化學反應驅動的自熱泳納米馬達

高兆帥 胡 鈞

(中國科學院上海應用物理研究所，物理生物學研究室，上海光源生物成像中心，上海201800)

化學反應驅動的自熱泳納米馬達

高兆帥 胡 鈞

(中國科學院上海應用物理研究所，物理生物學研究室，上海光源生物成像中心，上海201800)

自驅動生物馬達廣泛存在于生物體中，利用化學能量自驅動克服布朗運動的阻力，進而高效精確地行使特定的生物功能1。受自驅動生物馬達的啟發，激起了關于人工自驅動納米馬達的研究熱潮。人工合成自驅動納米馬達在特定的刺激(光、熱、化學刺激等)作用下，可實現速率及方向可控的自驅動運動。依據自驅動機理，納米馬達分為三大類2：自擴散泳3、自電泳、自熱泳4納米馬達。目前，對于人工納米馬達的研究已取得較好的進展，并在生物流體中藥物的靶向運輸及智能納米機器人的開發等領域展現出巨大的應用前景。

然而，人工納米馬達的開發與應用受到了多方面條件的制約。其一、有限的追蹤手段。傳統的光學成像方法很難對納米粒子在三維空間內的運動實時成像。目前的工作，通常需要將納米馬達局限在二維平面，這在一定程度上偏離了納米馬達在溶液中自由運動的實際情況。其二、較大的尺寸。受制于光學成像分辨率的限制，目前報道的納米馬達通常尺寸較大(大于100 nm)，這限制了其在真實生物體內的應用。其三、缺乏化學反應速率與馬達自驅動運動速率的之間定量關系，無法從馬達設計源頭實現對運動速率的準確控制。

基于此，中國科學院上海應用物理研究所樊春海、李迪團隊構建了一種基于等離子體材料的“兩面神”(Janus)納米馬達。該納米馬達同時具有優異的催化及局域表面等離子體光學性質。他們利用納米等離子體材料的共振散射光作為檢測信號，在共振光散射相關光譜(RLSCS)5下對催化反應條件下“兩面神”納米馬達的擴散行為進行研究。該方法不同于傳統的界面上二維追蹤方法，成功地獲得了該納米馬達在溶液環境中的擴散系數。

該工作發現了化學反應熱可有效驅動納米馬達，實現底物化學能向馬達運動機械能的轉化，較之于光熱驅動自熱泳6，該方法在小粒徑納米馬達的驅動上具有獨特的優勢，為納米馬達生物應用奠定了基礎。此外，發現了化學反應速率與自驅動運動速率的關系并建立起了隨機模型。通過調節底物濃度以及催化劑的性質可實現對馬達運動速率的控制。該理論模型的建立對新型納米馬達的設計、應用具有重大的指導性意義。該研究成果發表于近期Angewandte Chemie International Edition雜志7上。

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10.3866/PKU.WHXB201612163www.whxb.pku.edu.cn