本申請要求2013年9月16日提交的美國專利申請No.61/878,303的優(yōu)先權(quán)，其以其整體引入作為參考。聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)本發(fā)明在政府支持下完成，批準(zhǔn)號(hào)為國立衛(wèi)生研究院授予的ES007020。政府對本發(fā)明具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明特征為涉及包括光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)納米傳感器的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
：：小分子可作為人體中的信號(hào)傳遞途徑的細(xì)胞內(nèi)信使。例如，一氧化氮(NO)可參與心血管和神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)傳遞，且可用于人免疫應(yīng)答系統(tǒng)。小分子檢測傳統(tǒng)上是較難的，且在低濃度變得更難。可用于檢測這些物質(zhì)的工具實(shí)例包括，例如，可見熒光探針、基于化學(xué)發(fā)光的裝置、和X-射線光電子和電子順磁共振(EPR)光譜。例如，在NO的情況下，一系列二氨基熒光素和金屬–熒光團(tuán)絡(luò)合物已廣泛用于檢測細(xì)胞的NO。然而，這些方法可包括顯著的限制。例如，二氨基熒光素通常間接檢測分子(例如，通過氧化產(chǎn)物)。其它限制包括光漂白和缺少金屬–熒光團(tuán)絡(luò)合物對生物組織的光學(xué)滲透。因此，設(shè)計(jì)相對小分子的生物檢測的更穩(wěn)健的流程仍然是研究的關(guān)注區(qū)域。納米技術(shù)已產(chǎn)生多種新類別的生物傳感器，但它們在體內(nèi)應(yīng)用的延伸仍受限制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：通常，用于檢測分析物的納米傳感器可包含設(shè)置在支持體上的基底水凝 膠，設(shè)置在該基底水凝膠上的傳感器水凝膠，嵌入該傳感器水凝膠中的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)，和與該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)相互作用的聚合物。該分析物可具有小于100g/mol的分子量。例如，該分析物可為一氧化氮。分析物的濃度可小于1微摩爾濃度。納米傳感器的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)可包括碳納米管。該碳納米管可為單壁碳納米管。在一個(gè)實(shí)施方案中，該單壁碳納米管可為半導(dǎo)體單壁碳納米管。該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)可在不存在分析物的情況下或在存在分析物的情況下發(fā)射近紅外輻射。納米傳感器的聚合物可包括寡核苷酸或多核苷酸。在一個(gè)實(shí)施方案中，該寡核苷酸可包括ds(AAAT)7。在另一實(shí)施方案中，該聚合物可包括聚乙烯醇、聚(丙烯酸)、聚(環(huán)氧乙烷)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(烯丙基胺)、聚(2-乙烯基吡啶)或聚(馬來酸)。在另一實(shí)施方案中，該聚合物可包括親水性聚合物和寡核苷酸的共聚物，其中該親水性聚合物可為聚(環(huán)氧乙烷)且該寡核苷酸可為ds(AAAT)7。該共聚物可由聚(環(huán)氧乙烷)和ds(AAAT)7形成。在一方面，檢測受試者中分析物的方法可包括將傳感器引入受試者，其中該傳感器包含設(shè)置在支持體上的基底水凝膠、設(shè)置在該基底水凝膠上的傳感器水凝膠、嵌入該傳感器水凝膠中的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)、與該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)相互作用的聚合物；和監(jiān)測在該受試者中從該傳感器發(fā)出的輻射。在一個(gè)實(shí)施方案中，該檢測分析物的方法進(jìn)一步包括檢測來自該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光。該傳感器可通過將傳感器注入受試者的組織而被引入受試者。在另一方面，制備用于檢測分析物的傳感器的方法可包括：在支持體上設(shè)置基底水凝膠；將源自傳感器水凝膠前體組合物的傳感器水凝膠澆在基底水凝膠上，其中該傳感器水凝膠前體組合物包含在傳感器水凝膠中的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)和與該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)相互作用的聚合物。在另一方面，用于檢測分析物的納米傳感器可包括在液體介質(zhì)中的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)，和具有孔的殼體，其中該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)被包含在殼體內(nèi)且通過孔運(yùn)輸。在另一方面，檢測受試者中分析物的方法可包括：將傳感器引入受試者，其中該傳感器包含液體介質(zhì)中的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)和具有孔的殼體，其中該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)被包含在殼體內(nèi)且通過孔運(yùn)輸；和監(jiān)測在該受試者中從該 傳感器發(fā)出的輻射。根據(jù)以下描述、附圖和權(quán)利要求，其它方面、實(shí)施方案和特征將是顯而易見的。附圖簡述圖1描繪了DNA包裹的SWNT復(fù)合物的表征和2Dλ成像分析。圖1A顯示具有d(AAAT)7的復(fù)合物和所包裹的(AAAT)7-SWNT和PEG-(AAAT)7-SWNT的化學(xué)組成。圖1B-1C描繪了(AAAT)7-SWNT(紅色)和PEG-(AAAT)7-SWNT(藍(lán)色)傳感器的淬滅活性，其通過暴露于RNS和ROS化合物(圖1B)和NO(圖1C)后起始熒光的淬滅百分比而定量。圖1D為在尾靜脈注射PEG-(AAAT)7-SWNT后切離的小鼠肝中(AAAT)7-SWNT的成像分析。圖2A-2C描繪了聚乙二醇化對尾靜脈注射的SWNT的作用。圖2A描繪了在相繼注射至左尾靜脈和右尾靜脈后保留在尾中的(AAAT)7-SWNT。圖2B描繪了凝膠電泳數(shù)據(jù)，其顯示與FBS混合的(AAAT)7-SWNT(紅色)的電泳遷移率相對未通過添加FBS而改變的PEG-(AAAT)7-SWNT(藍(lán)色)的電泳遷移率的差異。圖2C描繪了在將PEG-(AAAT)7-SWNT注射至左尾靜脈后的小鼠尾部。圖3A-3G描繪了小鼠(具體品系129X1/SvJ)中PEG-(AAAT)7-SWNT的生物分布和生物相容性。數(shù)據(jù)獲自在尾靜脈注射PEG-(AAAT)7-SWNT后在不同時(shí)間點(diǎn)處死的小鼠。圖3A為一組對照小鼠和接受PEG-(AAAT)7-SWNT的小鼠的肝組織切片的組織學(xué)圖像(H&E染色)。圖3B的表格表示在處死和切除后，血液、尾部(注射位點(diǎn))、肺、肝、腎和尿液中SWNT的存在(+)或不存在(-)。圖3C描繪了用于測定圖3B中的SWNT定位的那些的代表性拉曼光譜。圖3D為切除的肝的一系列圖，其用2Dλ技術(shù)去卷積(deconvoluted)。圖3E描繪了在尾靜脈注射PEG-(AAAT)7-SWNT后在不同時(shí)間點(diǎn)切除的小鼠肝中SWNT熒光的定量。圖3F描繪了圖3E所示的小鼠肝中的SWNT熒光分布。圖3G描繪了小鼠肝中PEG-(AAAT)7-SWNT濃度隨時(shí)間的數(shù)學(xué)模型。圖4A-4C描繪了由于炎癥引起的體內(nèi)傳感器淬滅。圖4A為一系列圖像，描繪了在尾靜脈注射PEG-(AAAT)7-SWNT后成像的發(fā)炎(RcsX處理的)和健康(對照)小鼠，其中它們的肝在處死后立即暴露。圖4B描繪了SWNT熒光 的定量。圖4C描繪了圖4A-4B所示的小鼠肝中的SWNT熒光分布。圖5A-5F描繪了具有較寬的體內(nèi)定位可能性和長期感測能力的另外的傳感器構(gòu)造。圖5A-5B描繪了暴露于RNS和ROS化合物(圖5A)和NO(圖5B)后(AAAT)7-SWNT(紅色)和藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT(綠色)傳感器的淬滅活性。圖5C為在植入兩種藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT凝膠后，在第0天(緊接植入凝膠2后)和在第4天在熒光恢復(fù)后的小鼠圖像。圖5D為在皮下植入之前和在不同時(shí)間點(diǎn)的藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT凝膠的一系列圖像。圖5E描繪了顯示SWNT信號(hào)長期一致性的測試小鼠之一的峰值SWNT熒光的定量。圖5F為在皮下植入藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT后在三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)處死的小鼠的一系列組織圖像(H&E染色)。圖6描繪了一氧化氮檢測極限。圖7描繪了存在和不存在PEG綴合的情況下的(AAAT)7的凝膠電泳。圖8為一系列圖像，描繪了小鼠中PEG-(AAAT)7-SWNT的生物相容性。圖9描繪了熒光強(qiáng)度和SWNT濃度之間的線性關(guān)系。圖10為一系列圖像，描繪了SJL小鼠組織中的炎癥水平。圖11描繪了植入后具有皮下凝膠的小鼠的熒光強(qiáng)度分布。圖12描繪了具有其它凝膠組成的SWNT的熒光淬滅。圖13為一系列圖像，描繪了液體形式的SWNT傳感器的植入。圖14描繪了葡萄糖耐受測試。圖15描繪了SWNT對溶液中的葡萄糖、與藻酸鹽混合的葡萄糖、或在藻酸鹽水凝膠中的葡萄糖的反應(yīng)能力的比較。圖16A為具有增加濃度的SWNT(0、2、5、10和25mgL-1(從左至右))的藻酸鹽(左)和PEG(右)水凝膠的圖，其顯示凝膠一致的尺寸和形狀。圖16B為濃度為0、2、5、10和25mgL-1的(GT)15-SWNT溶液(藍(lán)色)、藻酸鹽-(GT)15-SWNT(紅色)和PEG-(GT)15-SWNT(綠色)的熒光發(fā)射譜。圖16C為(GT)15-SWNT(藍(lán)色)、藻酸鹽-(GT)15-SWNT(紅色)和PEG-(GT)15-SWNT(綠色)的(6,5)手性峰值熒光，其顯示2、5和10mgL-1的較低濃度下SWNT熒光的增加，點(diǎn)劃線為線性擬合，但在較高濃度(25mgL-1)熒光下降。圖16D為對應(yīng)于(GT)15-SWNT(藍(lán)色)、藻酸鹽-(GT)15-SWNT(綠色)和PEG-(GT)15-SWNT(紅色)的(6,5)手性峰值熒光的波長，其顯示當(dāng)對比于非包封(non-encapsulated)的SWNT信號(hào)時(shí)水凝膠的紅移。圖17為藻酸鹽和PEG水凝膠的流變性質(zhì)。圖17A為藻酸鹽的應(yīng)變掃描。圖17B為具有恒定1Hz頻率的PEG凝膠。圖17C和17D為在0.1％應(yīng)變下的藻酸鹽凝膠的頻率掃描(圖17C)和在0.01％應(yīng)變下PEG凝膠的頻率掃描(圖17D)。圖18A為(GT)15-SWNT(藍(lán)色)、藻酸鹽-(GT)15-SWNT(紅色)和PEG-(GT)15-SWNT(綠色)的熒光信號(hào)淬滅，其在與核黃素一起培養(yǎng)1小時(shí)后在nIR陣列中測試，顯示SWNT懸浮液和藻酸鹽包封的SWNT的一致淬滅，但缺少PEG包封的樣品的信號(hào)淬滅。圖18B-18D為在6小時(shí)的核黃素暴露過程中藻酸鹽-(GT)15-SWNT的SWNT熒光淬滅百分比的比較，其在整體動(dòng)物成像系統(tǒng)上測量，顯示濃度(圖18B)、尺寸(圖18C)和形狀/表面積(圖18D)的改變對淬滅速率沒有多少影響。圖19A為藻酸鹽-(GT)15-SWNT(藍(lán)色)和PEG-(GT)15-SWNT(紅色)的短期穩(wěn)定性測試，顯示當(dāng)暴露于激光達(dá)4小時(shí)時(shí)沒有光漂白。比例尺＝2mm。圖19B為藻酸鹽-(GT)15-SWNT凝膠的長期穩(wěn)定性，顯示在90天的測試期內(nèi)有良好的熒光信號(hào)滯留。實(shí)線表示雙指數(shù)擬合。圖19C為PEG-(GT)15-SWNT凝膠在合成后立刻經(jīng)歷熒光信號(hào)損失。實(shí)線表示雙指數(shù)擬合。圖19D為在整體動(dòng)物成像系統(tǒng)上獲得的藻酸鹽-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的圖，顯示凝膠隨時(shí)間的信號(hào)滯留(藻酸鹽)或損失(PEG)。比例尺＝2mm。圖19E為通過圖19B和19C的擬合函數(shù)估算的藻酸鹽和PEG凝膠的保存期限，分別對應(yīng)于觀察到的藻酸鹽和PEG水凝膠的壽命和破壞。圖20A為對于nIR分析的組織光譜學(xué)測量設(shè)置的圖解說明。圖20B和20C為通過雞胸組織使用內(nèi)部nIR陣列(圖20B)和整體動(dòng)物成像系統(tǒng)(圖20C)成像的藻酸鹽和PEG凝膠的歸一化的熒光信號(hào)。圖20D為植入后14天包封在PEG(紅色圓圈)和藻酸鹽(藍(lán)色圓圈)凝膠中的(GT)15-SWNT的體內(nèi)熒光成像，顯示小鼠對凝膠沒有不利反應(yīng)且熒光在活體動(dòng)物中清楚可見。圖21為(GT)15-SWNT(圖21A)和雞胸(圖21B)的吸收譜。圖22為(GT)15-SWNT激發(fā)-放射譜，顯示高濃度的(6,5)SWNT，對應(yīng)于突出的996nm峰。圖23為用10mgL-1SWNT濃度將(GT)15-SWNT、藻酸鹽-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的熒光譜去卷積為多種納米管手性，證實(shí)圖22所示的結(jié)果。圖24為源自整體動(dòng)物成像系統(tǒng)的長期保存期限分析的數(shù)據(jù)–對圖19所觀察到的平行研究和結(jié)果。發(fā)明詳述電磁光譜的近紅外區(qū)域?qū)τ隗w內(nèi)熒光成像具有優(yōu)點(diǎn)，這是由于血液和組織最小的自體熒光和吸收。參見，F(xiàn)rangioni,J.V.Invivonear-infraredfluorescenceimaging.CurrOpinChemBiol7,626-634(2003),和Wray,S.,Cope,M.,Delpy,D.,Wyatt,J.&Reynolds,E.Characterizationofthenearinfraredabsorptionspectraofcytochromeaa3andhaemoglobinforthenon-invasivemonitoringofcerebraloxygenation.BiochimicaetBiophysicaActa933,184-192(1988)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。常見的nIR熒光試劑包括有機(jī)nIR熒光團(tuán)，如靛青綠(ICG)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)(Qdots)和單壁碳納米管(SWNT)。該ICG染料用于實(shí)時(shí)檢測肝癌和在乳腺癌患者中標(biāo)記淋巴結(jié)分布。生物功能化的CdSe/ZnSQdots和InAs/InP/ZnSeQdots用于小鼠中的腫瘤靶向和熒光成像。參見，Schaafsma，B.E.等人，Theclinicaluseofindocyaninegreenasanear-infraredfluorescentcontrastagentforimage-guidedoncologicsurgery.JournalofSurgicalOncology104,323-332,doi:10.1002/jso.21943(2011),Michalet,X.等人，Quantumdotsforlivecells,invivoimaging,anddiagnostics.Science307,538-544,doi:10.1126/science.1104274(2005),Medintz,I.L.,Uyeda,H.T.,Goldman,E.R.&Mattoussi,H.Quantumdotbioconjugatesforimaging,labellingandsensing.NatMater4,435-446,doi:10.1038/nmat1390(2005),Pinaud,F.等人，Advancesinfluorescenceimagingwithquantumdotbio-probes.Biomaterials27,1679-1687,doi:10.1016/j.biomaterials.2005.11.018(2006),Bachilo,S.M.等人，Structure-AssignedOpticalSpectraofSingle-WalledCarbonNanotubes.Science298,2361-2366,doi:10.1126/science.1078727(2002),Ishizawa,T.等人，Real-timeidentificationoflivercancersbyusingindocyaninegreenfluorescentimaging.Cancer115,2491-2504,doi:10.1002/cncr.24291(2009),Troyan,S.L.等人，TheFLAREintraoperativenear-infraredfluorescenceimagingsystem:afirst-in-humanclinicaltrialinbreastcancersentinellymphnodemapping.AnnSurgOncol16,2943-2952, doi:10.1245/s10434-009-0594-2(2009),Gao,X.,Cui,Y.,Levenson,R.M.,Chung,L.W.&Nie,S.Invivocancertargetingandimagingwithsemiconductorquantumdots.NatBiotechnol22,969-976,doi:10.1038/nbt994(2004),和Gao,J.等人，InVivoTumor-TargetedFluorescenceImagingUsingNear-InfraredNon-CadmiumQuantumDots.BioconjugateChemistry21,604-609,doi:10.1021/bc900323v(2010)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。而且，nIR熒光膦涂覆的CdTe/CdSeQdots(其被皮內(nèi)注入小鼠和豬中)，用于標(biāo)記淋巴結(jié)分布。參見，Kim，S.等人，Near-infraredfluorescenttypeIIquantumdotsforsentinellymphnodemapping.NatBiotechnol22,93-97,doi:10.1038/nbt920(2004)，其以其整體引入作為參考。這些示范利用了第一nIR窗(<950nm)，然而，第二nIR窗(950-1400nm)獲益于進(jìn)一步減少的自體熒光和較低的光子散射，即使水吸收更高也是如此。參見，Yi，H.等人M13Phage-FunctionalizedSingle-WalledCarbonNanotubesAsNanoprobesforSecondNear-InfraredWindowFluorescenceImagingofTargetedTumors.NanoLett12,1176-1183,doi:10.1021/nl2031663(2012),和Welsher,K.等人Aroutetobrightlyfluorescentcarbonnanotubesfornear-infraredimaginginmice.NatureNanotechnology4,773-780(2009)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。盡管可改變量子點(diǎn)的性質(zhì)以將其發(fā)射峰調(diào)節(jié)為較長的波長，但無機(jī)前體的可用性及其毒性仍然是個(gè)限制。參見，Ma,Q.&Su,X.Near-infraredquantumdots:synthesis,functionalizationandanalyticalapplications.Analyst135,1867-1877,doi:10.1039/c0an00233j(2010),和Rogach,A.L.,Eychmüller,A.,Hickey,S.G.&Kershaw,S.V.Infrared-EmittingColloidalNanocrystals:Synthesis,Assembly,Spectroscopy,andApplications.Small3,536-557,doi:10.1002/smll.200600625(2007)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。單壁碳納米管由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)和其在900-1400nm的nIR范圍發(fā)熒光的能力而具有很大的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛能。而且，它們?yōu)閮?yōu)選的體內(nèi)顯像劑，因?yàn)樗鼈兛赏ㄟ^適當(dāng)?shù)谋砻姘蔀樯锵嗳莸?，且由于它們相比于有機(jī)染料和Qdots沒有光漂白。參見，Schipper，M.L.等人Apilottoxicologystudyofsingle-walledcarbonnanotubesinasmallsampleofmice.Naturenanotechnology3,216-221(2008),Liu,Z.,Tabakman,S.,Welsher,K.&Dai,H.CarbonNanotubesinBiologyandMedicine:InvitroandinvivoDetection, ImagingandDrugDelivery.NanoResearch2,85-120(2009),Cherukuri,P.,Bachilo,S.M.,Litovsky,S.H.&Weisman,R.B.Near-infraredfluorescencemicroscopyofsingle-walledcarbonnanotubesinphagocyticcells.JournaloftheAmericanChemicalSociety126,15638–15639(2004),Graff,R.A.等人Achievingindividual-nanotubedispersionathighloadinginsingle-walledcarbonnanotubecomposites.AdvancedMaterials17,980-984(2005),andBarone,P.W.,Parker,R.S.&Strano,M.S.Invivofluorescencedetectionofglucoseusingasingle-walledcarbonnanotubeopticalsensor:Design,fluorophoreproperties,advantages,anddisadvantages.AnalyticalChemistry77,7556-7562(2005)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。在活的有機(jī)體中SWNT成像的首次證實(shí)是在黑腹果蠅中顯示，對該果蠅喂養(yǎng)懸浮在牛血清白蛋白(BSA)溶液中的SWNT。參見，Leeuw，T.K.等人Single-walledcarbonnanotubesintheintactorganism:near-IRimagingandbiocompatibilitystudiesinDrosophila.NanoLett7,2650-2654,doi:10.1021/nl0710452(2007)，其以其整體引入作為參考。聚乙二醇(PEG)涂覆的SWNT(其為生物相容的)在尾靜脈注射后在小鼠中熒光成像，該成像明顯位于肝和脾中，其在從身體排泄異物中起作用。發(fā)現(xiàn)SWNT在小鼠中的循環(huán)時(shí)間為大約1天，其中全部清除可花費(fèi)2個(gè)月。參見，Liu，Z.等人Circulationandlong-termfateoffunctionalized,biocompatiblesingle-walledcarbonnanotubesinmiceprobedbyRamanspectroscopy.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences105,1410(2008)，其以其整體引入作為參考。SWNT的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為納米管表面定制的官能化可導(dǎo)致在與特定分析物相互作用后的選擇性熒光調(diào)節(jié)，使得SWNT成為光學(xué)傳感器。參見，Barone,P.W.,Baik,S.,Heller,D.A.&Strano,M.S.Near-infraredopticalsensorsbasedonsingle-walledcarbonnanotubes.NatMater4,86-U16(2005),Kruss,S.等人Carbonnanotubesasopticalbiomedicalsensors.AdvancedDrugDeliveryReviews65,1933–1950(2013),和Zhang,J.等人Molecularrecognitionusingacoronacomplexmadeofartificialpolymersadsorbedoncarbonnanotubes.NatureNanotechnology8,959-968(2013)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。然而，在遞送SWNT后SWNT在感興趣區(qū)域的體內(nèi)定位和信號(hào)穩(wěn)定性對于任何成像應(yīng)用都是非常重要的。一種最小化SWNT定位變化的可能是將納 米顆粒包封在可植入動(dòng)物中的生物相容的水凝膠中。參見，Iverson，N.M.等人InVivoBiosensingViaTissueLocalizableNearInfraredFluorescentSingleWalledCarbonNanotubes.NatureNanotechnology8,873-880(2013)，其以其整體引入作為參考。作為光學(xué)傳感器的單壁碳納米管是光穩(wěn)定的且近紅外(n-IR)發(fā)熒光，其中血液和組織吸收和自體熒光最小。參見，Wray,S.,Cope,M.,Delpy,D.,Wyatt,J.&Reynolds,E.Characterizationofthenearinfraredabsorptionspectraofcytochromeaa3andhaemoglobinforthenon-invasivemonitoringofcerebraloxygenation.BiochimicaetBiophysicaActa933,184-192(1988)，其以其整體引入作為參考。SWNT已證實(shí)單分子敏感性，且可被官能化以選擇性檢測多種分子(參見Heller，D.A.等人Multimodalopticalsensingandanalytespecificityusingsingle-walledcarbonnanotubes.NatureNanotechnology4,114-120(2009)，其以其整體引入作為參考)，包括烷基化化療藥物、過氧化氫(參見Jin,H.,Heller,D.A.,Kim,J.H.&Strano,M.S.StochasticAnalysisofStepwiseFluorescenceQuenchingReactionsonSingle-WalledCarbonNanotubes:SingleMoleculeSensors.NanoLetters8,4299-4304(2008),和Jin,H.等人Detectionofsingle-moleculeH2O2signallingfromepidermalgrowthfactorreceptorusingfluorescentsingle-walledcarbonnanotubes.NatureNanotechnology5,302-309(2010)，其各自以其整體引入作為參考)和NO(參見Kim,J.H.等人Therationaldesignofnitricoxideselectivityinsingle-walledcarbonnanotubenear-infraredfluorescencesensorsforbiologicaldetection.NatureChemistry1,473-481(2009),andZhang,J.Q.等人SingleMoleculeDetectionofNitricOxideEnabledbyd(AT)(15)DNAAdsorbedtoNearInfraredFluorescentSingle-WalledCarbonNanotubes.JournaloftheAmericanChemicalSociety133,567-581(2011)，其各自以其整體引入作為參考)。已對SWNT進(jìn)行生物相容性的官能化，證實(shí)較長的循環(huán)時(shí)間(Liu，X.等人Optimizationofsurfacechemistryonsingle-walledcarbonnanotubesforinvivophotothermalablationoftumors.Biomaterials32,144-151(2011),Liu,Z.等人Invivobiodistributionandhighlyefficienttumourtargetingofcarbonnanotubesinmice.NatureNanotechnology2,47-52(2007),Liu,Z.等人Drugdeliverywithcarbonnanotubesforinvivocancertreatment.CancerResearch68,6652(2008),Liu,Z. 等人Circulationandlong-termfateoffunctionalized,biocompatiblesingle-walledcarbonnanotubesinmiceprobedbyRamanspectroscopy.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences105,1410(2008),和Liu,Z.等人Supramolecularstackingofdoxorubicinoncarbonnanotubesforinvivocancertherapy.AngewandteChemieInternationalEdition48,7668-7672(2009)，其各自以其整體引入作為參考)、多種哺乳動(dòng)物模型中有利的生物分布(參見Cherukuri，P.等人Mammalianpharmacokineticsofcarbonnanotubesusingintrinsicnear-infraredfluorescence.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences103,18882-18886(2006),和Singh,R.等人Tissuebiodistributionandbloodclearanceratesofintravenouslyadministeredcarbonnanotuberadiotracers.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica103,3357-3362(2006)，其各自以其整體引入作為參考)和用于體內(nèi)應(yīng)用的高度有利毒理學(xué)分布(profile)。參見，Liu,Z.,Tabakman,S.,Welsher,K.&Dai,H.Carbonnanotubesinbiologyandmedicine:Invitroandinvivodetection,imaginganddrugdelivery.NanoResearch2,85-120(2009),Liu,Z.,Tabakman,S.M.,Chen,Z.&Dai,H.Preparationofcarbonnanotubebioconjugatesforbiomedicalapplications.Natureprotocols4,1372-1381(2009),Robinson,J.T.等人Highperformanceinvivonear-IR(>1μm)imagingandphotothermalcancertherapywithcarbonnanotubes.NanoResearch3,779-793(2010),Sato,Y.等人Influenceoflengthoncytotoxicityofmulti-walledcarbonnanotubesagainsthumanacutemonocyticleukemiacelllineTHP-1invitroandsubcutaneoustissueofratsinvivo.MolecularBioSystems1,176-182(2005),Schipper,M.L.等人Apilottoxicologystudyofsingle-walledcarbonnanotubesinasmallsampleofmice.Naturenanotechnology3,216-221(2008),和Welsher,K.等人Aroutetobrightlyfluorescentcarbonnanotubesfornear-infraredimaginginmice.NatureNanotechnology4,773-780(2009)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。建議的SWNT體內(nèi)用途包括用于生物成像的成像造影劑和藥物遞送試劑，然而它們作為診斷傳感器的用途還未在體內(nèi)證實(shí)。這些用途需要的合成策略將分析物結(jié)合的生物相容性、分子識(shí)別、高量子效率和光學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)考慮在內(nèi)。這些限制通過證明復(fù)合物的合成和操作而解決，所述復(fù)合物允許在體內(nèi) 復(fù)雜組織和器官中檢測分析物。在一些情況下，納米傳感器可用于測定相對小的分析物。例如，在一些實(shí)施方案中，該分析物可具有的分子量為約1000g/mol或更少，約500g/mol或更少，約100g/mol或更少，或約30g/mol或更少。例如，該納米傳感器可用于測定一氧化氮，其具有的分子量為約30g/mol。可使用本文所述的系統(tǒng)和方法測定的示例性分析物包括，例如，一氧化氮、過氧化氫、羥基自由基、谷氨酸、天冬氨酸、絲氨酸、g-氨基丁酸、甘氨酸、多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素、5-羥色胺、褪黑素、乙酰膽堿、腺苷、大麻素、組胺等。在一些實(shí)施方案中，本文所述的系統(tǒng)和方法可以測定相對低濃度的分析物。測定低濃度的分析物的能力可用于，例如，檢測受試者中的痕量污染物或痕量毒素。在一些實(shí)施方案中，納米傳感器可測定的分析物濃度小于約100微摩爾濃度，小于約10微摩爾濃度，小于約1微摩爾濃度，小于約100納摩爾濃度，小于約10納摩爾濃度，或小于約1納摩爾濃度。在一些情況下，納米傳感器可用于測定單分子分析物。一氧化氮(NO)的體內(nèi)檢測可用作模型，因?yàn)槠錇槎喾N生物過程中涉及的自由基，如凋亡、神經(jīng)傳遞、血壓控制和先天免疫(參見Moncada,S.,Palmer,R.M.&Higgs,E.A.Nitricoxide:physiology,pathophysiology,andpharmacology.PharmacologyReview43,109-142(1991)，其以其整體引入作為參考)，且未在腹腔內(nèi)組織中探測。目前的技術(shù)允許通過手術(shù)植入大鼠腦中的電化學(xué)探針體內(nèi)檢測NO(參見Park,S.S.等人Real-TimeinVivoSimultaneousMeasurementsofNitricOxideandOxygenUsinganAmperometricDualMicrosensor.AnalyticalChemistry82,7618-7624(2010)，其以其整體引入作為參考)，但不允許長期或非侵入性的NO檢測。NO功能非常重要的一點(diǎn)為其在組織中的穩(wěn)態(tài)濃度，其生物相關(guān)的濃度在3個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)?；谖墨I(xiàn)的估計(jì)，Thomas等人提出了以下NO功能的濃度分類:(a)GMP-介導(dǎo)的信號(hào)傳遞過程在1–30nM；(b)調(diào)節(jié)激酶和轉(zhuǎn)錄因子活性在30–400nM；和(c)病理硝化和氧化應(yīng)激高于500nM。參見，Thomas，D.D.等人Thechemicalbiologyofnitricoxide:implicationsincellularsignaling.FreeRadicalBiologyandMedicine45,18-31(2008)，其以其整體引入作為參考?；罨木奘杉?xì)胞為病理高水平NO的主要來源(參見Lewis,R.S.,Tamir,S.,Tannenbaum,S.R.&Deen,W.M.Kineticanalysisofthefateofnitricoxide synthesizedbymacrophagesinvitro.TheJournalofBiologicalChemistry270,29350-29355(1995)，其以其整體引入作為參考)，產(chǎn)生接近1μM的局部穩(wěn)態(tài)濃度(參見，Dedon,P.C.&Tannenbaum,S.R.Reactivenitrogenspeciesinthechemicalbiologyofinflammation.ArchivesofBiochemistryandBiophysics423,12-22(2004)，其以其整體引入作為參考)。NO與超氧化物陰離子(O2·-)快速反應(yīng)以形成過氧亞硝酸根(ONOO-)，其為有效的氧化劑。過氧亞硝酸根進(jìn)一步與CO2反應(yīng)以形成亞硝基過氧碳酸根(ONOOCOO-)，其分解為二氧化氮(NO2·)和碳酸根自由基(CO3·-)，其也是非常強(qiáng)的氧化劑。慢性炎癥中這些反應(yīng)性物質(zhì)的過度產(chǎn)生可導(dǎo)致?lián)p害所有類型的細(xì)胞生物分子，因此促成炎癥和疾病(如癌癥)之間的機(jī)理連接。參見，Coussens,L.M.&Werb,Z.Inflammationandcancer.Nature420,860-867(2002)，其以其整體引入作為參考。多種聚合物可用于本文所述的實(shí)施方案。在一些實(shí)施方案中，該聚合物可包括多糖，例如，葡聚糖、直鏈淀粉、甲殼質(zhì)或纖維素。在一些實(shí)施方案中，該聚合物可包括蛋白質(zhì)。合適的蛋白質(zhì)的實(shí)例包括，但不限于葡萄糖氧化酶、牛血清白蛋白和醇脫氫酶。在一些實(shí)施方案中，該聚合物可包括合成聚合物(例如，聚乙烯醇、聚(丙烯酸)、聚(環(huán)氧乙烷)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(烯丙基胺)、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(馬來酸)，等)。在一些實(shí)施方案中，該聚合物可包括多核苷酸或寡核苷酸。例如，該聚合物可包括一系列重復(fù)的堿基對(例如，重復(fù)的腺嘌呤-胸腺嘧啶(AT)堿基對，重復(fù)的鳥嘌呤-胸腺嘧啶(GT)堿基對等)，重復(fù)的堿基三聯(lián)體(例如，AAA、CCC、TTT、GGG等)，或重復(fù)的堿基四聯(lián)體(例如，AAAT、TTTA、CCCA、GGGA、AAAC、AAAG,TTTC、TTTG、GGGC、或GGGC等)。各重復(fù)單元可在寡核苷酸或多核苷酸中的一行中存在兩次、三次、四次、五次、六次、七次、八次、九次或十次。在一些實(shí)施方案中，該聚合物可連續(xù)地包括至少約5個(gè)，至少約15個(gè)，至少約25個(gè)，至少約50個(gè)，或至少約100個(gè)，5至30個(gè)，或10至20個(gè)，或約15個(gè)重復(fù)的堿基對(例如，AT、GT，等)。在某些實(shí)施方案中，該聚合物可包括綴合至合成聚合物的寡核苷酸。在另一方面，提供了使用包括光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)的納米傳感器感測分析物的方法。該方法可包括提供包含光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)和與光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)相互作用的聚合物的光致發(fā)光納米傳感器。該聚合物可例如通過上述機(jī)理任 一種與光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)相互作用。該方法可進(jìn)一步包括將該光致發(fā)光納米傳感器暴露于包含分析物(例如，上述任一分析物，包括，例如，一氧化氮)的組合物。該方法還可包括基于分析物和光致發(fā)光納米傳感器之間的相互作用測定分析物。在一些實(shí)施方案中，該方法可包括測定相對低分子量(例如，約1000g/mol或更少，約500g/mol或更少，約100g/mol或更少，或約30g/mol或更少)的分析物。在一些情況下，分析物的濃度可相對低(例如，小于約100微摩爾濃度，小于約10微摩爾濃度，小于約1微摩爾濃度，小于約100納摩爾濃度，小于約10納摩爾濃度，小于約1納摩爾濃度，或分析物的約單個(gè)分子)。通常，傳感器可包括水凝膠和光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)。在一方面，用于檢測分析物的傳感器可包括設(shè)置在支持體上的基底水凝膠、設(shè)置在該基底水凝膠上的傳感器水凝膠、嵌入該傳感器水凝膠中的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)、與該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)相互作用的聚合物。傳感器可包含支持基底水凝膠、從而也支持傳感器水凝膠的支持體。傳感器水凝膠可包括水凝膠網(wǎng)狀物、光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)和相關(guān)的連接聚合物、在連接聚合物之間任選的交聯(lián)和與該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)相互作用的聚合物。傳感器水凝膠通常在分析物不存在的情況下形成，且在形成后分析物可與傳感器水凝膠接觸。因此在一些狀態(tài)下，傳感器凝膠不含分析物，而在其它狀態(tài)包含分析物(例如，與分析物結(jié)合的化合物締合)。分析物的存在改變了光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光性質(zhì)。多種納米結(jié)構(gòu)可用于本文所述的納米傳感器。在一些實(shí)施方案中，描述了基于碳的納米結(jié)構(gòu)。如本文所述，“基于碳的納米結(jié)構(gòu)”包括芳環(huán)的稠合網(wǎng)絡(luò)，其中該納米結(jié)構(gòu)主要包含碳原子。在一些情況下，該納米結(jié)構(gòu)具有圓柱形、擬圓柱形或牛角形?；谔嫉募{米結(jié)構(gòu)可包括至少約10個(gè)，至少約50個(gè)，至少約100個(gè)，至少約1000個(gè)，至少約10,000個(gè)，或在一些情況下，至少約100,000個(gè)芳環(huán)的稠合網(wǎng)絡(luò)?；谔嫉募{米結(jié)構(gòu)可為基本上平面的或基本上非平面的，或可包括平面的或非平面的部分?；谔嫉募{米結(jié)構(gòu)可任選包括稠合網(wǎng)絡(luò)終止的邊界。例如，一片石墨烯包括平面的含碳分子，該含碳分子包含稠合網(wǎng)絡(luò)終止的邊界，而碳納米管包括非平面的基于碳的納米結(jié)構(gòu)，其邊界在任一端。在一些情況下，該邊界可被氫原子取代。在一些情況下，該邊界可被包含氧原子的基團(tuán)(例如，羥基)取代。在其它情況下，該邊界可如本文所述取代。在一些實(shí)施方案中，本文所述的納米結(jié)構(gòu)可包括納米管。如本文所述，術(shù)語“納米管”以其本領(lǐng)域的常規(guī)含義給出且是指基本上圓柱形的分子或納米結(jié)構(gòu)，包括主要為六元環(huán)(例如，六元芳環(huán))的稠合網(wǎng)絡(luò)。在一些情況下，納米管可類似形成為無縫圓柱形結(jié)構(gòu)的石墨片。應(yīng)理解除了六元環(huán)，該納米管也可包括環(huán)狀或格子狀結(jié)構(gòu)。通常，納米管至少一端可被封端，即，用曲面或非平面的芳基封端。納米管可具有納米級(jí)的直徑和微米級(jí)、幾十微米級(jí)、幾百微米級(jí)或毫米級(jí)的長度，導(dǎo)致縱橫比大于約100，約1000，約10,000，或更大。在一些實(shí)施方案中，納米管可具有小于約1微米，小于約500nm，小于約250nm，小于約100nm，小于約75nm，小于約50nm，小于約25nm，小于約10nm，或，在一些情況下，小于約1nm的直徑。在一些實(shí)施方案中，納米管可包括碳納米管。術(shù)語“碳納米管”是指主要包含碳原子的納米管。碳納米管的實(shí)例包括單壁碳納米管(SWNT)，雙壁碳納米管(DWNT)，多壁碳納米管(MWNT)(例如，同心碳納米管)、它們的無機(jī)衍生物等。在一些實(shí)施方案中，該碳納米管為單壁碳納米管。在一些情況下，該碳納米管為多壁碳納米管(例如，雙壁碳納米管)。在一些情況下，本文所述的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)可基本上沒有摻雜物、雜質(zhì)或其它非納米結(jié)構(gòu)原子。例如，在一些實(shí)施方案中，該納米結(jié)構(gòu)可包括基本上沒有摻雜物的碳納米結(jié)構(gòu)。作為具體實(shí)例，在一些實(shí)施方案中，該納米結(jié)構(gòu)可包括在納米管的殼部分內(nèi)僅包含芳環(huán)(其各自僅包含碳原子)的單壁碳納米管。在一些實(shí)施方案中，本文所述的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)可發(fā)射在所需波長范圍內(nèi)的輻射。例如，在一些情況下，該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)可發(fā)射波長為約750nm至約1600nm、或約900nm至約1400nm(例如，在波長的近紅外范圍)的輻射。在一些實(shí)施方案中，該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)可發(fā)射波長在光譜的可見范圍內(nèi)的輻射(例如，約400nm至約700nm)。由于水凝膠的生物相容性，一些實(shí)施方案可能是特別有利的。水凝膠尤其對生物污染有抗性。當(dāng)傳感器在體外使用時(shí)，生物實(shí)體(例如，內(nèi)皮細(xì)胞、蛋白質(zhì)等)可粘附至傳感器且阻斷和/或消耗待檢測的化合物(例如，葡萄糖)。當(dāng)該情況發(fā)生時(shí)，該傳感器可能無法檢測化合物的存在，或可能檢測到的化合物濃度低于周圍液體(例如，血液)中的量，從而使傳感器不準(zhǔn)確或不可使用。因?yàn)樗z可對生物污染有抗性，可減輕這些缺點(diǎn)。此外，在一些實(shí)施方案中當(dāng)水凝膠不是生物可降解時(shí)，可防止納米結(jié)構(gòu)不合需要的浸出。如本文所述，術(shù)語“水凝膠”以其本領(lǐng)域的通常含義給出，且是指包含聚合物網(wǎng)的材料，該聚合物網(wǎng)能捕捉和包含水。該水凝膠可包括直接交聯(lián)或通過交聯(lián)劑交聯(lián)的聚合物鏈。在一些情況下，交聯(lián)程度可改變以適應(yīng)凝膠吸收或保持液體的程度。能形成水凝膠的聚合物的實(shí)例包括，但不限于，膠原、含硅聚合物、聚丙烯酰胺、交聯(lián)聚合物(例如，聚氧化乙烯、聚AMPS和聚乙烯吡咯烷酮)、聚乙烯醇、丙烯酸聚合物(例如，聚丙烯酸鈉)和富含親水性基團(tuán)的共聚物。水凝膠可為藻酸鹽水凝膠。該水凝膠可為多孔的結(jié)構(gòu)。多孔的結(jié)構(gòu)中的孔徑可通過多種因素確定，包括聚合物濃度和水凝膠中的交聯(lián)。具有所需孔徑或所需孔徑分布的水凝膠可通過選擇聚合中存在的單體和交聯(lián)劑的濃度而制備以形成水凝膠。有利的是水凝膠的孔可足夠大以允許分析物自由接近被嵌入水凝膠中的組分，例如，接近光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)。該孔徑范圍可為，例如，10nm至1,000nm，20nm至500nm，50nm至250nm，或10nm至100nm。當(dāng)分析物為大分子(例如，蛋白質(zhì)，如免疫球蛋白)時(shí)，大于10nm、大于20nm、大于30nm、大于40nm、大于50nm、大于60nm、大于70nm、大于80nm、大于90nm、或100nm以上的孔徑可能是理想的。PEG水凝膠由于其可變性和易用性而廣泛使用，實(shí)現(xiàn)官能團(tuán)的等同分布和較大程度的柔性。參見，Arshady,R.Beadedpolymersupportsandgels:II.Physico-chemicalcriteriaandfunctionalization.JournalofChromatographyA586,199-219(1991),和Meldal,M.PropertiesofSolidSupports.MethodsinEnzymology289,83-104(1997)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。PEG也以其其親水性和生物相容性、抗原性和免疫原性而著稱，使其成為包裹SWNT傳感器的理想候選物。藻酸鹽，是微珠形成的最廣泛使用的材料，其為衍生自褐藻類的天然存在的陰離子多糖，且為包封SWNT的另一良好候選物。參見，Wei，X.等人Biodegradablepoly(e-caprolactone)–poly(ethyleneglycol)copolymersasdrugdeliverysystem.InternationalJournalofPharmaceutics381,1-18(2009),andHall,K.K.,Gattás-Asfura,K.M.&Stabler,C.L.Microencapsulationofisletswithinalginate/poly(ethyleneglycol)gelscross-linkedviaStaudingerligation.ActaBiomaterialia7,614-624(2011)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。藻酸鹽已被批準(zhǔn)用于創(chuàng)傷敷料且由于其沒有毒性而作為細(xì)胞載體，但已發(fā)現(xiàn)該離子鍵合的水凝膠經(jīng)常遭受降解，不能承受 植入物的機(jī)械和化學(xué)應(yīng)變和生理?xiàng)l件下發(fā)生的陽離子交換。參見，Cho，W.J.，Oh，S.H.&Lee，J.H.Alginatefilmasanovelpost-surgicaltissueadhesionbarrier.JournalofBiomaterialsSciencePolymerEdition21,701-713(2010),Lee,K.Y.&Mooney,D.J.Alginate:propertiesandbiomedicalapplications.ProgressinPolymerScience37,106-126(2012),Ulery,B.D.,Nair,L.S.&Laurencin,C.T.Biomedicalapplicationsofbiodegradablepolymers.JournalofPolymerSciencePartB:PolymerPhysics49,832–864(2011),Benson,J.P.,Papas,K.K.,Constantinidis,I.&Sambanis,A.Towardsthedevelopmentofabioartificialpancreas:effectsofpoly-L-lysineonalginatebeadswithBTC3cells.CellTransplant6,395-402(1997),和Thu,B.等人Alginatepolycationmicrocapsules.II.Somefunctionalproperties.Biomaterials17,1069-1079(1996)，其各自以其整體引入作為參考。對于成功植入傳感器來說必要的是在活的、完整的動(dòng)物中檢測和傳輸分子檢測的能力。最近的工作顯示皮下檢測藻酸鹽包封的SWNT，但沒有研究更深的組織植入。參見，Iverson，N.M.等人InVivoBiosensingViaTissueLocalizableNearInfraredFluorescentSingleWalledCarbonNanotubes.NatureNanotechnology8,873-880(2013)，其以其整體引入作為參考。以下工作的目的是提供一種定量的、基于材料的框架，由此設(shè)計(jì)不同種類的可植入的熒光傳感器。為此，分析了在藻酸鹽和PEG凝膠二者中作為一個(gè)具體實(shí)例的SWNT的組織深度和信號(hào)檢測之間的關(guān)系，且在小鼠中證實(shí)了體內(nèi)熒光成像，促進(jìn)了該傳感器未來的體內(nèi)用途且確定了這些凝膠包封物對深的組織成像的潛能。在一些實(shí)施方案中，用于檢測分析物的納米傳感器可包括在液體介質(zhì)中的光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)，和具有孔的殼體，其中該光致發(fā)光納米結(jié)構(gòu)包含在殼體內(nèi)且通過孔運(yùn)輸。殼體可具有足夠大的孔以允許分析物自由通過，但該孔又足夠小以限制納米傳感器通過。該殼體可限制納米結(jié)構(gòu)以避免外部環(huán)境，同時(shí)允許分析物與納米傳感器互相作用。殼體可為膜或聚合物結(jié)構(gòu)，其具有合適的孔尺寸以將納米傳感器限制在殼體內(nèi)，同時(shí)允許分析物通過殼體。例如，該殼體可包括膜，如透析膜。液體介質(zhì)可為任何與納米傳感器環(huán)境相容的溶液，例如，生理相容的緩沖溶液，如PBS。例如，可將填充了位于緩沖液中的SWNT傳感器的透析管置于受試者中。在一方面，用于檢測分析物的傳感器可通過任何有效途徑引入受試者。引入的示例性途徑包括，但不限于，注射(如皮下、肌內(nèi)、皮內(nèi)、腹腔內(nèi)和靜脈內(nèi))、口服、舌下、直腸的、經(jīng)皮、鼻內(nèi)、陰道和吸入途徑。本文公開了一種傳感器，其包含在多種環(huán)境測試的單壁碳納米管，包括用于炎癥檢測的皮下植入的傳感器和位于肝中用于檢測NO衍生的反應(yīng)性氮物質(zhì)的循環(huán)傳感器。使用這種類型平臺(tái)的體內(nèi)檢測可通過具體設(shè)計(jì)有機(jī)體和傳感器之間的化學(xué)界面而實(shí)現(xiàn)。聚乙二醇連接的ds(AAAT)7共聚物使溶液中的近紅外熒光單壁碳納米管(SWNT)傳感器穩(wěn)定，促成向小鼠的靜脈注射和局部一氧化氮(NO)濃度的選擇性檢測，且檢測極限為1μM。肝保留的半衰期為4小時(shí)，其中傳感器在注射后的2小時(shí)內(nèi)從肺清除，從而避免體內(nèi)納米毒理學(xué)的主要途徑。引入新的2Dλ空間譜成像方法以去卷積化學(xué)感測和空間信息。在肝中定位后，該探針允許使用NO作為標(biāo)記和信號(hào)傳遞分子研究瞬態(tài)炎癥。或者，藻酸鹽包封的ds(AAAT)7-SWNT顯示作為NO的可植入的炎癥傳感器，且沒有內(nèi)在免疫反應(yīng)性或其它不利響應(yīng)，保持400天以上。這些結(jié)果對于這些納米傳感器體內(nèi)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用開拓了新的途徑。體內(nèi)感測的化學(xué)和光學(xué)限制使用SWNT作為體內(nèi)熒光傳感器相比被動(dòng)遞送試劑或成像熒光團(tuán)帶來了另外的復(fù)雜性。該SWNT必須被官能化以能夠選擇性地進(jìn)行分子識(shí)別，且該識(shí)別被SWNT光學(xué)轉(zhuǎn)換。然而，該選擇性涂覆還必須允許體內(nèi)的生物相容性和穩(wěn)定性，該局限顯著限制了可使用的可用界面?；赟WNT或其它納米顆粒的熒光傳感器必然優(yōu)化具體分析物相對干擾分子的調(diào)節(jié)程度和選擇性。參見，Barone，P.W.，Baik，S.，Heller，D.A.&Strano，M.S.Near-infraredopticalsensorsbasedonsingle-walledcarbonnanotubes.NatureMaterials4,86-U16(2005),Heller,D.A.等人OpticalDetectionofDNAConformationalPolymorphismonSingle-WalledCarbonNanotubes.Science311,508-511(2006),Ahn,J.H.等人Label-free,singleproteindetectiononanear-infraredfluorescentsingle-walledcarbonnanotube/proteinmicroarrayfabricatedbycell-freesynthesis.NanoLetters11,2743-2752(2011),和Choi,J.H.,Chen,K.H.&Strano,M.S.Aptamer-cappednanocrystalquantumdots:anewmethodforlabel-freeproteindetection.JournaloftheAmericanChemical Society128,15584-15585(2006)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。然而，體內(nèi)操作增加了限制，即必須保持足夠的量子產(chǎn)率(QY)以允許在組織中檢測，同時(shí)在與對體內(nèi)生物相容性必需的穩(wěn)定化成分綴合后保持為可操作的。為解決這些限制，DNA寡核苷酸ds(AAAT)7實(shí)現(xiàn)了一氧化氮選擇性，該選擇性在連接至5kDaMW聚乙二醇(PEG)部分后仍然保持(圖1A)。圖2B-2C描繪了(AAAT)7-SWNT(紅色)和PEG-(AAAT)7-SWNT(藍(lán)色)傳感器的淬滅活性，該活性通過起始熒光的淬滅百分比而定量，使用的是785nm光電二極管，并且是在暴露于RNS和ROS化合物(連續(xù)分析10分鐘，且在添加時(shí)間點(diǎn)后12小時(shí)分析一次)(其中誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)誤差)(圖2B)和NO(連續(xù)分析30分鐘)(圖2C)后。SWNT使用PEG-連接的和未連接的DNA形式分散，且測試其在暴露于30μM一氧化氮和一連串的通常潛在的干擾分子后的熒光調(diào)節(jié)，分別顯示相比任何其它分析物對NO25％和17％更大的反應(yīng)性(圖1B)。有趣的是，添加PEG減少了SWNT對HNO的響應(yīng)，且對NO的總體選擇性顯著高于二氨基熒光標(biāo)準(zhǔn)，其僅測量NO的氧化產(chǎn)物，并非直接測量分析物，且具有的NO檢測極限小于1μM(圖6)。圖6顯示在添加不同濃度的NO后(AAAT)7-SWNT的熒光淬滅，表明從0.5μMNO開始的淬滅。連接PEG的傳感器和未官能化的傳感器二者的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可逆性示于圖1C?？焖俪跏即銣缢俾蕦θ我粯?gòu)建體都是不變的，然后是由于NO的溶液降解引起的較慢的恢復(fù)。該響應(yīng)的可逆性和快速意味著該探針首次可用于研究NO體內(nèi)信號(hào)傳遞動(dòng)力學(xué)。化學(xué)傳感器的空間和組織光譜成像不像不變的熒光或放射性測量探針，光學(xué)傳感器必須通過強(qiáng)度或波長調(diào)節(jié)報(bào)告其在組織中的位置及其化學(xué)環(huán)境。因此，提供熒光探針體內(nèi)2D靜態(tài)或動(dòng)態(tài)成像且必須使用強(qiáng)度信息以顯示位置的方案不能用于化學(xué)感測。液晶可調(diào)光柵和濾器技術(shù)的開發(fā)提供了技術(shù)解決方案。通過連續(xù)調(diào)節(jié)光柵以選擇窄波長空間，可通過包含兩個(gè)空間坐標(biāo)和波長軸的快速掃描而有效獲得圖像堆棧I(x,y,λ)原始。使用提供950至1050nm的波長檢測的源自CRi的液晶濾器，將其在暗箱成像構(gòu)型中置于常規(guī)整體動(dòng)物視野下。2Dλ圖像堆棧易于編碼空間和化學(xué)信息，如通過將原始堆棧去卷積成背景和傳感器組分而證實(shí)，從而允許對比的熒光淬滅(圖1D)。圖1D為在尾靜脈注射 PEG-(AAAT)7-SWNT30分鐘后切離的小鼠肝中(AAAT)7-SWNT的成像分析，其使用950至1050nm的白色光激發(fā)和發(fā)射光譜以10nm步幅和20秒累積時(shí)間而成像(比例尺4mm)。在PEGSWNT傳感器(100nm)半極大值處的窄的熒光全寬度易于從在自然和合成介質(zhì)中通常遇到的斜的自體熒光背景中去卷積。使用通常的Matlab算法，該原始圖像強(qiáng)度堆棧I(x,y,λ)原始快速被分解為SWNT熒光、背景和自體熒光噪聲成分:I(x,y,λ)原始＝I(x,y,λ)SWNT+I(x,y,λ)背景+I(x,y,λ)自體＝k-1*CNO(x,y)+I(x,y,λ)背景+I(x,y,λ)自體此處，k為包含SWNT探針的摩爾消光系數(shù)(4400+/-1000M-1cm-1)(參見，Schoppler，F(xiàn).等人MolarExtinctionCoefficientofSingle-WallCarbonNanotubes.JournalofPhysicalChemistry115,14682-14686(2011)，其以其整體引入作為參考)、其局部濃度和組織光學(xué)性質(zhì)的校準(zhǔn)的比例常數(shù)。注意該流程容易導(dǎo)致將其本身變?yōu)椴ㄩL帶中的熒光傳感器的多路復(fù)用(multiplexing)，或與SWNT傳感器探針同時(shí)進(jìn)行的對自體熒光背景或組織吸收的分析。除非另有所述，該工作中的熒光圖像為I(x,y)SWNT空間圖，其中熒光強(qiáng)度對應(yīng)于一旦歸一化后通過淬滅獲得的相對NO濃度。有機(jī)熒光探針，或者打開或者關(guān)閉模式，需要一個(gè)參照以同時(shí)定量輸送空間和化學(xué)信息，且該SWNT探針在該方面也是如此。為尋找SWNT熒光、背景和自體熒光噪聲在每個(gè)點(diǎn)的相對貢獻(xiàn)，進(jìn)行熒光光譜的線性擬合的最小二乘最小化。尾靜脈注射的穩(wěn)定性PEG與傳感器界面的連接是體內(nèi)成功循環(huán)的關(guān)鍵。例如，(AAAT)7-SWNT并不循環(huán)，而是在注射位點(diǎn)附近累積，如圖2A使用近紅外成像所示。圖2A顯示將(AAAT)7-SWNT首先給予小鼠的左尾靜脈然后右尾靜脈。該過程重復(fù)進(jìn)行，結(jié)果類似；(AAAT)7-SWNT阻斷尾靜脈，抑制溶液注射和血流。該圖中的插入物顯示尾部橫截面，其中(AAAT)7-SWNT位于靜脈內(nèi)，而非周圍組織。因此，靜脈阻塞可歸因于(AAAT)7-SWNT的不穩(wěn)定性，而非歸因于錯(cuò)誤的注射。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)顯示尾靜脈阻斷是由吸附至(AAAT)7-SWNT的血清蛋白質(zhì)的聚集引起的。圖2B中的凝膠電泳顯示四個(gè)樣品(在裝載前與胎牛血清(FBS)或緩沖液一起培養(yǎng)5分鐘的(AAAT)7-SWNT 和PEG-(AAAT)7-SWNT樣品)及其遷移距離，由相對于位置的熒光放射而測量。0點(diǎn)為孔的邊緣，其中所有樣品的熒光強(qiáng)度以1mm距離間隔測量。(AAAT)7-SWNT的電泳遷移率為11*109至14*109m2V-1，而其包含F(xiàn)BS的對應(yīng)物的遷移率為2*109至4*109m2V-1；證實(shí)了FBS吸咐至(AAAT)7-SWNT。有和沒有FBS的PEG-(AAAT)7-SWNT溶液都具有10*109至14*109m2V-1的電泳遷移率，在兩者之間沒有可感知的差異，證實(shí)PEG-(AAAT)7-SWNT上的PEG部分阻止FBS吸咐。尾靜脈阻塞是由結(jié)合至(AAAT)7-SWNT的蛋白質(zhì)引起的假設(shè)通過目視觀測注射至靜脈后PEG-(AAAT)7-SWNT的清除而證實(shí)，如圖2C所示。圖2C描繪了注射(50mgL-1)PEG-(AAAT)7-SWNT至左尾靜脈后的小鼠尾部，橫斷面圖顯示SWNT從血管的清除。(n＝3，比例尺2mm)。其顯示添加PEG部分是產(chǎn)生用于這種類型傳感器體內(nèi)循環(huán)的穩(wěn)定制劑所必需的。循環(huán)時(shí)間和生物分布當(dāng)SWNT被注射并位于組織中時(shí)，研究了其生物分布和生物相容性，結(jié)果示于圖3和8。動(dòng)物通過尾靜脈被注射PEG-(AAAT)7-SWNT，然后在注射后第5、15、30、60和120分鐘處死(每個(gè)時(shí)間點(diǎn)n＝3-5只小鼠，注射200μL的50mgL-1SWNT)；0分鐘時(shí)間點(diǎn)表示未接受PEG-(AAAT)7-SWNT的對照動(dòng)物。圖3A提供注射PEG-(AAAT)7-SWNT前后的肝組織(60x放大，比例尺10μm)的組織學(xué)，且顯示沒有炎癥響應(yīng)的證據(jù)。圖8顯示尾靜脈注射PEG-(AAAT)7-SWNT(注射200μL50mgL-1SWNT)后在不同時(shí)間點(diǎn)處死的小鼠的組織切片的組織學(xué)圖像(H&E染色，肺10x，尾、肝和腎20x，比例尺10μm)；在不同時(shí)間點(diǎn)之間沒有觀察到顯著差異。(每個(gè)時(shí)間點(diǎn)n＝3-5只小鼠)。蘇木精和曙紅(H&E)染色的肝組織的組織檢測顯示在任何時(shí)間在尾、肺、肝或腎沒有可檢測的炎癥證據(jù)，證實(shí)SWNT的生物相容性。圖3B顯示組織樣品中存在(+)或不存在(–)PEG-(AAAT)7-SWNT，如通過拉曼光譜測定(每個(gè)時(shí)間點(diǎn)n＝3只小鼠)(樣品光譜示于圖3C)。血液和尿液樣品的共振拉曼光譜顯示在所有時(shí)間點(diǎn)的血液中存在SWNT，但在各時(shí)間點(diǎn)從膀胱收集的尿液樣品中無SWNT，證實(shí)SWNT在體內(nèi)保留至少2小時(shí)。在整個(gè)2小時(shí)時(shí)間區(qū)間內(nèi)在肝和腎中也檢測到PEG-(AAAT)7-SWNT，但在1小時(shí)內(nèi)在尾注 射位點(diǎn)清除。從肺部清除SWNT是特別值得注意的。由于肺組織的高度血管化性質(zhì)及其在在體循環(huán)中的位置，肺很容易捕獲納米顆粒。參見，Donaldson，K.等人CarbonNanotubes:AReviewofTheirPropertiesinRelationtoPulmonaryToxicologyandWorkplaceSafety.ToxicologicalSciences92,5-22(2006),Lacerda,L.,Bianco,A.,Prato,M.&Kostarelos,K.Carbonnanotubesasnanomedicines:Fromtoxicologytopharmacology.AdvancedDrugDeliveryReviews58,1460-1470(2006),和Poland,C.A.等人Carbonnanotubesintroducedintotheabdominalcavityofmiceshowasbestoslikepathogenicityinapilotstudy.NatureNanotechnology3,423-428(2008)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。顯然，目測揭示在注射5分鐘后肺組織變暗，但組織在30分鐘內(nèi)回復(fù)至預(yù)處理著色。該觀測通過拉曼組織光譜定量證實(shí)，其證實(shí)PEG-(AAAT)7-SWNT在注射后5分鐘在肺中是可檢測的，但在2小時(shí)內(nèi)清除。該證據(jù)直接支持PEG-(AAAT)7-SWNT滲透限制性的毛細(xì)血管網(wǎng)而不引起阻塞的能力。觀察到PEG-(AAAT)7-SWNT在多個(gè)組織中累積，但在肝中濃度最高。圖3D為一系列用2Dλ技術(shù)去卷積的切離的肝的圖，其首先顯示PEG-(AAAT)7-SWNT相對肝的定位，然后是熒光的熱圖(heatmap)(比例尺4mm)，即在尾靜脈注射200μL50mgL-1PEG-(AAAT)7-SWNT后的不同時(shí)間點(diǎn)切離的小鼠肝中SWNT熒光的定量圖，然后.(每個(gè)時(shí)間點(diǎn)n＝3-5只小鼠，誤差條為平均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差)。圖3D-3E總結(jié)了在注射后5、15、30、60和120分鐘處死的小鼠的切離的肝中PEG-(AAAT)7-SWNT累積的定性和定量證據(jù)，如上述的生物分布研究中所述。肝的代表性圖清楚顯示SWNT熒光增加直到30分鐘，然后是少量減少。以圖1所述的2Dλ方法進(jìn)行的定量分析顯示肝的平均熒光增加直到30分鐘，然后稍微降低且保持恒定直到60和120min。相比于非淬滅樣品，已被淬滅的樣品顯示的熒光分布具有更大的標(biāo)準(zhǔn)偏差和更低的峰值，如圖10所示。圖10顯示尾靜脈注射PEG-(AAAT)7-SWNT(注射200μL50mgL-1SWNT)30分鐘后處死的健康(對照)和發(fā)炎(RcsX處理的)小鼠的組織切片的組織圖像(H&E染色，40x，比例尺10μm)。在對照和發(fā)炎小鼠的肝樣品之間沒有可識(shí)別的差異，而RcsX處理的動(dòng)物的脾顯示在對照小鼠中不存在的淋巴瘤。(n＝10)圖3E的數(shù)據(jù)的熒光分布，如圖3F所示，顯示對所有時(shí)間點(diǎn)類似的峰值(10.5，11.2，8.1，9.6和10.4)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(73.19，56.43，63.07，48.92和49.51a.u.)，暗示肝中PEG-(AAAT)7-SWNT濃度先增加然后降低，這與30分鐘時(shí)間點(diǎn)后的SWNT淬滅相反。肝中PEG-(AAAT)7-SWNT的累積可如下模擬，解釋了從血液(點(diǎn)A)至肝(B)中和分布至多個(gè)沉降部分(sinks)(C，膽汁，降解等)的循環(huán)半衰期。在此，k1為從體循環(huán)至肝中轉(zhuǎn)移的速率常數(shù)，且k2為主要下沉速率。因此，對于濃度A(t)、B(t)和C(t)，其中A0為時(shí)間t的血藥濃度。對圖3e中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得到k1＝0.1169k2＝0.00288和[A0]＝337.96sec-1，使得B(t)＝-346.51(e-0.1169t–e-0.00288t)其中因此，圖3E中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸得到肝中的SWNT濃度為B(t)＝-346.51(e^(-0.1169t)-e^(-0.00288t))且半衰期為約4小時(shí)。更精確的肝半衰期值需要更長的時(shí)間點(diǎn)告知的更詳細(xì)的模型，其為未來努力的焦點(diǎn)。同樣感興趣的為血藥濃度研究以促成血流半衰期測定。發(fā)炎小鼠肝中一氧化氮的檢測評(píng)估了傳感器檢測體內(nèi)炎癥過程產(chǎn)生的NO的能力。對該目的，選擇SJL小鼠模型，這是由于其強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致在通過注射RcsX腫瘤細(xì)胞誘導(dǎo)后在可預(yù)測的時(shí)程中大量過度產(chǎn)生NO，如上所述。參見，Gal，A.，Tamir，S.，Tannenbaum，S.&Wogan，G.NitricoxideproductioninSJLmicebearingtheRcsXlymphoma:AmodelforinvivotoxicologicalevaluationofNO.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences93,11499-11503(1996)，其以其整體引入作為參考。因此，向小鼠腹膜內(nèi)注射RcsX細(xì)胞或鹽水(n＝10，重復(fù)一次且n＝5)。12天后，將PEG-(AAAT)7-SWNT(注射200μL50mgL-1 SWNT)注入麻醉小鼠的尾靜脈，且30分鐘后腹腔中的切口使肝暴露以允許原位成像(圖4A，比例尺4mm)。然后立即將動(dòng)物處死，將肝切離且分離的器官再次成像。原位圖像的比較顯示對照動(dòng)物的肝清楚地顯示熒光，而該熒光在RcsX處理的小鼠的發(fā)炎器官中不可檢測。相反，切離的肝的圖像顯示在RcsX和對照動(dòng)物二者中都存在類似水平的SWNT熒光。原位圖像中不存在熒光可歸因于炎癥過程產(chǎn)生的NO，因?yàn)镾WNT清楚地存在于器官中，如切離的器官中的熒光所示。暴露于NO后PEG-(AAAT)7-SWNT熒光的快速恢復(fù)(圖1C)與該解釋一致。進(jìn)行這些數(shù)據(jù)的定量(圖4B，n＝10，誤差條為平均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差)，且顯示在發(fā)炎組織中處死前后的熒光之間55％的差異，相對比，在接受鹽水尾靜脈注射的對照中差異為3％。熒光分布數(shù)據(jù)顯示在沒有SWNT的對照小鼠的組織和在注射SWNT的發(fā)炎動(dòng)物中檢測的信號(hào)(39和54a.u.mm-2，相比之下，具有SWNT的非發(fā)炎小鼠為153a.u.mm-2)之間的類似性，而發(fā)炎和非發(fā)炎小鼠切離的肝樣品都具有類似的標(biāo)準(zhǔn)偏差(48.14和43.41a.u.)和峰值(148和158a.u.)。該研究的限制是需要將肝暴露以用于原位成像，其可通過進(jìn)一步優(yōu)化SWNT以允許更深的組織成像或使用腹腔鏡檢查探針以允許使用比目前更小的切口成像而解決。表皮組織炎癥的一氧化氮監(jiān)測(AAAT)7-SWNT組織-特異的定位潛能也使用藻酸鹽-包裹的傳感器平臺(tái)進(jìn)行了研究，該藻酸鹽-包封的傳感器平臺(tái)可植入且以幾天/幾個(gè)月的時(shí)間標(biāo)度進(jìn)行，這與靜脈內(nèi)注射的PEG-(AAAT)7-SWNT使用的較短的時(shí)間標(biāo)度形成對比。圖5A-5B描繪了(AAAT)7-SWNT(紅色)和藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT(綠色)傳感器的淬滅活性，其在暴露于RNS和ROS化合物后使用785nm光電二極管通過原始熒光的淬滅百分比而定量(圖5A，連續(xù)分析10分鐘且一次在添加時(shí)間點(diǎn)后的12小時(shí))，其中誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)誤差NO(圖5B，(AAAT)7-SWNT連續(xù)分析30分鐘，藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT的分析時(shí)間稍短于45小時(shí))(n＝3)。圖5A顯示藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT傳感器保持其NO特異性。有趣的是，該熒光信號(hào)通過NO的淬滅不太快，在30分鐘的NO暴露后達(dá)到93％淬滅(圖5B)。該信號(hào)保持淬滅達(dá)24小時(shí)，然后其在41小時(shí)后恢復(fù)至25％。多種可能的機(jī)理可能解釋該延遲的熒光恢復(fù)。可能的是吸附至藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT的NO比游離NO更穩(wěn)定，顯著增 加其半衰期且引起NO在藻酸鹽水凝膠中濃度增加。還可能的是NO的長壽的反應(yīng)性衍生物對該藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT體系的淬滅負(fù)責(zé)。如果NO進(jìn)入藻酸鹽水凝膠且與藻酸鹽基質(zhì)中圈閉的另一帶負(fù)電荷的分析物反應(yīng)，這似乎是合理的。另一可能性為NO形成藻酸鹽中間體，其淬滅SWNT。使用藻酸鹽包封的(AAAT)7-SWNT進(jìn)行皮下植入和NO檢測，且結(jié)果示于圖5。第一研究(圖5C，比例尺4mm)，涉及在小鼠左側(cè)和右側(cè)都皮下(SQ)放置兩種藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT凝膠。凝膠1的總信號(hào)淬滅在第一圖中觀察，在放置凝膠后花費(fèi)約20分鐘，而凝膠2保持其熒光。在后一圖中，在凝膠2在動(dòng)物中約20分鐘后，也將凝膠2淬滅。到第4天兩種凝膠都恢復(fù)其熒光。關(guān)于體內(nèi)水平的NO，可得的定量數(shù)據(jù)較少，認(rèn)為其在非發(fā)炎組織中非常低(即，nM)。然而，在Lee等人的創(chuàng)傷愈合研究中，顯示大鼠創(chuàng)傷滲出液中的NO水平在14天的期間從27μM穩(wěn)態(tài)增加至107μM，且一氧化氮合酶活性在受傷后24小時(shí)達(dá)到峰值。參見，Lee，R.H.，Efron，D.，Tantry，U.&Barbul，A.NitricOxideintheHealingWound:ATime-CourseStudy.JournalofSurgicalResearch101,104-108(2001)，其以其整體引入作為參考。因此創(chuàng)面床中NO的濃度可足夠高以在植入后不久淬滅SWNT。Lee等人用聚乙烯醇海綿在大鼠中觀察到的延長的NO存在并未在小鼠中用藻酸鹽凝膠的該研究中觀察到，但巨噬細(xì)胞(已知為NO制造者)的募集，或與聚乙烯醇海綿相關(guān)的異物響應(yīng)也未在該研究中觀察到。參見，Davidson，J.M.AnimalModelsforWoundRepair.ArchivesofDermatologicalResearch290，S1-S11(1998)，其以其整體引入作為參考。這些觀察結(jié)果支持了以下解釋，即在實(shí)驗(yàn)第0天不存在觀察到的信號(hào)(該信號(hào)是由與NO爆發(fā)相關(guān)的熒光淬滅產(chǎn)生的)的原因是由于凝膠植入，而非由于與熒光的組織干擾。這種快速的淬滅和多天信號(hào)恢復(fù)對應(yīng)于圖5B所示的數(shù)據(jù)。在第4天收集處死后的動(dòng)物組織且用H&E染色(圖5F，10x(第4天和第400天)和20x(第180天)，比例尺10μm)。可忽略的炎癥存在于植入位點(diǎn)，也支持了與觀察到的熒光信號(hào)恢復(fù)相關(guān)的假說。圖11描繪了植入后具有皮下凝膠的小鼠的熒光強(qiáng)度分布。藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT熒光分布的定量顯示在通過植入引起淬滅后的凝膠的信號(hào)恢復(fù)，導(dǎo)致高斯形曲線降低標(biāo)準(zhǔn)偏差(64.95至46.43a.u.)和增加峰值(336至733個(gè)點(diǎn))。圖5D-5F顯示藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT的無先例的長期耐久性研究結(jié)果。在此，在60至400天的期間監(jiān)測了向右側(cè)的單一皮下凝膠植入并熒光成像，這遠(yuǎn)長于已顯示監(jiān)測NO的可植入的電化學(xué)傳感器(最接近現(xiàn)有技術(shù))。參見，Griveau，S.&Bedioui，F(xiàn).Overviewofsignificantexamplesofelectrochemicalsensorarraysdesignedfordetectionofnitricoxideandrelevantspeciesinabiologicalenvironment.AnalyticalandBioanalyticalChemistry405,3475-3488(2013)，其以其整體引入作為參考。在圖5D中，該凝膠在植入之前被顯示，然后在300天的研究中在體內(nèi)顯示多個(gè)點(diǎn)。可在貫穿300天的研究中觀察到明顯的熒光。由于動(dòng)物運(yùn)動(dòng)凝膠形態(tài)學(xué)似乎隨時(shí)間稍微改變，但該凝膠保持完整且信號(hào)大部分不變，如圖5F所示。熒光強(qiáng)度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)程的定量示于圖5F(植入后的信號(hào)恢復(fù)示于圖11)。該信號(hào)在整個(gè)期間保持，且強(qiáng)度變化為14％。較少的變化表明局部NO濃度在10個(gè)月期間可能稍微改變，但始終低于在植入時(shí)觀察到的初始升高，這可能由手術(shù)過程涉及的組織損傷引起。與該解釋一致的是，在長期研究結(jié)束時(shí)在凝膠植入位點(diǎn)周圍的組織未觀察到炎癥(圖5E)。這些發(fā)現(xiàn)一個(gè)特別引人注目的方面為藻酸鹽凝膠中SWNT濃度的改變或凝膠組成的變更(圖12)改變了信號(hào)淬滅的時(shí)間標(biāo)度和程度。圖12顯示通過PAAm包封的(AAAT)7-SWNT的NO的熒光信號(hào)淬滅，顯示相比其藻酸鹽對應(yīng)物時(shí)間較短。因此，可構(gòu)造傳感器庫以包含具有不同NO濃度極限的凝膠，使得規(guī)格(specification)與感興趣的疾病或病癥直接相關(guān)?？傊?，該工作顯示使用半導(dǎo)體的SWNT制備的用于體內(nèi)NO檢測的直接光學(xué)傳感器，且檢測極限為約1μM，強(qiáng)調(diào)了半導(dǎo)體單壁碳納米管體內(nèi)用于化學(xué)檢測的潛能，且首次制備了能體內(nèi)操作的可逆的、NO的直接光學(xué)傳感器。該傳感器體內(nèi)展示的超過一年的穩(wěn)定性(至少400天未觀察到活性變化)是史無前例的，且由于不存在光漂白，其具有更長時(shí)間的潛能。展示了兩種操作模式:注射然后在肝中定位，以及直接植入組織；使得增加了與組織炎癥、癌癥和細(xì)胞信號(hào)傳遞相關(guān)的知識(shí)。參見，Bredt,D.S.&Snyder,S.H.NitricOxide:APhysiologicMessengerMolecule.AnnualReviewofBiochemistry63,175-195(1994),和Mantovani,A.,Allavena,P.,Sica,A.&Balkwill,F.Cancer-relatedinflammation.Nature454,436-444(2008)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。使用液體SWNT溶液體內(nèi)檢測葡萄糖在傳感器的敏感性因存在水凝膠而削弱的某些情況下，SWNT傳感器可以其液體形式置于體內(nèi)。在該情況下，SWNT傳感器在液體介質(zhì)中配制。多孔殼體可用液體介質(zhì)中的SWNT傳感器填充，然后置于受試者中。例如，當(dāng)某些SWNT傳感器(如葡萄糖傳感器)被包封在水凝膠中時(shí)，它們失去其與感興趣的分析物特異性反應(yīng)的能力。為克服該問題，SWNT傳感器可以其液體形式置于體內(nèi)。該葡萄糖感測SWNT可被填充在兩端用縫合材料結(jié)扎的透析管中。該透析管然后可被皮下置于小鼠中(參見圖13)。圖13顯示植入之前6-孔板中的透析管和具有透析袋植入物的小鼠(兩者都具有透射光且然后是SWNT的熒光)。在動(dòng)物從SWNT植入術(shù)恢復(fù)后，進(jìn)行葡萄糖耐量測試以觀察該植入是否會(huì)與葡萄糖體內(nèi)反應(yīng)。圖14顯示葡萄糖耐量測試結(jié)果。在0時(shí)間點(diǎn)，腹腔注射葡萄糖且使小鼠成像。使用血糖計(jì)測定小鼠血糖水平并將這些讀數(shù)與熒光淬滅比較。葡萄糖濃度的趨勢和熒光淬滅是平行的。為包封該水凝膠基質(zhì)形式的SWNT傳感器以用于其植入，將藻酸鹽用作水凝膠的包封材料。藻酸鹽是陰離子多糖且由于其生物相容性和簡單的膠凝步驟而廣泛用于藥物應(yīng)用。在此，凝膠通過將藻酸鹽和SWNT溶液的混合物交聯(lián)而制備。圖15顯示對葡萄糖的響應(yīng)的概述。通過比較紅色條和藍(lán)色條的圖，很明顯該SWNT傳感器即使在與藻酸鹽混合后也能保持其與葡萄糖反應(yīng)的能力。盡管在添加水后信號(hào)有一些波動(dòng)，但總體響應(yīng)類似于SWNT溶液的。然而，由于藻酸鹽-SWNT混合物使用氯化鋇交聯(lián)，該SWNT傳感器完全喪失其與葡萄糖反應(yīng)的能力。水凝膠表征制備包封不同濃度的(GT)15-SWNT的藻酸鹽和PEG水凝膠且分別在氯化鋇浴中或通過UV光照交聯(lián)(圖16)。暴露2秒的(GT)15-SWNT、藻酸鹽-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的熒光信號(hào)示于圖1b。該光譜被去卷積為不同的SWNT手性(圖23)，且(6,5)管的熒光信號(hào)的峰值總結(jié)在圖16C中。該熒光信號(hào)隨著濃度增加而線性增加(圖16C中的點(diǎn)劃線)，且SWNT樣品的平臺(tái)期高于10mgL-1，而對于PEG-(GT)15-SWNT和藻酸鹽-(GT)15-SWNT 水凝膠，25mgL-1樣品顯示熒光放射降低。對于所有測試的濃度，藻酸鹽凝膠顯相比PEG水凝膠示更明亮的信號(hào)。而且，藻酸鹽和PEG凝膠的(6,5)峰值熒光相對SWNT樣品紅移(移動(dòng)2-6nm)(圖16D)。藻酸鹽和PEG凝膠的流變性質(zhì)通過具有平行板幾何學(xué)的振動(dòng)測量而確定。沒有納米顆粒的水凝膠的線性粘彈區(qū)(LVR)通過具有恒定1Hz頻率的應(yīng)變掃描而評(píng)估。對于藻酸鹽和PEG，作為應(yīng)變百分比的函數(shù)的儲(chǔ)存模量(G’)和損失模量(G”)分別示于圖17A和17B。沒有納米顆粒和具有2、5、10和25mgL-1SWNT的凝膠的粘彈響應(yīng)通過在LVR中的頻率掃描而評(píng)估，藻酸鹽和PEG分別以恒定的0.1％和0.01％應(yīng)變評(píng)估(圖16C和16D)。所有情況下G’值大概比G”值高一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，該粘彈性質(zhì)隨著包封的納米顆粒濃度沒有太大改變，除了具有最高的SWNT濃度(25mgL-1)的PEG水凝膠，其相對較低濃度具有低得多的儲(chǔ)存模量。這是由于SWNT在UV區(qū)的高吸收，在該情況下其會(huì)干擾UV-引發(fā)的交聯(lián)過程。交聯(lián)密度ρx可使用橡膠彈性理論從水凝膠的儲(chǔ)存模量(G’)估算41-43:G′＝ρxRT(1)其中R為氣體常數(shù)且T為溫度。使用LVR區(qū)的G’值(圖16A和16B)，藻酸鹽和PEG水凝膠的交聯(lián)密度為48molm-3和363molm-3，表明在交聯(lián)間分別為3.2nm和1.7nm的平均距離。盡管橡膠彈性理論是對化學(xué)交聯(lián)的水凝膠(如PEG)開發(fā)的43，但方程(1)在某些條件可適用于藻酸鹽(其為物理交聯(lián)的)，這些條件如儲(chǔ)存模量G’不明顯依賴于頻率、和低損失比(G’/G”)44，這符合我們的情況。在多種水凝膠幾何體中的包封的納米顆粒熒光淬滅為模擬和表征包封的納米顆粒傳感器，響應(yīng)于添加核黃素的(GT)15-SWNT、PEG-(GT)15-SWNT和藻酸鹽-(GT)15-SWNT的熒光調(diào)節(jié)將在nIR陣列中測量且示于圖18A。選擇核黃素作為模型靶分析物，因?yàn)槠錇镈NA-包裹的SWNT的已知的熒光淬滅物。參見，Zhang，J.等人Molecularrecognitionusingacoronacomplexmadeofartificialpolymersadsorbedoncarbonnanotubes.NatureNanotechnology8,959-968(2013),和Zhang,J.Q.等人SingleMoleculeDetectionofNitricOxideEnabledbyd(AT)(15)DNAAdsorbedtoNearInfraredFluorescentSingle-WalledCarbonNanotubes.Journal oftheAmericanChemicalSociety133,567-581(2011)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。在培養(yǎng)1小時(shí)后，2、5、10和25mgL-1濃度的SWNT溶液的信號(hào)分別淬滅90％、85％、80％和70％，而藻酸鹽水凝膠分別淬滅50％、44％、48％和33％。對所有濃度PEG水凝膠顯示小于5％變化，而高達(dá)6小時(shí)的更長的培養(yǎng)時(shí)間顯示沒有顯著變化(數(shù)據(jù)未顯示)。納米顆粒濃度的作用通過研究經(jīng)6小時(shí)時(shí)間2、5、10和25mgL-1濃度的藻酸鹽水凝膠的淬滅而考察。使用雙指數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特征淬滅時(shí)間標(biāo)度(圖18B)，其中對于2、5、10和25mgL-1濃度，較短的為14.2、14.5、14.1和15.4分鐘，而較長的為6.18、5.6、5.8和5.7小時(shí)。盡管初始強(qiáng)度在四種濃度之間有變化，但所有的淬滅速率是類似的，表明共同的機(jī)理。凝膠幾何學(xué)對淬滅速率和程度的影響使用藻酸鹽-(GT)15-SWNT系統(tǒng)研究，其中納米顆粒濃度為10mgL-1。將體積為200μl和600μl的圓形藻酸鹽凝膠的熒光信號(hào)監(jiān)測6小時(shí)(圖18C)。小的(200uL)和大的(600uL)圓形凝膠都以雙指數(shù)擬合顯示兩種特征淬滅時(shí)間，其中之一為約20分鐘的數(shù)量級(jí)(分別為20.7和26.2分鐘)，其中另一個(gè)為約幾小時(shí)的數(shù)量級(jí)(分別為6.5和10.8小時(shí))。相當(dāng)?shù)臅r(shí)間標(biāo)度證實(shí)將凝膠的基部表面積最小化對固定凝膠高度(3mm)的淬滅速率的增加具有較小的影響，只要其相對凝膠直徑(分別為7mm和15mm)較小。對于具有相同體積的星形、矩形和圓形凝膠，以雙指數(shù)擬合的長的特征淬滅時(shí)間(圖18D)分別為15.6、9.9和9.5小時(shí)，顯示對較小的側(cè)表面面積有稍許降低。短的特征淬滅時(shí)間對所有形狀都是相當(dāng)?shù)?，星形、矩形和圓形凝膠分別為34.9、19.3和26.8分鐘。這些結(jié)果表明這種尺寸范圍的凝膠，在凝膠表面沒有傳質(zhì)限制(形狀不變)，且沒有內(nèi)部傳質(zhì)限制(尺寸不變)。水凝膠的化學(xué)穩(wěn)定性兩種水凝膠模型系統(tǒng)的光熱和光化學(xué)穩(wěn)定性通過監(jiān)測包封的納米顆粒隨時(shí)間的熒光信號(hào)而測試。由于SWNT不顯示光漂白(參見Liu，Z.，Tabakman，S.，Welsher，K.&Dai，H.CarbonNanotubesinBiologyandMedicine:InvitroandinvivoDetection,ImagingandDrugDelivery.NanoResearch2,85-120(2009),Cherukuri,P.,Bachilo,S.M.,Litovsky,S.H.&Weisman,R.B.Near-infraredfluorescencemicroscopyofsingle-walledcarbonnanotubesin phagocyticcells.JournaloftheAmericanChemicalSociety126,15638–15639(2004),和Graff,R.A.等人Achievingindividual-nanotubedispersionathighloadinginsingle-walledcarbonnanotubecomposites.AdvancedMaterials17,980-984(2005)，其各自以其整體引入作為參考)，它們的熒光作為水凝膠基質(zhì)降解的指示。該凝膠在14mW的連續(xù)激光激發(fā)下在焦平面成像4小時(shí)，圖像以5分鐘間隔收集。當(dāng)樣品在測試過程中保持潮濕時(shí)，在圖19A中可清楚地看到藻酸鹽和PEG凝膠(10mgL-1SWNT)的信號(hào)穩(wěn)定性。然而，當(dāng)樣品干燥時(shí)，它們不可逆地失去它們的形狀和熒光，其在再水合時(shí)也不恢復(fù)。為了評(píng)估包封納米顆粒的凝膠的長期化學(xué)穩(wěn)定性，將具有不同濃度的包封的SWNT的藻酸鹽和PEG水凝膠在整體動(dòng)物和nIR陣列成像系統(tǒng)中分析60-90天。在nIR陣列中在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)測量藻酸鹽和PEG水凝膠塞子的峰值熒光(SWNT濃度為2、5、10和25mgL-1)，且通過標(biāo)準(zhǔn)SWNT懸浮液的峰值熒光信號(hào)歸一化，該標(biāo)準(zhǔn)SWNT懸浮液的峰值熒光信號(hào)每次以與凝膠相同的條件測量。PEG和藻酸鹽凝膠的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別通過指數(shù)和雙指數(shù)衰減模型而擬合，分別顯示一個(gè)和兩個(gè)特征衰減時(shí)間標(biāo)度(圖19B和19C)。凝膠的特征衰減時(shí)間示于圖19E，且顯示藻酸鹽凝膠的快速衰減(t1)為大約1天的數(shù)量級(jí)，且較慢衰減(t2)在藻酸鹽凝膠的情況下為大約2年的數(shù)量級(jí)，而在PEG水凝膠情況下為10-100天。藻酸鹽凝膠短的衰減時(shí)間標(biāo)度可歸因于達(dá)到平衡前用于成像的96-孔板中的膨脹，其通常在24小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而PEG-二丙烯酸酯凝膠已顯示在約20分鐘內(nèi)達(dá)到平衡。參見，Davidovich-Pinhas,M.&Bianco-Peled,H.Aquantitativeanalysisofalginateswelling.CarbohydratePolymers79,1020-1027,和Mellott,M.B.,Searcy,K.&Pishko,M.V.Releaseofproteinfromhighlycross-linkedhydrogelsofpoly(ethyleneglycol)diacrylatefabricatedbyUVpolymerization.Biomaterials22,929-941，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。水凝膠長的降解時(shí)間標(biāo)度在PEG情況下主要是由于水解，而在藻酸鹽情況下主要是由于二價(jià)陽離子的擴(kuò)散。參見，Reid，B.等人PEGhydrogeldegradationandtheroleofthesurroundingtissueenvironment.JournalofTissueEngineeringandRegenerativeMedicine,n/a-n/a,doi:10.1002/term.1688(2013),Lin,C.-C.&Anseth,K.PEGHydrogelsfortheControlledReleaseofBiomoleculesinRegenerativeMedicine.PharmRes26,631-643,(2009),Metters,A.T.,Bowman,C.N.&Anseth,K.S.AStatistical KineticModelfortheBulkDegradationofPLA-b-PEG-b-PLAHydrogelNetworks.TheJournalofPhysicalChemistryB104,7043-7049,(2000),Lee,K.Y.,Bouhadir,K.H.&Mooney,D.J.Controlleddegradationofhydrogelsusingmulti-functionalcross-linkingmolecules.Biomaterials25,2461-2466(2004),和Kong,H.J.,Kaigler,D.,Kim,K.&Mooney,D.J.ControllingRigidityandDegradationofAlginateHydrogelsviaMolecularWeightDistribution.Biomacromolecules5,1720-1727,(2004)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。此外，根據(jù)整體動(dòng)物成像系統(tǒng)(其在950-1050nm的范圍將熒光信號(hào)積分)，該藻酸鹽凝膠在整個(gè)測試期更好保持其形狀和其熒光，而PEG凝膠隨時(shí)間失去其熒光和其形狀(圖19D和圖24)。檢測深度限制為估算組織中的最大檢測深度，通過組織模型樣品收集納米顆粒熒光信號(hào)。假定為一維吸收和散射模型，對于透過厚度d的組織成像的水凝膠，檢測的熒光強(qiáng)度F為:其中I0為激發(fā)激光強(qiáng)度，μex和μem分別為激發(fā)和發(fā)射波長的組織消光系數(shù),ρ為水凝膠中熒光納米顆粒濃度，φ為量子產(chǎn)率，且A為比例常數(shù)。PEG和藻酸鹽水凝膠中包封的(GT)15-SWNT通過不同厚度的雞胸組織成像(圖20A)。對于該研究使用的多種濃度，通過藻酸鹽-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的nIR陣列測量的歸一化熒光信號(hào)作為組織厚度的函數(shù)示于圖5b。在通過SWNT濃度和暴露時(shí)間歸一化的(6,5)手性放射峰處評(píng)估熒光強(qiáng)度，使得數(shù)據(jù)點(diǎn)坍塌為單一曲線，假定熒光信號(hào)與暴露時(shí)間是線性關(guān)系。因?yàn)闊晒鈴?qiáng)度僅在至多10mgL-1時(shí)與SWNT濃度線性相關(guān)，只有2、5和10mgL-1的結(jié)果通過指數(shù)衰減函數(shù)擬合。藻酸鹽和PEG凝膠的指數(shù)系數(shù)的絕對值分別為1.325±0.095mm-1和1.257±0.103mm-1。為測定最大檢測深度，將檢測極限限定為nIR陣列成像系統(tǒng)的背景噪聲信號(hào)的平方根的三倍，且最大暴露時(shí)間為30秒。對2、5和10mgL-1SWNT濃度基于指數(shù)擬合函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。檢測極限總結(jié)于表1。表1.藻酸鹽和PEG水凝膠系統(tǒng)的檢測極限，其對包封在水凝膠中的三種較低濃度的納米顆粒通過指數(shù)擬合函數(shù)(方程(2))測定。根據(jù)方程(2)提供的1D模型，指數(shù)系數(shù)等于激發(fā)和發(fā)射波長的消光系數(shù)的總和，其獨(dú)立通過在相應(yīng)的光譜范圍內(nèi)測量雞胸組織的吸收光譜(圖21B)而評(píng)估。根據(jù)該光譜對應(yīng)于激發(fā)激光波長(785nm)和發(fā)射熒光波長(996nm)的消光系數(shù)的總和為2.121±0.022mm-1，其與指數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)的系數(shù)相當(dāng)。最大檢測極限通過用整體動(dòng)物成像系統(tǒng)在2、4、6和8mm的深度成像而進(jìn)一步分析。該數(shù)據(jù)(圖20C)證實(shí)nIR結(jié)果，表明10mgL-1凝膠在2和4mm深度有清楚的信號(hào)，而6和8mm深度的樣品的讀數(shù)與儀器的背景噪聲相當(dāng)。體內(nèi)檢測為保證凝膠在體內(nèi)的活力，在小鼠(n＝3)中植入包封該熒光納米顆粒的PEG和藻酸鹽凝膠，且在整體動(dòng)物成像系統(tǒng)中測試熒光信號(hào)。如圖20D所示，在植入14天后PEG和藻酸鹽凝膠都可見。小鼠保留移植物達(dá)60天且對任一水凝膠顯示沒有不利反應(yīng)。分析在兩種類型的水凝膠中組織深度和信號(hào)檢測之間的關(guān)系，其通過創(chuàng)建未來體內(nèi)應(yīng)用熒光傳感器的模型并測定這些凝膠可體內(nèi)使用的程度來實(shí)現(xiàn)。開發(fā)了制造多種幾何形狀的水凝膠的一致且可再現(xiàn)的方法。藻酸鹽凝膠顯示比其PEG對應(yīng)物亮得多的熒光信號(hào)，通常發(fā)射1.5至3倍的更強(qiáng)信號(hào)，且發(fā)現(xiàn)在SWNT情況下兩種系統(tǒng)的最佳納米顆粒濃度為10mgL-1，高于該濃度熒光信號(hào)降低。該包封的SWNT紅移的熒光信號(hào)(相對水性懸浮液中的SWNT熒光)，指示SWNT在凝膠中聚集，其解釋了高濃度下熒光放射的降低。參見，O'Connell，M.J.等人Bandgapfluorescencefromindividualsingle-walledcarbonnanotubes.Science297,593-596(2002)，其以其整體引入作為參考。在任何水凝膠包封熒光傳感器系統(tǒng)中該作用都必須加以考慮，因?yàn)樵黾蛹{米顆粒濃度可導(dǎo)致自淬滅。參見，Resch-Genger，U.，Grabolle，M.，Cavaliere-Jaricot，S.，Nitschke，R.&Nann，T.Quantumdotsversusorganicdyesasfluorescentlabels.NatMeth5,763-775(2008)，其以其整體引入作為參 考。藻酸鹽水凝膠相比其PEG對應(yīng)物剛性較小，且在經(jīng)受機(jī)械性損傷之前可經(jīng)受更高的應(yīng)變變形。PEG凝膠的剛性可為體內(nèi)應(yīng)用的一個(gè)限制因素，因?yàn)樽匀唤M織運(yùn)動(dòng)需要柔性凝膠以避免患者不適。減少PEG濃度或縮短用于交聯(lián)的UV光照持續(xù)時(shí)間可減少剛性，且改善用于體內(nèi)應(yīng)用的凝膠性質(zhì)。核黃素(水力半徑為0.58nm)被用作模型靶分析物，因?yàn)槠浯銣缭谒z中包封的納米管的熒光放射。參見，Tao，X.SmartFibres，F(xiàn)abricsandClothing.(WoodheadPublishing,2001),和Zhang,J.Q.等人SingleMoleculeDetectionofNitricOxideEnabledbyd(AT)(15)DNAAdsorbedtoNearInfraredFluorescentSingle-WalledCarbonNanotubes.JournaloftheAmericanChemicalSociety133,567-581(2011)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。藻酸鹽凝膠中交聯(lián)點(diǎn)之間的平均距離為PEG中的幾乎兩倍(分別為3.2nm和1.7nm)，使得分析物在其中更快速擴(kuò)散。因此，當(dāng)在t＝0分鐘暴露于核黃素時(shí)，藻酸鹽凝膠中SWNT的熒光信號(hào)顯著減少，而PEG水凝膠中的納米顆粒顯示很少響應(yīng)或沒有響應(yīng)。藻酸鹽中較短的擴(kuò)散時(shí)間使得能通過類似水力半徑的分析物進(jìn)行快速信號(hào)調(diào)節(jié)，而該工作中使用的PEG凝膠包封阻礙信號(hào)淬滅，其使得其對包封不太有利。藻酸鹽水凝膠系統(tǒng)情況下的兩種特征性淬滅時(shí)間分別歸因于快速的核黃素-SWNT反應(yīng)和緩慢的擴(kuò)散速率。溶液中核黃素?cái)U(kuò)散系數(shù)DR的粗略估算(3.23x10-10m2s-1，參見，Sen，F(xiàn).等人ObservationofOscillatorySurfaceReactionsofRiboflavin,Trolox,andSingletOxygenUsingSingleCarbonNanotubeFluorescenceSpectroscopy.ACSNano6,10632-10645,doi:10.1021/nn303716n(2012)，其以其整體引入作為參考)導(dǎo)致對于3mm凝膠厚度的擴(kuò)散時(shí)間上限為8小時(shí)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。因?yàn)閮煞N類型的水凝膠都展示擴(kuò)散限制的淬滅響應(yīng)，探尋了是否該凝膠的幾何性質(zhì)可調(diào)節(jié)擴(kuò)散速率。然而，結(jié)果表明改變水凝膠橫向維度的尺寸和形狀同時(shí)保持厚度恒定，僅對淬滅速率具有很少的影響。因?yàn)槟z厚度相對其直徑較小，該擴(kuò)散被沿著z-軸的橫向分量支配(圖18C和18D)。此外，凝膠的形狀、以及因此的表面積，也被發(fā)現(xiàn)對于淬滅速率僅具有較少的作用。藻酸鹽和PEG的性質(zhì)都可通過在交聯(lián)之前改變凝膠溶液的終濃度而調(diào)節(jié)，且凝膠的規(guī)格必須根據(jù)分析物性質(zhì)和所需的檢測時(shí)間標(biāo)度定制。可利用水凝膠孔徑的調(diào)節(jié)增加特異性，其通過將具有較低擴(kuò)散速率或較高水力半徑 的分子從感興趣的分析物中排除而實(shí)現(xiàn)。長期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)顯著顯示出藻酸鹽凝膠相比PEG水凝膠更長的化學(xué)穩(wěn)定性，使其更適合長期體內(nèi)感測和檢測以及提供制備更大批量水凝膠的機(jī)會(huì)，減少了制備時(shí)間和樣品差異。PEG水凝膠相對藻酸鹽削弱的穩(wěn)定性部分可歸因于該研究使用的納米顆粒的顯著的UV吸收，其可干擾使用該部分光譜的PEG水凝膠的光誘導(dǎo)交聯(lián)。因?yàn)榘廨^低納米顆粒濃度的水凝膠顯示具有較長的保存期限，優(yōu)選使用盡可能低的濃度，其仍可允許可靠的信號(hào)檢測，以用于長期應(yīng)用。包封在PEG和藻酸鹽水凝膠中的(GT)15-SWNT可在組織中在nIR陣列和整體動(dòng)物成像系統(tǒng)中在超過4mm的深度處成像，這取決于暴露時(shí)間，其中對于PEG和藻酸鹽分別在約0.55mm和0.52nm后，信號(hào)減少至其最大值的一半。因此，皮下或腹腔內(nèi)植入該構(gòu)建體可通過外部設(shè)備以非侵害方式光學(xué)成像，使得可實(shí)時(shí)體內(nèi)檢測和感測分析物。對于動(dòng)物研究目的，該平臺(tái)可潛在減少用于腫瘤采集而處死的動(dòng)物數(shù)量，例如，通過外部監(jiān)測感興趣的生物標(biāo)記。必須考慮不同的組織，如骨或脂肪，會(huì)比骨骼肌組織具有更高或更低的檢測深度限制，該骨骼肌組織為該研究的目標(biāo)。預(yù)測水凝膠通過其它組織的檢測根據(jù)組織透明度和結(jié)構(gòu)(organization)而改變，其可改變光散射和吸收性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)對于我們特定的檢測時(shí)間、功率輸出和信號(hào)捕捉來說的最大檢測深度為4-5mm的數(shù)量級(jí)，其為深組織檢測的一個(gè)限制因素，尤其是在大型動(dòng)物或人中，但可能的設(shè)置優(yōu)化可延長工作范圍。通過由14mW增加激發(fā)激光的強(qiáng)度(在對于激光波長和組織著色特異的生物安全限制內(nèi))，該增強(qiáng)的放射信號(hào)可穿透更厚的組織。延長獲取信號(hào)的時(shí)間和更高級(jí)的放射信號(hào)收集技術(shù)也將延長傳感器的可行檢測深度?；蛘撸瑱z測深度限制可使用微創(chuàng)手術(shù)向?qū)嵤﹨^(qū)域插入一個(gè)內(nèi)窺鏡光纖以傳遞激發(fā)和檢測光通道而克服。最后，當(dāng)納米顆粒被包封在PEG或藻酸鹽水凝膠中且被皮下植入小鼠中時(shí)，展示了其熒光信號(hào)的檢測。這證實(shí)我們的水凝膠-傳感器系統(tǒng)用于體內(nèi)感測和檢測應(yīng)用的融合性(fusibility)。該模型(其通過(GT)15DNA包裹的單壁碳納米管展示)可用于其它懸浮SWNT和改變傳感器特異性的聚合物以及任何其它熒光納米顆粒。而且，本文進(jìn)行的詳盡的實(shí)驗(yàn)給出了有價(jià)值的工具以設(shè)計(jì)該水凝膠包封的nIR熒 光傳感器、評(píng)估其性能和預(yù)測檢測深度限制。在水凝膠中的納米顆粒傳感器包封可為用于體內(nèi)檢測應(yīng)用的有希望的平臺(tái)。水凝膠組合物在測定熒光信號(hào)強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面起關(guān)鍵作用。除了凝膠的物理性質(zhì)，水凝膠中的熒光納米顆粒的濃度影響信號(hào)檢測極限，創(chuàng)建了用于事件特異性傳感器陣列的模板。最后，已證實(shí)了納米顆粒傳感器的最大組織檢測深度和熒光強(qiáng)度之間的關(guān)系，提供了一種公式以測定體內(nèi)使用的最佳凝膠參數(shù)。材料和方法DNA寡核苷酸納米管懸浮液.使用類似于之前公開的方法將SWNT與d(AAAT)7寡核苷酸一起懸浮。簡言之，購自SouthWestNanoTechnologies的SWNT(SG65i，管直徑0.77+/-0.02nm，高縱橫比>1,000，碳含量>95％重量，>40％(6,5)手性SWNT且>95％SWNT為半導(dǎo)體)與28-堿基(dAdAdAdT)7序列的ssDNA(IntegratedDNATechnologies)一起懸浮。以2:1DNA:SWNT質(zhì)量比將DNA和SWNT添加至溶于超純水的0.1MNaCl。該研究使用的典型DNA濃度為2mgmL-1。在冰上將DNA/SWNT溶液用3mm探頭端超聲發(fā)生器(ColeParmer)以10W的功率超聲10分鐘，然后通過臺(tái)式離心機(jī)以16,100RCF離心分離180分鐘(EppendorfCentrifuge5415D)。收集上清液的頂部2/3且將團(tuán)塊丟棄。PEG-DNA綴合和PEG-DNA-CoMoCAT懸浮液.將10mM(10μL0.5M儲(chǔ)液)TCEP(三(2-羧基乙基)膦鹽酸鹽溶液)(SigmaAldrich)和4.49μL5'巰基-修飾的d(AAAT)7(IntegratedDNATechnologies)在485.5μL水中混合1小時(shí)以將DNA鏈上的二硫鍵斷裂。甲氧基PEG(5kDa)馬來酰亞胺以100mgmL-1的濃度溶于PBS(1x磷酸鹽緩沖鹽水)。然后將等量的還原的DNA溶液和mPEG-馬來酰亞胺溶液混合20分鐘以完成PEG-DNA綴合。該P(yáng)EG-DNA綴合通過凝膠電泳證實(shí)(參見圖7)。SWNT與PEG-DNA的懸浮液按照如上所述的類似步驟制備。簡言之，1mgSWNT與1mLPEG-DNA溶液混合，然后在冰上用3mm探頭端超聲發(fā)生器(ColeParmer)以10W的功率超聲40分鐘。所得溶液以16,100RCF離心180分鐘(EppendorfCentrifuge5415D)，收集上清液的頂部2/3且將團(tuán)塊丟棄。離心分離后，使用離心過濾(AmiconUltra-4100KCentrifugalFilterUnits)去除游離PEG-DNA，且溶劑被超純水代 替。離心過濾進(jìn)行4次以完全去除所有殘余DNA。藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT制備。(AAAT)7-SWNT與溶于生理鹽水的2％PRONOVASLM20藻酸鹽(NovaMatrix)混合且置于1cm玻璃底陪替氏培養(yǎng)皿(MatTek)中。將藻酸鹽用過量的0.1M氯化鋇交聯(lián)。在植入之前樣品用生理鹽水沖洗。PAAm-(AAAT)7-SWNT制備.將(AAAT)7-SWNT以1.5mgmL-1的濃度澆塑在3％T5％C聚丙烯酰胺水凝膠(PAAm)中。水凝膠聚合用1體積％的100mgmL-1過硫酸銨引發(fā)劑引發(fā)且自由基反應(yīng)用1％體積四甲基乙二胺穩(wěn)定。交聯(lián)后，將水凝膠浸入PBS中以允許最大膨脹和且使SWNTpH與測試緩沖液平衡。相對其它反應(yīng)性氧和氮物質(zhì)篩選(AAAT)7-SWNT、PEG-(AAAT)7-SWNT和藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT.過氧亞硝酸鈉和Angeli鹽購自CaymanChemical。實(shí)驗(yàn)使用的其它化學(xué)品購自Sigma。NO2-，NO3-、H2O2和ClO-的儲(chǔ)液通過將其以6mM溶解于水而制備；將Angeli鹽和ONOO-以6mM分別溶于0.3MNaOH和0.01MNaOH的溶液。O2-按照文獻(xiàn)的步驟制備41。簡言之，過量KO2與DMSO混合，渦漩且然后離心以去除團(tuán)塊。所得上清液產(chǎn)生3.6mMO2-的儲(chǔ)液。將SWNT溶液在pH7.4的50mMPBS中稀釋至2mgL-1。使用定制的近紅外(nIR)熒光顯微鏡(隨后描述)監(jiān)測SWNT熒光，同時(shí)添加分析物溶液使得終濃度為60μM且監(jiān)測SWNT熒光響應(yīng)10分鐘。使用Fenton反應(yīng)產(chǎn)生羥基自由基，其中H2O2和FeSO4(60/0.6，300/3，和1000/10μM作為終濃度)被添加至SWNT溶液。在前10分鐘和在試劑添加12小時(shí)后，對該SWNT熒光響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測。單線態(tài)氧使用玫瑰紅和與之前報(bào)告的類似的步驟產(chǎn)生4,42。簡言之，將60μM玫瑰紅添加至SWNT溶液(2mgL-1)且在560nm激發(fā)以產(chǎn)生單線態(tài)氧。通過快速將激發(fā)源轉(zhuǎn)換為785nm激光保持3秒而記錄每分鐘的SWNT熒光響應(yīng)。10分鐘后將560nm激發(fā)源關(guān)閉且使用785nm激光每分鐘獲取三個(gè)另外的光譜。NO溶液.使用類似之前報(bào)告的方法制備飽和NO溶液6。簡言之，將3mLPBS引入5mL圓底燒瓶且用隔膜密封，該隔膜具有入口和出口針。將氬氣(Airgas)鼓泡進(jìn)入PBS保持2h以去除溶解的氧氣。然后將NO氣體(99.99％，Electronicfluorocarbons)以2psi的出口壓力鼓泡20分鐘。使用辣根過氧化物酶測試確定最終NO濃度43,44。用于淬滅和信號(hào)恢復(fù)的nIR熒光.將(AAAT)7-SWNT、PEG-(AAAT)7-SWNT和藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT的SWNTnIR熒光譜通過定制近紅外熒光顯微鏡測量。簡言之，將ZeissAxioVision倒置顯微鏡通過PI-ActonSP150攝譜儀連接至PrincetonInstrumentsInGaAs1-D陣列檢測器。SWNT溶液使用785nm光電二極管(B&WTekInc.)激發(fā)，且所得熒光通過顯微鏡和所連的光學(xué)器件收集。NO淬滅實(shí)驗(yàn)如下進(jìn)行。將150μL(AAAT)7-SWNT或PEG-(AAAT)7-SWNT樣品(2.66mgL-1溶液，添加NO后終濃度為2mgL-1)置于96-孔板，用785nm光電二極管激發(fā)，且每10秒記錄光譜。將120μMNO溶液添加至孔(在孔中產(chǎn)生30μMNO濃度)且樣品收集持續(xù)30分鐘。類似的，將150μL藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT凝膠(25mgL-1)置于96-孔板且用785nm光電二極管激發(fā)，且在添加NO后記錄熒光譜持續(xù)幾乎45小時(shí)。PAAm-(AAAT)7-SWNT的nIR熒光淬滅.將5μLPAAm-(AAAT)7-SWNT(1.5mgmL-1)凝膠置于通常的桌面檢測器上的玻璃孔中。樣品在565nm激發(fā)且在添加NO30分鐘后對990nm的(6,5)SWNT放射峰收集數(shù)據(jù)。皮下凝膠植入.在整個(gè)研究中小鼠用至多5％異氟烷氣體麻醉。無菌、無接觸技術(shù)被用于凝膠安置。動(dòng)物用無菌布覆蓋且制造小的、小于1cm的切口，進(jìn)行皮膚從肌肉的鈍性分離。在將藻酸鹽凝膠基線成像后，將其插入且通過施加尼龍線或外科黏合劑而固定。然后將動(dòng)物成像(MaestroTMCambridgeResearch&Instrumentation)且在加熱燈下放置以使其喚醒。在研究過程中監(jiān)測動(dòng)物且成像且在預(yù)定時(shí)間點(diǎn)用CO2處死以用于組織學(xué)分析。用CRi’sMaestroTM成像.體內(nèi)成像在CambridgeResearch&Instrumentation’sMaestro儀器上進(jìn)行。該Maestro包含液晶調(diào)節(jié)元件，其能夠電子調(diào)整透射光。該研究使用的液晶濾波器具有650-1050nm的最大波長范圍和40nm帶通。Maestro軟件著眼于信號(hào)、背景和自體熒光的光譜發(fā)射波長并將這三種成分分離(圖1D)以允許分析感興趣的信號(hào)。各步具有10nm步進(jìn)和20秒讀數(shù)的950至1050nm的放射窗被用于該研究。組織學(xué).組織樣品在10％中性-緩沖的福爾馬林中固定過夜且送至DivisionofComparativeMedicine(MassachusettsInstituteofTechnology)以用于常規(guī)加工和石蠟包埋。4μm厚的切片用蘇木精和曙紅(H&E)染色以通過被 委員會(huì)-認(rèn)證的病理學(xué)家(N.P.)進(jìn)行顯微鏡檢測，該病理學(xué)家對治療組是盲測的。瓊脂糖凝膠制備.分析的凝膠電泳在0.75％DNA級(jí)高熔融瓊脂糖凝膠中在TBE緩沖液中使用PowerpacBasic(Bio-RadLaboratories)電源以200V進(jìn)行1小時(shí)。(AAAT)7-SWNT和PEG-(AAAT)7-SWNT分散體與胎牛血清(FBS)和Tris-硼酸鹽-EDTA(TBE)緩沖液(50mMTris-硼酸鹽，1mMNa-EDTA，pH8.4)混合，然后在補(bǔ)充甘油后在電泳凝膠中裝載在單獨(dú)的孔中。SWNT在凝膠中的空間位置使用定制nIR熒光顯微鏡測量。凝膠保持在自動(dòng)化x-y位移平臺(tái)上，該平臺(tái)在每個(gè)采取的光譜之間移動(dòng)1mm。這在凝膠長度上產(chǎn)生了空間解析的nIR光譜組。用于SWNT定位的PEG-(AAAT)7-SWNT注射.在整個(gè)研究小鼠用高達(dá)5％異氟烷氣體鎮(zhèn)靜。新鮮制備的PEG-(AAAT)7-SWNT在生理鹽水中稀釋至50mgL-1，充分混合且使用0.3cc29規(guī)格的0.5英寸胰島素注射器注射(200μL)至小鼠尾靜脈。然后通過在合適的時(shí)間點(diǎn)給予CO2處死小鼠(注射后0、5、15、30、60或120分鐘)，然后立即尸體檢剖和樣品成像。通過心臟穿刺收集血液且從膀胱收集尿液，然后進(jìn)行尾、肺、肝和腎的收集。立即對液體和組織成像(MaestroTMCambridgeResearch&Instrumentation)，然后進(jìn)行組織學(xué)和/或拉曼分析。SWNT定位的拉曼檢測.拉曼散射測量使用LabRam-IR(jobinYvonHoriba)拉曼顯微鏡進(jìn)行。樣品用633nm光電二極管激發(fā)且用10X物鏡聚焦于樣品。以180°構(gòu)型收集散射光且聚焦于SiCCD相機(jī)。樣品的激發(fā)功率為12.6mW，最終功率密度為～550kWcm-2。用于檢測炎癥的PEG-(AAAT)7-SWNT注射.SJL小鼠(CharlesRiver)分為兩組；(1)發(fā)炎的，通過腹腔注射接受200μL鹽水中的1*106RcsX細(xì)胞，和(2)非發(fā)炎的，接受200μL鹽水的腹腔注射。12天后小鼠用高達(dá)5％異氟烷氣體鎮(zhèn)靜，且將200μL新鮮制備的PEG-(AAAT)7-SWNT(在生理鹽水中稀釋至50mgL-1)用0.3cc29規(guī)格的0.5英寸胰島素注射器注射至尾靜脈。30分鐘后剖開小鼠以暴露其肝，使用CriMaestro成像，然后立即通過給予CO2處死。立即進(jìn)行尸體檢剖和組織收集(肝、肺、腎和脾)，然后組織成像(MaestroTMCambridgeResearch&Instrumentation)且固定以用于組織學(xué)(以保證發(fā)炎和非發(fā)炎的小鼠的炎癥和健康，圖9)。圖9顯示(AAAT)7-SWNT(紅 色)、PEG-(AAAT)7-SWNT(藍(lán)色)和藻酸鹽-(AAAT)7-SWNT(綠色)熒光相對于濃度的定量(n＝3)。凝膠模.用于交聯(lián)凝膠的模子通過水刀切割3.175mm厚的硅酮塊(HT-6240透明的.125”性能固體硅酮，RogersCorporation)而制備。將對該模所選的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)以改變凝膠表面積同時(shí)保持總體積恒定。藻酸鹽-(GT)15-SWNT制備.(GT)15-SWNT懸浮液與溶于生理鹽水的2％PRONOVASLM20藻酸鹽(NovaMatrix)混合且移液至特別切割的模子中(上述)，且透析管(10,000MWCO)伸展穿過底部，其從盆底部升高2mm。用過量0.1M氯化鋇(BaCl2)使藻酸鹽交聯(lián)，該氯化鋇添加至所述盆而不覆蓋模子頂部，保持24小時(shí)。然后將樣品轉(zhuǎn)移至0.1MBaCl2浴中直到測試。PEG-(GT)15-SWNT制備.將(GT)15-SWNT懸浮液與聚乙二醇-二丙烯酸酯(700g/mol，Sigma-Aldrich，在25℃1.12gmL-1)、2-羥基-4′-(2-羥基乙氧基)-2-甲基苯丙酮(7mgmL-1，Sigma-Aldrich)和水以1:0.05:0.95體積比的溶液混合，且移液至特別切割的模子中(上述)，且?guī)ё诱掣街恋撞?。PEG通過暴露于UV-B光(365nm)15分鐘而交聯(lián)且轉(zhuǎn)移至水浴直到測試。參見，Kruss,S.,Erpenbeck,L.,Schon,M.P.&Spatz,J.P.Circular,nanostructuredandbiofunctionalizedhydrogelmicrochannelsfordynamiccelladhesionstudies.LabChip12,3285-3289,doi:10.1039/c2lc40611j(2012),和Kruss,S.,Srot,V.,vanAken,P.A.&Spatz,J.P.Au-Aghybridnanoparticlepatternsoftunablesizeanddensityonglassandpolymericsupports.Langmuir28,1562-1568,doi:10.1021/la204395d(2012)，其每一個(gè)以其整體引入作為參考。SWNT凝膠的光學(xué)表征.藻酸鹽-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT溶液如上所述制備，其中150μl等分部分的藻酸鹽溶液被澆塑在2kDa分子量截留的slide-A-lyzer微型透析設(shè)備中且被置于0.1M氯化鋇浴中以進(jìn)行交聯(lián)，且150μl等分部分的PEG溶液被澆在直徑4.5mm且高度9mm的管中以通過UV-B光交聯(lián)。該交聯(lián)的PEG和藻酸鹽水凝膠填料在96-孔板中分別被置于150μl水和150μl0.1M氯化鋇中，且使之在測試前平衡24小時(shí)。SWTN水凝膠的熒光放射在定制近紅外熒光顯微鏡(nIR陣列)中測量。簡言之，ZeissAxioVision倒置顯微鏡通過PI-ActonSP150攝譜儀連接至PrincetonInstrumentsInGaAs1-D陣列檢測器。SWNT溶液使用785nm、150mW(樣品平面上80mW)光電二極管激光(B&WTekInc.)激發(fā)，且所得熒光 通過具有X20物鏡的顯微鏡和所連的光學(xué)器件收集。SWNT凝膠的流變性表征.將藻酸鹽-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT溶液如上所述制備，其中在20mm直徑的環(huán)模中澆注1.25ml等分部分以交聯(lián)，形成水凝膠盤。流變性表征在AR2000流變儀(TAInstruments)上進(jìn)行，使用20mm的平行鋼板幾何體。粘附性砂紙用于保證凝膠頂部和底部表面的恰當(dāng)且恒定的接觸。使用1Hz頻率進(jìn)行初始應(yīng)變掃描，且然后是具有0.1％和0.01％應(yīng)變(分別針對藻酸鹽和PEG凝膠)的頻率掃描。組織成像.體內(nèi)成像在之前所述的整體動(dòng)物成像平臺(tái)上進(jìn)行(參見，Iverson，N.M.等人InVivoBiosensingViaTissueLocalizableNearInfraredFluorescentSingleWalledCarbonNanotubes.NatureNanotechnology8,873-880(2013)，其以其整體引入作為參考)，使用液晶可調(diào)諧帶通濾波器和CCD照相機(jī)(MaestroTMCRi)。該研究使用的濾波器的波長范圍為650至1050nm，帶通40nm。光譜2D圖像-波長堆棧從分離為三種上述成分的任意自體熒光中減去背景(參見，Iverson，Nanotechnology，2013)。各步驟中，以10nm增量和20秒積分時(shí)間使用950至1050nm的放射窗收集具體圖像。SWNT熒光淬滅.PEG-(GT)15-SWNT和藻酸鹽-(GT)15-SWNT的SWNTnIR熒光譜用上述nIR顯微鏡在96-孔板中測量(參見，Iverson，Nanotechnology，2013)。150μL(GT)15-SWNT樣品以2、5、10和25mgL-1的濃度制備且也在96-孔板中測試。通過添加1.5μl10mM核黃素(Sigma)至各孔進(jìn)行模型淬滅實(shí)驗(yàn)，與添加1.5μl水的對照樣品進(jìn)行對比。該樣品在室溫在搖動(dòng)器中培養(yǎng)1小時(shí)，然后在nIR陣列中成像。SWNT凝膠的光漂白.將PEG-(GT)15-SWNT和藻酸鹽-(GT)15-SWNT置于潤濕的濾紙片上(BioRadminiTrans-Blot)，暴露于651nm14mW激光且通過動(dòng)物成像系統(tǒng)每5分鐘成像，保持4小時(shí)的區(qū)間。該樣品在整個(gè)光漂白研究過程中連續(xù)暴露于激光輻射。SWNT凝膠的長期穩(wěn)定性.PEG-(GT)15-SWNT和藻酸鹽-(GT)15-SWNT在nIR陣列和整體動(dòng)物成像系統(tǒng)上分析60-90天。凝膠如上成像且在25℃在成像之間儲(chǔ)存在其緩沖溶液中(對PEG和藻酸鹽凝膠分別為水和BaCl2)。用模型組織進(jìn)行組織深度檢測.將組織模型(雞胸)切成2、4、6、8或10mm的厚度，且均一半徑為2cm。1cm厚的組織切片被置于整體動(dòng)物成 像平臺(tái)，其中凝膠樣品在組織中心，且具體厚度的樣品組織被置于該堆積物(stack)的頂部以用于成像。對每個(gè)測試的厚度使用三種不同凝膠和三個(gè)不同樣品組織將其重復(fù)進(jìn)行。對于nIR陣列成像系統(tǒng)，不同厚度的雞胸組織切片被置于顯微鏡載玻片上，且凝膠填料被置于組織樣品頂部。對于0、1、2、3和4mm厚度的樣品，PEG水凝膠的暴露時(shí)間分別為9、14、16、24和36秒，且對于相同雞胸樣品藻酸鹽凝膠的暴露時(shí)間為4、6、8、12和20秒。雞胸組織的吸收使用UV-可見-nIR分光光度計(jì)(UV-3101PCShimadzu)測量。用于去卷積原始數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)公式Maestro提供的圖像數(shù)據(jù)為3D圖像堆棧的形式，其中各層為特定波長的檢測的光子數(shù)量的規(guī)則的2D圖像。這些圖像在處理之前通過maestro按比例縮放。分析之前，將圖像堆棧去卷積以提供表示納米管、背景組織和自體熒光噪聲的相對貢獻(xiàn)的圖像。其通過進(jìn)行熒光光譜的線性擬合的最小二乘最小化來進(jìn)行。使用以下模型:測量值＝ix，模型值＝B*bx+N*nx+A*ax其中ix為特定像素的測量的光譜(歸一化到1)，bx和nx分別為背景和納米管光譜，且ax為白色噪聲自體熒光光譜。bx和nx光譜直接從Maestro.csl文件獲得。這些文件首先通過Maestro軟件通過奇異值分解或其它用戶輔助方法計(jì)算。ax光譜相對x為恒定的。所有光譜被歸一化以具有平均值為1。對各像素使用正系數(shù)求解以下定義最小化的方程組：隨后，生成感興趣圖像的白加黑區(qū)域以限定圍繞肝的區(qū)域，且隨后對這些區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對于各像素，為尋找提供與測量光譜最佳擬合的熒光譜的線性組合，應(yīng)最小化以下的求和:其中bx、nx、ax、ix為背景、納米管、自體熒光和被歸一化以具有平均值為1的圖像的譜。A、B、N為線性系數(shù)。然而，由于假設(shè)納米管、背景和自體熒光為僅有的熒光光源，存在以下限制:A+B+N＝1,0≤A,B,N≤1這些限制可用于簡化問題?，F(xiàn)在以下應(yīng)被最小化:相對B和N求偏導(dǎo)數(shù)且使其等同于0，給出了:解這兩個(gè)方程得到:A＝1-N-B這允許我們重新計(jì)算以下值:以及以下矢量:vecNanoAutoDif＝(nx-ax)vecBackAutoDif＝(bx-ax)然而，由于非負(fù)性約束，如果任一計(jì)算的常數(shù)為負(fù)的，取其為0，且重新計(jì)算(使用類似的最小化和重新計(jì)算的常數(shù)和矢量以進(jìn)行優(yōu)化)。如果這導(dǎo)致另一值為負(fù)的，它們都被設(shè)定為0且剩余值默認(rèn)變?yōu)?。該問題針對3個(gè)源明確得到解決，并且其可按需要針對盡可能多的源得到解決，只要光譜中有比存在的源更多的波長(x)(否則該問題沒有唯一的解決方案)。非負(fù)性和求和為1的限制仍然必須被遵守。用于去卷積原始數(shù)據(jù)的Matlab代碼其它實(shí)施方案在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3