组成图示
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传感器类型
荧光生物传感器
检测对象
烷化剂（alkylating agents：melphalan、mechlorethamine、cisplatin）、过氧化氢（H2O2）、单线态氧（singlet oxygen, 1O2）、羟基自由基（hydroxyl radical, •OH）；样品基质为 Tris/NaCl 缓冲液、DMEM/FBS 培养基及活体 3T3 细胞。
检测原理
DNA 封装的 (6,5)/(7,5) SWNT 以近红外光致发光（PL）作为换能信号。烷化剂与 DNA 中鸟嘌呤反应形成加合物，改变纳米管微环境极性与 DNA 构象，经溶剂化变色使 (6,5) 和 (7,5) PL 红移并衰减。H2O2 直接吸附 SWNT 侧壁，因其高还原电位引发可逆电荷转移猝灭，导致两带强度下降并轻微峰移。Cu2+/H2O2 在 DNA 附近生成单线态氧，氧化嘌呤碱基形成 DNA 加合物，使 (6,5) 显著红移而 (7,5) 基本不变。Fe2+/H2O2 经 Fenton 反应生成羟基自由基，损伤 DNA 骨架并形成电荷转移猝灭加合物，使两带衰减且 (7,5) 更明显。四种 PL 强度/能量模式随浓度或时间变化，经 PCA 实现指纹识别与多路复用。
检测灵敏度
未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数；单分子 H2O2 检测，平均归一化台阶高度 0.05–0.1，单步幅度 0.1。
效应效果
体外将六种基因毒性分析物光谱区分为四类，PCA 显示数据分离；同时生成羟基自由基与单线态氧时，早期点位于羟基自由基/H2O2 区，后期进入单线态氧区，验证多路复用。EDTA 螯合 Cu2+ 完全抑制 (6,5) 峰移，NaN3 降低单线态氧峰移，mannitol 抑制 Fe2+/H2O2 衰减，表明选择性来自特定反应路径。烷化剂动力学：melphalan kobs=0.014 min^-1、mechlorethamine 0.012 min^-1、cisplatin 0.0047 min^-1。活体 3T3 细胞中实时识别四种试剂，H2O2 信号 5–10 min 内可逆。作者称其为首个无标记光学区分基因毒性试剂的纳米尺度多模态传感器。
传感器的构成
- 基底：玻璃盖玻片（glass coverslip），用于单分子固定化与近红外成像。
- 表面修饰层：生物素化牛血清白蛋白（biotinylated BSA）与链霉亲和素（Neutravidin），提供生物素–亲和素固定化并减少非特异吸附。
- 固定化识别元件：生物素化 DNA–SWNT（biotinylated DNA–SWNT），通过生物素–Neutravidin 结合固定于表面。
- 纳米换能器：单壁碳纳米管（SWNT），含 (6,5) 与 (7,5) 物种，作为近红外光致发光（PL）换能器。
- 识别/响应元件：d(GT)15 寡核苷酸（DNA）封装 SWNT，形成 DNA–SWNT，响应烷化剂鸟嘌呤烷基化及 ROS 诱导 DNA 损伤。
- 信号标记物：无外源标记，SWNT 自身近红外 PL 强度与峰位作为信号。
中文摘要
纳米传感元件有望在物理或生物受限环境中实现单分子分析物检测。单壁碳纳米管（SWNT）作为光学传感器具有光稳定近红外发射、可穿透生物介质及单分子灵敏度等优势。分子吸附可通过扰动纳米管电子结构转换为光学信号。本文证明一对 SWNT 物种（(6,5) 和 (7,5)）可提供至少四种可调制模式，通过分析物对发射带强度或波长的改变程度对试剂进行唯一指纹识别。作者利用 DNA 封装纳米管在体外验证了六种基因毒性分析物的检测，包括化疗烷化剂和活性氧物种，并将其光谱区分为四个不同类别；同时展示了对过氧化氢的单分子检测灵敏度。最后，在活体 3T3 细胞内实时检测并识别这些分析物，实现了纳米尺度生物传感器的多路复用光学检测，并提供了首个无标记光学区分基因毒性试剂的工具。
英文摘要
Nanoscale sensing elements offer promise for single-molecule analyte detection in physically or biologically constrained environments. Single-walled carbon nanotubes have several advantages when used as optical sensors, such as photostable near-infrared emission for prolonged detection through biological media and single-molecule sensitivity. Molecular adsorption can be transduced into an optical signal by perturbing the electronic structure of the nanotubes. Here, we show that a pair of single-walled nanotubes provides at least four modes that can be modulated to uniquely fingerprint agents by the degree to which they alter either the emission band intensity or wavelength. We validate this identification method in vitro by demonstrating the detection of six genotoxic analytes, including chemotherapeutic drugs and reactive oxygen species, which are spectroscopically differentiated into four distinct classes, and also demonstrate single-molecule sensitivity in detecting hydrogen peroxide. Finally, we detect and identify these analytes in real time within live 3T3 cells, demonstrating multiplexed optical detection from a nanoscale biosensor and the first label-free tool to optically discriminate between genotoxins.