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叶建山:电化学传感器发展步入“春天”——访华南理工大学叶建山教授
 
 
人物介绍:

叶建山,1990年在华东师范大学化学系获得学士学位,1993年获得硕士学位,1999年获得香港科技大学化学系博士学位,2000年至2001年在香港大学医学院从事博士后研究,2001年至2006年在新加坡国立大学生物科学系任研究员,2006年至今为华南理工大学化学科学学院教授。目前主要从事纳米电化学、传感器和电化学分析仪器等方面的研究工作。
 

 
访谈报道

多年来,华南理工大学叶建山教授一直从事纳米电化学、传感器及生物传感器和电化学分析仪器等方面的研究工作,2001年至2006年间任职于新加坡国立大学,回国后任华南理工大学化学科学学院教授的同时,创建了广州盈思传感科技有限公司,并研制出国际领先、国内第一套拥有自主知识产权的高精度便携式重金属检测系统等高端设备和传感器。

华南理工大学叶建山教授

  叶建山教授不但是电化学传感器技术研究的资深专家,也是一家分析仪器企业的创始人。我们相信,拥有这两个不同身份的叶建山教授,对于电化学传感器这一学科的发展历程、现今热点乃至未来发展趋势,以及该技术的产业化等必然有着自己独特的视角以及看法。为此,仪器信息网于近期采访了叶建山教授。

“纳米材料传感器与电化学仪器的结合,是目前研究热点”

  Instrument:首先请您为我们介绍一下,电化学传感器发展过程中经历了哪些里程碑式进展?

  叶建山教授:电化学传感器用来测定目标分子或物质的电学和电化学性质,从而进行定性和定量的分析和测量。电化学传感器的发展具有悠久的历史,它的基本理论和技术发展与电分析化学密切相关,最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代,并随着微电子和材料加工技术不断更新而发展。

  1959年,捷克科学家海洛夫斯基发明伏安分析法而获诺贝尔化学奖。伏安法之一的极谱法,可以区分不同价态的金属离子或键合态及游离的金属离子,因此可以对生物利用率和重金属毒性进行评估,使其成为环境分析所必须的技术。电极是伏安法仪器的核心部分,因为电极材料的限制,造成灵敏度低、检测时间长、操作较复杂或重现性差等缺陷,使得伏安法没有获得广泛的应用。

  20世纪60年代离子选择性电极及酶电极相继问世,电化学传感器进入了稳定发展时期,在环境监控、医药分析、在线分析等方面获得广泛应用。20世纪70年代,科学家利用化学修饰电极,改变电极表面结构以控制电化学过程,标志着电化学传感器的功能化修饰和控制进入分子水平。

  近年来,随着纳米材料科学和微电子技术的快速发展,新原理、新技术、新材料和新工艺的广泛采用,传感器在小型化、微型化、智能化方向得到了日新月异的发展,具有特殊性能和优点的电化学传感器不断涌现并进入实际应用。在欧美,伏安法已经取代了传统的原子吸收法大量应用于医药、生物和环境分析领域。

  Instrument:目前,国内外电化学传感器的研究热点与难点都集中到哪些方面?

  叶建山教授:目前,采用纳米技术,提高电化学传感器的选择性、灵敏度和多目标同时测定,成了国内外研究热点,具体地说,集中在碳纳米管和石墨烯传感器的制备和产业化。

  碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料,世界各国均在其制备和应用方面投入大量的研究开发力量,期望能占领该技术领域的“制高点”。碳纳米管传感器是目前纳米传感器的最重要平台,在航天、机械、仪器仪表、汽车制造、油气勘探、电子工程及医疗器械行业都有广泛用途,并已经成为相关技术发展的基础条件。而石墨烯的出现,要比碳纳米管更晚,但在近几年已经超越了碳纳米管成为国际新热点。

  纳米材料传感器与电化学仪器的结合之所以成为热点,主要还是因为在构建物联网的成本和运营方面,比光谱类仪器有巨大的优势。随着新型功能化纳米材料的不断涌现,电化学传感器的一些缺陷将被克服,并在工农业、环境监控和医疗领域展示其应用价值,尤其是在新型的物联网建设中,可以应用到生命科学、环境、健康、国防等众多领域。

  Instrument:目前,国内重金属污染事故频发,电化学传感器技术在重金属检测中又有哪些独特优势?

  叶建山教授:近年来,重金属污染事故频发,造成了严重的环境污染和经济损失。各级政府对重金属污染的监控和治理十分重视。其中,重金属分析,特别是重金属污染事故的快速跟踪监测技术,一直是人们关注和研究的课题。

  目前检测重金属的技术主要有光谱法和电化学法,光谱法包括AAS、ICP-MS、ICP-AES、AFS等;电化学法包括伏安法、极谱法、电位分析法等。这些方法在不同的领域和检测环境需求中发挥各自的优势。电化学传感器技术属于电化学法,在重金属检测中具有独特特点和优点,包括:

  (1)便携和低成本

  随着微电子技术和纳米材料科学的快速发展,电化学传感器朝着微型化和智能化发展,在重金属检测中具有便携和低成本的明显优势,特别是应对重金属突发事故,可以现场进行监控,而且其使用和维护成本比较低。

  (2)操作简单、选择性好、灵敏度高和多元素同时检测

  纳米材料,比如碳纳米管、金纳米颗粒等,处于宏观体系和微观体系之间的过渡区域,是由数目极少的原子或分子组成的原子群。这一结构特征使纳米材料具有独特的微尺寸效应、表面效应和量子效应,表现出不同于宏观材料的电化学催化、特殊电子转移性能等。纳米材料在电化学传感器的广泛应用,使电化学传感器在重金属检测中具有操作简单、选择性好、灵敏度高和多元素同时检测的优点,极大的拓宽其在重金属离子监测的应用范围,在重金属痕量分析方法中占有越来越重要的地位。

“物联网技术,或将是电化学传感器获得大发展的契机”

  Instrument:请您谈谈电化学传感器的未来发展前景?

  叶建山教授:电化学传感器具有十分广阔的市场,仅经典的pH传感器,每年全球的市场近100亿美元,另外一种电化学传感器--血糖仪,其市场规模也达到50亿美元以上。随着无线技术、微电子技术和纳米材料的快速发展,电化学传感器在许多领域将获得前所未有的机会,尤其在环境监控、食品安全和原材料质控等领域将有着极广泛的应用前景。

  国家在“十二五”规划发展期间,环保设备和监控领域的市场达5000亿元,并且以每年15%的速度增长。可以预见,利用新技术和新材料,紧密结合中国的市场实际,开发简单、实用、自动化、免维护的传感器,在水质、大气、工业过程监测和健康监控领域将具有十分广阔的市场。

  Instrument:请介绍一下您在电化学传感器领域的相关研究成果情况?

  叶建山教授:我多年来主要从事高灵敏度和高选择性的电化学传感器研究。在新加坡国立大学工作中,主要研制基于碳纳米管等材料的电化学传感器等高端传感器,并参与了新加坡国立大学、新加坡国防科技局和美国麻省理工学院联合的新型纳米传感器和生物传感器等国际领先的研发项目。例如,我们发现,利用强氧化的方法,打开碳纳米管的头部,将功能化基团修饰在碳纳米管的表面,大大提高了碳纳米管的电催化作用和加快电子传递速度,成功发展了阵列微传感器。同时,我们还研制了一系列电化学传感器配套仪器。

  此外,我们还在石墨烯传感材料和传感器研发方面取得了国际领先的进展。石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面纳米材料, 其特殊的单原子层结构决定了它具有丰富而新奇的物理性质。过去几年中, 石墨烯开始超越碳纳米管成为备受瞩目的国际前沿和热点,是新材料和凝聚态物理等领域的新增长点,发现者因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。相应的各国投入了大量的科研力量到石墨烯的研究和产业化工作中,而我们也已经掌握了合成石墨烯纳米材料的多项核心技术。

  Instrument:请谈谈此次广州开发区政府给予1500万资助的“物联网中的微纳米环境监测系统”项目前景、目前进展以及预期目标情况?

  叶建山教授:物联网是“十二五”期间我国重点发战略性新兴产业之一。据不完全了解,目前全国已有28个省市将物联网作为新兴产业发展重点之一。广东省政府2010年12月发布了《关于加快发展物联网建设智慧广东的实施意见》,《广州市“十二五”信息化发展规划》也计划5年内广州物联网产业产值将达千亿元。《物联网“十二五”发展规划》明确提出加快推进重点行业和重点领域的物联网先导应用。

  我们“物联网中的微纳米环境监测系统”项目希望抓住这个契机,为我国物联网产业做出自己的贡献,也使企业有飞跃式的发展。和3G网络结合,我们计划构建全面的智慧型环境和健康监测无线传感网,实现检测的远程传送、反馈、监控。

  传感器处在物联网金字塔的塔座,所以我们项目重点发展的基于碳纳米管和石墨烯的纳米传感器,致力于研究、开发和制造基于新型纳米传感器的环境保护、分析测试等领域的高端产品,如pH传感器、气体分子传感器、分子传感器和水体毒性传感器等,从而提供全面、专业的环境和健康应用解决方案及服务。

“众多科研成果急需产业化,国外先进理念值得借鉴”

  Instrument:据了解,您在回国后创建了广州盈思传感科技有限公司。有了自己的公司,那么您的科研成果产业化就有了很好的途径,请您介绍一下这方面的情况?

  叶建山教授:这些年来,公司利用纳米科技自主研发了高灵敏度和选择性的重金属传感器,掌握了重金属监控的核心关键技术。该传感器具有选择性好、所需试样少,且操作简便的优点,其测定结果与ICP-AES所测结果相比,具有非常好的一致性。国际上,同类产品与我们达到同一技术水平的只有一、二家外国仪器公司。

 

IGS10M系列重金属便携式检测系统

  公司目前已产业化生产便携式重金属检测系统、台式和在线式重金属检测系统,并获得了国家计量认证,进入重金属环境监控市场,取得了良好的经济和社会效益。

  公司充分发挥在纳米材料和电化学领域的长期积累,开发出了若干具有国际领先水平的在线和便携式水常规监测仪器。例如,我们的便携式和在线COD监测仪,采用独有的纳米羥自由基电极法,既不外加氧化剂,也不加热消解水样,测定过程无需校正,极大缩短了分析流程,还克服了传统方法中“二次污染”的问题,代表了COD测定方法的突破。采用羥自由基电化学传感器的便携式COD仪器,国际上仅有盈思公司拥有,技术国际领先,在环境监控领域已得到较广泛的应用。

  此外,公司的水中持久性有机污染物(POPs)电化学自动在线检测平台、氰化物自动监测仪及生物毒性预警监控设备也已基本完成产业化前期的研发工作。这几种仪器都是我国急需的,列入了《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录》(2011年版)。

 

广州盈思传感科技有限公司研发部

  Instrument:请谈谈您在创业过程中所面临的困难与挑战?

  叶建山教授:在创业的最初几年,我们团队专注于技术研发和做好、做精每一个产品,忽视了企业的商业运作,对于国内的政策和环境也了解得不够,在“做”企业的思路上没有很快适应国内的要求。

  我本人作为一个专注技术领域的科研人员,企业经营和管理不是我的强项。在国内往往要求科技企业的创业者,至少在早期是全能型选手,即要有较强的科研能力,也要能够把握外部资源并有效运用。我们有很好的产品和技术,但是当重大的市场机会出现时,企业往往缺乏抓住市场机遇的能力,所以要求我们去学习很多以前不了解的东西,找准发力点。

  Instrument:您在新加坡学习工作了5年多,请谈谈新加坡在科研成果产业化方面都有哪些经验值得我们国内借鉴?

  叶建山教授:新加坡的科技创新能力很强,在世界各机构和媒体的排名中,都稳居前五。其政府对科技扶持力度强,大量投入科研资金并对资金使用进行科学管理,整个国家研发投入在GDP中的比重达到了3%,科研以实用技术为主,强调科技创新和科研成果商业化。

  新加坡的科技体系很开放,通过国家的资金、软硬环境,建立了大批的国际一流研发基础设施,从而引来众多的跨国公司和国际专家。以国防领域为例,国立大学获得约4%的国防经费用于研发,相关机构又与澳大利亚、法国、以色列和美国等国防科技发达的国家建立了大规模的国防科技合作关系。

  如果总结一下特点,我觉得可以概括成:基础设施好、科研资金充足、发展方向明确、法律环境优异、开放合作等等。中国在很多方面,都在借鉴国外的先进理念和做法,虽然有个时间差,但一定会有后发优势。

 

采访现场
 

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