微马达不同推进机制以及不同的传感策略探讨

微马达是一种可以将多种能量转化为动能以实现自主运动特性的人工装置，已经成为各个领域的强大工具。在研究人员的不懈努力下，各种形态的微马达被开发出来，在不同的推进机制下实现自主运动。这些新兴的微马达在药物输送、分析传感和组织再生等领域展现出了广泛的应用前景。特别地，由于微马达可以实现在介质中的自主运动在传感领域引起了极大的科学关注。具体地，微马达得益于其微小的尺寸，可以在超小体积样品里运动。此外，自发动态运动可以促进样品溶液的高效混合，从而减少分析时间，且可以忽略样品处理步骤。受到这些特性的吸引，大量的研究集中在设计适用于传感应用的微马达上。虽然微马达在传感领域的应用已经取得了很大的进展，但微马达在该领域的设计与应用却鲜有被概括。

近期，东南大学赵远锦团队针对近几年微马达在传感领域的发展进行了概述，讨论了微马达不同推进机制以及不同的传感策略，介绍了微马达在传感领域的应用，并指出了该领域现有的问题，提出了相应的解决方案。相关成果以“Tailoring Functional Micromotors for Sensing”为题发表在Research期刊上。

该文章综述了用于传感的微马达的发展历程，包括其推进机制、传感策略和应用（图1）。首先，概述了微马达的推进机制，包括基于燃料的推进机制和免燃料的推进机制。然后，重点讨论了微马达的传感策略，包括基于速度的传感策略、基于荧光的传感策略和其他策略。随后详细介绍了基于微马达的传感平台在环境科学、食品工业和生物医学等领域的应用。最后，讨论了传感领域微马达面临的挑战和发展前景。该研究旨在促进读者对微马达传感的理解，并帮助读者跟进该领域的研究前沿。

图1 综述概要图

由于微马达体积小，通常工作在低雷诺数的环境中。此外，微马达的粘性阻力和布朗运动，惯性不能维持微马达的运动，需要外部能量来进行运动。微马达运动所依赖的推进机制是微马达研究领域的主要问题之一。到目前为止，相关研究已经提出了许多推动微马达的机制。通常，微马达可以基于化学梯度或由它们与周围介质反应产生的局部产生的场来实现运动。利用该原理，该论文详细介绍了基于自电泳、自扩散、气泡产生的推进机制。然而，这些化学推进的微马达通常导致燃料降解不完全，阻碍了微马达在生物医学工程中的发展。为应对这一挑战，无燃料微型马达作为一种生物相容性机制，成为生物相容性机制的前沿，这种马达由外部刺激（例如超声波、磁和光）提供动力。

得益于多种推进机制，微马达可以在周围介质中实现高效的自主运动。值得注意的是，微马达的自驱动运动特性使其有望成为生物检测的传感器，因为动态运动可以实现样品溶液的有效混合，从而改善探针-靶点的相互作用，有利于提高检测灵敏度和减少分析时间。此外，得益于其微小的尺寸，微马达甚至可以在小体积的样品溶液中工作。并且微马达可以在原始样品中工作，简化了预先操作，实现原位检测，降低了分析成本。受到这些方面的吸引，科学家们开始关注定制用于生物检测的微型马达。一方面，由于其固有的自主运动特性，微马达已被引入到分析中以提高检测效率。

另一方面，微马达本身可以作为检测中的传感器。在这种情况下，微马达可以根据不同的传感策略将识别事件的信号转化为可视化的分析信号，并增强传质。有趣的是，由于每个微马达都可以作为单个传感器，可以在一个传感分析中同时检测到广泛的信号，提高传感的再现性和准确性，降低分析成本，简化操作（图2）。

图2 （A-B）基于速度的传感策略；（C-D）基于荧光的传感策略

微马达在各种领域都表现出了不可预测的潜力，它们的动态运动能够克服传统静态系统的不足，通过主动运动的物质现象自发地增强传质。特别是，微马达具有自主运动和微小尺寸等突出特征，已被证明是非常有前途的传感候选者，即使在体积极小的样品中也能有效工作，而样品处理可以忽略不计。微马达在将其与各种传感策略相结合以促进不同领域的传感革命方面受到了极大的关注。该论文还回顾了基于微马达的传感应用在环境科学、食品安全和生物医学领域的最新进展以及应用实例和所显示的优势（图3）。

尽管在为传感定制功能微马达方面取得了很大进展，但仍存在一些局限性，这使得其实际应用受限。首先，大多数可用的微马达基于有毒材料和腐蚀性化学燃料实现自我推进，这可能会污染待检测的样品。尽管它们的微小尺寸能够在低体积的样品中进行检测，但微小尺寸只允许少量的燃料或催化剂负载，这导致了不令人满意的运动性能和较短的寿命。此外，微小的尺寸也表明微马达固定功能分子的表面积较小，从而间接影响检测灵敏度。而且，目前大多数基于微马达的传感平台并不灵活和通用，因为每个平台只能检测一种目标。因此，需要更多的科学努力来为在实际应用中使用基于微马达的传感平台扫清道路。

为了克服上述缺点，以下观点可能为未来开发用于传感的功能微马达提供有价值的参考。首先，包括微马达燃料部件在内的部件必须具有生物相容性、无毒性和无害性，才能更适合实际应用。值得注意的是，可生物降解的材料可以消除后续微马达回收的需要，因此，它们被认为是制造微马达的潜在候选者。为了克服有效面积小带来的问题，应该在微马达的结构设计上更加科学地朝着大的表面积比方向努力。此外，对具有更高能量转换效率的微马达的了解可以提供满足实际应用要求的机会，因为更高的能量转换效率可以促进更高的运动性能，并且即使在大粘度的样品中也能够进行有效的检测。此外，功能材料，如多功能探针和磁性材料，可以集成到微马达中，为更好地控制不同目标的多功能检测提供可能的选择。此外，我们应该继续开发新的传感策略，并将其与微马达集成，这可能会给不同领域带来新的希望。用于接收信号和读数的仪器的改进也会对基于微马达的传感平台的发展产生深远影响。特别是，将基于微马达的传感平台与先进的智能设备和互联网相结合，为减少传感对专业机构的依赖提供了理想的改变，这使得快速的现场检测和POCT成为可能。最后，我们还应该专注于材料科学、环境科学和其他领域的发展，这反过来可以推动为传感量身定制功能微马达的发展。

编辑：黄飞