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(lǐng)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(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)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(lǐng)域引起了極大的科學關(guān)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(shè)計適用于傳感應(yīng)用的微馬達上。雖然微馬達在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進展，但微馬達在該領(lǐng)域的設(shè)計與應(yīng)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(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)用，并指出了該領(lǐng)域現(xiàn)有的問題，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的發(fā)展歷程，包括其推進機制、傳感策略和應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用。最后，討論了傳感領(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)域的主要問題之一。到目前為止，相關(guān)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yù)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(guān)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(lǐng)域都表現(xiàn)出了不可預(yù)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(jié)合以促進不同領(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的傳感應(yīng)用在環(huán)境科學、食品安全和生物醫(yī)學領(lǐng)域的最新進展以及應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(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(yīng)該在微馬達的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)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(yīng)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(lǐng)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(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，為減少傳感對專業(yè)機構(gòu)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(yīng)該專注于材料科學、環(huán)境科學和其他領(lǐng)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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