葉建山:電化學傳感器發(fā)展步入“春天”——訪華南理工大學葉建山教授
華南理工大學葉建山教授
葉建山教授不但是電化學傳感器技術(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,對于電化學傳感器這一學科的發(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,儀器信息網(wǎng)于近期采訪了葉建山教授。
“納米材料傳感器與電化學儀器的結(jié)合,是目前研究熱點”
Instrument:首先請您為我們介紹一下,電化學傳感器發(fā)展過程中經(jīng)歷了哪些里程碑式進展?
葉建山教授:電化學傳感器用來測定目標分子或物質(zhì)的電學和電化學性質(zhì),從而進行定性和定量的分析和測量。電化學傳感器的發(fā)展具有悠久的歷史,它的基本理論和技術(shù)發(fā)展與電分析化學密切相關(guān),最早的電化學傳感器可以追溯到20世紀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,捷克科學家海洛夫斯基發(fā)明伏安分析法而獲諾貝爾化學獎。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、操作較復雜或重現(xiàn)性差等缺陷,使得伏安法沒有獲得廣泛的應用。
20世紀60年代離子選擇性電極及酶電極相繼問世,電化學傳感器進入了穩(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用。20世紀70年代,科學家利用化學修飾電極,改變電極表面結(jié)構(gòu)以控制電化學過程,標志著電化學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)點的電化學傳感器不斷涌現(xiàn)并進入實際應用。在歐美,伏安法已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的原子吸收法大量應用于醫(yī)藥、生物和環(huán)境分析領(lǐng)域。
Instrument:目前,國內(nèi)外電化學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),提高電化學傳感器的選擇性、靈敏度和多目標同時測定,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)域展示其應用價值,尤其是在新型的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中,可以應用到生命科學、環(huán)境、健康、國防等眾多領(lǐng)域。
Instrument:目前,國內(nèi)重金屬污染事故頻發(fā),電化學傳感器技術(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法,光譜法包括AAS、ICP-MS、ICP-AES、AFS等;電化學法包括伏安法、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。電化學傳感器技術(shù)屬于電化學法,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)和納米材料科學的快速發(fā)展,電化學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、表面效應和量子效應,表現(xiàn)出不同于宏觀材料的電化學催化、特殊電子轉(zhuǎn)移性能等。納米材料在電化學傳感器的廣泛應用,使電化學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傳感器獲得大發(fā)展的契機”
Instrument:請您談?wù)勲娀瘜W傳感器的未來發(fā)展前景?
葉建山教授:電化學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。
Instrument:請介紹一下您在電化學傳感器領(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傳感器研究。在新加坡國立大學工作中,主要研制基于碳納米管等材料的電化學傳感器等高端傳感器,并參與了新加坡國立大學、新加坡國防科技局和美國麻省理工學院聯(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年度諾貝爾物理學獎。相應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)。
Instrument: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、目前進展以及預期目標情況?
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?!段锫?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)先導應用。
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”
Instrument: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。
IGS10M系列重金屬便攜式檢測系統(tǒng)
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用。
此外,公司的水中持久性有機污染物(POPs)電化學自動在線檢測平臺、氰化物自動監(jiān)測儀及生物毒性預警監(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)。
廣州盈思傳感科技有限公司研發(fā)部
Instrument: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習很多以前不了解的東西,找準發(fā)力點。
Instrument:您在新加坡學習工作了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。
采訪現(xiàn)場
撰稿編輯:劉豐秋 審校:王海
附錄:華南理工大學葉建山教授簡介
葉建山,1990年在華東師范大學化學系獲得學士學位,1993年獲得碩士學位,1999年獲得香港科技大學化學系博士學位,2000年至2001年在香港大學醫(yī)學院從事博士后研究,2001年至2006年在新加坡國立大學生物科學系任研究員,2006年至今為華南理工大學化學科學學院教授。目前主要從事納米電化學、傳感器和電化學分析儀器等方面的研究工作。