扭力检测仪工作原理

澎湃新闻：《科学中国人》肖贞林著牛利—《科学中国人》封面人物南迁记从长春到广州，从冰天雪地的东北到闷热潮湿的岭南，直线距离跨越3000公里以上，气温从零下一二十摄氏度到接近30摄氏度，最高时可以有四五十摄氏度的温差。还远不止于此，南北两地的环境差异、文化背景差异、饮食习惯差异，更有从科研院所到高校的体制差异，这些都是3年前摆在时任中国科学院长春应用化学研究所研究员牛利面前的一系列难题。2018年，投入重金重建的广州大学为了聚焦粤港澳大湾区建设和“一带一路”倡议，坚持科技创新战略，面向产业和经济社会主战场，强化科研创新能力建设，布局高层次创新人才培养基地和重大科技创新平台，他们投入5000余万元，并以牛利团队为基础筹建起广州大学分析科学技术研究中心，研究方向覆盖从基础科研到应用基础及工程技术、应用开发等整个链条。“说实话，谁也不愿意背井离乡。”牛利坦率地讲，“但是科学研究之路本身就是一个不断挑战和突破局限的过程。广州大学地处大湾区建设的核心区域，拥有雄厚的经济实力和最优质的科研资源，能够打造更大的平台，为国家创造出更大的价值，这一点对于任何一位想在科研路上有所作为的学者而言，恐怕都是难以拒绝的。”同时，在牛利看来，身为一支团队的带头人，同样也要为团队以及团队成员的未来发展承担责任，在关键的十字路口，知道带领团队往哪个方向走，这也是团队带头人的一项基本素质。所以，综合考虑之后，牛利带领着包括7名教授在内的17名成员加入广州大学并成为广州大学分析科学技术研究中心的骨干成员，开启了一段全新挑战的科研旅程。出生于1968年的牛利，博士毕业之后先后在芬兰、丹麦、日本等国的高校和科研院所深造与交流，饱经世界名校的熏陶与磨砺，对于长期钻研的分析化学领域也有了自己独到的认知。他有着东北人基因里特有的幽默细胞，作为化学领域专家，在日常的交流、教学以及学术报告中，牛利经常能以通俗而风趣的语言，将深奥的化学学科介绍、知识应用等专业内容以大众化的方式呈现，让每一位听者“听得懂、听得乐”，从而对分析化学留下深刻的印象。同时，牛利的骨子里也拥有着东北人的直率和嫉恶如仇，尤其是在科学研究的道路上，有一说一，真的就是真的，假的就是假的，他欢迎百家争鸣，但从不会左右逢源，摧眉折腰。这种性格让他在无形中得罪了不少人，但也赢得了更多人的欣赏和尊重。对于自己的脾气，牛利也有着清醒的认识，但从没想着去刻意改变：“管好自己，凡事做到问心无愧就好了。”他之前所在的电分析化学国家重点实验室是中国科学院第一个开放的实验室，也是2001年科技部正式承认的分析化学研究领域的第一个国家重点实验室。这是一个有着辉煌历史和传统的集体，在过去的将近20年间，牛利带领着他的团队长期从事界面电化学、材料电化学、光电功能材料、化学传感、分析仪器化设计等方面研究工作。他经常风趣地介绍说“分析化学是万金油”，因为分析化学已经成为科学技术的眼睛，在人类的生产和生活中的地位越来越重要，任何一个分支学科都少不了使用分析化学去对物质进行分析和表征。“我主要从事的是材料化学的工作。要知道，整个化学所有的学科都离不开各式各样的材料，无论是小分子，还是大分子。”牛利耐心地解释道，“我们的目的就是发现这些材料在界面上能有什么样的聚集行为，对界面带来什么样新的性能，能够产生及合成什么样的新材料。”分析化学除了建立分析方法之外,传感器件和仪器装备也是一个很好的出口。化学传感器是融电子科学、化学科学和材料科学为一体的高技术器件，它可将物理量、化学量转变成便于利用的电信号，并提供给集成的仪器进行信息分析和处理。因此，它不仅可广泛应用于环保、医疗、公共安全、工业过程控制、临床等领域，在基础研究中也占有独特的地位。对于我国的分析仪器行业来说，在过去很长一段时间里，一度有很多核心部件做不了，只能接受被封锁或者被垄断的窘迫局面，这也是牛利和他的团队长久以来一直在寻求突破的课题之一。在10多年之前，牛利课题组针对在研制开发新型的传感器方面缺乏自主原创性的问题，开始了该领域的研究。他们以为新型化学传感器提供新材料为目标，以纳米结构复合材料为突破口，系统研究了纳米结构复合材料设计、合成、性能、微结构等特征，深入探索了基于导电聚合物、碳纳米、金属纳米、离子液体等新型纳米结构复合物材料的化学及电化学制备方法，并成功合成制备了多种新型纳米结构复合材料。这些新型的纳米结构复合材料显示了复杂、特殊的新性能，如高导电性、高生物兼容性、表面增强活性、荧光增强/淬灭特性、电催化活性等，从而为新型化学传感器的研发与制备提供了有力的材料支撑。以此为基础，他们通过纳米加工与组装，如分子印迹、丝网印刷、喷墨打印等技术手段，系统深入地研究了纳米结构复合材料及其组装后的宏观纳米复合体的化学传感特性，着力解决了高通量分析、高灵敏度、高选择性检测分析、实时在线监测分析、快速时间响应等复杂组分分析传感中的重要科学问题，成功制备出多种新型化学敏感材料，并与分析仪器化集成设计相结合，研发出了多种新型电化学检测/监测仪器设备，不仅为我国科学仪器创新做出了积极贡献，也为纳米结构复合材料的合成制备、衍生与掺杂、化学传感芯片的制备及筛选等研究工作的深入开展提供了有力支撑，为国家的经济发展和国防建设贡献了自己的力量。正所谓“一分耕耘，一分收获”，在过去这些年里，牛利主持或者参与的项目先后获得了吉林省科技进步奖一等奖、二等奖，吉林省自然科学奖二等奖，中国侨界贡献一等奖，国家先进材料学会奖，广东省测量控制与仪器仪表科学技术奖二等奖，创业青年长春贡献奖，以及公安部科学技术奖三等奖等一系列的荣誉；与此同时，他也被评为中国科学院“优秀研究生指导教师”、吉林省杰出青年、国家万人计划领军人才、国家科技部中青年科技创新领军人才、吉林省高级专家、吉林省拔尖创新人才、长春市有突出贡献专家、广州市高层次人才杰出专家等称号，获得国家杰出青年基金、国务院政府特殊津贴，同时也是中国化学会高级会员、英国皇家化学会会士，足见国内外同行及国家对于牛利辛勤付出的肯定与嘉奖。牛利团队的团建活动“最后一公里”记者第一次见到牛利是2019年夏天，在广州大学他不足9平方米的办公室里。斗室之内，一张办公桌、两台显示器、三个支架、一张小桌子、一张沙发，再放些实验用的设备器械，就已经被塞得满满当当。很难想象，这是一位科研中心主任的办公场所，就连广州大学的书记来过之后，也对牛利的工作环境深表歉疚，但是牛利却不以为然。“谁都喜欢宽敞明亮，靠山近海的环境，但对我来说，这只不过是一个工作的场所而已，是不断产生新主意、新想法的地方。”牛利对于身外之物看得很淡，“我从东北来到这里，不是来享受的，而是来创造价值，比拼贡献的！”那个下午，牛利办公室的人来来往往，找他签字的、向他汇报工作的、和他协商事情的以及来请教的学生… … 牛利来到广州之后，比以前繁忙了很多。分析科学技术研究中心成立3年来，致力于将基础研究成果与工程技术相结合，在满足国家重大需求的基础上，面向国民经济的主要应用领域，开展应用基础及应用技术研究。在牛利的带领下，研究中已经打造出一支多学科融合的骨干研究团队，并且取得了不俗的成绩。一向低调的他却也不无自信地表示：“其实，在本学科就广东地区而言，我们和中山大学及华南理工大学等名校比起来已经毫不逊色。如果你去我的实验室看看的话，我们很多高尖端的仪器设备在国内其他的高校中也是不常见的。至少几年下来，我们已经做出了自己的特色。”根据2020年5月公布的ESI（Essential Science Indicators）最新数据显示，广州大学“化学”新增进入ESI全球排名前1%，成为全国进步最快的大学之一。在此之前，广州大学化学工程学科就已经进入软科2020年“世界一流学科排名”榜单，化学和化工学科领域的学科建设取得了明显成效，这其中自然少不了牛利及其团队尽心竭力的付出。在国内高校与企业的产学研相结合方面，牛利是公认的典型代表人物。他无时无刻不在思索着两个问题：一个是探索分析化学中的基础性科学问题，另一个则是分析化学与工程结合的产业化问题，要确确实实为国民解决一些难题，创造更大的价值。在牛利看来，目前国内有太多的科研成果躺在实验室的报告里面，高校科研同企业的工程严重脱节。高校只培养人才，产生思想，然而成果却很难转化成为市场生产力，两者之间总还相差着“最后一公里”，而他立志将这“最后一公里”的距离打通。拥有过研究院所和高校科研的工作经验，以及投身商海创业的三重经历是牛利的一个独特优势，这使他经常能够换位思考，他知道企业的难处在哪儿，会去主动结合企业的需求，做到知己知彼，量体裁衣。了解到这些之后，结合高校的研究方向和企业的需要，然后去做，深入之后，效果才会更明显，而不是只为了发表论文而去做一些纸面研究。从2003年以来，牛利带领着团队围绕分析仪器系统控制、工业化标准设计、模块化设计等方面，将新型的电化学传感器及其他一些辅助检测/分析联用，共同合作开发了多种电化学相关仪器设备，面向空气、水体、土壤、食品等各个不同的领域，陆续研制开发出多个系列的仪器产品，打破了进口产品的垄断，实现了中国的分析化学领域的仪器设备从无到有、从有到强的过程，时至今日在国内已经拥有了包括北大、清华、南京大学等众多知名大学院校在内的数百家客户群体。来到广东之后不久，佛山市科技局就与牛利合作开展气体传感器件的成果转化项目；2020年年底，中山市翠亨新区投入重金建立起国内第一个科学仪器产业园，牛利创办的广东鼎诚电子科技有限公司成为第一家入驻园区的分析化学领域的创业公司，在那里，将建立起3条生产线，两条以科研仪器为主，一条以化学制剂管理控制为主，这其中承载着牛利的满腔心血和希望。牛利不是个夸夸其谈的人，在和他的对话中，类似“家国”“情怀”“远景”这样大字眼的词很少出现，他甚至自嘲“没有什么远大的理想，就是想着把手上的成果转化出去，能够用自己擅长的知识面向社会的应用需求，尝试着解决一些实际问题”。但是谁都明白，产业化的道路上并非只有掌声、阳光和收益，也充满了泥泞、艰难和挫折。商场如战场，何况是在目前国内产业化相对不完善的环境下，难免伤痕累累。但是对于遭遇过的不公、非议与白眼，牛利却极少提及。过往20年中那些成功与失败的交错起伏让他已经能够自动屏蔽负能量的东西，更愿意将眼光放得更远，心胸放得更宽。而这一气度的形成，是经过了太多时间上的专注与坚忍，经过了太多世事的磨砺与淬炼后而成的。在分子影像分会成立大会上不做“贫困线下学者”习近平总书记曾经说过：“谁拥有了一流创新人才、拥有了一流科学家，谁就能在科技创新中占据优势。”硬实力、软实力，归根到底要靠人才实力！牛利一直把人才培养看作是团队乃至整个分析化学行业长远发展的一个重要工作。“我希望能激发出年轻人的自信和独立创新精神，鼓励他们发现新现象、新理论，使他们能够做出一流的成果，能够助力解决国计民生的一些实际问题，而不仅仅是以发表论文作为最终科研目标。”随着生命、环境、新材料科学的发展以及计算机、光学、微加工、数据处理和模拟技术的引入，分析化学进入了一个新的阶段。分析化学的突破将更加促进生命科学、环境科学、新材料科学及制药工业的实质性发展，其水平高低极大地影响国际贸易、医药和食品安全及其标准制定，分析检测直接影响到工业生产过程控制和产品的质量，能从多方面拉动国家经济的发展。在大湾区的平台上，牛利找到了很多志同道合的合作者，组建团队、搭建平台、拓展领域、寻求共赢。牛利的学生们自然也是他的“合作者”，他对青年人才的培养不遗余力。“其实每个人都有自己的特点和长处，每个人都能做好自己，把自身的强项发挥到极致，发挥到最大，就是对国家最大的贡献。”牛利强调，分析化学需要综合性的人才，知识面要广，动手能力要强。解决实际问题是分析化学的硬道理，真才实学必须经历长期的积累。所以，作为导师仅仅传授知识是不够的，更重要的是要教会学生把握立身之本，建立科学的思维方式，培养他们独立分析问题和解决问题的能力。牛利有一个著名的说法，叫作“不做贫困线下的学者”，寄语着他对当代的年轻科研工作者的期望。这里的“贫困线”不仅仅指的是物质上的收入，更多的是一种精神上和气度上的追求，不做人云亦云、蝇营狗苟的事，要保持一名科技工作者的理想、底线和风骨。牛利表示，每个学生都应该是独立的、有思想的人，在科学研究上要成为一匹有独立钻研能力的奔驰骏马，而不是唯命是从、唯唯诺诺的绵羊。多年的科研和创业经验让牛利明白，一定要培养出一支能够体现独立思想的、有创新能力的强大团队来。“我作为团队的带头人可以设计很多路线，但是要把想法变为现实，光靠我一个人肯定是不可能的，需要团队成员的协同完成。正是有了这样一支团队，可以从不同的角度进行深入的工作。正是有了这样一支团队，过去的几年中，我们能够连续不断地解决各种问题。”牛利很欣慰自己拥有了一支“上下齐心，三军用命”的团队。尽管已经成为国内乃至世界范围内最出色的团队之一，但是牛利依然追求每一个细节的精益求精。在他的团队里，既有一起并肩作战十多年的“老战友”，也有师从于他的年轻后生，对待团队成员，牛利展现出他特有的亲和力和向心力。他明白作为一个团队的核心，想要获取凝聚力，不仅在于本身的学识如何，更重要的是在品性上让人信服。牛利对于团队成员给予绝对的信任，一方面给予他们科研方向、工作思路和技术路线的悉心指导，另一方面总是鼓励他们独立思考、自主思维、相互学习、共同提高。或许是在国外多年熏陶的缘故，他的团队管理模式很开放，严谨中尽力创造一种自由的氛围和空间。与学生在一起牛利对于学术界的论资排辈和尸位素餐深恶痛绝，所以他对待自己的团队成员或者年轻的学生，特别重视对研究氛围和学术氛围的营造，从来不搞“一言堂”，在科研过程中，他经常与年轻人一起头脑风暴，平等地讨论科学技术问题。在讨论问题的过程中，团队追求的是“没有权威，没有领导，集思广益”的氛围，谁对谁错用数据说话。这种团队之间的开放协作、良好沟通与知识共享，使团队凝心聚力，解决起技术问题来更加快捷明朗，也就更有利于人才的成长。牛利表示，分析化学的发展是综合而烦琐的，工程技术和产业化进程需要多代人的积累，而任何急功近利的、贪大的行为都是不科学的。所以，他对于很多现实中的炒作、夸大与虚假的宣传非常反感。作为战略新兴材料的石墨烯由于具有极好的电学、力学、热学以及光学性能，使其迅速成为国际先进材料研发的新热点，引发了国内外科研人员的跟踪研究，而牛利团队其实是国内最早开展石墨烯研究并取得成果的团队之一。但是他强调，任何研究内容都必须以实际应用为出口，其特殊性必须依附于市场，可以满足大多数人的需求，所以，成本控制及工艺流程简单化就显得尤为重要。也正因为如此，牛利坦言，作为工业技术，石墨烯要实现产业化，仍有许多未能克服的困难。尽管国内外已经发布一些研究结果，将石墨烯用于电池电极材料、电容器器件构造、力学增强材料、导热薄膜等应用领域，但这些领域的研究还有诸多科学及工程技术问题亟待解决。然而，市场上过分的炒作却导致了大家对眼前的材料期望值过高，很多企业都想分一块石墨烯市场的“蛋糕”，于是出现了很多鱼目混珠标榜着石墨烯概念的成果、产品、项目和公司。牛利对此不满，也充满无奈，这种局面让这样一位在中国最早研究石墨烯的学者“不再想聊石墨烯的话题”了，“说得再好，不如做得好！我们需要有扎扎实实做出真正成果的科研，我现在更愿意提新型的碳纳米材料，我们已经研究了很多年，发现了一些有趣的现象，并且得到了一些工业进展，是很值得期待的”。牛利对未来充满信心。在前进的道路上，总有各种各样的困难、挫折和绊脚石横亘于斯，但是它们阻止不了牛利和他的团队前进的坚定步伐和一往无前的雄心。熟悉他的人都知道，牛利率直、坚定、不言放弃，一旦认准了目标，就会努力去拼，是一个永远追求领先一步的人，他把这种性格自然地带入他的科研工作中。“道固远，笃行可至；事虽巨，坚为必成。”牛利已经不满足于跟跑和并跑，他更希望做领跑者。正是在这种精神的激励下，牛利的团队在短短3年时间里已经发展壮大成为拥有7名教授、7名副教授、5名讲师、9名博士后、7名博士和37名研究生的70多人的庞大队伍。“毕竟一群‘东北佬’千山万水地来到岭南不容易，希望我们能够在新的土地上生根发芽，开出花儿来。”忆当年，看今朝，牛利笑着言道，“几年前的各种不适应现在已经不成问题，唯一略有遗憾的是在广州看不到雪了。不过这也难不倒我们这些搞化学的，圣诞节的时候我们用白色的吸水树脂堆了一个大雪人，也算是略解乡愁吧。”科研是一段苦旅，但是牛利明白，既然选择了远方，便只顾风雨兼程，不去想这一路是平坦还是泥泞，只要坚持，终会迎来雨过天晴，苦尽甘来。2021年年初，牛利团队入驻中山产业园，2600平方米的场地全部重新规划，正在整体装修阶段，从办公室窗户望出去，正是深圳的宝安机场，每一天从这里起飞的飞机不计其数，它们直冲云霄飞往世界各地，也让记者想到了“海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”的古话，而这句话用在牛利和他的团队身上也颇为妥帖。“欢迎到我们这里来看看，为未来，搏到底！”牛利向记者发出了邀请，也向全天下的科研工作者发出了邀请。牛利教授简介牛利，教授，博士生导师，广州大学分析科学技术研究中心主任。国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士 (FRSC)、中国化学会高级会员、中国科学院“百人计划”、国家“万人计划”领军人才、国务院特殊津贴获得者、国家科技部“中青年科技创新领军人才”、中国科学院科技创新“交叉与合作团队”负责人、广州市杰出专家。主要研究方向包括化学传感分析、材料电化学、光谱电化学及分析仪器化设计等。设计合成多种新型基于碳纳米、离子液体、金属纳米粒子及导电聚合物为主体的纳米结构复合材料，面向环境水体、土壤、海洋、食品及公共安全等领域开发多种电化学分析传感器件，结合电子工程和软件工程技术，研制多种新型分析检测/监测仪器设备。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Anal. Chem.等国内外核心刊物发表科研论文300余篇，他人引用15000余次，申请国家发明专利100余项，撰写中英文专著4部。在国内外学术会议上作大会报告和邀请报告80余次。

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空气中负氧离子的含量是空气质量好坏的关键。在自然生态系统中，森林和湿地是产生空气负（氧）离子的重要场所。在空气净化、城市小气候等方面有调节作用，其浓度水平是城市空气质量评价的指标之一。自然界中空气正、负离子是在紫外线宇宙射线、放射性物质、雷电、风暴、瀑布、海浪冲击下产生，既是不断产生，又不断消失，保持某一动态平衡状态。由于负离子的特性，空所中的负离子产生与消失会保持一个平衡，因此判断环境下负离子浓度需要借助专门的空气离子检测仪进行准确测量。负氧离子是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称，简言之就是带负电荷的氧离子。在自然生态系统中，森林和湿地是产生空气负氧离子的重要场所。其浓度水平是城市空气质量评价的指标之一，有着 “空气维生素”之称。工作原理：空气离子测量仪是测量大气中气体离子的专用仪器，它可以测量空气离子的浓度,分辨离子正负极性,并可依离子迁移率的不同来分辨被测离子的大小。一般采用电容式收集器收集空气离子所携带的电荷,并通过一个微电流计测量这些电荷所形成的电流。测量仪主要包括极化电源、离子收集器、微电流放大器和直流供电电源四部分。首要要了解自己选负离子检测用途，目前有进口的负离子检测仪，国产的负离子检测仪，仿冒的负离子检测仪等等。分为便携的负离子检测仪，在线的负离子检测仪，按原理分又分为平行电极负离子检测仪和圆通电容器负离子检测仪两种。空气负氧离子检测分为 “平极板法测空气负离子” 和”电容法测空气负离子“这两种原理，其中“平极板”原理是比较常用的一种方法，检测快速，经济实惠，用于个人、工厂、实验室等单位。电容法测空气负离子检测仪是一种高性能检测方法，具有防尘、防潮等特点，相对于平极板法测空气负离子更加，特别适合于森林、风景区的使用，是林业局，科研单位测量空气质量的常见仪器。按收集器的结构分，负离子检测仪可以划分为平行板式和Gerdien 冷凝器式/双重圆筒轴式两种类型。1.Ebert式/平行电板式离子检测仪平行电板式离子检测仪是目前低端空气离子检测仪比较常用的一种方法。A跟B是一组平行的且相互绝缘的电极，B极顶端边着一个环形双极电极，空气通过右下角的风扇吸入，空气中的负离击打A/B电极放电，电荷传导到E环形电极形成自放电，放电信号被记录，从而可对空气中正、负离子数量及大小进行测量。这种检测仪技术上比较成熟，造价成本也比较低，但是易受外部环境影响，另外这种结构自身的弱点容易导致电解边缘效应，容易造成气流湍流，造成检测结果偏移较大。2.Gerdien冷凝器式/双重圆筒轴式双重圆筒轴式离子检测仪是目前中高端空气离子检测仪成熟的一种方法。整体结构由3个同心圆筒组成，外围筒身及内轴为电极，空气通过圆筒时，离子撞击筒身跟轴产生放电，放电信号被记录，从而可对空气中正、负离子数量及大小进行测量。这种检测仪技术上已非常成熟，但由于内部复杂的结构及控制，造价成本高昂，这种结构可以有效解决平行电板式结构固有的电解边缘效应，同时圆筒本身的结构及特殊的进气方式可以保持气流通过的平顺性，对离子数量及大小的检测精确性有极大提高。