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葉建山教授：電化學(xué)傳感器發(fā)展步入“春天”

[2012/5/18]

　　多年來，華南理工大學(xué)葉建山教授一直從事納米電化學(xué)、傳感器及生物傳感器和電化學(xué)分析儀器等方面的研究工作，2001年至2006年間任職于新加坡國立大學(xué)，回國后任華南理工大學(xué)化學(xué)科學(xué)學(xué)院教授的同時，創(chuàng)建了廣州盈思傳感科技有限公司，并研制出國際領(lǐng)先、國內(nèi)第一套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度便攜式重金屬檢測系統(tǒng)等高端設(shè)備和傳感器。

　　葉建山教授不但是電化學(xué)傳感器技術(shù)研究的資深專家，也是一家分析儀器企業(yè)的創(chuàng)始人。我們相信，擁有這兩個不同身份的葉建山教授，對于電化學(xué)傳感器這一學(xué)科的發(fā)展歷程、現(xiàn)今熱點乃至未來發(fā)展趨勢，以及該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化等必然有著自己獨特的視角以及看法。為此，近期采訪了葉建山教授。

　　“納米材料傳感器與電化學(xué)儀器的結(jié)合，是目前研究熱點”

　　問：首先請您為我們介紹一下，電化學(xué)傳感器發(fā)展過程中經(jīng)歷了哪些里程碑式進展?

　　葉建山教授：電化學(xué)傳感器用來測定目標(biāo)分子或物質(zhì)的電學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，從而進行定性和定量的分析和測量。電化學(xué)傳感器的發(fā)展具有悠久的歷史，它的基本理論和技術(shù)發(fā)展與電分析化學(xué)密切相關(guān)，最早的電化學(xué)傳感器可以追溯到20世紀(jì)50年代，并隨著微電子和材料加工技術(shù)不斷更新而發(fā)展。

　　1959年，捷克科學(xué)家海洛夫斯基發(fā)明伏安分析法而獲諾貝爾化學(xué)獎。伏安法之一的極譜法，可以區(qū)分不同價態(tài)的金屬離子或鍵合態(tài)及游離的金屬離子，因此可以對生物利用率和重金屬毒性進行評估，使其成為環(huán)境分析所必須的技術(shù)。電極是伏安法儀器的核心部分，因為電極材料的限制，造成靈敏度低、檢測時間長、操作較復(fù)雜或重現(xiàn)性差等缺陷，使得伏安法沒有獲得廣泛的應(yīng)用。

　　20世紀(jì)60年代離子選擇性電極及酶電極相繼問世，電化學(xué)傳感器進入了穩(wěn)定發(fā)展時期，在環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)藥分析、在線分析等方面獲得廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家利用化學(xué)修飾電極，改變電極表面結(jié)構(gòu)以控制電化學(xué)過程，標(biāo)志著電化學(xué)傳感器的功能化修飾和控制進入分子水平。

　　近年來，隨著納米材料科學(xué)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，新原理、新技術(shù)、新材料和新工藝的廣泛采用，傳感器在小型化、微型化、智能化方向得到了日新月異的發(fā)展，具有特殊性能和優(yōu)點的電化學(xué)傳感器不斷涌現(xiàn)并進入實際應(yīng)用。在歐美，伏安法已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的原子吸收法大量應(yīng)用于醫(yī)藥、生物和環(huán)境分析領(lǐng)域。

　　問：目前，國內(nèi)外電化學(xué)傳感器的研究熱點與難點都集中到哪些方面?

　　葉建山教授：目前，采用納米技術(shù)，提高電化學(xué)傳感器的選擇性、靈敏度和多目標(biāo)同時測定，成了國內(nèi)外研究熱點，具體地說，集中在碳納米管和石墨烯傳感器的制備和產(chǎn)業(yè)化。

　　碳納米管被認(rèn)為是一種性能優(yōu)異的新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料，世界各國均在其制備和應(yīng)用方面投入大量的研究開發(fā)力量，期望能占領(lǐng)該技術(shù)領(lǐng)域的“制高點”。碳納米管傳感器是目前納米傳感器的最重要平臺，在航天、機械、儀器儀表、汽車制造、油氣勘探、電子工程及醫(yī)療器械行業(yè)都有廣泛用途，并已經(jīng)成為相關(guān)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件。而石墨烯的出現(xiàn)，要比碳納米管更晚，但在近幾年已經(jīng)超越了碳納米管成為國際新熱點。

　　納米材料傳感器與電化學(xué)儀器的結(jié)合之所以成為熱點，主要還是因為在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的成本和運營方面，比光譜類儀器有巨大的優(yōu)勢。隨著新型功能化納米材料的不斷涌現(xiàn)，電化學(xué)傳感器的一些缺陷將被克服，并在工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控和醫(yī)療領(lǐng)域展示其應(yīng)用價值，尤其是在新型的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，可以應(yīng)用到生命科學(xué)、環(huán)境、健康、國防等眾多領(lǐng)域。

　　問：目前，國內(nèi)重金屬污染事故頻發(fā)，電化學(xué)傳感器技術(shù)在重金屬檢測中又有哪些獨特優(yōu)勢?

　　葉建山教授：近年來，重金屬污染事故頻發(fā)，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟損失。各級政府對重金屬污染的監(jiān)控和治理十分重視。其中，重金屬分析，特別是重金屬污染事故的快速跟蹤監(jiān)測技術(shù)，一直是人們關(guān)注和研究的課題。

　　目前檢測重金屬的技術(shù)主要有光譜法和電化學(xué)法，光譜法包括AAS、ICP-MS、ICP-AES、AFS等;電化學(xué)法包括伏安法、極譜法、電位分析法等。這些方法在不同的領(lǐng)域和檢測環(huán)境需求中發(fā)揮各自的優(yōu)勢。電化學(xué)傳感器技術(shù)屬于電化學(xué)法，在重金屬檢測中具有獨特特點和優(yōu)點，包括：

　　(1)便攜和低成本

　　隨著微電子技術(shù)和納米材料科學(xué)的快速發(fā)展，電化學(xué)傳感器朝著微型化和智能化發(fā)展，在重金屬檢測中具有便攜和低成本的明顯優(yōu)勢，特別是應(yīng)對重金屬突發(fā)事故，可以現(xiàn)場進行監(jiān)控，而且其使用和維護成本比較低。

　　(2)操作簡單、選擇性好、靈敏度高和多元素同時檢測

　　納米材料，比如碳納米管、金納米顆粒等，處于宏觀體系和微觀體系之間的過渡區(qū)域，是由數(shù)目極少的原子或分子組成的原子群。這一結(jié)構(gòu)特征使納米材料具有獨特的微尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)，表現(xiàn)出不同于宏觀材料的電化學(xué)催化、特殊電子轉(zhuǎn)移性能等。納米材料在電化學(xué)傳感器的廣泛應(yīng)用，使電化學(xué)傳感器在重金屬檢測中具有操作簡單、選擇性好、靈敏度高和多元素同時檢測的優(yōu)點，極大的拓寬其在重金屬離子監(jiān)測的應(yīng)用范圍，在重金屬痕量分析方法中占有越來越重要的地位。

　　“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，或?qū)⑹请娀瘜W(xué)傳感器獲得大發(fā)展的契機”

　　問：請您談?wù)勲娀瘜W(xué)傳感器的未來發(fā)展前景?

　　葉建山教授：電化學(xué)傳感器具有十分廣闊的市場，僅經(jīng)典的pH傳感器，每年全球的市場近100億美元，另外一種電化學(xué)傳感器--血糖儀，其市場規(guī)模也達到50億美元以上。隨著無線技術(shù)、微電子技術(shù)和納米材料的快速發(fā)展，電化學(xué)傳感器在許多領(lǐng)域?qū)@得前所未有的機會，尤其在環(huán)境監(jiān)控、食品安全和原材料質(zhì)控等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴺O廣泛的應(yīng)用前景。

　　國家在“十二五”規(guī)劃發(fā)展期間，環(huán)保設(shè)備和監(jiān)控領(lǐng)域的市場達5000億元，并且以每年15%的速度增長？梢灶A(yù)見，利用新技術(shù)和新材料，緊密結(jié)合中國的市場實際，開發(fā)簡單、實用、自動化、免維護的傳感器，在水質(zhì)、大氣、工業(yè)過程監(jiān)測和健康監(jiān)控領(lǐng)域?qū)⒕哂惺謴V闊的市場。

　　問：請介紹一下您在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域的相關(guān)研究成果情況?

　　葉建山教授：我多年來主要從事高靈敏度和高選擇性的電化學(xué)傳感器研究。在新加坡國立大學(xué)工作中，主要研制基于碳納米管等材料的電化學(xué)傳感器等高端傳感器，并參與了新加坡國立大學(xué)、新加坡國防科技局和美國麻省理工學(xué)院聯(lián)合的新型納米傳感器和生物傳感器等國際領(lǐng)先的研發(fā)項目。例如，我們發(fā)現(xiàn)，利用強氧化的方法，打開碳納米管的頭部，將功能化基團修飾在碳納米管的表面，大大提高了碳納米管的電催化作用和加快電子傳遞速度，成功發(fā)展了陣列微傳感器。同時，我們還研制了一系列電化學(xué)傳感器配套儀器。

　　此外，我們還在石墨烯傳感材料和傳感器研發(fā)方面取得了國際領(lǐng)先的進展。石墨烯是2004年才被發(fā)現(xiàn)的一種新型二維平面納米材料，其特殊的單原子層結(jié)構(gòu)決定了它具有豐富而新奇的物理性質(zhì)。過去幾年中，石墨烯開始超越碳納米管成為備受矚目的國際前沿和熱點，是新材料和凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的新增長點，發(fā)現(xiàn)者因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。相應(yīng)的各國投入了大量的科研力量到石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化工作中，而我們也已經(jīng)掌握了合成石墨烯納米材料的多項核心技術(shù)。

　　問：請談?wù)劥舜螐V州開發(fā)區(qū)政府給予1500萬資助的“物聯(lián)網(wǎng)中的微納米環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”項目前景、目前進展以及預(yù)期目標(biāo)情況?

　　葉建山教授：物聯(lián)網(wǎng)是“十二五”期間我國重點發(fā)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)不完全了解，目前全國已有28個省市將物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點之一。廣東省政府2010年12月發(fā)布了《關(guān)于加快發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)智慧廣東的實施意見》，《廣州市“十二五”信息化發(fā)展規(guī)劃》也計劃5年內(nèi)廣州物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達千億元。《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出加快推進重點行業(yè)和重點領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)先導(dǎo)應(yīng)用。

　　我們“物聯(lián)網(wǎng)中的微納米環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”項目希望抓住這個契機，為我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)做出自己的貢獻，也使企業(yè)有飛躍式的發(fā)展。和3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，我們計劃構(gòu)建全面的智慧型環(huán)境和健康監(jiān)測無線傳感網(wǎng)，實現(xiàn)檢測的遠程傳送、反饋、監(jiān)控。

　　傳感器處在物聯(lián)網(wǎng)金字塔的塔座，所以我們項目重點發(fā)展的基于碳納米管和石墨烯的納米傳感器，致力于研究、開發(fā)和制造基于新型納米傳感器的環(huán)境保護、分析測試等領(lǐng)域的高端產(chǎn)品，如pH傳感器、氣體分子傳感器、分子傳感器和水體毒性傳感器等，從而提供全面、專業(yè)的環(huán)境和健康應(yīng)用解決方案及服務(wù)。

　　“眾多科研成果急需產(chǎn)業(yè)化，國外先進理念值得借鑒”

　　問：據(jù)了解，您在回國后創(chuàng)建了廣州盈思傳感科技有限公司。有了自己的公司，那么您的科研成果產(chǎn)業(yè)化就有了很好的途徑，請您介紹一下這方面的情況?

　　葉建山教授：這些年來，公司利用納米科技自主研發(fā)了高靈敏度和選擇性的重金屬傳感器，掌握了重金屬監(jiān)控的核心關(guān)鍵技術(shù)。該傳感器具有選擇性好、所需試樣少，且操作簡便的優(yōu)點，其測定結(jié)果與ICP-AES所測結(jié)果相比，具有非常好的一致性。國際上，同類產(chǎn)品與我們達到同一技術(shù)水平的只有一、二家外國儀器公司。

　　公司目前已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)便攜式重金屬檢測系統(tǒng)、臺式和在線式重金屬檢測系統(tǒng)，并獲得了國家計量認(rèn)證，進入重金屬環(huán)境監(jiān)控市場，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

　　公司充分發(fā)揮在納米材料和電化學(xué)領(lǐng)域的長期積累，開發(fā)出了若干具有國際領(lǐng)先水平的在線和便攜式水常規(guī)監(jiān)測儀器。例如，我們的便攜式和在線COD監(jiān)測儀，采用獨有的納米羥自由基電極法，既不外加氧化劑，也不加熱消解水樣，測定過程無需校正，極大縮短了分析流程，還克服了傳統(tǒng)方法中“二次污染”的問題，代表了COD測定方法的突破。采用羥自由基電化學(xué)傳感器的便攜式COD儀器，國際上僅有盈思公司擁有，技術(shù)國際領(lǐng)先，在環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域已得到較廣泛的應(yīng)用。

　　此外，公司的水中持久性有機污染物(POPs)電化學(xué)自動在線檢測平臺、氰化物自動監(jiān)測儀及生物毒性預(yù)警監(jiān)控設(shè)備也已基本完成產(chǎn)業(yè)化前期的研發(fā)工作。這幾種儀器都是我國急需的，列入了《國家鼓勵發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄》(2011年版)。

　　問：請談?wù)勀趧?chuàng)業(yè)過程中所面臨的困難與挑戰(zhàn)?

　　葉建山教授：在創(chuàng)業(yè)的最初幾年，我們團隊專注于技術(shù)研發(fā)和做好、做精每一個產(chǎn)品，忽視了企業(yè)的商業(yè)運作，對于國內(nèi)的政策和環(huán)境也了解得不夠，在“做”企業(yè)的思路上沒有很快適應(yīng)國內(nèi)的要求。

　　我本人作為一個專注技術(shù)領(lǐng)域的科研人員，企業(yè)經(jīng)營和管理不是我的強項。在國內(nèi)往往要求科技企業(yè)的創(chuàng)業(yè)者，至少在早期是全能型選手，即要有較強的科研能力，也要能夠把握外部資源并有效運用。我們有很好的產(chǎn)品和技術(shù)，但是當(dāng)重大的市場機會出現(xiàn)時，企業(yè)往往缺乏抓住市場機遇的能力，所以要求我們?nèi)W(xué)習(xí)很多以前不了解的東西，找準(zhǔn)發(fā)力點。

　　問：您在新加坡學(xué)習(xí)工作了5年多，請談?wù)勑录悠略诳蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化方面都有哪些經(jīng)驗值得我們國內(nèi)借鑒?

　　葉建山教授：新加坡的科技創(chuàng)新能力很強，在世界各機構(gòu)和媒體的排名中，都穩(wěn)居前五。其政府對科技扶持力度強，大量投入科研資金并對資金使用進行科學(xué)管理，整個國家研發(fā)投入在GDP中的比重達到了3%，科研以實用技術(shù)為主，強調(diào)科技創(chuàng)新和科研成果商業(yè)化。

　　新加坡的科技體系很開放，通過國家的資金、軟硬環(huán)境，建立了大批的國際一流研發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施，從而引來眾多的跨國公司和國際專家。以國防領(lǐng)域為例，國立大學(xué)獲得約4%的國防經(jīng)費用于研發(fā)，相關(guān)機構(gòu)又與澳大利亞、法國、以色列和美國等國防科技發(fā)達的國家建立了大規(guī)模的國防科技合作關(guān)系。

　　如果總結(jié)一下特點，我覺得可以概括成：基礎(chǔ)設(shè)施好、科研資金充足、發(fā)展方向明確、法律環(huán)境優(yōu)異、開放合作等等。中國在很多方面，都在借鑒國外的先進理念和做法，雖然有個時間差，但一定會有后發(fā)優(yōu)勢。

　　附錄：華南理工大學(xué)葉建山教授簡介

　　葉建山，1990年在華東師范大學(xué)化學(xué)系獲得學(xué)士學(xué)位，1993年獲得碩士學(xué)位，1999年獲得香港科技大學(xué)化學(xué)系博士學(xué)位，2000年至2001年在香港大學(xué)醫(yī)學(xué)院從事博士后研究，2001年至2006年在新加坡國立大學(xué)生物科學(xué)系任研究員，2006年至今為華南理工大學(xué)化學(xué)科學(xué)學(xué)院教授。目前主要從事納米電化學(xué)、傳感器和電化學(xué)分析儀器等方面的研究工作。