华南理工大学林志伟教授ACS Nano：基于有序DNA包裹的单手性碳纳米管构建的超灵敏铜离子植物传感平台

铜是生物体内必需的微量金属，但过量的铜摄入会通过食物链对植物、动物和人类健康造成重大风险。开发一种灵敏、非破坏性和实时的技术来评估植物对铜的吸收是非常 必要的，但目前仍然是一项具有挑战性的任务。

DNA包裹的单壁碳纳米管（DNA-CNTs）由于其在近红外（NIR）区域的荧光特性，且具有良好的水溶性和生物相容性，在生物传感和成像技术中得到了广泛的应用。尽管DNA-CNTs应用于传感方面取得了重大进展，但广泛使用的品种仍然是具有多种手性的未纯化碳纳米管（图1a），未纯化的传感器中存在成分复杂和不明确的DNA结构严重阻碍了我们对传感机制的理解。针对这些问题，在前期工作的基础上（Science 2022, 377, 535–539; ACS Nano 2022, 16, 4705-4713; ACS Nano 2025, 19, 2665–2676；Sci. Adv. 2025, 11, eadt9844），最近华南理工大学前沿软物质学院林志伟课题组开发了一种基于周期性有序DNA包裹的单手性CNTs（图1b）构建的超灵敏和高选择性Cu2+传感平台，明确阐明了DNA-CNTs对Cu2+的传感机制，且实现了实时和定量检测活植物中的Cu2+。该研究成果近期发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。博士生陈剑英为本文的第一作者，林志伟教授为通讯作者。

图1.未纯化和纯化DNA-CNT作为传感器的性能比较。

如图2所示，作者利用双水相技术分离了五种不同手性的单手性CNTs（DNA-scCNTs），基于前期工作研究，这五种纯化scCNTs上的DNA分解序列呈现出周期性有序包裹结构（Sci. Adv. 2025, 11, eadt9844）。通过观察这五种不同DNA-scCNT传感器对Cu2+荧光响应，发现CNTs对Cu2+的荧光响应高度依赖于手性，且 C3GC6GC4-(7,5)的传感性能最佳。此外，非纯化的CNTs对Cu2+有较弱的光学响应，并由于它们的光谱重叠，很难量化每个手性的灵敏度。通过对(7,5)传感器检测Cu2+的性能评估，(7,5)传感器体现出卓越的灵敏度、特异性和稳定性。

图2. 纯化DNA-scCNTs对Cu2+离子的传感性能。

此外，作者对Cu2+猝灭(7,5)荧光的作用机理进行全面的研究。通过在(7,5)传感体系中加入游离DNA，(7,5)对Cu2+的传感灵敏度下降（图2a），且EDTA能够恢复Cu2+猝灭后(7,5)传感器的荧光（图2b）。这些结果证明了Cu2+是通过DNA吸附到(7,5)的表面。通过AFM证明了C3GC6GC4-(7,5)有序的DNA包裹结构比无序结构更有效使Cu2+与碳纳米管相互作用而表现出更灵敏的传感性能（图2c-e）。 (7,5)加入Cu2+后拉曼光谱G峰往高频移动（图2f），以及(7,5)引入Cu2+前后XPS谱的变化（图2g-h），证明了(7,5)的荧光猝灭是由于(7,5)向Cu2+的电子转移（图2i）。此外，利用飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱研究了（7,5）的激发态弛豫动力学和电子向Cu2+的转移（图4）。结果表明了(7,5)向Cu2+的电子转移发生在飞秒的时间尺度上，并且电子转移贯穿(7,5)激发态衰减的整个过程。

图3. C3GC6GC4-(7,5)对Cu2+离子的传感机理。

图4. (7,5)及(7,5)加入不同浓度Cu2+离子后的飞秒瞬态吸收光谱。

(7,5)对Cu2+的高灵敏度和特异性的传感性能使其有潜力成为一种植物中Cu2+实时监测的纳米光学传感器。由于C3GC6GC4-(7,5)具有良好的水溶性和生物友好性，其可以被植物吸收并且在植物中具有稳定的近红外光。为了实时有效地监测植物体内Cu2+离子的分布和浓度变化，（7,5）传感器被引入到植物的不同部位，包括植物的根、茎和叶。如图5所示，随着时间的推移， Cu2+从豆苗根部被吸收和运输，豆幼苗根部和茎部的荧光强度逐渐降低，且距根部距离越远的部位，荧光猝灭延迟，侧面反映了离子在植物中的传输与分布。菠菜叶片中的(7,5)传感器随着Cu2+吸收时间的延长，也体现出荧光逐渐猝灭的现象，并且结合ICP-MS测量的Cu2+含量，可以建立 (7,5)荧光猝灭水平与Cu2+含量的良好标准关系曲线（图6a-c）。此外，为了纯化C3GC6GC4-(7,5)在实时成像应用中的优越性，通过与非纯化CNTs 在菠菜叶片中实时Cu2+监测的传感性能相比，纯化C3GC6GC4-(7,5)传感器在低浓度Cu2+含量时表现出更优越的灵敏度（图6e,f）。

图5. 植物中Cu2+的实时检测。

图6. 菠菜叶片中Cu2+的实时检测与定量。

总结：本文利用纯化的DNA-scCNT传感器开发了一种实时和定量检测植物中Cu2+的高性能传感平台。该传感器是通过scCNTs荧光猝灭来监测Cu2+的浓度，且荧光猝灭机制归因于DNA对Cu2+的吸附，使电子能够从scCNTs转移到Cu2+。此外，纯化的scCNTs表面包裹的DNA呈周期性螺旋，手性类型的均匀性和良好定义的DNA包裹结构赋予纯化的DNA-scCNT传感器卓越的灵敏度、选择性、稳定性和清晰全面的传感机制。该传感平台将成为开发基于纯化DNA-scCNTs的下一代纳米传感器的起点。碳纳米管的不同手性与可控DNA螺旋结构的不同组合将促进一个具有灵敏度和特异性的分子传感平台，对于从精准农业到医疗保健和疾病诊断的广泛应用具有巨大的潜力。

本工作得到了国家重点研发项目（2023YFA0915200）、国家自然科学基金（52273265）、广东省基础与应用基础研究项目（2024A1515012437、2024B1515040023）、广州市R&D项目（2025A04J7015）、广州市GJYC项目（2024D03J0002, 2024D01J0057）、高校基本科研业务费、小米基金会等多个项目和基金的支持。

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c08364

来源：高分子科学前沿

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