综述：单壁碳纳米管传感器的制备与生物应用进展

这篇综述系统总结了单壁碳纳米管（SWCNTs）光学生物传感器的制备技术（如单手性纯化、共价/非共价功能化）及其在生物分析中的应用（如气体成分、神经递质、活性氧检测），重点探讨了其在疾病机制研究和临床诊断中的潜力，并展望了结合微流控和机器学习的高通量筛选前景。

　　

单壁碳纳米管传感器的制备与生物应用进展

引言

单壁碳纳米管（SWCNTs）因其独特的近红外荧光（NIR-II区，870–2400 nm）特性成为生物传感领域的新星。其组织穿透性强、光稳定性高，且不受生物组织自发荧光干扰，为实时监测生物分子提供了理想平台。近年来，通过手性纯化和表面功能化技术的突破，SWCNTs传感器在灵敏度与选择性上实现了质的飞跃。

单壁碳纳米管的制备与功能化

手性纯化技术：电弧放电、激光烧蚀和化学气相沉积（CVD）是SWCNTs的三大制备方法，但产物多为混合手性。密度梯度超速离心（DGU）和聚合物封装等分离技术可富集单一手性（如(6,5)-SWCNT），消除光谱重叠干扰。例如，表面活性剂体系（如SDS、SDBS）的优化显著提升了分离效率。

功能化策略：

• 非共价修饰：通过π-π堆叠作用，DNA链（如ss(GT)₁₅
  ）、肽链或表面活性剂包裹SWCNTs，保留其光学性能的同时引入识别位点。例如，O'Connell团队最早用SDS分散SWCNTs，而ssDNA修饰可定制化设计序列以适配不同靶标。
• 共价修饰：通过重氮盐或臭氧氧化引入σ键，形成稳定缺陷位点（如苯硼酸修饰），但可能破坏π共轭结构。量子缺陷技术（如氧掺杂）可增强荧光响应特异性，用于比率传感。

小分子检测应用

气体成分分析：
Shumeiko团队开发的肽修饰(6,5)-SWCNT传感器可检测低至0.05%的乙酸蒸气，并成功应用于葡萄酒腐败监测。另一项研究将钯纳米颗粒修饰的ssDNA-SWCNT用于甲烷检测，通过近红外荧光增强实现可逆响应。

神经递质动态监测：

• 血清素（5-HT）：基于SELEX策略筛选的DNA适配体（SerApt）修饰SWCNT传感器（NIRSer），可实时追踪血小板释放的5-HT，为抑郁症研究提供工具。
• 多巴胺（DA）：ss(GT)₁₀
  -(6,5)-SWCNT通过荧光寿命成像（FLIM）技术克服运动伪影，实现活细胞DA分泌的高时空分辨率观测。

活性氧（ROS）检测：

• H₂
  O₂
  ：ss(AT)₁₅
  -(6,5)-SWCNT与ss(GT)₁₅
  -(7,6)-SWCNT构建比率传感器，检测限达100 μM；而血红素适配体修饰传感器可监测植物叶片中10–100 μM的H₂
  O₂
  。
• 一氧化氮（NO）：d(AT)₁₅
  -SWCNT传感器成功捕获血管内皮生长因子（VEGF）诱导的NO信号，为心血管研究提供新方法。

生物大分子诊断应用

蛋白质检测：

• 白蛋白：羧基化聚碳二亚胺修饰SWCNT可特异性识别尿液白蛋白（检测限3 mg/L），媲美临床免疫比浊法。
• 白细胞介素-6（IL-6）：聚乙烯亚胺（PLK）钝化的传感器在血清中检测限低至25 pg/mL，助力炎症疾病诊断。

酶活性监测：

• 凝血酶：DPPE-PEG-SWCNT通过荧光变化可视化纤维蛋白凝结过程，为凝血障碍诊断提供动态数据。
• 胆碱酯酶（CHE）：肉豆蔻酰胆碱修饰SWCNT可评估血浆中CHE活性及有机磷抑制剂效应。

核酸与脂质分析：

• miRNA：ssDNA-SWCNT传感器可无标记检测急性心肌梗死标志物miR-208a（检测限10 nM）。
• 胆固醇：氧缺陷(6,5)-SWCNT的双峰比率荧光技术实现血清中0.72 μM胆固醇检测，媲美金标准。

结论与展望

SWCNT生物传感器凭借其近红外荧光优势和模块化设计，已成为探索生命机制与临床诊断的利器。未来，结合单手性分离、量子缺陷工程和人工智能算法，其应用边界将进一步拓展。尤其在癌症早筛、神经退行性疾病动态监测等领域，SWCNT传感器有望推动个性化医疗的革新。