【Angew.Chem.】DNA双链垂直排列实现 7.4 纳米 距离依赖能量转移规律

文章标题：Distance‐Dependent Energy Transfer Between Organic Fluorophores and Single‐Walled Carbon Nanotubes
通讯作者：Philip Tinnefeld
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202520411

文章概要

引言

单壁碳纳米管（SWCNTs）因其近红外荧光和环境敏感性，被视为极具潜力的光学生物传感平台。过去研究多集中于单链 DNA 与 SWCNT 的相互作用，但双链 DNA（dsDNA）在 SWCNT 表面的排列方式及其对激子–荧光分子能量转移的影响仍缺乏深入理解。本研究提出了“碳纳米管能量转移与垂直核酸”（CNETvNA）的新概念，通过在 SWCNT 上引入鸟嘌呤缺陷锚点，利用互补寡核苷酸实现荧光分子与 SWCNT 的精确距离控制，从而系统探讨能量转移的距离依赖性。

主要实验及结论

研究团队通过调节 DNA 双链长度（12–24 bp），在单分子水平上考察荧光染料 ATTO542 与 ATTO643 的荧光寿命变化。结果显示，短链 DNA 使染料更靠近 SWCNT，导致更强的荧光猝灭；而随着双链长度增加，染料与 SWCNT 的距离增大，猝灭效率降低。荧光寿命分布揭示了双链 DNA 在 SWCNT 表面存在异质性构象。

分子动力学模拟进一步表明，双链 DNA 多数呈垂直于 SWCNT 轴的排列，随着长度增加出现倾斜和构象多样性。结合实验与模拟，研究首次确立了荧光分子与 SWCNT 的能量转移遵循 d⁻⁵ 距离依赖规律，并确定在 7.4 ± 0.7 nm 时达到 50% 猝灭效率。这一结果与理论预测的点偶极子供体与一维受体模型高度一致。

总结及展望

本研究不仅揭示了 DNA-SWCNT 复合物的结构特征，还提出了 CNETvNA 作为设计 SWCNT 生物传感器的合理原则。通过精确控制荧光分子与 SWCNT 的空间关系，研究为未来开发高效的“开关型”分子传感器提供了理论与实验依据。尤其在 <10 nm 的动态范围内，利用适配体或抗体等分子识别单元，有望实现灵敏的生物检测。展望未来，这一成果将推动 SWCNT 冠层结构的理性设计、DNA 生物偶联技术的发展，并为构建新型光学传感器开辟道路。