功能化微/纳米机器人的检测和移除应用

全球工业化的快速发展以及人类活动的复杂化,使各种有害污染物排入环境,如杀虫剂、重金属离子、毒素、病毒、甚至是变异病原体。这些污染物通过食物链对生态环境和公众健康造成了极大危害。因此,卫生组织和环境机构在食品、水源、环境和临床样品中都设置了严格的标准。如何有效和定量地检测这些污染物并移除它们已成为一个热门话题。常规检测通常采用原子吸收谱、高效液相色谱、质谱、核磁共振和免疫分析等手段来鉴定有毒物质,但这些方法成本过高、工序复杂,对样本、设备和检测人员要求高。近年来,由于运动速度、距离、表面功能性等可作为传感信号,微/纳米机器人可实现对目标的识别、检测及隔离,其良好的特异性和灵敏度引起了研究人员的广泛关注。

香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授课题组一直致力于功能化微/纳米机械人的研究,从2017年至今,在多功能生物杂化微型机器人(Science Robotics 2017, Vol. 2, eaaq1155)、纳米机器人集群运动(Nature Communication, 2018, Vol. 9, 3260;Advanced Functional Materials, 2018, Vol. 28, 1705802)、以及在细菌毒素的即时检测(Science Advances, 2019, Vol. 5, eaau9650)和水污染中重金属离子的移除(Advanced Functional Materials, 2018, 1806340)方向取得了一系列突破性进展。

该综述论文回顾了功能化微/纳米机械人作为微型传感器的最新进展,总结了微/纳米机器人的驱动方式和功能化方法,强调了功能化在实际检测应用中的重要性,并系统地总结功能化微/纳米机器对化学和生物分子的侦测能力,最后对微/纳机器人检测应用所面临的挑战和发展方向提出展望。

通过利用微纳米颗粒的表面功能化改性技术,这些新型的功能化微/纳米机器人将不断与我们生活相关联,为不同的领域提供新的功能应用。迄今为止,研究人员已经在新材料和结构的开发,驱动机制的探索取得了巨大的进展,并逐步在实际应用中实现了微/纳米机器人的多功能性。此外,有效的主动运动和适当的功能化,使人工合成的微/纳米机器人展现出优异的动态即时侦测和移除性能,包括化学传感、生物传感、免疫分析和去除化学/微生物污染物。与静态微纳米颗粒相比,微/纳米机器人能够可控运动到预定位置。此外,微纳米级别的尺寸和可控的运动使微/纳米机器人能够在狭小的空间中,如微流道、血管和微滴溶液,进行精密复杂的任务,从而在现有技术难以到达的微环境中实现检测和去除有害物质能力,进而推进化学/生物分析技术的发展。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800636)。

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