葉建山:電化學傳感器發展步入「春天」——訪華南理工大學葉建山教授

　　多年來，華南理工大學葉建山教授一直從事納米電化學、傳感器及生物傳感器和電化學分析儀器等方面的研究工作，2001年至2006年間任職於新加坡國立大學，回國後任華南理工大學化學科學學院教授的同時，創建了廣州盈思傳感科技有限公司，並研製出國際領先、國內第一套擁有自主智慧財產權的高精度可攜式重金屬檢測系統等高端設備和傳感器。

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研究的資深專家，也是一家分析儀器企業的創始人。我們相信，擁有這兩個不同身份的葉建山教授，對於電化學傳感器這一學科的發展歷程、現今熱點乃至未來發展趨勢，以及該技術的產業化等必然有著自己獨特的視角以及看法。為此，儀器信息網於近期採訪了葉建山教授。

「納米材料傳感器與電化學儀器的結合，是目前研究熱點」

　　Instrument：首先請您為我們介紹一下，電化學傳感器發展過程中經歷了哪些裡程碑式進展?

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

　　1959年，捷克科學家海洛夫斯基發明伏安分析法而獲諾貝爾化學獎。伏安法之一的極譜法，可以區分不同價態的金屬離子或鍵合態及游離的金屬離子，因此可以對生物利用率和重金屬毒性進行評估，使其成為環境分析所必須的技術。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、操作較複雜或重現性差等缺陷，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定發展時期，在環境監控、醫藥分析、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，改變電極表面結構以控制電化學過程，標誌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的快速發展，新原理、新技術、新材料和新工藝的廣泛採用，傳感器在小型化、微型化、智能化方向得到了日新月異的發展，具有特殊性能和優點的電化學傳感器不斷湧現並進入實際應用。在歐美，伏安法已經取代了傳統的原子吸收法大量應用於醫藥、生物和環境分析領域。

　　Instrument：目前，國內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，採用納米技術，提高電化學傳感器的選擇性、靈敏度和多目標同時測定，成了國內外研究熱點，具體地說，集中在碳納米管和石墨烯傳感器的製備和產業化。

　　碳納米管被認為是一種性能優異的新型功能材料和結構材料，世界各國均在其製備和應用方面投入大量的研究開發力量，期望能佔領該技術領域的「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、汽車製造、油氣勘探、電子工程及醫療器械行業都有廣泛用途，並已經成為相關技術發展的基礎條件。而石墨烯的出現，要比碳納米管更晚，但在近幾年已經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合之所以成為熱點，主要還是因為在構建物聯網的成本和運營方面，比光譜類儀器有巨大的優勢。隨著新型功能化納米材料的不斷湧現，電化學傳感器的一些缺陷將被克服，並在工農業、環境監控和醫療領域展示其應用價值，尤其是在新型的物聯網建設中，可以應用到生命科學、環境、健康、國防等眾多領域。

　　Instrument：目前，國內重金屬汙染事故頻發，電化學傳感器技術在重金屬檢測中又有哪些獨特優勢?

　　葉建山教授：近年來，重金屬汙染事故頻發，造成了嚴重的環境汙染和經濟損失。各級政府對重金屬汙染的監控和治理十分重視。其中，重金屬分析，特別是重金屬汙染事故的快速跟蹤監測技術，一直是人們關注和研究的課題。

　　目前檢測重金屬的技術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域和檢測環境需求中發揮各自的優勢。電化學傳感器技術屬於電化學法，在重金屬檢測中具有獨特特點和優點，包括：

　　(1)便攜和低成本

　　隨著微電子技術和納米材料科學的快速發展，電化學傳感器朝著微型化和智能化發展，在重金屬檢測中具有便攜和低成本的明顯優勢，特別是應對重金屬突發事故，可以現場進行監控，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，處於宏觀體系和微觀體系之間的過渡區域，是由數目極少的原子或分子組成的原子群。這一結構特徵使納米材料具有獨特的微尺寸效應、表面效應和量子效應，表現出不同於宏觀材料的電化學催化、特殊電子轉移性能等。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點，極大的拓寬其在重金屬離子監測的應用範圍，在重金屬痕量分析方法中佔有越來越重要的地位。

「物聯網技術，或將是電化學傳感器獲得大發展的契機」

　　Instrument：請您談談電化學傳感器的未來發展前景?

　　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，其市場規模也達到50億美元以上。隨著無線技術、微電子技術和納米材料的快速發展，電化學傳感器在許多領域將獲得前所未有的機會，尤其在環境監控、食品安全和原材料質控等領域將有著極廣泛的應用前景。

　　國家在「十二五」規劃發展期間，環保設備和監控領域的市場達5000億元，並且以每年15%的速度增長。可以預見，利用新技術和新材料，緊密結合中國的市場實際，開發簡單、實用、自動化、免維護的傳感器，在水質、大氣、工業過程監測和健康監控領域將具有十分廣闊的市場。

　　Instrument：請介紹一下您在電化學傳感器領域的相關研究成果情況?

　　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，主要研製基於碳納米管等材料的電化學傳感器等高端傳感器，並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合的新型納米傳感器和生物傳感器等國際領先的研發項目。例如，我們發現，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，成功發展了陣列微傳感器。同時，我們還研製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方面取得了國際領先的進展。石墨烯是2004年才被發現的一種新型二維平面納米材料, 其特殊的單原子層結構決定了它具有豐富而新奇的物理性質。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，是新材料和凝聚態物理等領域的新增長點，發現者因此獲得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業化工作中，而我們也已經掌握了合成石墨烯納米材料的多項核心技術。

　　Instrument：請談談此次廣州開發區政府給予1500萬資助的「物聯網中的微納米環境監測系統」項目前景、目前進展以及預期目標情況?

　　葉建山教授：物聯網是「十二五」期間我國重點發戰略性新興產業之一。據不完全了解，目前全國已有28個省市將物聯網作為新興產業發展重點之一。廣東省政府2010年12月發布了《關於加快發展物聯網建設智慧廣東的實施意見》，《廣州市「十二五」信息化發展規劃》也計劃5年內廣州物聯網產業產值將達千億元。《物聯網「十二五」發展規劃》明確提出加快推進重點行業和重點領域的物聯網先導應用。

　　我們「物聯網中的微納米環境監測系統」項目希望抓住這個契機，為我國物聯網產業做出自己的貢獻，也使企業有飛躍式的發展。和3G網絡結合，我們計劃構建全面的智慧型環境和健康監測無線傳感網，實現檢測的遠程傳送、反饋、監控。

　　傳感器處在物聯網金字塔的塔座，所以我們項目重點發展的基於碳納米管和石墨烯的納米傳感器，致力於研究、開發和製造基於新型納米傳感器的環境保護、分析測試等領域的高端產品，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、專業的環境和健康應用解決方案及服務。

「眾多科研成果急需產業化，國外先進理念值得借鑑」

　　Instrument：據了解，您在回國後創建了廣州盈思傳感科技有限公司。有了自己的公司，那麼您的科研成果產業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了高靈敏度和選擇性的重金屬傳感器，掌握了重金屬監控的核心關鍵技術。該傳感器具有選擇性好、所需試樣少，且操作簡便的優點，其測定結果與ICP-AES所測結果相比，具有非常好的一致性。國際上，同類產品與我們達到同一技術水平的只有一、二家外國儀器公司。

IGS10M系列重金屬可攜式檢測系統

　　公司目前已產業化生產可攜式重金屬檢測系統、臺式和在線式重金屬檢測系統，並獲得了國家計量認證，進入重金屬環境監控市場，取得了良好的經濟和社會效益。

　　公司充分發揮在納米材料和電化學領域的長期積累，開發出了若干具有國際領先水平的在線和可攜式水常規監測儀器。例如，我們的可攜式和在線COD監測儀，採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，還克服了傳統方法中「二次汙染」的問題，代表了COD測定方法的突破。採用羥自由基電化學傳感器的可攜式COD儀器，國際上僅有盈思公司擁有，技術國際領先，在環境監控領域已得到較廣泛的應用。

　　此外，公司的水中持久性有機汙染物(POPs)電化學自動在線檢測平臺、氰化物自動監測儀及生物毒性預警監控設備也已基本完成產業化前期的研發工作。這幾種儀器都是我國急需的，列入了《國家鼓勵發展的重大環保技術裝備目錄》(2011年版)。

廣州盈思傳感科技有限公司研發部

　　Instrument：請談談您在創業過程中所面臨的困難與挑戰?

　　葉建山教授：在創業的最初幾年，我們團隊專注於技術研發和做好、做精每一個產品，忽視了企業的商業運作，對於國內的政策和環境也了解得不夠，在「做」企業的思路上沒有很快適應國內的要求。

　　我本人作為一個專注技術領域的科研人員，企業經營和管理不是我的強項。在國內往往要求科技企業的創業者，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並有效運用。我們有很好的產品和技術，但是當重大的市場機會出現時，企業往往缺乏抓住市場機遇的能力，所以要求我們去學習很多以前不了解的東西，找準發力點。

　　Instrument：您在新加坡學習工作了5年多，請談談新加坡在科研成果產業化方面都有哪些經驗值得我們國內借鑑?

　　葉建山教授：新加坡的科技創新能力很強，在世界各機構和媒體的排名中，都穩居前五。其政府對科技扶持力度強，大量投入科研資金並對資金使用進行科學管理，整個國家研發投入在GDP中的比重達到了3%，科研以實用技術為主，強調科技創新和科研成果商業化。

　　新加坡的科技體系很開放，通過國家的資金、軟硬環境，建立了大批的國際一流研發基礎設施，從而引來眾多的跨國公司和國際專家。以國防領域為例，國立大學獲得約4%的國防經費用於研發，相關機構又與澳大利亞、法國、以色列和美國等國防科技發達的國家建立了大規模的國防科技合作關係。

　　如果總結一下特點，我覺得可以概括成：基礎設施好、科研資金充足、發展方向明確、法律環境優異、開放合作等等。中國在很多方面，都在借鑑國外的先進理念和做法，雖然有個時間差，但一定會有後發優勢。

採訪現場

　　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年在華東師範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年在香港大學醫學院從事博士後研究，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。