《Sensors and Actuators Reports》：DNA-Functionalized Nanomaterials for Optical Biosensors: Mechanisms, Applications, and Design Perspectives
光学生物传感机制
DNA功能化纳米材料光学生物传感器的传感机制主要受光致发光变化，特别是荧光的调控。荧光是材料吸收特定波长的光，将电子从基态激发到高能级时产生的现象。基于荧光的生物传感器旨在将分析物信息转化为荧光强度、波长、各向异性或发射寿命的变化。荧光传感器因其高灵敏度、易用性及广泛的分析物适应性而被广泛采用。分析物与光学纳米材料之间的相互作用会调节荧光量子产率，导致信号增强（开启）或抑制（关闭）。各种光学纳米材料由于其可调的物理化学性质（如形状、尺寸、发射波长和吸收光谱）而成为有效的传感平台。这些纳米材料通过诱导表面结合DNA的结构或构象变化来促进荧光调制，从而提高了灵敏度和靶标选择性。
在此背景下，四种代表性的荧光传感机制尤为重要：F?rster共振能量转移（FRET）、纳米表面能量转移（NSET）、电子/空穴载流子转移以及吸收比色法。每种机制都利用独特的光物理相互作用模式来实现分析物识别和信号读出，它们共同构成了大多数DNA功能化纳米材料光学生物传感器的基础。
F?rster共振能量转移（FRET）
FRET是一种通过分子间偶极-偶极耦合，将能量从激发的供体荧光团非辐射地转移到受体荧光团的现象。其效率（Φ）和速率常数（kT）与供体-受体距离R的六次方成反比，有效作用距离通常小于10纳米，因此对纳米尺度的邻近变化极其敏感。DNA功能化纳米材料已被广泛用于FRET传感平台，其中DNA分子附着在纳米材料表面。传感原理涉及设计具有互补区域的DNA序列，这些区域可以彼此杂交或与目标分析物分子杂交。当DNA功能化纳米材料通过杂交或结合与目标分子接近时，会启动FRET，从而导致荧光强度或其他光谱特性的可检测变化。
纳米表面能量转移（NSET）
NSET是指从供体荧光团的激发态到受体金属纳米材料表面发生的非辐射偶极-表面偶极能量转移过程。与FRET相比，NSET的猝灭效率（Φ）与距离R的四次方成反比，因此能够在更长的距离（约20纳米）进行能量转移，使其能够检测FRET范围之外的大分子复合物（如病毒/抗体）。然而，NSET primarily works as a turn-off system，其信噪比通常低于turn-on系统。最近的NSET传感方法主要集中于利用某些类型的金纳米颗粒和半导体纳米晶体作为竞争性供体-受体对。
电子/空穴载流子转移
激子解离通过光诱导电子转移（PET）和空穴载流子转移过程发生，主要由供体和受体的最低未占分子轨道（LUMO）之间的能隙决定。这种机制导致荧光猝灭和非辐射复合。基于PET的传感器可以在分析物结合有效切换界面电子或空穴转移途径时实现大的荧光调制；然而，对局部电子结构和微环境因素的强烈敏感性可能会增加基线变异性，并限制在复杂基质中的定量稳健性。
吸收比色法
比色检测是一种广泛使用的分析技术，基于目标分析物光学吸收特性的变化来定量其存在或浓度。纳米材料比色传感器采用标记和无标记策略进行设计。分析物浓度通过使用分光光度计或甚至肉眼监测颜色变化来确定。吸收比色法具有简单、快速和现场分析潜力等优点。在金属纳米材料中，观察到的颜色变化对应于表面等离子体共振（SPR）峰的变化：分散态和聚集态之间的转变引起吸收光谱的位移，表现为颜色变化。基于吸收的比色传感器能够实现简单快速的信号转导，适用于即时检测应用，但非线性的浓度-信号关系、散射效应和非特异性聚集可能在低分析物浓度下影响定量可靠性。
DNA功能化纳米材料用于光学生物传感器
为了全面了解该领域的发展趋势，对过去十年（2015-2025年）的科学产出进行文献计量分析揭示了一个明显的演变轨迹，其特征是材料偏好的三个阶段。
早期阶段（2015-2017年）代表了“内在光学”时代，重点关注最大化“硬”纳米材料的性能。虽然金属纳米颗粒（MNPs）由于其在比色和侧流分析中的既定作用而保持稳定且占主导地位的基础，但传统半导体纳米晶体（量子点，QDs）的发表量已趋于稳定。这种停滞很可能是由对重金属毒性（例如镉、铅）日益增长的担忧所驱动，这限制了它们的临床和体内应用性。
这种局限性促使了“绿色”转变（2017-2021年）。自2017年左右开始，关注碳基纳米材料的研究出现了显著的指数级增长。这一趋势反映了该领域战略性地转向绿色、生物相容性的纳米材料，适用于细胞内传感和环保制造。最近（2022年至今），该领域进入了“智能”时代，超越了简单的分析物检测，转向与DNA逻辑电路和人工智能的系统级集成。这些统计趋势强调了当前生物传感的设计理念：从纯粹的高性能光学转向平衡灵敏度、安全性、可持续性和智能功能的材料。
以下各节将系统评估这六种纳米材料平台，详细说明其独特的光学机制和物理化学性质如何决定其在现代生物传感中的具体用途。
碳点（CDs）
碳点（CDs）是纳米尺寸的碳质颗粒，通常直径小于10纳米，表现出强荧光和良好的表面化学性质。它们的小尺寸、固有的生物相容性和低毒性使其在生物传感中极具吸引力。CDs的一个关键优势是其荧光的可调性，范围从可见光到近红外区域，这取决于前体选择、掺杂和反应条件。与有机染料不同，CDs具有长期稳定性，可以在水环境中长期储存，并且在生物系统中不会被快速代谢。这种耐久性减少了荧光输出的可变性，并最大限度地减少了由探针降解引起的测定误差。它们的高稳定性，加上通过丰富的表面基团易于功能化，使得CDs能够被设计为独立的探针或融入混合纳米结构。
金属离子检测
CDs的最新进展凸显了其通过适配体辅助的FRET平台检测有毒金属离子的潜力。一个引人注目的演示使用双发射CDs来定量汞，灵敏度极高，检测限（LOD）低至5 × 10?19M。虽然这说明了CD基探针无与伦比的灵敏度，但也引发了关于重现性以及如此超低检测限在实际应用中是否必要的实际问题。除了汞之外，共掺杂CDs已被应用于结合荧光和共振瑞利散射的双模式检测法，例如用于砷酸盐（As3+）的检测。总的来说，这些例子突出了CD基离子传感器的优势：卓越的灵敏度、可调荧光以及与双模式或FRET方案的兼容性。同时，它们也强调了反复出现的挑战：严重依赖经验优化、对探针-分析物相互作用的机制洞察有限，以及实验室灵敏度与实际应用之间的差距。
小分子检测
CDs也被改造用于检测小分子，其设计通常依赖于适配体介导的相互作用来调节荧光猝灭或恢复。一个显著的例子是使用近红外（NIR）发射CDs检测皮质醇。通过将NIR-CD-适配体复合物吸附到氧化石墨烯（GO）上，该探针利用内滤效应（IFE）作为猝灭机制，当皮质醇破坏适配体-GO相互作用时，该效应可逆转。基于CDs的小分子检测的其他研究使用FRET，通常将适配体功能化的CDs作为供体与GO或纳米石墨作为受体配对。除了FRET，结合磁性纳米颗粒的混合策略已显示出前景。总体而言，基于CDs的小分子传感器说明了猝灭和杂交方案的多样性，但也强调了该领域对特定案例设计的依赖。
蛋白质检测
CDs也被探索用于蛋白质传感，其中适配体功能化能够选择性识别临床和生物学上重要的靶标。早期工作证明了使用两种针对不同结合位点的适配体，以夹心形式检测凝血酶。更近期的设计力求在保持高灵敏度的同时简化蛋白质检测。总体而言，基于CDs的蛋白质传感器展示了适配体-纳米材料界面的灵活性以及用于现场诊断的多模式或视觉读出的前景。然而，要将这些系统从探索性演示转变为可靠工具，未来的工作必须强调在复杂生物样品中的重现性，开发减少非特异性结合的抗污染策略，并建立将适配体结构和CD表面化学与性能结果联系起来的设计规则。
其他靶标
除了传统的生物分子传感，CDs已被应用于病毒DNA、细菌病原体和小分子辅因子的检测。一个代表性例子是用于人乳头瘤病毒16（HPV16）的“开启”平台，该平台利用向日葵籽壳生物质衍生的碳点。其他核酸靶标，如miRNAs，也已使用基于CD的FRET传感器进行检测。CDs甚至已被探索用于病原体检测。总的来说，这些例子突出了CDs在病毒、微生物和分子靶标方面的广泛适用性。它们强调了DNA-CD相互作用在多种识别模式（静电猝灭、FRET和聚集）中的多功能性，但也指出了共同的局限性：经验性设计、有限的可推广性以及对于CD表面态如何影响识别效率的理解存在差距。
设计考量
设计有效的基于CD的生物传感器需要超越概念验证演示，转向更系统地理解结构特征如何转化为传感功能。一个关键的设计考虑在于利用CDs的结构多样性，这源于不同的碳前体、合成条件和杂原子掺杂策略。建立清晰的结构-性质-功能关联，将表面化学或发射特性与FRET、IFE或PET等机制联系起来，将为针对特定传感模式定制CDs提供理性框架。另一个重要的考虑因素是模式整合。虽然CDs已显示出强大的个体性能，但它们在双模式或多模式平台（例如，荧光结合共振瑞利散射或磁分离）中的作用突出了在特异性、稳健性和用户可操作性方面的明显优势。DNA界面也值得更多的设计关注。虽然适配体功能化的CDs被广泛使用，但适配体长度、二级结构和附着几何形状对荧光响应的影响仍然表征不佳。对这些变量的系统探索可以显著提高灵敏度和可靠性。可持续性进一步影响了设计决策。CDs经常被宣传为“绿色”和低成本的纳米材料，但对环境友好型合成的基准测试应超越光学质量和产率，包括在生理相关流体中的稳定性，这是实际生物传感器必须运行的环境。最后，集成到可扩展的设备形式中至关重要。将CDs嵌入纸基检测、便携式试条或微流控芯片中将有助于将实验室规模的传感器转化为现实世界的诊断工具。实现这一点需要解决制造兼容性、长期稳定性和大规模重现性。
碳纳米管（CNTs）
碳纳米管（CNTs），包括单壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs）结构，具有卓越的电导率、大比表面积和强大的生物相容性。它们的纳米级直径和延伸的纵横比产生了独特的光电特性，SWCNTs在近红外区域表现出带隙依赖性荧光。这个光谱窗口对于生物传感特别有价值，因为它与生物透明区域重叠，能够以最小的背景干扰进行更深层的组织成像。重要的是，SWCNTs的光物理行为对其局部环境高度敏感，使其成为分子识别的响应性探针。
在基本层面上，SWCNTs的近红外荧光由其手性依赖的电子能带结构决定，这定义了每个（n,m）物种的发射波长、激子结合能和弛豫动力学。因此，手性选择建立了CNT基传感器的内在光学基线，并限制了可访问的信号窗口和信噪比特性。为了将这些特性转化为实际传感器，表面修饰是必不可少的。共价功能化可以稳定SWCNTs，但通常会减弱其固有荧光，而非共价策略则保留光学发射，并且是生物传感的首选方法。DNA已被证明是一种特别有效的功能涂层，使SWCNTs能够分散在水性系统中并赋予选择性识别能力。通过π-π相互作用由单链DNA（ssDNA）进行非共价包裹，暴露出亲水糖-磷酸骨架，产生稳定的悬浮液。
除了手性定义的固有特性外，CNT基传感器中的荧光调制主要受界面分子组织而非分析物与纳米管表面的直接相互作用控制。特别是，DNA序列依赖性电晕相分子识别（CoPhMoRe）产生了一个结构化的分子电晕，定义了局部介电环境、激子定位以及猝灭或增强途径的可及性。不同的DNA序列采用不同的电晕构象，使得分子识别事件能够以序列编码的方式转导为分析物特异性的荧光响应。然而，这些相互作用的强度和特异性强烈依赖于SWCNT手性、DNA长度和序列以及环境因素，如离子强度和pH值。此外，表面化学和受控缺陷或掺杂态（如氧功能化或sp3缺陷）进一步调节激子复合路径和界面电子耦合，从而影响荧光强度、光谱位置和环境敏感性。虽然这种修饰可以增强传感器响应性，但如果不能精心设计，可能会在光稳定性和信号重现性方面引入权衡。这种敏感性既是优点也是缺点，能够在受控条件下实现选择性识别，但限制了重现性。这些独特的光电特性，特别是其对环境敏感的近红外发射和承载DNA电晕的能力，构成了其传感效用的基础。
金属离子
金属离子在生物学中扮演着对比鲜明的角色：虽然诸如Mg、Fe、Cu、Zn、Mn和Co等元素是酶学和代谢途径中至关重要的辅因子，但其他如As、Pb、Hg和Cd即使在痕量水平下也是有毒的，需要在食品和环境系统中进行严格监测。DNA功能化的SWCNTs（DNA-SWCNTs）通过CoPhMoRe在这方面显示出了相当大的前景。在这些系统中，DNA电晕不仅稳定了SWCNTs在水环境中的存在，还定义了它们的识别化学。Gong及其同事证明，电晕组成的细微变化可以调节对二价阳离子的荧光响应。通过系统调整离子强度、稀释动力学和激发条件，他们表明DNA-SWCNT构建体可以区分九种不同的金属离子，包括Hg2+和Pb2+，并采用主成分分析。这种区分离子的能力突出了电晕介导传感的复杂性。然而，对DNA序列的经验性筛选的依赖强调了一个更广泛的局限性：没有预测模型，传感器性能在不同分析物类别中仍然难以推广。
迈向实际应用的重要一步是在生命系统中使用DNA-SWCNT传感器。Lew等人开发了一个用于在植物体内原位检测亚砷酸盐（As3+）的纳米仿生平台。通过利用砷与鸟嘌呤和胸腺嘧啶碱基的强氢键亲和力，他们设计了一个（GT）5电晕，在砷结合时在特定的SWCNT手性中产生了显著的荧光增强（高达650%）。整合到已知的砷超富集植物蜈蚣草中，这些纳米传感器能够实时光学读出砷的吸收和分布。动力学模型允许在仅几天的监测后理论检测限低于1 ppb，展示了灵敏度和时间分辨率。虽然这项工作说明了DNA-SWCNTs在环境和农业监测中的转化潜力，但对植物生理学、电晕序列和手性特异性响应的严重依赖指出了在受控条件之外重现性和可移植性方面的挑战。
总的来说，这些研究强调了DNA-SWCNTs在金属离子传感方面的优势：卓越的灵敏度、手性分辨的响应以及与生命系统的兼容性。同时，它们也揭示了关键的差距。缺乏将电晕序列与结合亲和力联系起来的机制框架使得该领域依赖于经验筛选。此外，很少有研究评估在可变离子背景下的稳健性，这对于在天然水或生物体液中部署至关重要。进展将取决于建立电晕-离子相互作用的预测模型，并在复杂、波动的环境中验证传感器稳定性。
小分子
SWCNTs由于其介电敏感性，天生对其环境具有响应性，这将微妙的化学相互作用转化为可测量的光学或电信号。当用DNA功能化后，这一特性被用于小分子生物传感和具有纳米级空间精度和高时间分辨率的成像。这种敏感性将DNA-SWCNTs定位为从神经科学到代谢和食品安全等领域的有力探针。
最突出的应用之一是在神经递质检测方面。DNA-SWCNTs已被设计用于以卓越的保真度跟踪多巴胺的释放。在一个案例中，测量了多巴胺相互作用时的荧光寿命变化，证明了与DNA电晕的静电扰动相关的可逆信号调制。后续研究证实，这些传感器能够以前所未有的空间和时间细节分辨率解析来自神经元轴突的多巴胺分泌。类似的方法已被应用于血清素的检测，其中高通量序列筛选确定了在重复刺激下仍保持响应性的DNA电晕。最近，将定向进化与机器学习相结合，加速了针对血清素识别优化的DNA序列的发现。这些例子说明了CNT基传感器在活体组织中独特捕获动态化学信号的能力。然而，它们也揭示了关键的局限性：对试错序列筛选的依赖，以及缺乏解释为什么特定DNA基序赋予响应性的预测模型。
DNA-SWCNT传感器的范围扩展到神经递质之外，用于治疗监测。例如，设计带有（GGGT）3DNA电晕的传感器能够选择性检测化疗药物替莫唑胺及其在体内的代谢物。嵌入水凝胶基质中，这些探针在胶质母细胞瘤细胞培养物和小鼠模型中均实现了微摩尔级的检测限，提供了有价值的药代动力学数据。虽然这突出了CNT基植入物用于药物监测的转化潜力，但它也强调了长期生物稳定性和体内校准标准化方法的需求。
总的来说，用于小分子的DNA-SWCNT传感器展示了独特的优势：它们将分子特异性与实时操作和细胞分辨率的能力结合在一起。与此同时，它们对经验性DNA序列发现的依赖、对电晕-分析物相互作用的有限机制洞察，以及在不同生物基质中实现可重现性能的挑战，仍然是更广泛采用的障碍。在预测性电晕设计和在生理相关环境中进行系统评估方面取得进展，对于将这些平台从实验演示推进到神经科学、治疗学及更广泛领域的可靠工具至关重要。
蛋白质
与疾病相关的蛋白质是诊断和治疗监测的核心生物标志物，其准确检测对于推进癌症管理和传染病控制至关重要。DNA-SWCNTs凭借其可调的表面相互作用和近红外荧光，在这方面得到了越来越多的探索。在肿瘤学中，这些系统已被调整用于跟踪与卵巢癌和前列腺癌相关的生物标志物，提供关于肿瘤生长、血管生成和转移的信息。例如，使用抗体功能化的SWCNTs实现了对人附睾蛋白4（HE4）（一种已确立的卵巢癌生物标志物）的检测。通过DNA连接体和交联化学将抗体与SWCNTs偶联，结合事件诱导纳米管发射红移，反映了局部介电环境的变化。该系统实现了纳摩尔级的灵敏度，并成功区分了恶性与良性生物流体。这一概念验证突出了SWCNTs如何作为生物分子识别的直接光学传感器。然而，尽管前景广阔，此类抗体-SWCNT系统引起了关于重现性、长期稳定性和抗体偶联用于临床的可扩展性的担忧。
SWCNT基传感器的适用性超出了癌症，扩展到传染病，其中快速精确的蛋白质检测至关重要。对于SARS-CoV-2刺突蛋白，Metternich等人设计了共价和非共价功能化的SWCNT探针，在蛋白质结合时表现出荧光调制。通过将鸟嘌呤量子缺陷作为DNA附着的锚点，他们引入了一种受控且稳定的固定捕获探针的方法。这项创新不仅提高了信号转导的特异性，还允许根据探针序列长度调整响应。这种量子缺陷工程为SWCNT基生物传感器提供了一个更具预测性的框架。然而，挑战仍然是在复杂的临床基质中验证这些系统，其中非特异性蛋白质吸附和可变的离子条件可能影响可靠性。
总的来说，DNA-SWCNT蛋白质传感器展示了将分子识别转化为具有高灵敏度的光学信号的引人注目的能力。它们的优势在于其固有的近红外发射、与多样化功能化策略的兼容性以及早期疾病诊断的潜力。然而，广泛的转化将取决于克服关键限制：对复杂生物偶联步骤的依赖、对基质效应的脆弱性以及蛋白质吸附如何改变纳米管电晕的有限机制理解。通过抗污染策略、标准化偶联方案和电晕-蛋白质相互作用的机制映射来解决这些挑战，可以将SWCNT基传感器定位为在肿瘤学、病毒学及其他领域强大的诊断平台。
RNA/DNA
DNA功能化的SWCNTs也已成为核酸传感的强大工具，为临床相关生物标志物提供高灵敏度和选择性。一个例子是检测miRNA-208a（急性心肌梗死的生物标志物），使用通过迭代筛选过程选择的DNA-SWCNT构建体。这些探针对目标序列表现出强特异性，并且重要的是，在血清中比在单独缓冲液中产生更可靠的响应，突出了它们在现实生物条件下适用性。在存在蛋白酶K的情况下观察到的荧光调制进一步表明了对酶降解的稳健性，强调了SWCNT基探针作为心血管诊断的近红外光学传感器的潜力。尽管有这些优势，对经验性探针选择的严重依赖仍然是一个瓶颈，并且控制DNA序列-电晕相互作用的基本规则尚未明确定义。
另一种策略利用SWCNTs与变性蛋白质的相互作用来增强核酸检测。变性蛋白质中的疏水斑块稳定了SWCNT-核酸相互作用，导致发射位移，被用于直接检测血清中完整的HIV。这种复合方法展示了快速性和选择性，显示了在即时病毒诊断方面的潜力。虽然具有创新性，但它也引发了关于重现性和跨不同样品类型蛋白质介导的信号调制的特异性的问题。
总的来说，这些例子突出了DNA-SWCNTs在核酸检测方面的多功能性，涵盖了从心血管疾病的miRNA生物标志物到病毒基因组。它们的优势在于近红外光学读出、与复杂生物流体的兼容性以及将分子识别与电晕相调制耦合的能力。然而，它们向标准化诊断工具的转化仍然受到缺乏预测性设计原则、对辅助因子（如变性蛋白质）的依赖以及对异质环境中电晕动力学的不完全理解的限制。未来的进展将取决于开发系统框架，将DNA序列、电晕组成和核酸识别联系起来，从而实现可重现和临床可靠的应用。
其他靶标
反应性物种如一氧化氮（NO）和过氧化氢（H2O2）是炎症、免疫信号和氧化应激的核心，因此其准确检测对于理解疾病机制至关重要。DNA功能化的SWCNTs凭借其可调的光学性质和近红外发射，已被改造用于监测这些物种以提高灵敏度。
对于NO，使用ssDNA序列进行电晕相工程实现了高度特异性检测。Bayat等人证明，（AT）30电晕包裹在（7,6）SWCNTs上，在NO结合时产生明显的拉曼红移，检测限在微摩尔范围。虽然这项研究突出了DNA-SWCNTs在单分子水平区分NO的能力，但对精确手性和序列的依赖强调了探针设计的经验性质。更广泛的应用性将需要对序列-手性-分析物关系进行系统映射。
对于H2O2，DNA-SWCNTs已被应用于植物系统作为非侵入性光学纳米传感器。通过将卟啉结合适配体与SWCNT电晕整合，形成了血红素-Fe3+复合物，催化与H2O2的类芬顿反应。这个过程产生羟基自由基，猝灭SWCNT荧光，使得能够在拟南芥中对氧化应激进行近红外成像。该方法通过远程荧光监测提供了植物生理学的空间和时间信息。虽然演示强调了SWCNTs在多细胞系统中体内传感的独特优势，但在控制反应动力学、避免脱靶自由基形成以及确保跨生物基质的重现性方面仍然存在挑战。
总的来说，这些例子展示了DNA-SWCNT平台如何超越传统的生物标志物，实时监测动态的、反应性物种。它们的优势在于利用电晕相进行选择性识别，并将生化活动转化为在复杂环境中可访问的近红外光学信号。然而，该领域仍然受到经验性探针优化、氧化条件下不确定的长期稳定性以及对反应中间体如何影响纳米管荧光的有限机制洞察的限制。未来的工作应旨在开发电晕-反应性物种相互作用的预测模型，并在生理相关环境中验证传感器的稳健性。
设计考量
DNA功能化SWCNT生物传感器的设计关键在于利用其独特属性：近红外发射、高纵横比和CoPhMoRe，同时解决几个直接影响性能的未充分探索的变量。尽管概念验证演示涵盖了广泛的分析物，从金属离子和神经递质到病毒蛋白质和miRNAs，但系统化的设计原则仍然有限。
第一个考虑因素是对定量结构-功能映射的需求。手性、DNA序列长度和电晕组成等参数已知会影响荧光响应，然而大多数研究经验性地对待这些因素。高通量筛选与机器学习相结合，如在血清素传感器进化中所展示的，代表了一条有理定制电晕相以针对特定目标的可行途径。环境稳定性是另一个关键因素。虽然SWCNTs天生
