微馬達(dá)不同推進(jìn)機(jī)制以及不同的傳感策略探討

微馬達(dá)是一種可以將多種能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能以實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)特性的人工裝置，已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域的強(qiáng)大工具。在研究人員的不懈努力下，各種形態(tài)的微馬達(dá)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，在不同的推進(jìn)機(jī)制下實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。這些新興的微馬達(dá)在藥物輸送、分析傳感和組織再生等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。特別地，由于微馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)在介質(zhì)中的自主運(yùn)動(dòng)在傳感領(lǐng)域引起了極大的科學(xué)關(guān)注。具體地，微馬達(dá)得益于其微小的尺寸，可以在超小體積樣品里運(yùn)動(dòng)。此外，自發(fā)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)樣品溶液的高效混合，從而減少分析時(shí)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(shè)計(jì)適用于傳感應(yīng)用的微馬達(dá)上。雖然微馬達(dá)在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但微馬達(dá)在該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與應(yīng)用卻鮮有被概括。

近期，東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦團(tuán)隊(duì)針對(duì)近幾年微馬達(dá)在傳感領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了概述，討論了微馬達(dá)不同推進(jìn)機(jī)制以及不同的傳感策略，介紹了微馬達(dá)在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，并指出了該領(lǐng)域現(xiàn)有的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案。相關(guān)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(dá)的發(fā)展歷程，包括其推進(jìn)機(jī)制、傳感策略和應(yīng)用（圖1）。首先，概述了微馬達(dá)的推進(jìn)機(jī)制，包括基于燃料的推進(jìn)機(jī)制和免燃料的推進(jìn)機(jī)制。然后，重點(diǎn)討論了微馬達(dá)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(xì)介紹了基于微馬達(dá)的傳感平臺(tái)在環(huán)境科學(xué)、食品工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，討論了傳感領(lǐng)域微馬達(dá)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。該研究旨在促進(jìn)讀者對(duì)微馬達(dá)傳感的理解，并幫助讀者跟進(jìn)該領(lǐng)域的研究前沿。

圖1?綜述概要圖

由于微馬達(dá)體積小，通常工作在低雷諾數(shù)的環(huán)境中。此外，微馬達(dá)的粘性阻力和布朗運(yùn)動(dòng)，慣性不能維持微馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)，需要外部能量來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。微馬達(dá)運(yùn)動(dòng)所依賴(lài)的推進(jìn)機(jī)制是微馬達(dá)研究領(lǐng)域的主要問(wèn)題之一。到目前為止，相關(guān)研究已經(jīng)提出了許多推動(dòng)微馬達(dá)的機(jī)制。通常，微馬達(dá)可以基于化學(xué)梯度或由它們與周?chē)橘|(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的局部產(chǎn)生的場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。利用該原理，該論文詳細(xì)介紹了基于自電泳、自擴(kuò)散、氣泡產(chǎn)生的推進(jìn)機(jī)制。然而，這些化學(xué)推進(jìn)的微馬達(dá)通常導(dǎo)致燃料降解不完全，阻礙了微馬達(dá)在生物醫(yī)學(xué)工程中的發(fā)展。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，無(wú)燃料微型馬達(dá)作為一種生物相容性機(jī)制，成為生物相容性機(jī)制的前沿，這種馬達(dá)由外部刺激（例如超聲波、磁和光）提供動(dòng)力。

得益于多種推進(jìn)機(jī)制，微馬達(dá)可以在周?chē)橘|(zhì)中實(shí)現(xiàn)高效的自主運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，微馬達(dá)的自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性使其有望成為生物檢測(cè)的傳感器，因?yàn)閯?dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)樣品溶液的有效混合，從而改善探針-靶點(diǎn)的相互作用，有利于提高檢測(cè)靈敏度和減少分析時(shí)間。此外，得益于其微小的尺寸，微馬達(dá)甚至可以在小體積的樣品溶液中工作。并且微馬達(dá)可以在原始樣品中工作，簡(jiǎn)化了預(yù)先操作，實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)，降低了分析成本。受到這些方面的吸引，科學(xué)家們開(kāi)始關(guān)注定制用于生物檢測(cè)的微型馬達(dá)。一方面，由于其固有的自主運(yùn)動(dòng)特性，微馬達(dá)已被引入到分析中以提高檢測(cè)效率。

另一方面，微馬達(dá)本身可以作為檢測(cè)中的傳感器。在這種情況下，微馬達(dá)可以根據(jù)不同的傳感策略將識(shí)別事件的信號(hào)轉(zhuǎn)化為可視化的分析信號(hào)，并增強(qiáng)傳質(zhì)。有趣的是，由于每個(gè)微馬達(dá)都可以作為單個(gè)傳感器，可以在一個(gè)傳感分析中同時(shí)檢測(cè)到廣泛的信號(hào)，提高傳感的再現(xiàn)性和準(zhǔn)確性，降低分析成本，簡(jiǎn)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(dá)在各種領(lǐng)域都表現(xiàn)出了不可預(yù)測(cè)的潛力，它們的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能夠克服傳統(tǒng)靜態(tài)系統(tǒng)的不足，通過(guò)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)現(xiàn)象自發(fā)地增強(qiáng)傳質(zhì)。特別是，微馬達(dá)具有自主運(yùn)動(dòng)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(jì)。微馬達(dá)在將其與各種傳感策略相結(jié)合以促進(jìn)不同領(lǐng)域的傳感革命方面受到了極大的關(guān)注。該論文還回顧了基于微馬達(dá)的傳感應(yīng)用在環(huán)境科學(xué)、食品安全和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展以及應(yīng)用實(shí)例和所顯示的優(yōu)勢(shì)（圖3）。

盡管在為傳感定制功能微馬達(dá)方面取得了很大進(jìn)展，但仍存在一些局限性，這使得其實(shí)際應(yīng)用受限。首先，大多數(shù)可用的微馬達(dá)基于有毒材料和腐蝕性化學(xué)燃料實(shí)現(xiàn)自我推進(jìn)，這可能會(huì)污染待檢測(cè)的樣品。盡管它們的微小尺寸能夠在低體積的樣品中進(jìn)行檢測(cè)，但微小尺寸只允許少量的燃料或催化劑負(fù)載，這導(dǎo)致了不令人滿意的運(yùn)動(dòng)性能和較短的壽命。此外，微小的尺寸也表明微馬達(dá)固定功能分子的表面積較小，從而間接影響檢測(cè)靈敏度。而且，目前大多數(shù)基于微馬達(dá)的傳感平臺(tái)并不靈活和通用，因?yàn)槊總€(gè)平臺(tái)只能檢測(cè)一種目標(biāo)。因此，需要更多的科學(xué)努力來(lái)為在實(shí)際應(yīng)用中使用基于微馬達(dá)的傳感平臺(tái)掃清道路。

為了克服上述缺點(diǎn)，以下觀點(diǎn)可能為未來(lái)開(kāi)發(fā)用于傳感的功能微馬達(dá)提供有價(jià)值的參考。首先，包括微馬達(dá)燃料部件在內(nèi)的部件必須具有生物相容性、無(wú)毒性和無(wú)害性，才能更適合實(shí)際應(yīng)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(dá)回收的需要，因此，它們被認(rèn)為是制造微馬達(dá)的潛在候選者。為了克服有效面積小帶來(lái)的問(wèn)題，應(yīng)該在微馬達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更加科學(xué)地朝著大的表面積比方向努力。此外，對(duì)具有更高能量轉(zhuǎn)換效率的微馬達(dá)的了解可以提供滿足實(shí)際應(yīng)用要求的機(jī)會(huì)，因?yàn)楦叩哪芰哭D(zhuǎn)換效率可以促進(jìn)更高的運(yùn)動(dòng)性能，并且即使在大粘度的樣品中也能夠進(jìn)行有效的檢測(cè)。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(dá)中，為更好地控制不同目標(biāo)的多功能檢測(cè)提供可能的選擇。此外，我們應(yīng)該繼續(xù)開(kāi)發(fā)新的傳感策略，并將其與微馬達(dá)集成，這可能會(huì)給不同領(lǐng)域帶來(lái)新的希望。用于接收信號(hào)和讀數(shù)的儀器的改進(jìn)也會(huì)對(duì)基于微馬達(dá)的傳感平臺(tái)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。特別是，將基于微馬達(dá)的傳感平臺(tái)與先進(jìn)的智能設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，為減少傳感對(duì)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的依賴(lài)提供了理想的改變，這使得快速的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和POCT成為可能。最后，我們還應(yīng)該專(zhuān)注于材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和其他領(lǐng)域的發(fā)展，這反過(guò)來(lái)可以推動(dòng)為傳感量身定制功能微馬達(dá)的發(fā)展。

編輯：黃飛

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