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东华大学黄中杰ACS Sensors：碳管量子色心对生化分子的灵敏传感

邃瞳科学云

2025-05-22

导读：本研究报道了一种基于SWCNT量子色心的超灵敏多巴胺线性检测技术，检测限低至1 nM，在1-100 nM范围内表现出线性，并在体液环境中展现出良好表现与选择性。

文章链接：doi.org/10.1021/acssensors.5c01153

通讯作者：黄中杰教授（东华大学材料科学与工程学院）

第一作者：尹太山（东华大学24博）

研究背景

作为一维量子材料，单壁碳纳米管(SWCNT)具有独特的电学和光学性能。与其他色心通常作为局部缺陷随机出现不同，SWCNT的量子色心(例如sp³点缺陷)可以在分子精度下在sp²晶格网络中可控合成，为化学创新开辟了广阔的机遇来通过量子势阱塑造电子、激子、声子和自旋耦合的分子焦点，在室温单光子源、近红外二区生物成像、化学传感等领域有重大的应用前景。

多巴胺作为一种关键的儿茶酚胺类神经递质，在调节情绪、运动控制、认知功能及奖励机制中扮演着核心角色。其浓度的失衡与多种重大疾病密切相关，例如帕金森病患者的多巴胺分泌减少导致运动功能障碍，抑郁症患者的多巴胺信号通路异常引发快感缺失，而近视患者的泪液多巴胺水平下降可能加剧眼轴过度生长。因此，高灵敏地精准检测多巴胺浓度对于疾病的早期诊断、病情监测及治疗评估具有重要意义。

近日，东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室黄中杰教授团队报道了一种基于SWCNT量子色心的超灵敏多巴胺线性检测技术，检测限低至1 nM，在1-100 nM范围内表现出线性，并在体液环境中展现出良好表现与选择性。相关研究以"Ultrasensitive and Selective Detection of Dopamine Through Substituent Regulated Evolution of Quantum Defects"为题发表在期刊ACS Sensors上。

研究成果

半导体型SWCNT在近红外二区(NIR-II, 1000-1700 nm)可发出明亮的荧光，穿透生物组织的能力远超可见光，是生物传感的理想载体。然而，未经修饰的SWCNT对多巴胺的响应微弱，难以满足检测需求。与其他人解决问题的思路不同，本工作提出通过取代基调控的量子色心的形成过程来实现对多巴胺的灵敏传感。反应基于多巴胺对芳基重氮盐（如4-硝基苯重氮盐，NBD）的还原来实现后续的芳基自由基加成反应，在SWCNT表面精准引入量子缺陷，这些局部量子势阱改变了碳纳米管的电子结构，激发出独特的近红外缺陷荧光（E₁₁^-）。芳基重氮盐苯环上的取代基（如-NO₂、-OCH₃）直接影响反应热力动力学。硝基（-NO₂）作为强吸电子基团，显著降低芳基重氮盐的还原电位，使其更易被多巴胺还原为芳基自由基，从而高效生成量子缺陷。传感器实现了对多巴胺的超高选择性，即使在高浓度干扰分子（如血清素、尿酸、谷胱甘肽）存在下，仍能稳定输出信号。传感器在磷酸盐平衡生理盐水和尿液样品环境中显示出出色的表现。

图文导读

图1. 本工作提出的基于量子色心生成过程的传感机理示意图。

图2. (6,5)-SWCNT量子缺陷发光研究。SWCNT-NBD与新鲜的多巴胺反应10 min左右达到稳定发射峰强度。不添加多巴胺DA条件下，NBD的初始浓度从20 nM递增到180 nM时，随着NBD浓度升高，E₁₁发射强度显著降低，而E₁₁^-发射强度保持相对稳定。固态薄膜反应前后的拉曼光谱显示D峰的增强。

图3. 传感器对DA浓度的光致发光(PL)响应。(a) 浓度依赖性PL光谱图：在1 nM、10 nM、20 nM、40 nM、60 nM、80 nM及100 nM DA浓度条件下，缺陷态PL强度呈现显著变化，证明传感器在该浓度区间内对分析物具有超灵敏的响应特性；(b) 传感器对DA浓度的线性曲线，插图为响应的线性拟合结果。

图4. 量子色心体系中DA与NBD的双向选择性。(a)取代基调控的传感结果；(b) 不同芳基重氮盐的循环伏安(CV)曲线；(c)电子转移的能级示意图，图中标注了芳基重氮盐第一还原峰的峰值电位与DA的氧化电位；(d) SWCNT-NBD体系对DA相较于其他干扰生物分子表现出显著选择性。

图5. 传感体系在磷酸盐平衡生理盐水和尿液样品环境中显示出出色的表现。

总结与展望

在本研究中，作者团队基于SWCNT量子色心开发了一种创新型多巴胺传感机制。研究结果展现出多重启发意义。首先，传感器架构本质上兼容多种半导体型SWCNT手性结构，当前研究聚焦于(6,5)手性，未来可针对不同手性结构开发波长可调式传感系统。其次，在满足低浓度检测需求（<100 nM）实现线性传感的同时，作者团队观察到高浓度区间的非线性响应特征。通过采用40 nM NBD探针在扩展浓度范围内的系统研究，发现其响应曲线符合类Langmuir等温线模型，这表明现有线性检测范围可能是低浓度条件下的简化近似。最后，对于潜在的体内应用前景，未来需重点探索生物相容性优化策略。

作者团队

本工作第一作者为东华大学材料科学与工程学院24级博士生尹太山。本工作通讯作者黄中杰教授，东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室教授、博士生导师，国际先进纤维材料学会执行副秘书长。上海市领军人才，上海市浦江人才。美国俄亥俄州立大学化学博士（导师Yiying Wu教授）；美国马里兰大学博士后研究员（导师YuHuang Wang教授）。主要从事表界面分子科学与先进材料研究。至今在期刊Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., JACS, Energy Environ. Sci., Nano Lett., Adv. Funct. Mater.等发表论文60余篇。其中对碳管光学材料有多年研究，包括碳管量子色心和智能光致动体系等(Adv. Mater. 2018, 30, 1705303. (Highlighted as Nat. Photonics 2018, 12, 123)；Adv. Mater. 2020, 32, 1906517; Adv. Mater. 2021, 33, 2005890; Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2422228; ACS Sens. 2025,10, 10.1021/acssensors.5c01153)。