微馬達不同推進機制以及不同的傳感策略探討

微馬達是一種可以將多種能量轉(zhuǎn)化為動能以實現(xiàn)自主運動特性的人工裝置，已經(jīng)成為各個領域的強大工具。在研究人員的不懈努力下，各種形態(tài)的微馬達被開發(fā)出來，在不同的推進機制下實現(xiàn)自主運動。這些新興的微馬達在藥物輸送、分析傳感和組織再生等領域展現(xiàn)出了廣泛的應用前景。特別地，由于微馬達可以實現(xiàn)在介質(zhì)中的自主運動在傳感領域引起了極大的科學關注。具體地，微馬達得益于其微小的尺寸，可以在超小體積樣品里運動。此外，自發(fā)動態(tài)運動可以促進樣品溶液的高效混合，從而減少分析時間，且可以忽略樣品處理步驟。受到這些特性的吸引，大量的研究集中在設計適用于傳感應用的微馬達上。雖然微馬達在傳感領域的應用已經(jīng)取得了很大的進展，但微馬達在該領域的設計與應用卻鮮有被概括。

近期，東南大學趙遠錦團隊針對近幾年微馬達在傳感領域的發(fā)展進行了概述，討論了微馬達不同推進機制以及不同的傳感策略，介紹了微馬達在傳感領域的應用，并指出了該領域現(xiàn)有的問題，提出了相應的解決方案。相關成果以“Tailoring Functional Micromotors for Sensing”為題發(fā)表在Research期刊上。

該文章綜述了用于傳感的微馬達的發(fā)展歷程，包括其推進機制、傳感策略和應用（圖1）。首先，概述了微馬達的推進機制，包括基于燃料的推進機制和免燃料的推進機制。然后，重點討論了微馬達的傳感策略，包括基于速度的傳感策略、基于熒光的傳感策略和其他策略。隨后詳細介紹了基于微馬達的傳感平臺在環(huán)境科學、食品工業(yè)和生物醫(yī)學等領域的應用。最后，討論了傳感領域微馬達面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。該研究旨在促進讀者對微馬達傳感的理解，并幫助讀者跟進該領域的研究前沿。

圖1?綜述概要圖

由于微馬達體積小，通常工作在低雷諾數(shù)的環(huán)境中。此外，微馬達的粘性阻力和布朗運動，慣性不能維持微馬達的運動，需要外部能量來進行運動。微馬達運動所依賴的推進機制是微馬達研究領域的主要問題之一。到目前為止，相關研究已經(jīng)提出了許多推動微馬達的機制。通常，微馬達可以基于化學梯度或由它們與周圍介質(zhì)反應產(chǎn)生的局部產(chǎn)生的場來實現(xiàn)運動。利用該原理，該論文詳細介紹了基于自電泳、自擴散、氣泡產(chǎn)生的推進機制。然而，這些化學推進的微馬達通常導致燃料降解不完全，阻礙了微馬達在生物醫(yī)學工程中的發(fā)展。為應對這一挑戰(zhàn)，無燃料微型馬達作為一種生物相容性機制，成為生物相容性機制的前沿，這種馬達由外部刺激（例如超聲波、磁和光）提供動力。

得益于多種推進機制，微馬達可以在周圍介質(zhì)中實現(xiàn)高效的自主運動。值得注意的是，微馬達的自驅(qū)動運動特性使其有望成為生物檢測的傳感器，因為動態(tài)運動可以實現(xiàn)樣品溶液的有效混合，從而改善探針-靶點的相互作用，有利于提高檢測靈敏度和減少分析時間。此外，得益于其微小的尺寸，微馬達甚至可以在小體積的樣品溶液中工作。并且微馬達可以在原始樣品中工作，簡化了預先操作，實現(xiàn)原位檢測，降低了分析成本。受到這些方面的吸引，科學家們開始關注定制用于生物檢測的微型馬達。一方面，由于其固有的自主運動特性，微馬達已被引入到分析中以提高檢測效率。

另一方面，微馬達本身可以作為檢測中的傳感器。在這種情況下，微馬達可以根據(jù)不同的傳感策略將識別事件的信號轉(zhuǎn)化為可視化的分析信號，并增強傳質(zhì)。有趣的是，由于每個微馬達都可以作為單個傳感器，可以在一個傳感分析中同時檢測到廣泛的信號，提高傳感的再現(xiàn)性和準確性，降低分析成本，簡化操作（圖2）。

圖2?（A-B）基于速度的傳感策略；（C-D）基于熒光的傳感策略

微馬達在各種領域都表現(xiàn)出了不可預測的潛力，它們的動態(tài)運動能夠克服傳統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)的不足，通過主動運動的物質(zhì)現(xiàn)象自發(fā)地增強傳質(zhì)。特別是，微馬達具有自主運動和微小尺寸等突出特征，已被證明是非常有前途的傳感候選者，即使在體積極小的樣品中也能有效工作，而樣品處理可以忽略不計。微馬達在將其與各種傳感策略相結合以促進不同領域的傳感革命方面受到了極大的關注。該論文還回顧了基于微馬達的傳感應用在環(huán)境科學、食品安全和生物醫(yī)學領域的最新進展以及應用實例和所顯示的優(yōu)勢（圖3）。

盡管在為傳感定制功能微馬達方面取得了很大進展，但仍存在一些局限性，這使得其實際應用受限。首先，大多數(shù)可用的微馬達基于有毒材料和腐蝕性化學燃料實現(xiàn)自我推進，這可能會污染待檢測的樣品。盡管它們的微小尺寸能夠在低體積的樣品中進行檢測，但微小尺寸只允許少量的燃料或催化劑負載，這導致了不令人滿意的運動性能和較短的壽命。此外，微小的尺寸也表明微馬達固定功能分子的表面積較小，從而間接影響檢測靈敏度。而且，目前大多數(shù)基于微馬達的傳感平臺并不靈活和通用，因為每個平臺只能檢測一種目標。因此，需要更多的科學努力來為在實際應用中使用基于微馬達的傳感平臺掃清道路。

為了克服上述缺點，以下觀點可能為未來開發(fā)用于傳感的功能微馬達提供有價值的參考。首先，包括微馬達燃料部件在內(nèi)的部件必須具有生物相容性、無毒性和無害性，才能更適合實際應用。值得注意的是，可生物降解的材料可以消除后續(xù)微馬達回收的需要，因此，它們被認為是制造微馬達的潛在候選者。為了克服有效面積小帶來的問題，應該在微馬達的結構設計上更加科學地朝著大的表面積比方向努力。此外，對具有更高能量轉(zhuǎn)換效率的微馬達的了解可以提供滿足實際應用要求的機會，因為更高的能量轉(zhuǎn)換效率可以促進更高的運動性能，并且即使在大粘度的樣品中也能夠進行有效的檢測。此外，功能材料，如多功能探針和磁性材料，可以集成到微馬達中，為更好地控制不同目標的多功能檢測提供可能的選擇。此外，我們應該繼續(xù)開發(fā)新的傳感策略，并將其與微馬達集成，這可能會給不同領域帶來新的希望。用于接收信號和讀數(shù)的儀器的改進也會對基于微馬達的傳感平臺的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。特別是，將基于微馬達的傳感平臺與先進的智能設備和互聯(lián)網(wǎng)相結合，為減少傳感對專業(yè)機構的依賴提供了理想的改變，這使得快速的現(xiàn)場檢測和POCT成為可能。最后，我們還應該專注于材料科學、環(huán)境科學和其他領域的發(fā)展，這反過來可以推動為傳感量身定制功能微馬達的發(fā)展。

編輯：黃飛

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