碳基纳米材料的细胞“侦察兵”：从 pH、温度到离子与分子的全景式单细胞传感

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碳基纳米材料的细胞“侦察兵”：从 pH、温度到离子与分子的全景式单细胞传感（DOI: 10.1149/1945-7111/ab67a3）

作者 | 东南大学生物科学与医学工程学院
引用 | Li C. et al., J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 037540 – Open Access
制图 | 本文基于原文 Scheme 1、Figure 1–4 重新绘制并注释

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1 引言——细胞“黑匣子”需要纳米级“侦察兵”细胞代谢异常（如 pH、温度、离子与生物分子的浓度变化）是癌症、糖尿病等重大疾病的早期指纹。然而，传统生化测定依赖细胞裂解，既失去空间信息又易受胞外信号干扰。碳基纳米材料（carbonaceous nanomaterials, CNMs）因其 sp²/sp³ 混合碳骨架、可功能化表面、低毒及荧光-电化学双响应性，成为活体单细胞传感（intracellular sensing）的理想平台。

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2 碳基“侦察兵”的四大兵种

根据维度与结构，CNMs 可分为五类：

• 0D：碳点（CDs）、石墨烯量子点（GQDs）、富勒烯（C₆₀）
• 1D：单/多壁碳纳米管（SWCNT/MWCNT）
• 2D：石墨烯（GR）、氧化石墨烯（GO）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）
  

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3 四大战场：pH、温度、离子、生物分子3.1 细胞内 pH 传感

Figure 1a 重新解读：

• 探针结构：MWCNT 表面生长 Au@Ag 核壳纳米粒子，双标记 4-MBA（pH 敏感拉曼）与 FITC（荧光）。
• 信号机制：4-MBA 的 C=O 伸缩振动（1390 cm⁻¹）随质子化/去质子化位移，1183 cm⁻¹ 作为内参，实现比率 SERS 成像。
• 实验结果：HeLa 细胞 2 h 内吞后，SERS 像显示溶酶体区 ΔpH ≈ -0.4（酸性增强），与 LysoTracker Green 共定位误差 < 5 %。
  

3.2 细胞内温度传感

Figure 2c（Wei et al.）：

• 探针：CDs–RhB 共价偶联，双发射峰 482 nm（CDs）/ 586 nm（RhB）。
• 温度响应：25 → 45 °C，I₅₈₆/I₄₈₂ 线性下降（R² = 0.997），每 °C 灵敏度 3.2 %。
• 空间分辨：共聚焦 ratiometric imaging 给出 NIH 3T3 细胞核-质温差 ≈ 1.2 °C，与 FLIM 结果吻合。
  

3.3 金属离子成像

Figure 3a（Cao et al.）

• g-C₃N₄ 纳米片：乙醛改性后表面富集 N–H，与 Ag⁺ 形成 N–Ag 配位 → 静态猝灭。
• 定量：HeLa 细胞内 Ag⁺ 检出下限 10 nM，恢复率 98 %（n = 5）。
  

Figure 3b（Zou et al.）

• Cu²⁺ 卫星探针：CdTe/CdS QDs@SiO₂ 为核心，蓝色 CDs 为卫星，F₆₅₀/F₄₂₅ 随 Cu²⁺ 增加而线性下降（0.1–50 μM）。
  

3.4 生物分子与信号气体

Figure 4a（Wang et al.）

• 端粒酶检测：单颗 “补丁” 金-碳纳米球 (PG/CNS) 表面修饰 DNA 探针。端粒酶延伸后触发 HCR 放大，Cy5 信号增强 28 倍。
• 临床样本：宫颈癌 HeLa 细胞端粒酶活性 1.2 × 10⁻¹¹ IU cell⁻¹，与 TRAP-PCR 结果一致（误差 < 8 %）。
  

Figure 4f（Liu et al.）

• H₂O₂ 实时：HRP 固定于多孔石墨烯 (PGN) 电极，H₂O₂ 产生电流信号，对 AA **细胞释放 H₂O₂ 的响应时间 < 2 s，检测限 0.5 nM。
  

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4 多模态整合与临床前景

• 多参数同步：将 pH-CDs、温度-GQDs、离子-g-C₃N₄ 共封装于同一介孔二氧化硅，实现单细胞 “四合一” 传感。
• 诊疗一体：pH/ROS 双响应 CDs-DOX 纳米药物，实现肿瘤酸性微环境触发释放，实时荧光反馈治疗剂量。
• 挑战与对策
  
  • 生物分布不均 → 表面 PEG 化 + 靶向肽（如 RGD）。
  • 潜在长期毒性 → 采用植物源 GQDs，72 h 后肝肾清除率 > 90 %。
  • 信号串扰 → 设计光谱可分辨的 FRET 对，结合深度学习解卷积。
    
  
  

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5 结论
碳基纳米材料正以“多维度、多模态、多靶点”的姿态重塑单细胞分析范式。从 0D 到 2D，从荧光到 SERS/电化学，这些“侦察兵”已实现对 pH、温度、离子、生物分子的纳米级空间-时间分辨监测，为癌症早筛、药物筛选及精准医疗提供了前所未有的工具箱。

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附录：关键图表重新说明

• Scheme 1：以 3D 立体方式展示 0D/1D/2D CNMs 结构，右侧以箭头连接传感应用场景。
• Figure 1a：SERS ratiometric mapping 图旁增加色标条（0.9–1.4）与细胞轮廓 DIC 叠加。
• Figure 2c：温度-荧光比率曲线加 95 % 置信带。
• Figure 3a, b：金属离子探针的配位示意以球棍模型插入。
• Figure 4a：HCR 信号放大步骤以四格漫画形式展示。