组成图示
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传感器类型
荧光生物传感器
检测对象
胰岛素（insulin），样品基质为缓冲液、胶原细胞外基质（ECM）及胰腺INS-1细胞培养/分泌液
检测原理
IBA通过π-π作用非共价结合在SWNT侧壁，保持四链平行G-四链体构象以选择性识别胰岛素。胰岛素扩散至SWNT附近并与IBA结合后，其LUMO能级位于SWNT导带与价带之间，激发态电子从SWNT导带向胰岛素LUMO发生光诱导电荷转移，使SWNT近红外PL猝灭。PL强度随胰岛素浓度升高而降低，Stern-Volmer分析给出KSV=1.17×10^4 M^-1，kq=5.85×10^14 M^-1 s^-1；一维扩散-反应模型给出kr=0.129 s^-1。该过程无需外源标记或酶放大，信号直接来自SWNT自身PL变化。
检测灵敏度
LOD: ∼10 nM；线性范围: 0–180 nM；KSV: 1.17 × 10^4 M^-1；kq: 5.85 × 10^14 M^-1 s^-1；kr: 0.129 s^-1
效应效果
该传感器对胰岛素具有良好选择性：470 μM胰岛素引起82%的PL猝灭，而BSA和proteinase K几乎不改变SWNT发射；CD证实IBA保持四链平行G-四链体结构。细胞培养液RPMI 1640和0.3 M葡萄糖均不引起明显PL变化。嵌入胶原ECM的传感器可用49 μM R-胰凝乳蛋白酶在约1 h内酶解结合胰岛素并恢复PL，完成两个再生循环，两个月后光学信号仍持续。实际检测中，葡萄糖刺激胰腺INS-1细胞分泌胰岛素，传感器给出空间分辨的胰岛素分泌梯度轮廓，近细胞区域猝灭更强。作者认为该无标记、非侵入、原位实时平台可扩展至其他适配体识别的细胞信号分子。
传感器的构成
- 基底：玻璃底培养皿（glass bottom Petri dish），承载胶原ECM与细胞并提供光学透明支撑
- 换能器：单壁碳纳米管（SWNTs，CoMoCAT SWNTs），提供近红外光致发光（PL）信号
- 识别元件：胰岛素结合适配体（IBA，5'-GGT GGT GGG GGG GGT TGG TAG GGT GTC TTC-3'），非共价结合SWNT侧壁并选择性识别胰岛素
- 固定微环境：胶原细胞外基质（collagen ECM，rat tail collagen I），固定IBA-SWNT并允许胰岛素扩散
- 信号标记：SWNT自身近红外PL，胰岛素结合导致PL猝灭，无需外源标记
- 再生剂：R-胰凝乳蛋白酶（R-chymotrypsin），酶解结合胰岛素以恢复PL并实现传感器再生
- 读出系统：近红外荧光显微镜与InGaAs相机（658 nm激发，>850 nm收集），读取PL猝灭变化
中文摘要
本文报道了一种基于近红外荧光单壁碳纳米管（SWNTs）与胰岛素结合适配体（IBA）的新型光学生物传感器平台，用于无创、实时检测细胞信号分子。SWNTs通过π-π作用非共价修饰IBA，胰岛素选择性结合后，通过光诱导电荷转移机制猝灭SWNT的光致发光（PL），猝灭速率kq = 5.85×10^14 M^-1 s^-1，扩散-反应速率kr = 0.129 s^-1。圆二色性光谱首次证明IBA在纳米管上保持四链平行鸟嘌呤四链体构象，从而保证目标选择性。将IBA功能化SWNT嵌入胶原细胞外基质（ECM）后，可通过R-胰凝乳蛋白酶酶解结合胰岛素实现传感器再生。概念验证表明，嵌入ECM的传感器能快速检测葡萄糖刺激下培养胰腺INS-1细胞分泌的胰岛素，并给出胰岛素分泌的空间梯度轮廓。该设计实现了无标记、原位、实时检测细胞信号分子的新方案。
英文摘要
We report a novel optical biosensor platform using near-infrared fluorescent single-walled carbon nanotubes (SWNTs) functionalized with target-recognizing aptamer DNA for noninvasively detecting cell-signaling molecules in real time. Photoluminescence (PL) emission of aptamer-coated SWNTs is modulated upon selectively binding to target molecules, which is exploited to detect insulin using an insulin-binding aptamer (IBA) as a molecular recognition element. We find that nanotube PL quenches upon insulin recognition via a photoinduced charge transfer mechanism with a quenching rate of k(q) = 5.85 × 10(14) M(-1) s(-1) and a diffusion-reaction rate of k(r) = 0.129 s(-1). Circular dichroism spectra reveal for the first time that IBA strands retain a four-stranded, parallel guanine quadruplex conformation on the nanotubes, ensuring target selectivity. We demonstrate that these IBA-functionalized SWNT sensors incorporated in a collagen extracellular matrix (ECM) can be regenerated by removing bound analytes through enzymatic proteolysis. As proof-of-concept, we show that the SWNT sensors embedded in the ECM promptly detect insulin secreted by cultured pancreatic INS-1 cells stimulated by glucose influx and report a gradient contour of insulin secretion profile. This novel design enables new types of label-free assays and noninvasive, in situ, real-time detection schemes for cell-signaling molecules.