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叶建山:电化学传感器发展步入“春天”

导读: 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。

  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。

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