授予荣誉科学博士并获国际电化学会Tacussel奖,2015年被法国科学院授予法中成就奖(Grand Prix Franco-Chinois Senior),2018年获中国光谱成就奖,2019年获国家自然科学二等奖。

福建省侨联田中群工作照

甘为人梯,推动学科建设与人才培养

在学科建设方面,田中群于1996-2011年期间担任固体表面物理化学国家重点实验室常务副主任、主任、室务委员会主任,积极主持及推动国家重点实验室的建设与发展,该实验室5次被评为优秀实验室。作为(筹建)院长,他组织建立了厦门大学能源学院(前身为厦门大学能源研究院,有厦门大学引进的能源领域国际青年科学家李宁教授加盟)和厦门大学石墨烯工程与产业研究院。作为主任,他牵头组织建立教育部2011计划能源材料化学协同创新中心、中国福建能源材料科学与技术创新实验室(嘉庚创新实验室)。作为厦门大学工程技术学部主任,他积极统筹工程技术学的发展与规划,大力推动重要科研和产业化大平台的建立,为推动多院校、多层次的高质量科研和产业合作作出了积极贡献。他还带领大家建设了我国首个能源化学本科专业和厦门大学先进能源一级交叉学科。

在承担科研项目方面,田中群主持国家科学基金、科技部重大科学研究计划、教育部跨世纪优秀人才计划项目40余项。

在教学及人才培养方面,二十余年来,田中群坚持讲授本科生核心课程《物理化学》(部分),开设并主讲《能源化学导论》新课程,主讲研究生课程《界面电化学》《现代电化学研究进展》《诺贝尔史话民》等课程和系列科研讲座。他已培养博士生54名、硕士研究生60名和博士后16名。在他培养的博士毕业生中,1人入选教育部“长江学者”特聘教授、2人获得国家杰出青年基金,已有14人担任教授(或研究员)、8人担任副教授等职,为国家的教育及科研事业贡献出力量。

田中群曾任国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)物理化学和生物物理化学委员会衔称委员,2005年当选英国皇家化学会会士,2010年当选国际电化学会会士,2014年当选第三世界科学院院士,2019-2020年担任国际电化学会主席,现为中国科学院化学学部常委、教育部科技委委员、国家基金委化学部咨询委员会委员,现担任《Chem. Soc. Rev.》《中国科学:化学》《J. Raman Spectroscopy》的副主编及《J. Am. Chem. Soc.》《Chem. Sci.》《Chem.》《ACS Central Sci.》等十余个国际刊物的顾问编委。

作为第十届全国政协委员、第十一届和第十二届全国政协常委,田中群积极建言献策,特别是在科研与教育体制改革、基础研究与人才培养、两岸关系与“一带一路”、食品安全与雾霾防治等方面提交了提案和建议,曾获得优秀提案奖。他也多次参加中央统战部院士服务团,前往青海、云南等地考察。

(责编:韩啸、黄瑾)
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