基于自由基對理論的仿生磁航向傳感技術

程屹山，劉文耀，邢恩博，唐 軍，劉 俊

(1.中北大學電子測量技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引言

地磁場是指地球和周圍空間之間存在的磁場，在地球近地空間內任意一點的地磁矢量都不同于其他地點，且與該地點的經緯度存在一一對應的關系。理論上只要確定該點的地磁場矢量即可實現全球定位，因此，地磁是導航領域的一種天然坐標系，如圖1所示[1]。此外，地磁導航由于隱蔽性好、適應性強、誤差不會隨著時間產生累積等優勢，能夠在理論上實現全天候、全地域的導航服務。

然而，磁羅盤在多數情況下充當輔助角色，如何借助這一天然信息實現自主精確導航是目前研究的難題。在生物界，遷徙中的候鳥、海龜、鮭魚可以依靠地磁導航，跨越上千千米準確歸巢。正因為如此，生物磁導航機制一直吸引著相關領域的研究人員進行探究，而這一研究的突破也將成為仿生磁導航研究的關鍵性的一步。

本文將結合過去幾十年來科學家對其研究的成果及進展進行評述，對動物感磁的自由基對機理(Radical Pair Mechanism，RPM)進行詳細分析，并對與之相關的磁敏材料的制備及其磁場探測方式進行分析與總結。

1 生物磁響應機制

仿生地磁導航經過40余年的研究，有兩種假說得到了學者們的廣泛認可：磁受體假說和自由基對假說。前者以磁性顆粒為受體，后者以自由基對機理為核心。其中，自由基對機理是1978年由Schulten和Weller[2]教授將電子自旋理論引入到鳥類導航中提出的。這一假說認為電子自旋耦合和外磁場的共同作用導致單重態與三重態之間躍遷的方向不同，從而對化學反應的速率產生影響，使產率及產物的結構與磁場建立聯系。

然而，自從這一機制被提出后就不斷受到質疑，直到一種可以用作化學羅盤系統的藍光感光蛋白被發現，才引起人們的廣泛關注。研究發現，用于候鳥導航的自由基對對藍光及近紫外光具有較強的光依賴性，其中Cry磁感蛋白很可能就是生物體內接受藍光的磁受體。隨后，Ritz等[3]在《Nature》上發表文章，通過低頻振蕩電磁波干擾實驗證實了自由基對機理的正確性。之后，自由基對機理由Ritz和Wiltschkos等逐步完善，并得到了廣泛的研究，被認為是最可能的、理論最完善的生物磁感應機理。

之后，一系列的實驗和理論研究支持了基于隱花色素的自由基對假說：1)在鳥類視網膜細胞中發現了隱花色素，它能滿足鳥類磁定向時的基本要求，同時，如果用于光信號處理的前腦區發生病變將會導致鳥類失去導航能力[4]；2)鳥類利用地磁導航的能力與光的波長有關，主要以波長較短的藍綠光為主[5]；3)弱射頻場可以破壞鳥的磁定向，并與自由基對作為研究對象的預測結果一致[6]；4)利用時間分辨電子順磁共振波譜觀察到了隱花色素—光解酶中長壽命的順磁性中間體，檢測到自旋極化的瞬態自由基對信號，并根據瞬態自由基對的特征線寬、超精細分裂模式和共振磁場位置，確定了最終的電子供體是色氨酸殘基(Tryptophan，Trp)[7]；5)模型系統中的自由基對反應已經被證明能夠對與地球一樣弱的磁場做出響應[8-9]。

1.1 自由基對模型

隨著研究者們對這一磁感機制的深入研究，其逐漸為人們所熟知：候鳥眼睛內存在光敏分子隱花色素，容易受光的激發接受一個質子，并從最鄰近的色氨酸殘基上奪得一個電子，形成[FADH·+Trp·]自由基對，進而演化產生自旋單重態和三重態。自由基對中未成對的電子自旋與核自旋相互作用且與外部磁場相互耦合，這些磁性相互作用使單重態的初始狀態為非穩態。因此，自由基對電子自旋態在單重態(S)和三重態(T)之間表現出相干振蕩，弱磁場也會影響其動力學。當外磁場介入后，磁場會影響單重態和三重態分子轉換的速率，從而影響其產物及自由基對輻射退激發速率(壽命)，這樣就建立了弱磁和光信息轉換的機理[4-5]，被稱為自由基對機理。另外，如果自由基對電子-核超精細耦合是各向異性的，那么外部磁場對其影響也是各向異性的，從而使單重態和三重態轉換對外部磁場的方向敏感。

1.2 自由基對機理需滿足的條件

研究發現，并不是所有能夠形成自由基對中間體的化學反應都能夠成為磁羅盤，而要滿足以下5個基本條件：

1)反應中單重態和三重態中間體生成的化學產物不同，只有這樣才能看出磁場對系間竄越的影響；

2)自由基的單電子必須與核子發生超精細耦合作用，因為超精細耦合不僅能讓自由基對反應感受外磁場的影響，還能感受外磁場的方向；

3)作為磁羅盤的化學分子必須是具有空間取向的，因為處在溶液體系中的自由基對可以轉動，從而抵消超精細耦合對外磁場的各向異性；

4)磁敏感的自由基對需由光激發形成；

5)自由基對中間體具有適當的量子壽命，壽命太長會被噪聲干擾，而太短則不足以感受微弱地磁場的變化。

目前，自由基對機理成為了研究者們廣泛接受的動物磁感受機制(圖2)。近年來，生物學家們也發現了越來越多的諸如隱花色素之類的基于自由基對機制的磁敏感分子。因此，這些磁敏分子的磁敏性能引起了生物學家們的研究興趣。

圖2 候鳥的地磁導航機制Fig.2 Geomagnetic navigation mechanisms of migratory birds

2 基于自由基對機制的磁敏分子

2.1 藍光受體—隱花色素

隱花色素作為生物體內最重要的藍光受體之一，廣泛存在于各種動植物體內，參與了多項生物體內生理功能的調節，與生物節律緊密相關。近年來發現，隱花色素是遷徙鳥類利用地磁導航的關鍵部件，也是最早發現存在于鳥類視網膜上且能夠滿足自由基對機理的磁敏蛋白分子。

在隱花色素的光化學反應過程中，黃素腺嘌呤二核苷酸(Flavin Adenine Dinucleotide，FAD)和3個色氨酸(TrpA、TrpB、TrpC)共同組成一個三聯體分子，FAD受光照后處于激發態FAD*，電子經TrpC傳遞到FAD，形成自旋相關自由基對(Spin-Correlated Radical Pair，SCRP)，如圖3所示。研究發現，擬南芥隱花色素、鳥類隱花色素和海藻隱花色素等都可以形成長壽命的自由基對，并滿足地磁條件下的磁場效應(Magnetic Field Effects, MFE)。

圖3 天然隱花色素蛋白的結構Fig.3 Structure of natural cryptocyanin protein

越來越多的科學家們對各種隱花色素的磁場效應產生了極大的興趣。先前，Marley等[10]研究了不同環境下，隱花色素的磁場依賴性對果蠅癲癇發作時間的影響，表明在藍光(470nm)、磁場和Cry01/03作用下，果蠅癲癇的發作時間長。這是隱花色素的磁場效應對生物行為影響的一個強有力的證明。

那么隱花色素在不同溶液體系下的磁場效應會有怎樣的變化？由于可能為磁感應分子的隱花色素不易被研究，而隱花色素光化學過程的關鍵組分是黃素，因此，通過研究黃素溶液體系的磁場效應能夠對人們研究隱花色素的磁感應機理起到很大的借鑒作用。

目前，基于黃素的磁感蛋白模型體系被認為是最好的模型替代品，黃素是藍光感光蛋白中重要的輔助因子。特別是其中的隱花色素，是動物磁感受自由基對假說的核心推定的磁感受器[11]。黃素容易與電子供體(例如色氨酸)發生依賴于pH值的光誘導電子轉移，從而生成自旋相關的自由基對(Radical Pairs，RPs)，這些自由基對可經歷單重態和三重態之間的相干演化以及自旋選擇性逆向電子傳遞，使得它們的光循環對外部磁場敏感。

由于在溶液環境中，適當的電子供體和受體可以發生光致電子轉移形成SCRP，表現出磁場效應。之后，許多科學家對基于黃素溶液體系的磁場效應作了一系列研究。Tomoaki等[12]通過研究色氨酸和黃素單核苷酸(Flavin Mononucleotide，FMN)的混合溶液，發現其MFE僅為2%。隨著Mohtat等研究提出了蛋白質與自由基之間的庫倫作用對MFE有著重要影響，Tomoaki等[12]再次對黃素蛋白體系展開了更細致的研究。通過測量雞蛋白溶菌酶(Hen Egg-White Lysozyme，HEWL)和FMN混合溶液體系，得到在水溶液中的MFE高達13%(250mT)，而在加入NaCl溶液中的MFE降低為7%左右。

緊接著，生物學家研究發現，在膠團環境中的黃素溶液體系具有更好的環境相似性。于是Horiuchi等對此作了研究，發現在基于黃素溶液的膠束環境下，由核黃素(Riboflavin，RF)、FMN以及四丁酸核黃素(Riboflavin Tetrabutyrate，RFTB)和色氨酸形成的SCRP同樣具有MFE，且在FMN膠團溶液中施加200mT磁場時的MFE約為3%～7%，RF/Trp體系可達15%(200mT)，RF/Ind體系可達25%(200mT)，而在高濃度環境下的RFTB/Ind體系可達40%(200mT)。

以上總結了基于黃素溶液體系的磁場效應的研究。為了更加全面地理解隱花色素磁感應機理，研究人員設計合成出各種類型的模型分子體系。由于隱花色素光化學過程的關鍵組分是黃素，因此隱花色素模型體系中應具有這個關鍵因素。

FAD是生物體系中重要的輔酶之一，并且自身就是一個由電子供體和電子受體組成的鏈連接系統，可在分子內發生電子轉移(圖4)。Lewis等[13-14]通過瞬態吸收方法測量了532nm處FAD的MFE衰減曲線的PH依賴性，當PH=2.3時，MFE峰值最高，且下降最緩慢；隨著PH值的上升，MFE峰值逐漸減小，且下降越迅速；直至PH=8時，MFE接近于0，幾乎呈一條直線。接著在532nm激光的激發下，測量了FAD的MFE在PH=2.3和PH=8時隨外部施加磁場的變化，發現FAD的MFE在PH=8時隨外部場增大上升迅速；在PH=2.3時上升緩慢，而這一變化正是由于FAD分子構象的變化導致的分子復合動力學的改變。

圖4 FAD化學結構的表征Fig.4 Characterization of FAD chemical structure

FAD分子存在堆疊與伸展兩種構象，核糖醇基-焦磷酸-核糖鏈間形成穩定的氫鍵網絡，控制分子構象的轉變[15]。FAD構象也受到溶液介電常數的影響，其熒光強度與介電常數呈線性關系，這一發現在生物研究方面具有重要價值。

通過對FAD的研究可以看出，溶液酸堿度以及介電常數的改變均能夠影響分子動力學，從而導致MFE的改變。

實驗已經證明在強磁條件下，隱花色素模型體系表現出了明顯的磁場效應，但是如此高的磁場強度根本無法滿足生物磁傳感的實際應用。而在低磁場下，傳統的單通吸收光譜法由于動態范圍有限且通常需要測量大背景信號的微小變化而使其靈敏度受到限制。在實際生物系統中檢測磁場效應時，這個問題變得尤為嚴重。

近年來，在基于寬帶腔增強吸收光譜法方面，牛津大學的Hore等[16]開發出了一種新型的冷凝相BBCEAS MFE光譜儀(圖5)。該系統能夠在425～700nm整個可見光譜區間同時記錄MFE，突破了較早的僅限于單波長測量的方法，并將其用于FMN和FAD兩種隱花色素磁敏蛋白模型的研究。該儀器將來自超連續譜白光光源的光與由2個寬帶涂覆的反射鏡形成的簡單光學腔耦合，以提供全可見光譜覆蓋(425～750nm)。在近似十幾mT的外部磁場下，測量基于黃素的磁感模型體系化學反應的磁場效應，可以得到最小可檢測吸光度<10-7，從而允許檢測到MFEs<10-4,并為實際檢測生物樣品中的MFE提供了可觀的前景。

圖5 用于磁場效應研究的BBCEAS系統Fig.5 BBCEAS system for the study of magnetic field effects

那么像地球一樣大小的弱磁條件下，隱花色素蛋白是否也能表現出一定的MFE呢？

2014年，國防科技大學的杜現禮等[17]從昆蟲細胞中分離純化出了鴿子隱花色素蛋白，并發現在常溫常壓下該隱花色素蛋白能夠對地磁大小的場強做出響應，而該技術與方法也是國內外的首例實現。通過對黑暗條件下解凍的C/CRY1蛋白樣品進行瞬態熒光光譜的測試，發現當磁場為45μT時，瞬態熒光上升最快，衰減也最快；當磁場為55μT和75μT時，曲線右移；當磁場為142μT和285μT時，曲線左移。在排除了儀器本身受環境影響的情況下，表明磁場對蛋白分子FAD產生了影響。

鴿子隱花色素的成功提取以及對地磁信號的特異性響應為生物學的研究再一次邁出了關鍵性的一步。然而動物隱花色素的獲取依舊較為困難，為了優化動物隱花色素的獲取方法，2016年，同樣在國防科技大學，袁曉霞等[18]對鴿子隱花色素(C/CRY1)系統的表達條件與純化工藝進行了詳細的分析、探索與優化，獲得了大量純化的C/CRY1蛋白，最終成功解決了鴿子隱花色素蛋白純化效率低以及在獲取時出現的輔基脫落的問題。

事實上，磁場對隱花色素中這種自由基對反應的影響已經在許多實驗研究中得到證實。然而，這些研究幾乎都使用了比地球多幾個數量級的場，只有一項研究為低場效應提供了證明。Barton等通過實驗證明了將DNA與一種修復紫外線誘發的病變的光解酶相結合能夠對微弱磁場作出響應。但從中也發現了一些問題，例如，自由基對壽命極其短暫，且2個自由基的間距太小而導致極大的交換相互作用，這2個因素都不符合低場敏感的自由基對的要求；對地球強度場的各向異性的響應只記錄在模型系統中。

2.2 富勒烯-卟啉-類胡蘿卜素三聯體(C-P-F)

為了使自由基對響應磁場的方向，必須固定至少一個自由基，以保留其各向異性的磁性相互作用。為了達到此目的，Meada等[19]選擇了通過人工合成的由類胡蘿卜素(C)、卟啉(P)和富勒烯(F)組成的三元組分子，結構如圖6所示。經研究發現，該分子能夠對近似地磁場(約50μT)的變化產生響應。

圖6 C-P-F磁感應模型的化學分子結構Fig.6 Chemical molecular structure of C-P-F magnetic induction model

C-P-F分子最初是用來作為研究光合作用過程的有效的模型分子，雖然之前對黃素分子混合溶液體系的磁場效應研究不少，但是，還沒有一種能夠專門替代隱花色素的模型分子，而光合作用的模型替代分子經研究成為了隱花色素的一種很好的替代品。

C-P-F分子在綠光輻照下，內經電子轉移，產生了自旋相關的單重態自由基對S[C*+-P-F*-]。然后，S[C*+-P-F*-]經歷反向電子轉移，直接轉換為基態，其速率常數為ks，或者轉換為激發的三重態，再退激發變為三重態自由基對，其速率常數為kT。最后一個過程是由2個未配對電子的磁相互作用控制的，是磁場敏感的步驟。正如對相關的三重態所觀察到的那樣，外加磁場通過改變自旋態的單重態特征來改變[C*+-P-F*-]的壽命，從而改變了kS和kT對整體動力學的相對貢獻。

Meada等首先描述了外加磁場對各向同性溶液中自由基對消失動力學的影響，發現C-P-F的磁場效應的振幅隨溫度的升高而減小，且差分信號在200K以下呈雙相分布。隨后，測量了100ns與400ns處C-P-F分子的磁場效應隨磁場強度的變化，發現當施加磁場強度大于1mT時，400ns處C-P-F的磁場效應表現出升高的趨勢，而100ns處表現為下降的趨勢，整體呈現出與預期相同的一種雙相磁場效應。當施加類似于地磁場強度的場強時(B～50μT)，顯示出C-P-F吸收的變化高達1.5%。

要發揮化學羅盤的作用，自由基對磁受體必須對外部磁場作出各向異性反應。隨后，Meada等使用對準樣品證明了[C*+-P-F*-]的這種特性。圖7所示為用于測量[C*+-P-F*-]磁場效應各向異性的實驗裝置示意圖，磁場大小為3.1mT。測量結果發現，[C*+-P-F*-]的吸收顯示出與θ明顯的相關性，使用對準樣品與光選擇法測量的最大磁場效應分別為1.5%和5%。

圖7 實驗裝置示意圖[78]Fig.7 Schematic diagram of the experimental device[78]

C-P-F三聯體的磁場效應各向異性的測量為生物磁傳感的研究跨出了重要的一步。但是，進一步提高自由基對各向異性的磁靈敏度也是研究的難點所在。盡管研究者們對于優化其靈敏度的物理和化學性質尚不清楚，但單重態和三重態的重組率顯然起著重要的作用。隨后，Meada等[20]基于此特性對C-P-F分子的自旋選擇動力學作了詳細的研究，通過施加靜態場、射頻場和微波磁場對自由基對自旋態進行控制。最終發現，C-P-F分子的單重態重組率遠大于三重態重組率(kS?kT)，顯然這是C-P-F分子強磁效應的必要條件，但這是否也是對生物磁受體的要求還有待觀察。

通過以上分析，C-P-F分子已被證明可用作化學羅盤，且反應產率能夠表現出對磁場方向的敏感性。之后，為了進一步表征該系統，Meada等[21]再次開發出了一種時間分辨的低頻反應檢測磁共振(time-resolved Low-Frequency Reaction Yield Detected Magnetic Resonance, tr-LF-RYDMR)技術。實驗中，通過改變所施加的靜態磁場和36MHz振蕩磁場的相對方向，發現靜態磁場與振蕩磁場的角度所引起的磁敏性極大程度上依賴于超精細耦合相對于靜態磁場強度的大小。這一發現也為解釋之前使用弱靜態場(46μT)對動物進行研究的實驗提供了一個至關重要的考慮因素。

以上實驗基本表明，C-P-F三聯體能夠對地磁場產生響應，且對弱磁場也能夠產生各向異性的響應。而為了進一步觀察C-P-F對近似地磁場的各向異性的響應，Christian等[9]利用瞬態吸收光譜法，通過3對相互垂直的亥姆霍茲線圈產生的幅度恒定但方向變化的磁場，證明了C-P-F分子對微弱磁場(～1G)明顯的取向依賴性。這也是C-P-F分子對近似地磁場各向異性響應的首例實現。

簡而言之，C-P-F是目前通過人工合成的能夠檢測到地磁變化的磁敏蛋白。但由于實驗不符合常溫常壓的條件，需在極低的溫度下進行，因此，該磁感分子沒有被廣泛用于實際應用當中。

2.3 鏈狀合成分子

探索能夠代替生物體內磁感受器的模型體系的步伐并未停止。眾所周知，電子轉移對芘/N,N-二甲基苯胺(Py/DMA)的激基復合物熒光依賴于磁場。緊接著，許多科學家基于該自由基離子對作了研究，Roy等[22]通過研究不同溶劑中Py/DMA的MFE，發現不同的溶劑極性對其MFE影響很大，隨著溶劑極性的不斷增大，其MFE先增大后減小，在溶劑介電常數ε=15時，MFE達到極大值。Cohen使用Py/DMA的熒光執行一種新型成像，稱為磁熒光成像(Magnetic Fluorescence Imaging，MFI)[23]，可以通過強烈散射的介質(如磨砂玻璃)成像。然而，由于再生率和Py/DMA中自旋演變的微妙相互作用，MFE的大小對溶劑介電常數和極性非常敏感，這限制了MFI的效用。而通過鏈連接電子供體和電子受體的磁感分子能夠增加重組的可能性以及MFE的大小，并在常溫常壓下表現出明顯的磁場效應，尤其是當2個自由基的超精細耦合作用極不對稱時，能夠對外磁場做出各向異性的響應。為了便于合成，目前研究者們擬分別采用菲、芘、蒽等環狀材料作為電子受體，二甲基苯胺(Dimethylaniline，DMA)作為電子供體，并通過控制鏈長而延長自由基對的退激發壽命達到μs量級，以便于能夠感知磁場變化的信息。

早在20世紀80年代，Weller和Staerk以及他們的同事針對鏈狀分子Py-(CH2)n-DMA展開了一系列磁場效應的研究，這些研究成果也促使相關領域的科學家們對此類磁感分子進行更深入的研究。隨后，Yoshihisa等[24]于1996年合成出了共軛鏈連接的鏈狀磁感分子Phen-(CH2)10-O-(CH2)2-DMA，并研究了該分子在不同環境下(鏈長、溶劑、溫度)的磁場效應。研究發現，該磁感分子隨著亞甲基數n(n=4,6,8,10,12)的不斷增大，MFE(IB/I0)在B=0.35～0.59T時呈現不斷增大的趨勢；隨著溶劑介電常數ε的增大(12<ε<37)，MFE(IB/I0)在B=0.26T時呈現不斷增大的趨勢；在B>50mT時，隨著溫度的不斷增加，n=7的鏈狀分子的MFE(IB/I0)呈現不斷減小的趨勢，最后測量得出該分子在一定條件下的MFE高達140%。緊接著1997年，Yoshihisa等[25]通過合成不同鏈長的磁感分子，測量了強磁場對Phen-(CH2)n-O-(CH2)2-DMA(n=6～8,10,12)的熒光強度的影響。發現在施加磁場大于1T時，磁感分子的MFE會出現反轉。基于對鏈狀磁感分子在不同環境下的磁場效應的測量結果，越來越多的科學家們也開始對這種人工合成分子進行探索。

如何提高鏈狀磁感分子的磁感靈敏度是生物磁傳感技術發展的關鍵一步。蔡建明受超精細耦合對外磁場各向異性理論研究的啟發，發現利用鐵磁性納米顆粒設計材料，能夠改善各向異性的超精細耦合，提高磁感靈敏性能。Cohen等[26]根據理論研究也發現，適當設計的納米球狀梯度場，可以顯著提高化學羅盤的性能。例如直徑10nm的Fe3O4球在其表面產生約600G/nm的梯度場，該梯度場約為電子-核自旋耦合產生磁場的10倍，且遠遠超過用宏觀線圈產生的效果。若梯度場在某一個自旋的位置處強，而在另一個自旋處近似為0,就可以定向地發生磁場耦合,消除小空間區域中納米結構的場互擾，從而實現純分子羅盤所需的強的各向異性超精細耦合,能夠顯著提高磁場感應靈敏度。因此，在設計真實器件時，可以通過在硬鐵磁性納米結構附近施加空間均勻的偏置場，而產生超精細耦合，代替局部強梯度磁場[17]，實現使用自由基對反應映射納米磁場。

表1 三種磁敏分子的性能及優缺點Tab.1 Performance, advantages and disadvantages of three kinds of magnetic sensitive molecules

基于磁性納米顆粒的這一特性，Cohen等[27]仿照Yoshihisa等合成鏈狀磁感分子的過程，同樣地合成出了類似的Phen-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA磁感分子，并通過在磁感分子附近設置鐵磁性納米結構，利用其自由基對反應機理繪制出了不同形狀的鐵磁納米顆粒周圍的磁場分布。以圓形鐵磁顆粒為主，量化了從結構邊緣擴展13μm的熒光角，結果顯示，在0°和180°時MFE最大，且最大MFE達1.7%，在90°和-90°時MFE最小。

基于此結果，為了真正地實現三維輪廓分析，Cohen等[28]引入了一種利用雙光子共焦熒光來實現熒光成像的方案。研究發現，利用雙光子激發Phen-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA同樣能夠保持磁場效應，并利用此屬性繪制了三維鐵絲周圍的磁場分布。以上實驗結果基本表明，基于電子受體菲和電子供體DMA連接的磁感分子能夠在常溫常壓下表現出良好的磁場效應以及對磁場各向異性的響應,而通過改變電子受體或電子供體是否能夠進一步增強磁感分子對磁場的響應呢？Kattnig等[29]通過研究鏈狀供體-受體系統的自由基對動力學發現，MAnt-(CH2)16-O-(CH2)2-DMA分子在B=75mT時，MFE達37.5%。Lee等[30]通過對合成出的新型磁感分子Py-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA的研究發現，應用廣泛使用的355nm的紫外光激發時，該分子顯示出比Phen-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA分子更明顯的MFE，并且所需的檢測手段更為簡便，所得的信噪比(Signal/Noise，S/N)更高(圖8)。同時這一實驗結果也能啟發相關領域的科學家們探索更多類似的鏈狀磁感分子，以求獲得更高的磁場靈敏度。

圖8 Py-(CH2)12-O-(CH2)2-DMA的化學分子結構Fig.8 Chemical molecular structures of Py-(CH2)12-O- (CH2)2-DMA

3 結論與展望

近年來，隨著地磁測量技術的不斷完善和發展，國內外越來越多的科學家致力于地磁導航的研究，并取得了豐碩的成果。但基于生物磁感應的仿生磁傳感技術的研究仍未得到重大突破，而是否能夠發現一種在常溫常壓下既能響應地磁大小又能響應地磁方向的人工磁感分子模型，是這一技術能否進一步得到跨越的關鍵。而通過將目前已合成出的鏈狀分子與牛津大學等學者開發出的寬帶腔增強法相結合，理論上能夠實現常溫常壓下對微弱磁場變化的響應，但能否將其實現，還需通過實驗進行研究。自由基對機制真的就是生物進行磁導航的內在機制嗎？這一結論還需更多的實驗依據加以證實。或許，當生物磁感應的內在機制得到了全面理解，仿生磁導航技術的發展將真正走向成熟。

仿生磁傳感技術的研究一直是近些年國內外研究的熱門領域，雖然眼前還有許多問題等待突破，但相信通過科學家們不斷的努力與嘗試，結合多學科交叉的技術，以及發展設計出更優秀的實驗平臺和模型體系，這些問題必將得到解決，將全面推動仿生磁傳感技術發展并最終走向實際應用。