研究人员发现了碳纳米管在与特定分子结合时发光的原因。这些纳米管被视为生物传感器的有前景候选者，可能有助于血糖水平检测或COVID-19测试等。它们的荧光强度随着目标分析物浓度的增加而增强。来自德国鲁尔大学和美国德克萨斯州埃尔帕索大学的一个合作团队利用太赫兹光谱技术揭示了这种光发射的基础机制。他们发现水的存在对荧光至关重要，相关发现已于2024年8月8日在线发表在期刊《自然通讯》上。
在鲁尔大学，由马蒂娜·哈文斯教授和塞巴斯蒂安·克鲁斯教授领导的研究作为“鲁尔探寻溶剂”（RESOLV）卓越集群的一部分进行。博士候选人桑贾娜·纳利格和菲利普·加隆斯卡在这项研究中发挥了关键作用。
碳纳米管作为生物传感器
之前的研究已将单壁碳纳米管确定为有效的生物传感器组成部分。它们的表面可以与生物聚合物或DNA片段进行化学修饰，使其能够与目标分子进行特定相互作用。一旦这些分子结合，纳米管在近红外光谱中的发射会发生变化，这种光谱能够深层穿透生物组织。这一特性允许检测特定神经递质，这些化学物质在大脑中传递信息。尽管其中一些传感器已经投入使用，但对于它们的功能机制仍缺乏清晰的理解。
水对荧光至关重要
鉴于许多重要的生物反应发生在水相环境中，研究人员在水溶液中研究了碳纳米管。通过太赫兹光谱技术，他们观察了纳米管与水之间的能量动态。研究结果揭示了水合壳的重要性—这指的是包围纳米管的水分子层。当纳米管被激发时，其内部能量可以与周围水分子的振动共振。对于那些在存在分析物时发光增强的传感器，它们向水释放的能量更少。相反，那些亮度减弱的传感器则倾向于将更多的能量传递给周围的水。
“太赫兹光谱使我们能够直接测量之前仅仅猜测的现象，”塞巴斯蒂安·克鲁斯解释道。“这些发现为设计更高性能的生物传感器提供了基础原则，适用于科研和医学的全新应用。”
RESOLV卓越集群的发言人马蒂娜·哈文斯补充道：“在这项跨学科的研究中，我们的焦点从碳纳米管本身转向了周围的溶剂水，使我们能够确定水的变化与纳米管作为生物传感器功能之间未知联系。这体现了RESOLV所代表的本质。”
资助
该研究获得德国研究协会（EXC 2033 — 390677874，GRK2376-331085229）、大众汽车基金会和国家科学基金会（CBET-2106587）的财政支持。
