[0001] 优先权的要求

[0002] 本申请要求2013年9月16日提交的美国专利申请No.61/878,303的优先权，其以其整体引入作为参考。

[0003] 联邦资助的研究或开发

[0004] 本发明在政府支持下完成，批准号为国立卫生研究院授予的ES007020。政府对本发明具有某些权利。

[0005] 本发明特征为涉及包括光致发光纳米结构的光学纳米传感器的系统和方法。

[0006] 小分子可作为人体中的信号传递途径的细胞内信使。例如，一氧化氮(NO)可参与心血管和神经系统内的信号传递，且可用于人免疫应答系统。小分子检测传统上是较难的，且在低浓度变得更难。可用于检测这些物质的工具实例包括，例如，可见荧光探针、基于化学发光的装置、和X-射线光电子和电子顺磁共振(EPR)光谱。例如，在NO的情况下，一系列二氨基荧光素和金属–荧光团络合物已广泛用于检测细胞的NO。然而，这些方法可包括显著的限制。例如，二氨基荧光素通常间接检测分子(例如，通过氧化产物)。其它限制包括光漂白和缺少金属–荧光团络合物对生物组织的光学渗透。因此，设计相对小分子的生物检测的更稳健的流程仍然是研究的关注区域。纳米技术已产生多种新类别的生物传感器，但它们在体内应用的延伸仍受限制。

[0007] 通常，用于检测分析物的纳米传感器可包含设置在支持体上的基底水凝胶，设置在该基底水凝胶上的传感器水凝胶，嵌入该传感器水凝胶中的光致发光纳米结构，和与该光致发光纳米结构相互作用的聚合物。

[0008] 该分析物可具有小于100g/mol的分子量。例如，该分析物可为一氧化氮。分析物的浓度可小于1微摩尔浓度。

[0009] 纳米传感器的光致发光纳米结构可包括碳纳米管。该碳纳米管可为单壁碳纳米管。在一个实施方案中，该单壁碳纳米管可为半导体单壁碳纳米管。该光致发光纳米结构可在不存在分析物的情况下或在存在分析物的情况下发射近红外辐射。

[0010] 纳米传感器的聚合物可包括寡核苷酸或多核苷酸。在一个实施方案中，该寡核苷酸可包括ds(AAAT)7。在另一实施方案中，该聚合物可包括聚乙烯醇、聚(丙烯酸)、聚(环氧乙烷)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(烯丙基胺)、聚(2-乙烯基吡啶)或聚(马来酸)。在另一实施方案中，该聚合物可包括亲水性聚合物和寡核苷酸的共聚物，其中该亲水性聚合物可为聚(环氧乙烷)且该寡核苷酸可为ds(AAAT)7。该共聚物可由聚(环氧乙烷)和ds(AAAT)7形成。

[0011] 在一方面，检测受试者中分析物的方法可包括将传感器引入受试者，其中该传感器包含设置在支持体上的基底水凝胶、设置在该基底水凝胶上的传感器水凝胶、嵌入该传感器水凝胶中的光致发光纳米结构、与该光致发光纳米结构相互作用的聚合物；和监测在该受试者中从该传感器发出的辐射。在一个实施方案中，该检测分析物的方法进一步包括检测来自该光致发光纳米结构的光致发光。该传感器可通过将传感器注入受试者的组织而被引入受试者。

[0012] 在另一方面，制备用于检测分析物的传感器的方法可包括：在支持体上设置基底水凝胶；将源自传感器水凝胶前体组合物的传感器水凝胶浇在基底水凝胶上，其中该传感器水凝胶前体组合物包含在传感器水凝胶中的光致发光纳米结构和与该光致发光纳米结构相互作用的聚合物。

[0013] 在另一方面，用于检测分析物的纳米传感器可包括在液体介质中的光致发光纳米结构，和具有孔的壳体，其中该光致发光纳米结构被包含在壳体内且通过孔运输。

[0014] 在另一方面，检测受试者中分析物的方法可包括：将传感器引入受试者，其中该传感器包含液体介质中的光致发光纳米结构和具有孔的壳体，其中该光致发光纳米结构被包含在壳体内且通过孔运输；和监测在该受试者中从该传感器发出的辐射。

[0015] 根据以下描述、附图和权利要求，其它方面、实施方案和特征将是显而易见的。

[0016] 附图简述

[0017] 图1描绘了DNA包裹的SWNT复合物的表征和2Dλ成像分析。图1A显示具有d(AAAT)7的复合物和所包裹的(AAAT)7-SWNT和PEG-(AAAT)7-SWNT的化学组成。图1B-1C描绘了(AAAT)7-SWNT(红色)和PEG-(AAAT)7-SWNT(蓝色)传感器的淬灭活性，其通过暴露于RNS和ROS化合物(图1B)和NO(图1C)后起始荧光的淬灭百分比而定量。图1D为在尾静脉注射PEG-(AAAT)7-SWNT后切离的小鼠肝中(AAAT)7-SWNT的成像分析。

[0018] 图2A-2C描绘了聚乙二醇化对尾静脉注射的SWNT的作用。图2A描绘了在相继注射至左尾静脉和右尾静脉后保留在尾中的(AAAT)7-SWNT。图2B描绘了凝胶电泳数据，其显示与FBS混合的(AAAT)7-SWNT(红色)的电泳迁移率相对未通过添加FBS而改变的PEG-(AAAT)7-SWNT(蓝色)的电泳迁移率的差异。图2C描绘了在将PEG-(AAAT)7-SWNT注射至左尾静脉后的小鼠尾部。

[0019] 图3A-3G描绘了小鼠(具体品系129X1/SvJ)中PEG-(AAAT)7-SWNT的生物分布和生物相容性。数据获自在尾静脉注射PEG-(AAAT)7-SWNT后在不同时间点处死的小鼠。图3A为一组对照小鼠和接受PEG-(AAAT)7-SWNT的小鼠的肝组织切片的组织学图像(H&E染色)。图3B的表格表示在处死和切除后，血液、尾部(注射位点)、肺、肝、肾和尿液中SWNT的存在(+)或不存在(-)。图3C描绘了用于测定图3B中的SWNT定位的那些的代表性拉曼光谱。图3D为切除的肝的一系列图，其用2Dλ技术去卷积(deconvoluted)。图3E描绘了在尾静脉注射PEG-(AAAT)7-SWNT后在不同时间点切除的小鼠肝中SWNT荧光的定量。图3F描绘了图3E所示的小鼠肝中的SWNT荧光分布。图3G描绘了小鼠肝中PEG-(AAAT)7-SWNT浓度随时间的数学模型。

[0020] 图4A-4C描绘了由于炎症引起的体内传感器淬灭。图4A为一系列图像，描绘了在尾静脉注射PEG-(AAAT)7-SWNT后成像的发炎(RcsX处理的)和健康(对照)小鼠，其中它们的肝在处死后立即暴露。图4B描绘了SWNT荧光的定量。图4C描绘了图4A-4B所示的小鼠肝中的SWNT荧光分布。

[0021] 图5A-5F描绘了具有较宽的体内定位可能性和长期感测能力的另外的传感器构造。图5A-5B描绘了暴露于RNS和ROS化合物(图5A)和NO(图5B)后(AAAT)7-SWNT(红色)和藻酸盐-(AAAT)7-SWNT(绿色)传感器的淬灭活性。图5C为在植入两种藻酸盐-(AAAT)7-SWNT凝胶后，在第0天(紧接植入凝胶2后)和在第4天在荧光恢复后的小鼠图像。图5D为在皮下植入之前和在不同时间点的藻酸盐-(AAAT)7-SWNT凝胶的一系列图像。图5E描绘了显示SWNT信号长期一致性的测试小鼠之一的峰值SWNT荧光的定量。图5F为在皮下植入藻酸盐-(AAAT)7-SWNT后在三个不同时间点处死的小鼠的一系列组织图像(H&E染色)。

[0022] 图6描绘了一氧化氮检测极限。

[0023] 图7描绘了存在和不存在PEG缀合的情况下的(AAAT)7的凝胶电泳。

[0024] 图8为一系列图像，描绘了小鼠中PEG-(AAAT)7-SWNT的生物相容性。

[0025] 图9描绘了荧光强度和SWNT浓度之间的线性关系。

[0026] 图10为一系列图像，描绘了SJL小鼠组织中的炎症水平。

[0027] 图11描绘了植入后具有皮下凝胶的小鼠的荧光强度分布。

[0028] 图12描绘了具有其它凝胶组成的SWNT的荧光淬灭。

[0029] 图13为一系列图像，描绘了液体形式的SWNT传感器的植入。

[0030] 图14描绘了葡萄糖耐受测试。

[0031] 图15描绘了SWNT对溶液中的葡萄糖、与藻酸盐混合的葡萄糖、或在藻酸盐水凝胶中的葡萄糖的反应能力的比较。

[0032] 图16A为具有增加浓度的SWNT(0、2、5、10和25mg L-1(从左至右))的藻酸盐(左)和PEG(右)水凝胶的图，其显示凝胶一致的尺寸和形状。图16B为浓度为0、2、5、10和25mg L-1的(GT)15-SWNT溶液(蓝色)、藻酸盐-(GT)15-SWNT(红色)和PEG-(GT)15-SWNT(绿色)的荧光发射谱。图16C为(GT)15-SWNT(蓝色)、藻酸盐-(GT)15-SWNT(红色)和PEG-(GT)15-SWNT(绿色)的(6,5)手性峰值荧光，其显示2、5和10mg L-1的较低浓度下SWNT荧光的增加，点划线为线性拟合，但在较高浓度(25mg L-1)荧光下降。图16D为对应于(GT)15-SWNT(蓝色)、藻酸盐-(GT)15-SWNT(绿色)和PEG-(GT)15-SWNT(红色)的(6,5)手性峰值荧光的波长，其显示当对比于非包封(non-encapsulated)的SWNT信号时水凝胶的红移。

[0033] 图17为藻酸盐和PEG水凝胶的流变性质。图17A为藻酸盐的应变扫描。图17B为具有恒定1Hz频率的PEG凝胶。图17C和17D为在0.1％应变下的藻酸盐凝胶的频率扫描(图17C)和在0.01％应变下PEG凝胶的频率扫描(图17D)。

[0034] 图18A为(GT)15-SWNT(蓝色)、藻酸盐-(GT)15-SWNT(红色)和PEG-(GT)15-SWNT(绿色)的荧光信号淬灭，其在与核黄素一起培养1小时后在nIR阵列中测试，显示SWNT悬浮液和藻酸盐包封的SWNT的一致淬灭，但缺少PEG包封的样品的信号淬灭。图18B-18D为在6小时的核黄素暴露过程中藻酸盐-(GT)15-SWNT的SWNT荧光淬灭百分比的比较，其在整体动物成像系统上测量，显示浓度(图18B)、尺寸(图18C)和形状/表面积(图18D)的改变对淬灭速率没有多少影响。

[0035] 图19A为藻酸盐-(GT)15-SWNT(蓝色)和PEG-(GT)15-SWNT(红色)的短期稳定性测试，显示当暴露于激光达4小时时没有光漂白。比例尺＝2mm。图19B为藻酸盐-(GT)15-SWNT凝胶的长期稳定性，显示在90天的测试期内有良好的荧光信号滞留。实线表示双指数拟合。图19C为PEG-(GT)15-SWNT凝胶在合成后立刻经历荧光信号损失。实线表示双指数拟合。图19D为在整体动物成像系统上获得的藻酸盐-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的图，显示凝胶随时间的信号滞留(藻酸盐)或损失(PEG)。比例尺＝2mm。图19E为通过图19B和19C的拟合函数估算的藻酸盐和PEG凝胶的保存期限，分别对应于观察到的藻酸盐和PEG水凝胶的寿命和破坏。

[0036] 图20A为对于nIR分析的组织光谱学测量设置的图解说明。图20B和20C为通过鸡胸组织使用内部nIR阵列(图20B)和整体动物成像系统(图20C)成像的藻酸盐和PEG凝胶的归一化的荧光信号。图20D为植入后14天包封在PEG(红色圆圈)和藻酸盐(蓝色圆圈)凝胶中的(GT)15-SWNT的体内荧光成像，显示小鼠对凝胶没有不利反应且荧光在活体动物中清楚可见。

[0037] 图21为(GT)15-SWNT(图21A)和鸡胸(图21B)的吸收谱。

[0038] 图22为(GT)15-SWNT激发-放射谱，显示高浓度的(6,5)SWNT，对应于突出的996nm峰。

[0039] 图23为用10mg L-1 SWNT浓度将(GT)15-SWNT、藻酸盐-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的荧光谱去卷积为多种纳米管手性，证实图22所示的结果。

[0040] 图24为源自整体动物成像系统的长期保存期限分析的数据–对图19所观察到的平行研究和结果。

[0041] 发明详述

[0042] 电磁光谱的近红外区域对于体内荧光成像具有优点，这是由于血液和组织最小的自体荧光和吸收。参见，Frangioni,J.V.In vivo near-infrared fluorescence imaging.Curr Opin Chem Biol 7,626-634(2003),和Wray,S.,Cope,M.,Delpy,D.,Wyatt,J.&Reynolds,E.Characterization of the near infrared absorption spectra of cytochrome aa3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation.Biochimica et Biophysica Acta 933,184-192(1988)，其每一个以其整体引入作为参考。常见的nIR荧光试剂包括有机nIR荧光团，如靛青绿(ICG)、半导体量子点(Qdots)和单壁碳纳米管(SWNT)。该ICG染料用于实时检测肝癌和在乳腺癌患者中标记淋巴结分布。生物功能化的CdSe/ZnS Qdots和InAs/InP/ZnSe Qdots用于小鼠中的肿瘤靶向和荧光成像。参见，Schaafsma，B.E.等人，The clinical use of indocyanine green as a near-infrared fluorescent contrast agent for image-guided oncologic surgery.Journal of Surgical Oncology 104,323-332,doi:10.1002/jso.21943(2011),Michalet,X.等人，Quantum dots for live cells,in vivo imaging,and 
diagnostics.Science 307,538-544,doi:10.1126/science.1104274(2005),Medintz,I.L.,Uyeda,H.T.,Goldman,E.R.&Mattoussi,H.Quantum dot bioconjugates for imaging,labelling and sensing.Nat Mater 4,435-446,doi:10.1038/nmat1390(2005),Pinaud,F.等人，Advances in fluorescence imaging with quantum dot bio-
probes.Biomaterials 27,1679-1687,doi:10.1016/j.biomaterials.2005.11.018(2006),Bachilo,S.M.等人，Structure-Assigned Optical Spectra of Single-Walled Carbon Nanotubes.Science 298,2361-2366,doi:10.1126/science.1078727(2002),Ishizawa,T.等人，Real-time identification of liver cancers by using 
indocyanine green fluorescent imaging.Cancer 115,2491-2504,doi:10.1002/cncr.24291(2009),Troyan,S.L.等人，The FLARE intraoperative near-infrared fluorescence imaging system:a first-in-human clinical trial in breast cancer sentinel lymph node mapping.Ann Surg Oncol 16,2943-2952,doi:10.1245/s10434-
009-0594-2(2009),Gao,X.,Cui,Y.,Levenson,R.M.,Chung,L.W.&Nie,S.In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots.Nat Biotechnol 22,969-
976,doi:10.1038/nbt994(2004),和Gao,J.等人，In Vivo Tumor-Targeted Fluorescence Imaging Using Near-Infrared Non-Cadmium Quantum Dots.Bioconjugate Chemistry 
21,604-609,doi:10.1021/bc900323v(2010)，其每一个以其整体引入作为参考。而且，nIR荧光膦涂覆的CdTe/CdSe Qdots(其被皮内注入小鼠和猪中)，用于标记淋巴结分布。参见，Kim，S.等人，Near-infrared fluorescent type II quantum dots for sentinel lymph node mapping.Nat Biotechnol 22,93-97,doi:10.1038/nbt920(2004)，其以其整体引入作为参考。这些示范利用了第一nIR窗(<950nm)，然而，第二nIR窗(950-1400nm)获益于进一步减少的自体荧光和较低的光子散射，即使水吸收更高也是如此。参见，Yi，H.等人M13Phage-Functionalized Single-Walled Carbon Nanotubes As Nanoprobes for Second Near-Infrared Window Fluorescence Imaging of Targeted Tumors.Nano Lett 
12,1176-1183,doi:10.1021/nl2031663(2012),和Welsher,K.等人A route to brightly fluorescent carbon nanotubes for near-infrared imaging in mice.Nature 
Nanotechnology 4,773-780(2009)，其每一个以其整体引入作为参考。尽管可改变量子点的性质以将其发射峰调节为较长的波长，但无机前体的可用性及其毒性仍然是个限制。参见，Ma,Q.&Su,X.Near-infrared quantum dots:synthesis,functionalization and analytical applications.Analyst 135,1867-1877,doi:10.1039/c0an00233j(2010),和Rogach,A.L.,Eychmüller,A.,Hickey,S.G.&Kershaw,S.V.Infrared-Emitting Colloidal Nanocrystals:Synthesis,Assembly,Spectroscopy,and Applications.Small 3,536-
557,doi:10.1002/smll.200600625(2007)，其每一个以其整体引入作为参考。

[0043] 单壁碳纳米管由于其独特的光学性质和其在900-1400nm的nIR范围发荧光的能力而具有很大的生物医学应用潜能。而且，它们为优选的体内显像剂，因为它们可通过适当的表面包裹而成为生物相容的，且由于它们相比于有机染料和Qdots没有光漂白。参见，Schipper，M.L.等人A pilot toxicology study of single-walled carbon nanotubes in a small sample of mice.Nature nanotechnology 3,216-221(2008),Liu,Z.,Tabakman,S.,Welsher,K.&Dai,H.Carbon Nanotubes in Biology and Medicine:In vitro and in vivo Detection,Imaging and Drug Delivery.Nano Research 2,85-120(2009),Cherukuri,P.,Bachilo,S.M.,Litovsky,S.H.&Weisman,R.B.Near-infrared fluorescence microscopy of single-walled carbon nanotubes in phagocytic cells.Journal of the American Chemical Society 126,15638–15639(2004),Graff,R.A.等人Achieving individual-nanotube dispersion at high loading in single-walled carbon nanotube composites.Advanced Materials 17,980-984(2005),and Barone,P.W.,Parker,R.S.&Strano,M.S.In vivo fluorescence detection of glucose using a single-walled carbon nanotube optical sensor:Design,fluorophore properties,advantages,and disadvantages.Analytical Chemistry 77,7556-7562(2005)，其每一个以其整体引入作为参考。在活的有机体中SWNT成像的首次证实是在黑腹果蝇中显示，对该果蝇喂养悬浮在牛血清白蛋白(BSA)溶液中的SWNT。参见，Leeuw，T.K.等人Single-walled carbon nanotubes in the intact organism:near-IR imaging and biocompatibility studies in Drosophila.Nano Lett 7,2650-2654,doi:10.1021/nl0710452(2007)，其以其整体引入作为参考。聚乙二醇(PEG)涂覆的SWNT(其为生物相容的)在尾静脉注射后在小鼠中荧光成像，该成像明显位于肝和脾中，其在从身体排泄异物中起作用。发现SWNT在小鼠中的循环时间为大约1天，其中全部清除可花费2个月。参见，Liu，Z.等人Circulation and long-term fate of functionalized,biocompatible single-walled carbon nanotubes in mice probed by Raman spectroscopy.Proceedings of the National Academy of Sciences 105,1410(2008)，其以其整体引入作为参考。

[0044] SWNT的另一个优点为纳米管表面定制的官能化可导致在与特定分析物相互作用后的选择性荧光调节，使得SWNT成为光学传感器。参见，Barone,P.W.,Baik,S.,Heller,D.A.&Strano,M.S.Near-infrared optical sensors based on single-walled carbon nanotubes.Nat Mater 4,86-U16(2005),Kruss,S.等人Carbon nanotubes as optical biomedical sensors.Advanced Drug Delivery Reviews 65,1933–1950(2013),和Zhang,J.等人Molecular recognition using a corona complex made of artificial polymers adsorbed on carbon nanotubes.Nature Nanotechnology 8,959-968(2013)，其每一个以其整体引入作为参考。然而，在递送SWNT后SWNT在感兴趣区域的体内定位和信号稳定性对于任何成像应用都是非常重要的。一种最小化SWNT定位变化的可能是将纳米颗粒包封在可植入动物中的生物相容的水凝胶中。参见，Iverson，N.M.等人In Vivo Biosensing Via Tissue Localizable Near Infrared Fluorescent Single Walled Carbon Nanotubes.Nature Nanotechnology 8,873-880(2013)，其以其整体引入作为参考。

[0045] 作为光学传感器的单壁碳纳米管是光稳定的且近红外(n-IR)发荧光，其中血液和组织吸收和自体荧光最小。参见，Wray,S.,Cope,M.,Delpy,D.,Wyatt,J.&Reynolds,E.Characterization of the near infrared absorption spectra of cytochrome aa3 and haemoglobin for the non-invasive monitoring of cerebral oxygenation.Biochimica et Biophysica Acta 933,184-192(1988)，其以其整体引入作为参考。SWNT已证实单分子敏感性，且可被官能化以选择性检测多种分子(参见Heller，D.A.等人Multimodal optical sensing and analyte specificity using single-walled carbon nanotubes.Nature Nanotechnology 4,114-120(2009)，其以其整体引入作为参考)，包括烷基化化疗药物、过氧化氢(参见Jin,H.,Heller,D.A.,Kim,J.H.&Strano,M.S.Stochastic Analysis of Stepwise Fluorescence Quenching Reactions on Single-Walled Carbon Nanotubes:Single Molecule Sensors.Nano Letters 8,4299-
4304(2008),和Jin,H.等人Detection of single-molecule H2O2signalling from epidermal growth factor receptor using fluorescent single-walled carbon nanotubes.Nature Nanotechnology 5,302-309(2010)，其各自以其整体引入作为参考)和NO(参见Kim,J.H.等人The rational design of nitric oxide selectivity in single-walled carbon nanotube near-infrared fluorescence sensors for biological detection.Nature Chemistry 1,473-481(2009),and Zhang,J.Q.等人Single Molecule Detection of Nitric Oxide Enabled by d(AT)(15)DNA Adsorbed to Near Infrared Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotubes.Journal of the American Chemical Society 133,567-581(2011)，其各自以其整体引入作为参考)。已对SWNT进行生物相容性的官能化，证实较长的循环时间(Liu，X.等人Optimization of surface chemistry on single-walled carbon nanotubes for in vivo photothermal ablation of 
tumors.Biomaterials 32,144-151(2011),Liu,Z.等人In vivo biodistribution and highly efficient tumour targeting of carbon nanotubes in mice.Nature 
Nanotechnology 2,47-52(2007),Liu,Z.等人Drug delivery with carbon nanotubes for in vivo cancer treatment.Cancer Research 68,6652(2008),Liu,Z.等人
Circulation and long-term fate of functionalized,biocompatible single-walled carbon nanotubes in mice probed by Raman spectroscopy.Proceedings of the National Academy of Sciences 105,1410(2008),和Liu,Z.等人Supramolecular stacking of doxorubicin on carbon nanotubes for in vivo cancer 
therapy.Angewandte Chemie International Edition 48,7668-7672(2009)，其各自以其整体引入作为参考)、多种哺乳动物模型中有利的生物分布(参见Cherukuri，P.等人Mammalian pharmacokinetics of carbon nanotubes using intrinsic near-infrared fluorescence.Proceedings of the National Academy of Sciences 103,18882-18886(2006),和Singh,R.等人Tissue biodistribution and blood clearance rates of intravenously administered carbon nanotube radiotracers.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103,3357-3362(2006)，其各自以其整体引入作为参考)和用于体内应用的高度有利毒理学分布
(profile)。参见，Liu,Z.,Tabakman,S.,Welsher,K.&Dai,H.Carbon nanotubes in biology and medicine:In vitro and in vivo detection,imaging and drug 
delivery.Nano Research 2,85-120(2009),Liu,Z.,Tabakman,S.M.,Chen,Z.&Dai,H.Preparation of carbon nanotube bioconjugates for biomedical 
applications.Nature protocols 4,1372-1381(2009),Robinson,J.T.等人High 
performance in vivo near-IR(>1μm)imaging and photothermal cancer therapy with carbon nanotubes.Nano Research 3,779-793(2010),Sato,Y.等人Influence of length on cytotoxicity of multi-walled carbon nanotubes against human acute 
monocytic leukemia cell line THP-1 in vitro and subcutaneous tissue of rats in vivo.Molecular BioSystems 1,176-182(2005),Schipper,M.L.等人A pilot 
toxicology study of single-walled carbon nanotubes in a small sample of mice.Nature nanotechnology 3,216-221(2008),和Welsher,K.等人A route to 
brightly fluorescent carbon nanotubes for near-infrared imaging in 
mice.Nature Nanotechnology 4,773-780(2009)，其每一个以其整体引入作为参考。建议的SWNT体内用途包括用于生物成像的成像造影剂和药物递送试剂，然而它们作为诊断传感器的用途还未在体内证实。这些用途需要的合成策略将分析物结合的生物相容性、分子识别、高量子效率和光学转导考虑在内。

[0046] 这些限制通过证明复合物的合成和操作而解决，所述复合物允许在体内复杂组织和器官中检测分析物。在一些情况下，纳米传感器可用于测定相对小的分析物。例如，在一些实施方案中，该分析物可具有的分子量为约1000g/mol或更少，约500g/mol或更少，约100g/mol或更少，或约30g/mol或更少。例如，该纳米传感器可用于测定一氧化氮，其具有的分子量为约30g/mol。可使用本文所述的系统和方法测定的示例性分析物包括，例如，一氧化氮、过氧化氢、羟基自由基、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、g-氨基丁酸、甘氨酸、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、5-羟色胺、褪黑素、乙酰胆碱、腺苷、大麻素、组胺等。

[0047] 在一些实施方案中，本文所述的系统和方法可以测定相对低浓度的分析物。测定低浓度的分析物的能力可用于，例如，检测受试者中的痕量污染物或痕量毒素。在一些实施方案中，纳米传感器可测定的分析物浓度小于约100微摩尔浓度，小于约10微摩尔浓度，小于约1微摩尔浓度，小于约100纳摩尔浓度，小于约10纳摩尔浓度，或小于约1纳摩尔浓度。在一些情况下，纳米传感器可用于测定单分子分析物。

[0048] 一氧化氮(NO)的体内检测可用作模型，因为其为多种生物过程中涉及的自由基，如凋亡、神经传递、血压控制和先天免疫(参见Moncada,S.,Palmer,R.M.&Higgs,E.A.Nitric oxide:physiology,pathophysiology,and pharmacology.Pharmacology Review 43,109-142(1991)，其以其整体引入作为参考)，且未在腹腔内组织中探测。目前的技术允许通过手术植入大鼠脑中的电化学探针体内检测NO(参见Park,S.S.等人Real-Time in Vivo Simultaneous Measurements of Nitric Oxide and Oxygen Using an 
Amperometric Dual Microsensor.Analytical Chemistry 82,7618-7624(2010)，其以其整体引入作为参考)，但不允许长期或非侵入性的NO检测。NO功能非常重要的一点为其在组织中的稳态浓度，其生物相关的浓度在3个数量级的范围内。基于文献的估计，Thomas等人提出了以下NO功能的浓度分类:(a)GMP-介导的信号传递过程在1–30nM；(b)调节激酶和转录因子活性在30–400nM；和(c)病理硝化和氧化应激高于500nM。参见，Thomas，D.D.等人The chemical biology of nitric oxide:implications in cellular signaling.Free Radical Biology and Medicine 45,18-31(2008)，其以其整体引入作为参考。活化的巨噬细胞为病理高水平NO的主要来源(参见Lewis,R.S.,Tamir,S.,Tannenbaum,S.R.&Deen,W.M.Kinetic analysis of the fate of nitric oxide synthesized by macrophages in vitro.The Journal of Biological Chemistry 270,29350-29355(1995)，其以其整体引入作为参考)，产生接近1μM的局部稳态浓度(参见，Dedon,P.C.&Tannenbaum,
S.R.Reactive nitrogen species in the chemical biology of 
inflammation.Archives of Biochemistry and Biophysics423,12-22(2004)，其以其整体引入作为参考)。NO与超氧化物阴离子(O2·-)快速反应以形成过氧亚硝酸根(ONOO-)，其为有效的氧化剂。过氧亚硝酸根进一步与CO2反应以形成亚硝基过氧碳酸根(ONOOCOO-)，其分解为二氧化氮(NO2·)和碳酸根自由基(CO3·-)，其也是非常强的氧化剂。慢性炎症中这些反应性物质的过度产生可导致损害所有类型的细胞生物分子，因此促成炎症和疾病(如癌症)之间的机理连接。参见，Coussens,L.M.&Werb,Z.Inflammation and cancer.Nature 420,
860-867(2002)，其以其整体引入作为参考。

[0049] 多种聚合物可用于本文所述的实施方案。在一些实施方案中，该聚合物可包括多糖，例如，葡聚糖、直链淀粉、甲壳质或纤维素。在一些实施方案中，该聚合物可包括蛋白质。合适的蛋白质的实例包括，但不限于葡萄糖氧化酶、牛血清白蛋白和醇脱氢酶。在一些实施方案中，该聚合物可包括合成聚合物(例如，聚乙烯醇、聚(丙烯酸)、聚(环氧乙烷)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(烯丙基胺)、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(马来酸)，等)。在一些实施方案中，该聚合物可包括多核苷酸或寡核苷酸。例如，该聚合物可包括一系列重复的碱基对(例如，重复的腺嘌呤-胸腺嘧啶(AT)碱基对，重复的鸟嘌呤-胸腺嘧啶(GT)碱基对等)，重复的碱基三联体(例如，AAA、CCC、TTT、GGG等)，或重复的碱基四联体(例如，AAAT、TTTA、CCCA、GGGA、AAAC、AAAG,TTTC、TTTG、GGGC、或GGGC等)。各重复单元可在寡核苷酸或多核苷酸中的一行中存在两次、三次、四次、五次、六次、七次、八次、九次或十次。在一些实施方案中，该聚合物可连续地包括至少约5个，至少约15个，至少约25个，至少约50个，或至少约100个，5至30个，或
10至20个，或约15个重复的碱基对(例如，AT、GT，等)。在某些实施方案中，该聚合物可包括缀合至合成聚合物的寡核苷酸。

[0050] 在另一方面，提供了使用包括光致发光纳米结构的纳米传感器感测分析物的方法。该方法可包括提供包含光致发光纳米结构和与光致发光纳米结构相互作用的聚合物的光致发光纳米传感器。该聚合物可例如通过上述机理任一种与光致发光纳米结构相互作用。该方法可进一步包括将该光致发光纳米传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)的组合物。该方法还可包括基于分析物和光致发光纳米传感器之间的相互作用测定分析物。在一些实施方案中，该方法可包括测定相对低分子量(例如，约1000g/mol或更少，约500g/mol或更少，约100g/mol或更少，或约30g/mol或更少)的分析物。
在一些情况下，分析物的浓度可相对低(例如，小于约100微摩尔浓度，小于约10微摩尔浓度，小于约1微摩尔浓度，小于约100纳摩尔浓度，小于约10纳摩尔浓度，小于约1纳摩尔浓度，或分析物的约单个分子)。

[0051] 通常，传感器可包括水凝胶和光致发光纳米结构。在一方面，用于检测分析物的传感器可包括设置在支持体上的基底水凝胶、设置在该基底水凝胶上的传感器水凝胶、嵌入该传感器水凝胶中的光致发光纳米结构、与该光致发光纳米结构相互作用的聚合物。传感器可包含支持基底水凝胶、从而也支持传感器水凝胶的支持体。传感器水凝胶可包括水凝胶网状物、光致发光纳米结构和相关的连接聚合物、在连接聚合物之间任选的交联和与该光致发光纳米结构相互作用的聚合物。传感器水凝胶通常在分析物不存在的情况下形成，且在形成后分析物可与传感器水凝胶接触。因此在一些状态下，传感器凝胶不含分析物，而在其它状态包含分析物(例如，与分析物结合的化合物缔合)。分析物的存在改变了光致发光纳米结构的光致发光性质。

[0052] 多种纳米结构可用于本文所述的纳米传感器。在一些实施方案中，描述了基于碳的纳米结构。如本文所述，“基于碳的纳米结构”包括芳环的稠合网络，其中该纳米结构主要包含碳原子。在一些情况下，该纳米结构具有圆柱形、拟圆柱形或牛角形。基于碳的纳米结构可包括至少约10个，至少约50个，至少约100个，至少约1000个，至少约10,000个，或在一些情况下，至少约100,000个芳环的稠合网络。基于碳的纳米结构可为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。基于碳的纳米结构可任选包括稠合网络终止的边界。例如，一片石墨烯包括平面的含碳分子，该含碳分子包含稠合网络终止的边界，而碳纳米管包括非平面的基于碳的纳米结构，其边界在任一端。在一些情况下，该边界可被氢原子取代。在一些情况下，该边界可被包含氧原子的基团(例如，羟基)取代。在其它情况下，该边界可如本文所述取代。

[0053] 在一些实施方案中，本文所述的纳米结构可包括纳米管。如本文所述，术语“纳米管”以其本领域的常规含义给出且是指基本上圆柱形的分子或纳米结构，包括主要为六元环(例如，六元芳环)的稠合网络。在一些情况下，纳米管可类似形成为无缝圆柱形结构的石墨片。应理解除了六元环，该纳米管也可包括环状或格子状结构。通常，纳米管至少一端可被封端，即，用曲面或非平面的芳基封端。纳米管可具有纳米级的直径和微米级、几十微米级、几百微米级或毫米级的长度，导致纵横比大于约100，约1000，约10,000，或更大。在一些实施方案中，纳米管可具有小于约1微米，小于约500nm，小于约250nm，小于约100nm，小于约75nm，小于约50nm，小于约25nm，小于约10nm，或，在一些情况下，小于约1nm的直径。

[0054] 在一些实施方案中，纳米管可包括碳纳米管。术语“碳纳米管”是指主要包含碳原子的纳米管。碳纳米管的实例包括单壁碳纳米管(SWNT)，双壁碳纳米管(DWNT)，多壁碳纳米管(MWNT)(例如，同心碳纳米管)、它们的无机衍生物等。在一些实施方案中，该碳纳米管为单壁碳纳米管。在一些情况下，该碳纳米管为多壁碳纳米管(例如，双壁碳纳米管)。在一些情况下，本文所述的光致发光纳米结构可基本上没有掺杂物、杂质或其它非纳米结构原子。例如，在一些实施方案中，该纳米结构可包括基本上没有掺杂物的碳纳米结构。作为具体实例，在一些实施方案中，该纳米结构可包括在纳米管的壳部分内仅包含芳环(其各自仅包含碳原子)的单壁碳纳米管。

[0055] 在一些实施方案中，本文所述的光致发光纳米结构可发射在所需波长范围内的辐射。例如，在一些情况下，该光致发光纳米结构可发射波长为约750nm至约1600nm、或约900nm至约1400nm(例如，在波长的近红外范围)的辐射。在一些实施方案中，该光致发光纳米结构可发射波长在光谱的可见范围内的辐射(例如，约400nm至约700nm)。

[0056] 由于水凝胶的生物相容性，一些实施方案可能是特别有利的。水凝胶尤其对生物污染有抗性。当传感器在体外使用时，生物实体(例如，内皮细胞、蛋白质等)可粘附至传感器且阻断和/或消耗待检测的化合物(例如，葡萄糖)。当该情况发生时，该传感器可能无法检测化合物的存在，或可能检测到的化合物浓度低于周围液体(例如，血液)中的量，从而使传感器不准确或不可使用。因为水凝胶可对生物污染有抗性，可减轻这些缺点。此外，在一些实施方案中当水凝胶不是生物可降解时，可防止纳米结构不合需要的浸出。

[0057] 如本文所述，术语“水凝胶”以其本领域的通常含义给出，且是指包含聚合物网的材料，该聚合物网能捕捉和包含水。该水凝胶可包括直接交联或通过交联剂交联的聚合物链。在一些情况下，交联程度可改变以适应凝胶吸收或保持液体的程度。能形成水凝胶的聚合物的实例包括，但不限于，胶原、含硅聚合物、聚丙烯酰胺、交联聚合物(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，聚丙烯酸钠)和富含亲水性基团的共聚物。水凝胶可为藻酸盐水凝胶。

[0058] 该水凝胶可为多孔的结构。多孔的结构中的孔径可通过多种因素确定，包括聚合物浓度和水凝胶中的交联。具有所需孔径或所需孔径分布的水凝胶可通过选择聚合中存在的单体和交联剂的浓度而制备以形成水凝胶。有利的是水凝胶的孔可足够大以允许分析物自由接近被嵌入水凝胶中的组分，例如，接近光致发光纳米结构。该孔径范围可为，例如，10nm至1,000nm，20nm至500nm，50nm至250nm，或10nm至100nm。当分析物为大分子(例如，蛋白质，如免疫球蛋白)时，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以上的孔径可能是理想的。

[0059] PEG水凝胶由于其可变性和易用性而广泛使用，实现官能团的等同分布和较大程度的柔性。参见，Arshady,R.Beaded polymer supports and gels:II.Physico-chemical criteria and functionalization.Journal of Chromatography A 586,199-219(1991),和Meldal,M.Properties of Solid Supports.Methods in Enzymology 289,83-104(1997)，其每一个以其整体引入作为参考。PEG也以其其亲水性和生物相容性、抗原性和免疫原性而著称，使其成为包裹SWNT传感器的理想候选物。藻酸盐，是微珠形成的最广泛使用的材料，其为衍生自褐藻类的天然存在的阴离子多糖，且为包封SWNT的另一良好候选物。参见，Wei，X.等人Biodegradable poly(e-caprolactone)–poly(ethylene glycol)copolymers as drug delivery system.International Journal of Pharmaceutics 381,1-18(2009),and Hall,K.K.,Gattás-Asfura,K.M.&Stabler,
C.L.Microencapsulation of islets within alginate/poly(ethylene glycol)gels cross-linked via Staudinger ligation.Acta Biomaterialia 7,614-624(2011)，其每一个以其整体引入作为参考。藻酸盐已被批准用于创伤敷料且由于其没有毒性而作为细胞载体，但已发现该离子键合的水凝胶经常遭受降解，不能承受植入物的机械和化学应变和生理条件下发生的阳离子交换。参见，Cho，W.J.，Oh，S.H.&Lee，J.H.Alginate film as a novel post-surgical tissue adhesion barrier.Journal of Biomaterials Science Polymer Edition 21,701-713(2010),Lee,K.Y.&Mooney,D.J.Alginate:properties and biomedical applications.Progress in Polymer Science 37,106-126(2012),Ulery,B.D.,Nair,L.S.&Laurencin,C.T.Biomedical applications of biodegradable 
polymers.Journal of Polymer Science Part B:Polymer Physics 49,832–864(2011),Benson,J.P.,Papas,K.K.,Constantinidis,I.&Sambanis,A.Towards the development of a bioartificial pancreas:effects of poly-L-lysine on alginate beads with BTC3cells.Cell Transplant 6,395-402(1997),和Thu,B.等人Alginate polycation microcapsules.II.Some functional properties.Biomaterials 17,1069-1079(1996)，其各自以其整体引入作为参考。

[0060] 对于成功植入传感器来说必要的是在活的、完整的动物中检测和传输分子检测的能力。最近的工作显示皮下检测藻酸盐包封的SWNT，但没有研究更深的组织植入。参见，Iverson，N.M.等人In Vivo Biosensing Via Tissue Localizable Near Infrared Fluorescent Single Walled Carbon Nanotubes.Nature Nanotechnology 8,873-880(2013)，其以其整体引入作为参考。以下工作的目的是提供一种定量的、基于材料的框架，由此设计不同种类的可植入的荧光传感器。为此，分析了在藻酸盐和PEG凝胶二者中作为一个具体实例的SWNT的组织深度和信号检测之间的关系，且在小鼠中证实了体内荧光成像，促进了该传感器未来的体内用途且确定了这些凝胶包封物对深的组织成像的潜能。

[0061] 在一些实施方案中，用于检测分析物的纳米传感器可包括在液体介质中的光致发光纳米结构，和具有孔的壳体，其中该光致发光纳米结构包含在壳体内且通过孔运输。壳体可具有足够大的孔以允许分析物自由通过，但该孔又足够小以限制纳米传感器通过。该壳体可限制纳米结构以避免外部环境，同时允许分析物与纳米传感器互相作用。壳体可为膜或聚合物结构，其具有合适的孔尺寸以将纳米传感器限制在壳体内，同时允许分析物通过壳体。例如，该壳体可包括膜，如透析膜。液体介质可为任何与纳米传感器环境相容的溶液，例如，生理相容的缓冲溶液，如PBS。例如，可将填充了位于缓冲液中的SWNT传感器的透析管置于受试者中。

[0062] 在一方面，用于检测分析物的传感器可通过任何有效途径引入受试者。引入的示例性途径包括，但不限于，注射(如皮下、肌内、皮内、腹腔内和静脉内)、口服、舌下、直肠的、经皮、鼻内、阴道和吸入途径。

[0063] 本文公开了一种传感器，其包含在多种环境测试的单壁碳纳米管，包括用于炎症检测的皮下植入的传感器和位于肝中用于检测NO衍生的反应性氮物质的循环传感器。使用这种类型平台的体内检测可通过具体设计有机体和传感器之间的化学界面而实现。聚乙二醇连接的ds(AAAT)7共聚物使溶液中的近红外荧光单壁碳纳米管(SWNT)传感器稳定，促成向小鼠的静脉注射和局部一氧化氮(NO)浓度的选择性检测，且检测极限为1μM。肝保留的半衰期为4小时，其中传感器在注射后的2小时内从肺清除，从而避免体内纳米毒理学的主要途径。引入新的2Dλ空间谱成像方法以去卷积化学感测和空间信息。在肝中定位后，该探针允许使用NO作为标记和信号传递分子研究瞬态炎症。或者，藻酸盐包封的ds(AAAT)7-SWNT显示作为NO的可植入的炎症传感器，且没有内在免疫反应性或其它不利响应，保持400天以上。这些结果对于这些纳米传感器体内用于生物医学应用开拓了新的途径。

[0064] 体内感测的化学和光学限制

[0065] 使用SWNT作为体内荧光传感器相比被动递送试剂或成像荧光团带来了另外的复杂性。该SWNT必须被官能化以能够选择性地进行分子识别，且该识别被SWNT光学转换。然而，该选择性涂覆还必须允许体内的生物相容性和稳定性，该局限显著限制了可使用的可用界面。基于SWNT或其它纳米颗粒的荧光传感器必然优化具体分析物相对干扰分子的调节程度和选择性。参见，Barone，P.W.，Baik，S.，Heller，D.A.&Strano，M.S.Near-infrared optical sensors based on single-walled carbon nanotubes.Nature Materials 4,86-U16(2005),Heller,D.A.等人Optical Detection of DNA Conformational 
Polymorphism on Single-Walled Carbon Nanotubes.Science 311,508-511(2006),Ahn,J.H.等人Label-free,single protein detection on a near-infrared fluorescent single-walled carbon nanotube/protein microarray fabricated by cell-free synthesis.Nano Letters 11,2743-2752(2011),和Choi,J.H.,Chen,K.H.&Strano,M.S.Aptamer-capped nanocrystal quantum dots:a new method for label-free protein detection.Journal of the American Chemical Society 128,15584-15585(2006)，其每一个以其整体引入作为参考。然而，体内操作增加了限制，即必须保持足够的量子产率(QY)以允许在组织中检测，同时在与对体内生物相容性必需的稳定化成分缀合后保持为可操作的。

[0066] 为解决这些限制，DNA寡核苷酸ds(AAAT)7实现了一氧化氮选择性，该选择性在连接至5kDa MW聚乙二醇(PEG)部分后仍然保持(图1A)。图2B-2C描绘了(AAAT)7-SWNT(红色)和PEG-(AAAT)7-SWNT(蓝色)传感器的淬灭活性，该活性通过起始荧光的淬灭百分比而定量，使用的是785nm光电二极管，并且是在暴露于RNS和ROS化合物(连续分析10分钟，且在添加时间点后12小时分析一次)(其中误差条表示标准误差)(图2B)和NO(连续分析30分钟)(图2C)后。SWNT使用PEG-连接的和未连接的DNA形式分散，且测试其在暴露于30μM一氧化氮和一连串的通常潜在的干扰分子后的荧光调节，分别显示相比任何其它分析物对NO 25％和17％更大的反应性(图1B)。有趣的是，添加PEG减少了SWNT对HNO的响应，且对NO的总体选择性显著高于二氨基荧光标准，其仅测量NO的氧化产物，并非直接测量分析物，且具有的NO检测极限小于1μM(图6)。图6显示在添加不同浓度的NO后(AAAT)7-SWNT的荧光淬灭，表明从0.5μM NO开始的淬灭。连接PEG的传感器和未官能化的传感器二者的动态响应和可逆性示于图1C。快速初始淬灭速率对任一构建体都是不变的，然后是由于NO的溶液降解引起的较慢的恢复。该响应的可逆性和快速意味着该探针首次可用于研究NO体内信号传递动力学。

[0067] 化学传感器的空间和组织光谱成像

[0068] 不像不变的荧光或放射性测量探针，光学传感器必须通过强度或波长调节报告其在组织中的位置及其化学环境。因此，提供荧光探针体内2D静态或动态成像且必须使用强度信息以显示位置的方案不能用于化学感测。液晶可调光栅和滤器技术的开发提供了技术解决方案。通过连续调节光栅以选择窄波长空间，可通过包含两个空间坐标和波长轴的快速扫描而有效获得图像堆栈I(x,y,λ)原始。使用提供950至1050nm的波长检测的源自CRi的液晶滤器，将其在暗箱成像构型中置于常规整体动物视野下。2Dλ图像堆栈易于编码空间和化学信息，如通过将原始堆栈去卷积成背景和传感器组分而证实，从而允许对比的荧光淬灭(图1D)。图1D为在尾静脉注射PEG-(AAAT)7-SWNT 30分钟后切离的小鼠肝中(AAAT)7-SWNT的成像分析，其使用950至1050nm的白色光激发和发射光谱以10nm步幅和20秒累积时间而成像(比例尺4mm)。

[0069] 在PEG SWNT传感器(100nm)半极大值处的窄的荧光全宽度易于从在自然和合成介质中通常遇到的斜的自体荧光背景中去卷积。使用通常的Matlab算法，该原始图像强度堆栈I(x,y,λ)原始快速被分解为SWNT荧光、背景和自体荧光噪声成分:

[0070] I(x,y,λ)原始＝I(x,y,λ)SWNT+I(x,y,λ)背景+I(x,y,λ)自体＝k-1*CNO(x,y)+I(x,y,λ)背景+I(x,y,λ)自体

[0071] 此处，k为包含SWNT探针的摩尔消光系数(4400+/-1000M-1cm-1)(参见，Schoppler，F.等人Molar Extinction Coefficient of Single-Wall Carbon Nanotubes.Journal of Physical Chemistry 115,14682-14686(2011)，其以其整体引入作为参考)、其局部浓度和组织光学性质的校准的比例常数。注意该流程容易导致将其本身变为波长带中的荧光传感器的多路复用(multiplexing)，或与SWNT传感器探针同时进行的对自体荧光背景或组织吸收的分析。除非另有所述，该工作中的荧光图像为I(x,y)SWNT空间图，其中荧光强度对应于一旦归一化后通过淬灭获得的相对NO浓度。有机荧光探针，或者打开或者关闭模式，需要一个参照以同时定量输送空间和化学信息，且该SWNT探针在该方面也是如此。为寻找SWNT荧光、背景和自体荧光噪声在每个点的相对贡献，进行荧光光谱的线性拟合的最小二乘最小化。

[0072] 尾静脉注射的稳定性

[0073] PEG与传感器界面的连接是体内成功循环的关键。例如，(AAAT)7-SWNT并不循环，而是在注射位点附近累积，如图2A使用近红外成像所示。图2A显示将(AAAT)7-SWNT首先给予小鼠的左尾静脉然后右尾静脉。该过程重复进行，结果类似；(AAAT)7-SWNT阻断尾静脉，抑制溶液注射和血流。该图中的插入物显示尾部横截面，其中(AAAT)7-SWNT位于静脉内，而非周围组织。因此，静脉阻塞可归因于(AAAT)7-SWNT的不稳定性，而非归因于错误的注射。进一步的实验显示尾静脉阻断是由吸附至(AAAT)7-SWNT的血清蛋白质的聚集引起的。图2B中的凝胶电泳显示四个样品(在装载前与胎牛血清(FBS)或缓冲液一起培养5分钟的(AAAT)7-SWNT和PEG-(AAAT)7-SWNT样品)及其迁移距离，由相对于位置的荧光放射而测量。0点为孔的边缘，其中所有样品的荧光强度以1mm距离间隔测量。(AAAT)7-SWNT的电泳迁移率为11*109至14*109m2V-1，而其包含FBS的对应物的迁移率为2*109至4*109m2V-1；证实了FBS吸咐至(AAAT)7-SWNT。有和没有FBS的PEG-(AAAT)7-SWNT溶液都具有10*109至14*109m2V-1的电泳迁移率，在两者之间没有可感知的差异，证实PEG-(AAAT)7-SWNT上的PEG部分阻止FBS吸咐。尾静脉阻塞是由结合至(AAAT)7-SWNT的蛋白质引起的假设通过目视观测注射至静脉后-1
PEG-(AAAT)7-SWNT的清除而证实，如图2C所示。图2C描绘了注射(50mg L )PEG-(AAAT)7-SWNT至左尾静脉后的小鼠尾部，横断面图显示SWNT从血管的清除。(n＝3，比例尺2mm)。其显示添加PEG部分是产生用于这种类型传感器体内循环的稳定制剂所必需的。

[0074] 循环时间和生物分布

[0075] 当SWNT被注射并位于组织中时，研究了其生物分布和生物相容性，结果示于图3和8。动物通过尾静脉被注射PEG-(AAAT)7-SWNT，然后在注射后第5、15、30、60和120分钟处死(每个时间点n＝3-5只小鼠，注射200μL的50mg L-1 SWNT)；0分钟时间点表示未接受PEG-(AAAT)7-SWNT的对照动物。图3A提供注射PEG-(AAAT)7-SWNT前后的肝组织(60x放大，比例尺
10μm)的组织学，且显示没有炎症响应的证据。图8显示尾静脉注射PEG-(AAAT)7-SWNT(注射
200μL 50mg L-1 SWNT)后在不同时间点处死的小鼠的组织切片的组织学图像(H&E染色，肺
10x，尾、肝和肾20x，比例尺10μm)；在不同时间点之间没有观察到显著差异。(每个时间点n＝3-5只小鼠)。

[0076] 苏木精和曙红(H&E)染色的肝组织的组织检测显示在任何时间在尾、肺、肝或肾没有可检测的炎症证据，证实SWNT的生物相容性。图3B显示组织样品中存在(+)或不存在(–)PEG-(AAAT)7-SWNT，如通过拉曼光谱测定(每个时间点n＝3只小鼠)(样品光谱示于图3C)。血液和尿液样品的共振拉曼光谱显示在所有时间点的血液中存在SWNT，但在各时间点从膀胱收集的尿液样品中无SWNT，证实SWNT在体内保留至少2小时。在整个2小时时间区间内在肝和肾中也检测到PEG-(AAAT)7-SWNT，但在1小时内在尾注射位点清除。从肺部清除SWNT是特别值得注意的。由于肺组织的高度血管化性质及其在在体循环中的位置，肺很容易捕获纳米颗粒。参见，Donaldson，K.等人Carbon Nanotubes:A Review of Their Properties in Relation to Pulmonary Toxicology and Workplace Safety.Toxicological Sciences 92,5-22 (2006),Lacerda,L.,Bianco,A.,Prato,M.&Kostarelos,K.Carbon nanotubes as nanomedicines:From toxicology to pharmacology.Advanced Drug Delivery Reviews 58,1460-1470(2006),和Poland,C.A.等人Carbon nanotubes 
introduced into the abdominal cavity of mice show asbestoslike pathogenicity in a pilot study.Nature Nanotechnology 3,423-428(2008)，其每一个以其整体引入作为参考。

[0077] 显然，目测揭示在注射5分钟后肺组织变暗，但组织在30分钟内回复至预处理着色。该观测通过拉曼组织光谱定量证实，其证实PEG-(AAAT)7-SWNT在注射后5分钟在肺中是可检测的，但在2小时内清除。该证据直接支持PEG-(AAAT)7-SWNT渗透限制性的毛细血管网而不引起阻塞的能力。

[0078] 观察到PEG-(AAAT)7-SWNT在多个组织中累积，但在肝中浓度最高。图3D为一系列用2Dλ技术去卷积的切离的肝的图，其首先显示PEG-(AAAT)7-SWNT相对肝的定位，然后是荧光的热图(heatmap)(比例尺4mm)，即在尾静脉注射200μL 50mg L-1PEG-(AAAT)7-SWNT后的不同时间点切离的小鼠肝中SWNT荧光的定量图，然后.(每个时间点n＝3-5只小鼠，误差条为平均数标准误差)。图3D-3E总结了在注射后5、15、30、60和120分钟处死的小鼠的切离的肝中PEG-(AAAT)7-SWNT累积的定性和定量证据，如上述的生物分布研究中所述。肝的代表性图清楚显示SWNT荧光增加直到30分钟，然后是少量减少。以图1所述的2Dλ方法进行的定量分析显示肝的平均荧光增加直到30分钟，然后稍微降低且保持恒定直到60和120min。相比于非淬灭样品，已被淬灭的样品显示的荧光分布具有更大的标准偏差和更低的峰值，如图10所示。图10显示尾静脉注射PEG-(AAAT)7-SWNT(注射200μL 50mg L-1 SWNT)30分钟后处死的健康(对照)和发炎(RcsX处理的)小鼠的组织切片的组织图像(H&E染色，40x，比例尺10μm)。在对照和发炎小鼠的肝样品之间没有可识别的差异，而RcsX处理的动物的脾显示在对照小鼠中不存在的淋巴瘤。(n＝10)

[0079] 图3E的数据的荧光分布，如图3F所示，显示对所有时间点类似的峰值(10.5，11.2，8.1，9.6和10.4)和标准偏差(73.19，56.43，63.07，48.92和49.51a.u.)，暗示肝中PEG-(AAAT)7-SWNT浓度先增加然后降低，这与30分钟时间点后的SWNT淬灭相反。

[0080] 肝中PEG-(AAAT)7-SWNT的累积可如下模拟，解释了从血液(点A)至肝(B)中和分布至多个沉降部分(sinks)(C，胆汁，降解等)的循环半衰期。

[0081]

[0082] 在此，k1为从体循环至肝中转移的速率常数，且k2为主要下沉速率。因此，对于浓度A(t)、B(t)和C(t)，

[0083]

[0084]

[0085] 其中A0为时间t的血药浓度。对图3e中的数据进行回归得到k1＝0.1169k2＝-10.00288和[A0]＝337.96sec ，使得

[0086] B(t)＝-346.51(e-0.1169t–e-0.00288t)

[0087] 其中

[0088] 因此，图3E中的数据进行回归得到肝中的SWNT浓度为B(t)＝-346.51(e^(-0.1169t)-e^(-0.00288t))且半衰期为约4小时。

[0089] 更精确的肝半衰期值需要更长的时间点告知的更详细的模型，其为未来努力的焦点。同样感兴趣的为血药浓度研究以促成血流半衰期测定。

[0090] 发炎小鼠肝中一氧化氮的检测

[0091] 评估了传感器检测体内炎症过程产生的NO的能力。对该目的，选择SJL小鼠模型，这是由于其强烈的炎症反应，导致在通过注射RcsX肿瘤细胞诱导后在可预测的时程中大量过度产生NO，如上所述。参见，Gal，A.，Tamir，S.，Tannenbaum，S.&Wogan，G.Nitric oxide production in SJL mice bearing the RcsX lymphoma:A model for in vivo toxicological evaluation of NO.Proceedings of the National Academy of 
Sciences 93,11499-11503(1996)，其以其整体引入作为参考。因此，向小鼠腹膜内注射RcsX细胞或盐水(n＝10，重复一次且n＝5)。12天后，将PEG-(AAAT)7-SWNT(注射200μL 50mg L-1SWNT)注入麻醉小鼠的尾静脉，且30分钟后腹腔中的切口使肝暴露以允许原位成像(图
4A，比例尺4mm)。然后立即将动物处死，将肝切离且分离的器官再次成像。原位图像的比较显示对照动物的肝清楚地显示荧光，而该荧光在RcsX处理的小鼠的发炎器官中不可检测。
相反，切离的肝的图像显示在RcsX和对照动物二者中都存在类似水平的SWNT荧光。原位图像中不存在荧光可归因于炎症过程产生的NO，因为SWNT清楚地存在于器官中，如切离的器官中的荧光所示。暴露于NO后PEG-(AAAT)7-SWNT荧光的快速恢复(图1C)与该解释一致。进行这些数据的定量(图4B，n＝10，误差条为平均数标准误差)，且显示在发炎组织中处死前后的荧光之间55％的差异，相对比，在接受盐水尾静脉注射的对照中差异为3％。荧光分布数据显示在没有SWNT的对照小鼠的组织和在注射SWNT的发炎动物中检测的信号(39和-2 -2
54a.u.mm ，相比之下，具有SWNT的非发炎小鼠为153a.u.mm )之间的类似性，而发炎和非发炎小鼠切离的肝样品都具有类似的标准偏差(48.14和43.41a.u.)和峰值(148和
158a.u.)。该研究的限制是需要将肝暴露以用于原位成像，其可通过进一步优化SWNT以允许更深的组织成像或使用腹腔镜检查探针以允许使用比目前更小的切口成像而解决。

[0092] 表皮组织炎症的一氧化氮监测

[0093] (AAAT)7-SWNT组织-特异的定位潜能也使用藻酸盐-包裹的传感器平台进行了研究，该藻酸盐-包封的传感器平台可植入且以几天/几个月的时间标度进行，这与静脉内注射的PEG-(AAAT)7-SWNT使用的较短的时间标度形成对比。图5A-5B描绘了(AAAT)7-SWNT(红色)和藻酸盐-(AAAT)7-SWNT(绿色)传感器的淬灭活性，其在暴露于RNS和ROS化合物后使用785nm光电二极管通过原始荧光的淬灭百分比而定量(图5A，连续分析10分钟且一次在添加时间点后的12小时)，其中误差条表示标准误差NO(图5B，(AAAT)7-SWNT连续分析30分钟，藻酸盐-(AAAT)7-SWNT的分析时间稍短于45小时)(n＝3)。图5A显示藻酸盐-(AAAT)7-SWNT传感器保持其NO特异性。有趣的是，该荧光信号通过NO的淬灭不太快，在30分钟的NO暴露后达到
93％淬灭(图5B)。该信号保持淬灭达24小时，然后其在41小时后恢复至25％。多种可能的机理可能解释该延迟的荧光恢复。可能的是吸附至藻酸盐-(AAAT)7-SWNT的NO比游离NO更稳定，显著增加其半衰期且引起NO在藻酸盐水凝胶中浓度增加。还可能的是NO的长寿的反应性衍生物对该藻酸盐-(AAAT)7-SWNT体系的淬灭负责。如果NO进入藻酸盐水凝胶且与藻酸盐基质中圈闭的另一带负电荷的分析物反应，这似乎是合理的。另一可能性为NO形成藻酸盐中间体，其淬灭SWNT。

[0094] 使用藻酸盐包封的(AAAT)7-SWNT进行皮下植入和NO检测，且结果示于图5。第一研究(图5C，比例尺4mm)，涉及在小鼠左侧和右侧都皮下(SQ)放置两种藻酸盐-(AAAT)7-SWNT凝胶。凝胶1的总信号淬灭在第一图中观察，在放置凝胶后花费约20分钟，而凝胶2保持其荧光。在后一图中，在凝胶2在动物中约20分钟后，也将凝胶2淬灭。到第4天两种凝胶都恢复其荧光。关于体内水平的NO，可得的定量数据较少，认为其在非发炎组织中非常低(即，nM)。然而，在Lee等人的创伤愈合研究中，显示大鼠创伤渗出液中的NO水平在14天的期间从27μM稳态增加至107μM，且一氧化氮合酶活性在受伤后24小时达到峰值。参见，Lee，R.H.，Efron，D.，Tantry，U.&Barbul，A.Nitric Oxide in the Healing Wound:A Time-Course Study.Journal of Surgical Research 101,104-108(2001)，其以其整体引入作为参考。因此创面床中NO的浓度可足够高以在植入后不久淬灭SWNT。Lee等人用聚乙烯醇海绵在大鼠中观察到的延长的NO存在并未在小鼠中用藻酸盐凝胶的该研究中观察到，但巨噬细胞(已知为NO制造者)的募集，或与聚乙烯醇海绵相关的异物响应也未在该研究中观察到。参见，Davidson，J.M.Animal Models for Wound Repair.Archives of Dermatological Research 290，S1-S11(1998)，其以其整体引入作为参考。这些观察结果支持了以下解释，即在实验第0天不存在观察到的信号(该信号是由与NO爆发相关的荧光淬灭产生的)的原因是由于凝胶植入，而非由于与荧光的组织干扰。这种快速的淬灭和多天信号恢复对应于图
5B所示的数据。在第4天收集处死后的动物组织且用H&E染色(图5F，10x(第4天和第400天)和20x(第180天)，比例尺10μm)。可忽略的炎症存在于植入位点，也支持了与观察到的荧光信号恢复相关的假说。

[0095] 图11描绘了植入后具有皮下凝胶的小鼠的荧光强度分布。藻酸盐-(AAAT)7-SWNT荧光分布的定量显示在通过植入引起淬灭后的凝胶的信号恢复，导致高斯形曲线降低标准偏差(64.95至46.43a.u.)和增加峰值(336至733个点)。

[0096] 图5D-5F显示藻酸盐-(AAAT)7-SWNT的无先例的长期耐久性研究结果。在此，在60至400天的期间监测了向右侧的单一皮下凝胶植入并荧光成像，这远长于已显示监测NO的可植入的电化学传感器(最接近现有技术)。参见，Griveau，S.&Bedioui，F.Overview of significant examples of electrochemical sensor arrays designed for detection of nitric oxide and relevant species in a biological environment.Analytical and Bioanalytical Chemistry 405,3475-3488(2013)，其以其整体引入作为参考。在图5D中，该凝胶在植入之前被显示，然后在300天的研究中在体内显示多个点。可在贯穿300天的研究中观察到明显的荧光。由于动物运动凝胶形态学似乎随时间稍微改变，但该凝胶保持完整且信号大部分不变，如图5F所示。荧光强度随实验时程的定量示于图5F(植入后的信号恢复示于图11)。该信号在整个期间保持，且强度变化为14％。较少的变化表明局部NO浓度在10个月期间可能稍微改变，但始终低于在植入时观察到的初始升高，这可能由手术过程涉及的组织损伤引起。与该解释一致的是，在长期研究结束时在凝胶植入位点周围的组织未观察到炎症(图5E)。这些发现一个特别引人注目的方面为藻酸盐凝胶中SWNT浓度的改变或凝胶组成的变更(图12)改变了信号淬灭的时间标度和程度。图12显示通过PAAm包封的(AAAT)7-SWNT的NO的荧光信号淬灭，显示相比其藻酸盐对应物时间较短。

[0097] 因此，可构造传感器库以包含具有不同NO浓度极限的凝胶，使得规格(specification)与感兴趣的疾病或病症直接相关。

[0098] 总之，该工作显示使用半导体的SWNT制备的用于体内NO检测的直接光学传感器，且检测极限为约1μM，强调了半导体单壁碳纳米管体内用于化学检测的潜能，且首次制备了能体内操作的可逆的、NO的直接光学传感器。该传感器体内展示的超过一年的稳定性(至少400天未观察到活性变化)是史无前例的，且由于不存在光漂白，其具有更长时间的潜能。展示了两种操作模式:注射然后在肝中定位，以及直接植入组织；使得增加了与组织炎症、癌症和细胞信号传递相关的知识。参见，Bredt,D.S.&Snyder,S.H.Nitric Oxide:A Physiologic Messenger Molecule.Annual Review of Biochemistry 63,175-195(1994),和Mantovani,A.,Allavena,P.,Sica,A.&Balkwill,F.Cancer-related 
inflammation.Nature 454,436-444(2008)，其每一个以其整体引入作为参考。

[0099] 使用液体SWNT溶液体内检测葡萄糖

[0100] 在传感器的敏感性因存在水凝胶而削弱的某些情况下，SWNT传感器可以其液体形式置于体内。在该情况下，SWNT传感器在液体介质中配制。多孔壳体可用液体介质中的SWNT传感器填充，然后置于受试者中。例如，当某些SWNT传感器(如葡萄糖传感器)被包封在水凝胶中时，它们失去其与感兴趣的分析物特异性反应的能力。为克服该问题，SWNT传感器可以其液体形式置于体内。该葡萄糖感测SWNT可被填充在两端用缝合材料结扎的透析管中。该透析管然后可被皮下置于小鼠中(参见图13)。

[0101] 图13显示植入之前6-孔板中的透析管和具有透析袋植入物的小鼠(两者都具有透射光且然后是SWNT的荧光)。在动物从SWNT植入术恢复后，进行葡萄糖耐量测试以观察该植入是否会与葡萄糖体内反应。图14显示葡萄糖耐量测试结果。在0时间点，腹腔注射葡萄糖且使小鼠成像。使用血糖计测定小鼠血糖水平并将这些读数与荧光淬灭比较。葡萄糖浓度的趋势和荧光淬灭是平行的。

[0102] 为包封该水凝胶基质形式的SWNT传感器以用于其植入，将藻酸盐用作水凝胶的包封材料。藻酸盐是阴离子多糖且由于其生物相容性和简单的胶凝步骤而广泛用于药物应用。在此，凝胶通过将藻酸盐和SWNT溶液的混合物交联而制备。图15显示对葡萄糖的响应的概述。通过比较红色条和蓝色条的图，很明显该SWNT传感器即使在与藻酸盐混合后也能保持其与葡萄糖反应的能力。尽管在添加水后信号有一些波动，但总体响应类似于SWNT溶液的。然而，由于藻酸盐-SWNT混合物使用氯化钡交联，该SWNT传感器完全丧失其与葡萄糖反应的能力。

[0103] 水凝胶表征

[0104] 制备包封不同浓度的(GT)15-SWNT的藻酸盐和PEG水凝胶且分别在氯化钡浴中或通过UV光照交联(图16)。暴露2秒的(GT)15-SWNT、藻酸盐-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的荧光信号示于图1b。该光谱被去卷积为不同的SWNT手性(图23)，且(6,5)管的荧光信号的峰值总结在图16C中。该荧光信号随着浓度增加而线性增加(图16C中的点划线)，且SWNT样品的平台期高于10mg L-1，而对于PEG-(GT)15-SWNT和藻酸盐-(GT)15-SWNT水凝胶，25mg L-1样品显示荧光放射降低。对于所有测试的浓度，藻酸盐凝胶显相比PEG水凝胶示更明亮的信号。而且，藻酸盐和PEG凝胶的(6,5)峰值荧光相对SWNT样品红移(移动2-6nm)(图16D)。

[0105] 藻酸盐和PEG凝胶的流变性质通过具有平行板几何学的振动测量而确定。没有纳米颗粒的水凝胶的线性粘弹区(LVR)通过具有恒定1Hz频率的应变扫描而评估。对于藻酸盐和PEG，作为应变百分比的函数的储存模量(G’)和损失模量(G”)分别示于图17A和17B。没有纳米颗粒和具有2、5、10和25mg L-1 SWNT的凝胶的粘弹响应通过在LVR中的频率扫描而评估，藻酸盐和PEG分别以恒定的0.1％和0.01％应变评估(图16C和16D)。所有情况下G’值大概比G”值高一个数量级。而且，该粘弹性质随着包封的纳米颗粒浓度没有太大改变，除了具有最高的SWNT浓度(25mg L-1)的PEG水凝胶，其相对较低浓度具有低得多的储存模量。这是由于SWNT在UV区的高吸收，在该情况下其会干扰UV-引发的交联过程。

[0106] 交联密度ρx可使用橡胶弹性理论从水凝胶的储存模量(G’)估算41-43:

[0107] G′＝ρxRT  (1)

[0108] 其中R为气体常数且T为温度。使用LVR区的G’值(图16A和16B)，藻酸盐和PEG水凝胶的交联密度为48mol m-3和363mol m-3，表明在交联间分别为3.2nm和1.7nm的平均距离。尽管橡胶弹性理论是对化学交联的水凝胶(如PEG)开发的43，但方程(1)在某些条件可适用于藻酸盐(其为物理交联的)，这些条件如储存模量G’不明显依赖于频率、和低损失比(G’/G”)44，这符合我们的情况。

[0109] 在多种水凝胶几何体中的包封的纳米颗粒荧光淬灭

[0110] 为模拟和表征包封的纳米颗粒传感器，响应于添加核黄素的(GT)15-SWNT、PEG-(GT)15-SWNT和藻酸盐-(GT)15-SWNT的荧光调节将在nIR阵列中测量且示于图18A。选择核黄素作为模型靶分析物，因为其为DNA-包裹的SWNT的已知的荧光淬灭物。参见，Zhang，J.等人Molecular recognition using a corona complex made of artificial polymers adsorbed on carbon nanotubes.Nature Nanotechnology 8,959-968(2013),和Zhang,J.Q.等人Single Molecule Detection of Nitric Oxide Enabled by d(AT)(15)DNA Adsorbed to Near Infrared Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotubes.Journal of the American Chemical Society 133,567-581(2011)，其每一个以其整体引入作为参考。在培养1小时后，2、5、10和25mg L-1浓度的SWNT溶液的信号分别淬灭90％、85％、80％和70％，而藻酸盐水凝胶分别淬灭50％、44％、48％和33％。对所有浓度PEG水凝胶显示小于
5％变化，而高达6小时的更长的培养时间显示没有显著变化(数据未显示)。

[0111] 纳米颗粒浓度的作用通过研究经6小时时间2、5、10和25mg L-1浓度的藻酸盐水凝胶的淬灭而考察。使用双指数拟合发现两个特征淬灭时间标度(图18B)，其中对于2、5、10和25mg L-1浓度，较短的为14.2、14.5、14.1和15.4分钟，而较长的为6.18、5.6、5.8和5.7小时。
尽管初始强度在四种浓度之间有变化，但所有的淬灭速率是类似的，表明共同的机理。

[0112] 凝胶几何学对淬灭速率和程度的影响使用藻酸盐-(GT)15-SWNT系统研究，其中纳米颗粒浓度为10mg L-1。将体积为200μl和600μl的圆形藻酸盐凝胶的荧光信号监测6小时(图18C)。小的(200uL)和大的(600uL)圆形凝胶都以双指数拟合显示两种特征淬灭时间，其中之一为约20分钟的数量级(分别为20.7和26.2分钟)，其中另一个为约几小时的数量级(分别为6.5和10.8小时)。相当的时间标度证实将凝胶的基部表面积最小化对固定凝胶高度(3mm)的淬灭速率的增加具有较小的影响，只要其相对凝胶直径(分别为7mm和15mm)较小。

[0113] 对于具有相同体积的星形、矩形和圆形凝胶，以双指数拟合的长的特征淬灭时间(图18D)分别为15.6、9.9和9.5小时，显示对较小的侧表面面积有稍许降低。短的特征淬灭时间对所有形状都是相当的，星形、矩形和圆形凝胶分别为34.9、19.3和26.8分钟。这些结果表明这种尺寸范围的凝胶，在凝胶表面没有传质限制(形状不变)，且没有内部传质限制(尺寸不变)。

[0114] 水凝胶的化学稳定性

[0115] 两种水凝胶模型系统的光热和光化学稳定性通过监测包封的纳米颗粒随时间的荧光信号而测试。由于SWNT不显示光漂白(参见Liu，Z.，Tabakman，S.，Welsher，K.&Dai，H.Carbon Nanotubes in Biology and Medicine:In vitro and in vivo Detection,Imaging and Drug Delivery.Nano Research 2,85-120(2009),Cherukuri,P.,Bachilo,S.M.,Litovsky,S.H.&Weisman,R.B.Near-infrared fluorescence microscopy of single-walled carbon nanotubes in phagocytic cells.Journal of the American Chemical Society 126,15638–15639(2004),和Graff,R.A.等人Achieving individual-nanotube dispersion at high loading in single-walled carbon nanotube composites.Advanced Materials 17,980-984(2005)，其各自以其整体引入作为参考)，它们的荧光作为水凝胶基质降解的指示。该凝胶在14mW的连续激光激发下在焦平面成像4小时，图像以5分钟间隔收集。当样品在测试过程中保持潮湿时，在图19A中可清楚地看到藻酸盐和PEG凝胶(10mg L-1 SWNT)的信号稳定性。然而，当样品干燥时，它们不可逆地失去它们的形状和荧光，其在再水合时也不恢复。

[0116] 为了评估包封纳米颗粒的凝胶的长期化学稳定性，将具有不同浓度的包封的SWNT的藻酸盐和PEG水凝胶在整体动物和nIR阵列成像系统中分析60-90天。在nIR阵列中在多个时间点测量藻酸盐和PEG水凝胶塞子的峰值荧光(SWNT浓度为2、5、10和25mg L-1)，且通过标准SWNT悬浮液的峰值荧光信号归一化，该标准SWNT悬浮液的峰值荧光信号每次以与凝胶相同的条件测量。PEG和藻酸盐凝胶的数据点分别通过指数和双指数衰减模型而拟合，分别显示一个和两个特征衰减时间标度(图19B和19C)。凝胶的特征衰减时间示于图19E，且显示藻酸盐凝胶的快速衰减(t1)为大约1天的数量级，且较慢衰减(t2)在藻酸盐凝胶的情况下为大约2年的数量级，而在PEG水凝胶情况下为10-100天。藻酸盐凝胶短的衰减时间标度可归因于达到平衡前用于成像的96-孔板中的膨胀，其通常在24小时内实现，而PEG-二丙烯酸酯凝胶已显示在约20分钟内达到平衡。参见，Davidovich-Pinhas,M.&Bianco-Peled,H.A quantitative analysis of alginate swelling.Carbohydrate Polymers 79,1020-1027,和Mellott,M.B.,Searcy,K.&Pishko,M.V.Release of protein from highly cross-linked hydrogels of poly(ethylene glycol)diacrylate fabricated by UV polymerization.Biomaterials 22,929-941，其每一个以其整体引入作为参考。水凝胶长的降解时间标度在PEG情况下主要是由于水解，而在藻酸盐情况下主要是由于二价阳离子的扩散。参见，Reid，B.等人PEG hydrogel degradation and the role of the surrounding tissue environment.Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine,n/a-n/a,doi:10.1002/term.1688(2013),Lin,C.-C.&Anseth,K.PEG Hydrogels for the Controlled Release of Biomolecules in Regenerative Medicine.Pharm Res 
26,631-643,(2009),Metters,A.T.,Bowman,C.N.&Anseth,K.S.A Statistical Kinetic Model for the Bulk Degradation of PLA-b-PEG-b-PLA Hydrogel Networks.The Journal of Physical Chemistry B 104,7043-7049,(2000),Lee,K.Y.,Bouhadir,K.H.&Mooney,D.J.Controlled degradation of hydrogels using multi-functional cross-linking molecules.Biomaterials 25,2461-2466(2004),和Kong,H.J.,Kaigler,D.,Kim,K.&Mooney,D.J.Controlling Rigidity and Degradation of Alginate Hydrogels via Molecular Weight Distribution.Biomacromolecules 5,1720-1727,(2004)，其每一个以其整体引入作为参考。

[0117] 此外，根据整体动物成像系统(其在950-1050nm的范围将荧光信号积分)，该藻酸盐凝胶在整个测试期更好保持其形状和其荧光，而PEG凝胶随时间失去其荧光和其形状(图19D和图24)。

[0118] 检测深度限制

[0119] 为估算组织中的最大检测深度，通过组织模型样品收集纳米颗粒荧光信号。假定为一维吸收和散射模型，对于透过厚度d的组织成像的水凝胶，检测的荧光强度F为:

[0120]

[0121] 其中I0为激发激光强度，μex和μem分别为激发和发射波长的组织消光系数,ρ为水凝胶中荧光纳米颗粒浓度，φ为量子产率，且A为比例常数。

[0122] PEG和藻酸盐水凝胶中包封的(GT)15-SWNT通过不同厚度的鸡胸组织成像(图20A)。对于该研究使用的多种浓度，通过藻酸盐-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT的nIR阵列测量的归一化荧光信号作为组织厚度的函数示于图5b。在通过SWNT浓度和暴露时间归一化的(6,5)手性放射峰处评估荧光强度，使得数据点坍塌为单一曲线，假定荧光信号与暴露时间是线性关系。因为荧光强度仅在至多10mg L-1时与SWNT浓度线性相关，只有2、5和10mg L-1的结果通过指数衰减函数拟合。藻酸盐和PEG凝胶的指数系数的绝对值分别为1.325±
0.095mm-1和1.257±0.103mm-1。

[0123] 为测定最大检测深度，将检测极限限定为nIR阵列成像系统的背景噪声信号的平方根的三倍，且最大暴露时间为30秒。对2、5和10mg L-1 SWNT浓度基于指数拟合函数进行计算。检测极限总结于表1。

[0124]

[0125]

[0126] 表1.藻酸盐和PEG水凝胶系统的检测极限，其对包封在水凝胶中的三种较低浓度的纳米颗粒通过指数拟合函数(方程(2))测定。

[0127] 根据方程(2)提供的1D模型，指数系数等于激发和发射波长的消光系数的总和，其独立通过在相应的光谱范围内测量鸡胸组织的吸收光谱(图21B)而评估。根据该光谱对应于激发激光波长(785nm)和发射荧光波长(996nm)的消光系数的总和为2.121±0.022mm-1，其与指数拟合发现的系数相当。

[0128] 最大检测极限通过用整体动物成像系统在2、4、6和8mm的深度成像而进一步分析。该数据(图20C)证实nIR结果，表明10mg L-1凝胶在2和4mm深度有清楚的信号，而6和8mm深度的样品的读数与仪器的背景噪声相当。

[0129] 体内检测

[0130] 为保证凝胶在体内的活力，在小鼠(n＝3)中植入包封该荧光纳米颗粒的PEG和藻酸盐凝胶，且在整体动物成像系统中测试荧光信号。如图20D所示，在植入14天后PEG和藻酸盐凝胶都可见。小鼠保留移植物达60天且对任一水凝胶显示没有不利反应。

[0131] 分析在两种类型的水凝胶中组织深度和信号检测之间的关系，其通过创建未来体内应用荧光传感器的模型并测定这些凝胶可体内使用的程度来实现。开发了制造多种几何形状的水凝胶的一致且可再现的方法。藻酸盐凝胶显示比其PEG对应物亮得多的荧光信号，通常发射1.5至3倍的更强信号，且发现在SWNT情况下两种系统的最佳纳米颗粒浓度为10mg -1L ，高于该浓度荧光信号降低。该包封的SWNT红移的荧光信号(相对水性悬浮液中的SWNT荧光)，指示SWNT在凝胶中聚集，其解释了高浓度下荧光放射的降低。参见，O'Connell，M.J.等人Band gap fluorescence from individual single-walled carbon 
nanotubes.Science 297,593-596(2002)，其以其整体引入作为参考。在任何水凝胶包封荧光传感器系统中该作用都必须加以考虑，因为增加纳米颗粒浓度可导致自淬灭。参见，Resch-Genger，U.，Grabolle，M.，Cavaliere-Jaricot，S.，Nitschke，R.&Nann，T.Quantum dots versus organic dyes as fluorescent labels.Nat Meth 5,763-775(2008)，其以其整体引入作为参考。

[0132] 藻酸盐水凝胶相比其PEG对应物刚性较小，且在经受机械性损伤之前可经受更高的应变变形。PEG凝胶的刚性可为体内应用的一个限制因素，因为自然组织运动需要柔性凝胶以避免患者不适。减少PEG浓度或缩短用于交联的UV光照持续时间可减少刚性，且改善用于体内应用的凝胶性质。

[0133] 核黄素(水力半径为0.58nm)被用作模型靶分析物，因为其淬灭在水凝胶中包封的纳米管的荧光放射。参见，Tao，X.Smart Fibres，Fabrics and Clothing.(Woodhead Publishing,2001),和Zhang,J.Q.等人Single Molecule Detection of Nitric Oxide Enabled by d(AT)(15)DNA Adsorbed to Near Infrared Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotubes.Journal of the American Chemical Society 133,567-581(2011)，其每一个以其整体引入作为参考。藻酸盐凝胶中交联点之间的平均距离为PEG中的几乎两倍(分别为3.2nm和1.7nm)，使得分析物在其中更快速扩散。因此，当在t＝0分钟暴露于核黄素时，藻酸盐凝胶中SWNT的荧光信号显著减少，而PEG水凝胶中的纳米颗粒显示很少响应或没有响应。藻酸盐中较短的扩散时间使得能通过类似水力半径的分析物进行快速信号调节，而该工作中使用的PEG凝胶包封阻碍信号淬灭，其使得其对包封不太有利。藻酸盐水凝胶系统情况下的两种特征性淬灭时间分别归因于快速的核黄素-SWNT反应和缓慢的扩散速率。溶液中核黄素扩散系数DR的粗略估算(3.23x10-10 m2s-1，参见，Sen，F.等人Observation of Oscillatory Surface Reactions of Riboflavin,Trolox,and Singlet Oxygen Using Single Carbon Nanotube Fluorescence Spectroscopy.ACS Nano 6,10632-10645,doi:10.1021/nn303716n(2012)，其以其整体引入作为参考)导致对于3mm凝胶厚度的扩散时间上限为8小时，与实验结果一致。

[0134] 因为两种类型的水凝胶都展示扩散限制的淬灭响应，探寻了是否该凝胶的几何性质可调节扩散速率。然而，结果表明改变水凝胶横向维度的尺寸和形状同时保持厚度恒定，仅对淬灭速率具有很少的影响。因为凝胶厚度相对其直径较小，该扩散被沿着z-轴的横向分量支配(图18C和18D)。此外，凝胶的形状、以及因此的表面积，也被发现对于淬灭速率仅具有较少的作用。

[0135] 藻酸盐和PEG的性质都可通过在交联之前改变凝胶溶液的终浓度而调节，且凝胶的规格必须根据分析物性质和所需的检测时间标度定制。可利用水凝胶孔径的调节增加特异性，其通过将具有较低扩散速率或较高水力半径的分子从感兴趣的分析物中排除而实现。

[0136] 长期稳定性实验显著显示出藻酸盐凝胶相比PEG水凝胶更长的化学稳定性，使其更适合长期体内感测和检测以及提供制备更大批量水凝胶的机会，减少了制备时间和样品差异。PEG水凝胶相对藻酸盐削弱的稳定性部分可归因于该研究使用的纳米颗粒的显著的UV吸收，其可干扰使用该部分光谱的PEG水凝胶的光诱导交联。因为包封较低纳米颗粒浓度的水凝胶显示具有较长的保存期限，优选使用尽可能低的浓度，其仍可允许可靠的信号检测，以用于长期应用。

[0137] 包封在PEG和藻酸盐水凝胶中的(GT)15-SWNT可在组织中在nIR阵列和整体动物成像系统中在超过4mm的深度处成像，这取决于暴露时间，其中对于PEG和藻酸盐分别在约0.55mm和0.52nm后，信号减少至其最大值的一半。因此，皮下或腹腔内植入该构建体可通过外部设备以非侵害方式光学成像，使得可实时体内检测和感测分析物。对于动物研究目的，该平台可潜在减少用于肿瘤采集而处死的动物数量，例如，通过外部监测感兴趣的生物标记。必须考虑不同的组织，如骨或脂肪，会比骨骼肌组织具有更高或更低的检测深度限制，该骨骼肌组织为该研究的目标。预测水凝胶通过其它组织的检测根据组织透明度和结构(organization)而改变，其可改变光散射和吸收性质。

[0138] 发现对于我们特定的检测时间、功率输出和信号捕捉来说的最大检测深度为4-5mm的数量级，其为深组织检测的一个限制因素，尤其是在大型动物或人中，但可能的设置优化可延长工作范围。通过由14mW增加激发激光的强度(在对于激光波长和组织着色特异的生物安全限制内)，该增强的放射信号可穿透更厚的组织。延长获取信号的时间和更高级的放射信号收集技术也将延长传感器的可行检测深度。或者，检测深度限制可使用微创手术向实施区域插入一个内窥镜光纤以传递激发和检测光通道而克服。

[0139] 最后，当纳米颗粒被包封在PEG或藻酸盐水凝胶中且被皮下植入小鼠中时，展示了其荧光信号的检测。这证实我们的水凝胶-传感器系统用于体内感测和检测应用的融合性(fusibility)。

[0140] 该模型(其通过(GT)15 DNA包裹的单壁碳纳米管展示)可用于其它悬浮SWNT和改变传感器特异性的聚合物以及任何其它荧光纳米颗粒。而且，本文进行的详尽的实验给出了有价值的工具以设计该水凝胶包封的nIR荧光传感器、评估其性能和预测检测深度限制。

[0141] 在水凝胶中的纳米颗粒传感器包封可为用于体内检测应用的有希望的平台。水凝胶组合物在测定荧光信号强度和稳定性方面起关键作用。除了凝胶的物理性质，水凝胶中的荧光纳米颗粒的浓度影响信号检测极限，创建了用于事件特异性传感器阵列的模板。最后，已证实了纳米颗粒传感器的最大组织检测深度和荧光强度之间的关系，提供了一种公式以测定体内使用的最佳凝胶参数。

[0142] 材料和方法

[0143] DNA寡核苷酸纳米管悬浮液.使用类似于之前公开的方法将SWNT与d(AAAT)7寡核苷酸一起悬浮。简言之，购自SouthWest NanoTechnologies的SWNT(SG65i，管直径0.77+/-0.02nm，高纵横比>1,000，碳含量>95％重量，>40％(6,5)手性SWNT且>95％SWNT为半导体)与28-碱基(dAdAdAdT)7序列的ssDNA(Integrated DNA Technologies)一起悬浮。以2:
1DNA:SWNT质量比将DNA和SWNT添加至溶于超纯水的0.1M NaCl。该研究使用的典型DNA浓度为2mg mL-1。在冰上将DNA/SWNT溶液用3mm探头端超声发生器(Cole Parmer)以10W的功率超声10分钟，然后通过台式离心机以16,100RCF离心分离180分钟(Eppendorf Centrifuge 
5415D)。收集上清液的顶部2/3且将团块丢弃。

[0144] PEG-DNA缀合和PEG-DNA-CoMoCAT悬浮液.将10mM(10μL 0.5M储液)TCEP(三(2-羧基乙基)膦盐酸盐溶液)(Sigma Aldrich)和4.49μL 5'巯基-修饰的d(AAAT)7(Integrated DNA Technologies)在485.5μL水中混合1小时以将DNA链上的二硫键断裂。甲氧基PEG-1(5kDa)马来酰亚胺以100mgmL 的浓度溶于PBS(1x磷酸盐缓冲盐水)。然后将等量的还原的DNA溶液和mPEG-马来酰亚胺溶液混合20分钟以完成PEG-DNA缀合。该PEG-DNA缀合通过凝胶电泳证实(参见图7)。SWNT与PEG-DNA的悬浮液按照如上所述的类似步骤制备。简言之，1mg SWNT与1mL PEG-DNA溶液混合，然后在冰上用3mm探头端超声发生器(Cole Parmer)以10W的功率超声40分钟。所得溶液以16,100RCF离心180分钟(Eppendorf Centrifuge 5415D)，收集上清液的顶部2/3且将团块丢弃。离心分离后，使用离心过滤(Amicon Ultra-4 100K Centrifugal Filter Units)去除游离PEG-DNA，且溶剂被超纯水代替。离心过滤进行4次以完全去除所有残余DNA。

[0145] 藻酸盐-(AAAT)7-SWNT制备。(AAAT)7-SWNT与溶于生理盐水的2％PRONOVA SLM 20藻酸盐(NovaMatrix)混合且置于1cm玻璃底陪替氏培养皿(MatTek)中。将藻酸盐用过量的0.1M氯化钡交联。在植入之前样品用生理盐水冲洗。

[0146] PAAm-(AAAT)7-SWNT制备.将(AAAT)7-SWNT以1.5mg mL-1的浓度浇塑在3％T 5％C聚丙烯酰胺水凝胶(PAAm)中。水凝胶聚合用1体积％的100mg mL-1过硫酸铵引发剂引发且自由基反应用1％体积四甲基乙二胺稳定。交联后，将水凝胶浸入PBS中以允许最大膨胀和且使SWNT pH与测试缓冲液平衡。

[0147] 相对其它反应性氧和氮物质筛选(AAAT)7-SWNT、PEG-(AAAT)7-SWNT和藻酸盐-(AAAT)7-SWNT.过氧亚硝酸钠和Angeli盐购自Cayman Chemical。实验使用的其它化学品购自Sigma。NO2-，NO3-、H2O2和ClO-的储液通过将其以6mM溶解于水而制备；将Angeli盐和ONOO-- 41以6mM分别溶于0.3M NaOH和0.01M NaOH的溶液。O2按照文献的步骤制备 。简言之，过量KO2与DMSO混合，涡漩且然后离心以去除团块。所得上清液产生3.6mM O2-的储液。将SWNT溶液在pH 7.4的50mM PBS中稀释至2mg L-1。使用定制的近红外(nIR)荧光显微镜(随后描述)监测SWNT荧光，同时添加分析物溶液使得终浓度为60μM且监测SWNT荧光响应10分钟。使用Fenton反应产生羟基自由基，其中H2O2和FeSO4(60/0.6，300/3，和1000/10μM作为终浓度)被添加至SWNT溶液。在前10分钟和在试剂添加12小时后，对该SWNT荧光响应进行监测。单线态氧使用玫瑰红和与之前报告的类似的步骤产生4,42。简言之，将60μM玫瑰红添加至SWNT溶液(2mg L-1)且在560nm激发以产生单线态氧。通过快速将激发源转换为785nm激光保持3秒而记录每分钟的SWNT荧光响应。10分钟后将560nm激发源关闭且使用785nm激光每分钟获取三个另外的光谱。

[0148] NO溶液.使用类似之前报告的方法制备饱和NO溶液6。简言之，将3mL PBS引入5mL圆底烧瓶且用隔膜密封，该隔膜具有入口和出口针。将氩气(Airgas)鼓泡进入PBS保持2h以去除溶解的氧气。然后将NO气体(99.99％，Electronicfluorocarbons)以2psi的出口压力鼓泡20分钟。使用辣根过氧化物酶测试确定最终NO浓度43,44。

[0149] 用于淬灭和信号恢复的nIR荧光.将(AAAT)7-SWNT、PEG-(AAAT)7-SWNT和藻酸盐-(AAAT)7-SWNT的SWNT nIR荧光谱通过定制近红外荧光显微镜测量。简言之，将Zeiss AxioVision倒置显微镜通过PI-Acton SP150摄谱仪连接至Princeton Instruments InGaAs 1-D阵列检测器。SWNT溶液使用785nm光电二极管(B&W Tek Inc.)激发，且所得荧光通过显微镜和所连的光学器件收集。NO淬灭实验如下进行。将150μL(AAAT)7-SWNT或PEG-(AAAT)7-SWNT样品(2.66mg L-1溶液，添加NO后终浓度为2mg L-1)置于96-孔板，用785nm光电二极管激发，且每10秒记录光谱。将120μM NO溶液添加至孔(在孔中产生30μM NO浓度)且样-1品收集持续30分钟。类似的，将150μL藻酸盐-(AAAT)7-SWNT凝胶(25mg L )置于96-孔板且用785nm光电二极管激发，且在添加NO后记录荧光谱持续几乎45小时。

[0150] PAAm-(AAAT)7-SWNT的nIR荧光淬灭.将5μLPAAm-(AAAT)7-SWNT(1.5mg mL-1)凝胶置于通常的桌面检测器上的玻璃孔中。样品在565nm激发且在添加NO 30分钟后对990nm的(6,5)SWNT放射峰收集数据。

[0151] 皮下凝胶植入.在整个研究中小鼠用至多5％异氟烷气体麻醉。无菌、无接触技术被用于凝胶安置。动物用无菌布覆盖且制造小的、小于1cm的切口，进行皮肤从肌肉的钝性分离。在将藻酸盐凝胶基线成像后，将其插入且通过施加尼龙线或外科黏合剂而固定。然后将动物成像(MaestroTM Cambridge Research&Instrumentation)且在加热灯下放置以使其唤醒。在研究过程中监测动物且成像且在预定时间点用CO2处死以用于组织学分析。

[0152] 用CRi’s MaestroTM成像.体内成像在Cambridge Research&Instrumentation’s Maestro仪器上进行。该Maestro包含液晶调节元件，其能够电子调整透射光。该研究使用的液晶滤波器具有650-1050nm的最大波长范围和40nm带通。Maestro软件着眼于信号、背景和自体荧光的光谱发射波长并将这三种成分分离(图1D)以允许分析感兴趣的信号。各步具有10nm步进和20秒读数的950至1050nm的放射窗被用于该研究。

[0153] 组织学.组织样品在10％中性-缓冲的福尔马林中固定过夜且送至Division of Comparative Medicine(Massachusetts Institute of Technology)以用于常规加工和石蜡包埋。4μm厚的切片用苏木精和曙红(H&E)染色以通过被委员会-认证的病理学家(N.P.)进行显微镜检测，该病理学家对治疗组是盲测的。

[0154] 琼脂糖凝胶制备.分析的凝胶电泳在0.75％DNA级高熔融琼脂糖凝胶中在TBE缓冲液中使用Powerpac Basic(Bio-Rad Laboratories)电源以200V进行1小时。(AAAT)7-SWNT和PEG-(AAAT)7-SWNT分散体与胎牛血清(FBS)和Tris-硼酸盐-EDTA(TBE)缓冲液(50mM Tris-硼酸盐，1mMNa-EDTA，pH 8.4)混合，然后在补充甘油后在电泳凝胶中装载在单独的孔中。SWNT在凝胶中的空间位置使用定制nIR荧光显微镜测量。凝胶保持在自动化x-y位移平台上，该平台在每个采取的光谱之间移动1mm。这在凝胶长度上产生了空间解析的nIR光谱组。

[0155] 用于SWNT定位的PEG-(AAAT)7-SWNT注射.在整个研究小鼠用高达5％异氟烷气体镇静。新鲜制备的PEG-(AAAT)7-SWNT在生理盐水中稀释至50mg L-1，充分混合且使用0.3cc 29规格的0.5英寸胰岛素注射器注射(200μL)至小鼠尾静脉。然后通过在合适的时间点给予CO2处死小鼠(注射后0、5、15、30、60或120分钟)，然后立即尸体检剖和样品成像。通过心脏穿刺收集血液且从膀胱收集尿液，然后进行尾、肺、肝和肾的收集。立即对液体和组织成像(MaestroTM Cambridge Research&Instrumentation)，然后进行组织学和/或拉曼分析。

[0156] SWNT定位的拉曼检测.拉曼散射测量使用LabRam-IR(jobin Yvon Horiba)拉曼显微镜进行。样品用633nm光电二极管激发且用10X物镜聚焦于样品。以180°构型收集散射光且聚焦于Si CCD相机。样品的激发功率为12.6mW，最终功率密度为～550kW cm-2。

[0157] 用于检测炎症的PEG-(AAAT)7-SWNT注射.SJL小鼠(Charles River)分为两组；(1)发炎的，通过腹腔注射接受200μL盐水中的1*106RcsX细胞，和(2)非发炎的，接受200μL盐水的腹腔注射。12天后小鼠用高达5％异氟烷气体镇静，且将200μL新鲜制备的PEG-(AAAT)7-SWNT(在生理盐水中稀释至50mg L-1)用0.3cc 29规格的0.5英寸胰岛素注射器注射至尾静脉。30分钟后剖开小鼠以暴露其肝，使用Cri Maestro成像，然后立即通过给予CO2处死。立即进行尸体检剖和组织收集(肝、肺、肾和脾)，然后组织成像(MaestroTM Cambridge Research&Instrumentation)且固定以用于组织学(以保证发炎和非发炎的小鼠的炎症和健康，图9)。图9显示(AAAT)7-SWNT(红色)、PEG-(AAAT)7-SWNT(蓝色)和藻酸盐-(AAAT)7-SWNT(绿色)荧光相对于浓度的定量(n＝3)。

[0158] 凝胶模.用于交联凝胶的模子通过水刀切割3.175mm厚的硅酮块(HT-6240透明的.125”性能固体硅酮，Rogers Corporation)而制备。将对该模所选的形状进行设计以改变凝胶表面积同时保持总体积恒定。

[0159] 藻酸盐-(GT)15-SWNT制备.(GT)15-SWNT悬浮液与溶于生理盐水的2％PRONOVA SLM 20藻酸盐(NovaMatrix)混合且移液至特别切割的模子中(上述)，且透析管(10,000MWCO)伸展穿过底部，其从盆底部升高2mm。用过量0.1M氯化钡(BaCl2)使藻酸盐交联，该氯化钡添加至所述盆而不覆盖模子顶部，保持24小时。然后将样品转移至0.1M BaCl2浴中直到测试。

[0160] PEG-(GT)15-SWNT制备.将(GT)15-SWNT悬浮液与聚乙二醇-二丙烯酸酯(700g/mol，Sigma-Aldrich，在25℃1.12g mL-1)、2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮(7mg mL-1，Sigma-Aldrich)和水以1:0.05:0.95体积比的溶液混合，且移液至特别切割的模子中(上述)，且带子粘附至底部。PEG通过暴露于UV-B光(365nm)15分钟而交联且转移至水浴直到测试。参见，Kruss,S.,Erpenbeck,L.,Schon,M.P.&Spatz,J.P.Circular,nanostructured and biofunctionalized hydrogel microchannels for dynamic cell adhesion studies.Lab Chip 12,3285-3289,doi:10.1039/c2lc40611j(2012),和Kruss,S.,Srot,V.,van Aken,P.A.&Spatz,J.P.Au-Ag hybrid nanoparticle patterns of tunable size and density on glass and polymeric supports.Langmuir 28,1562-1568,doi:
10.1021/la204395d(2012)，其每一个以其整体引入作为参考。

[0161] SWNT凝胶的光学表征.藻酸盐-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT溶液如上所述制备，其中150μl等分部分的藻酸盐溶液被浇塑在2kDa分子量截留的slide-A-lyzer微型透析设备中且被置于0.1M氯化钡浴中以进行交联，且150μl等分部分的PEG溶液被浇在直径4.5mm且高度9mm的管中以通过UV-B光交联。该交联的PEG和藻酸盐水凝胶填料在96-孔板中分别被置于150μl水和150μl 0.1M氯化钡中，且使之在测试前平衡24小时。

[0162] SWTN水凝胶的荧光放射在定制近红外荧光显微镜(nIR阵列)中测量。简言之，Zeiss AxioVision倒置显微镜通过PI-Acton SP150摄谱仪连接至Princeton Instruments InGaAs 1-D阵列检测器。SWNT溶液使用785nm、150mW(样品平面上80mW)光电二极管激光(B&W Tek Inc.)激发，且所得荧光通过具有X20物镜的显微镜和所连的光学器件收集。

[0163] SWNT凝胶的流变性表征.将藻酸盐-(GT)15-SWNT和PEG-(GT)15-SWNT溶液如上所述制备，其中在20mm直径的环模中浇注1.25ml等分部分以交联，形成水凝胶盘。流变性表征在AR2000流变仪(TA Instruments)上进行，使用20mm的平行钢板几何体。粘附性砂纸用于保证凝胶顶部和底部表面的恰当且恒定的接触。使用1Hz频率进行初始应变扫描，且然后是具有0.1％和0.01％应变(分别针对藻酸盐和PEG凝胶)的频率扫描。

[0164] 组织成像.体内成像在之前所述的整体动物成像平台上进行(参见，Iverson，N.M.等人In Vivo Biosensing Via Tissue Localizable Near Infrared Fluorescent Single Walled Carbon Nanotubes.Nature Nanotechnology 8,873-880(2013)，其以其整TM体引入作为参考)，使用液晶可调谐带通滤波器和CCD照相机(Maestro  CRi)。该研究使用的滤波器的波长范围为650至1050nm，带通40nm。光谱2D图像-波长堆栈从分离为三种上述成分的任意自体荧光中减去背景(参见，Iverson，Nanotechnology，2013)。各步骤中，以
10nm增量和20秒积分时间使用950至1050nm的放射窗收集具体图像。

[0165] SWNT荧光淬灭.PEG-(GT)15-SWNT和藻酸盐-(GT)15-SWNT的SWNT nIR荧光谱用上述nIR显微镜在96-孔板中测量(参见，Iverson，Nanotechnology，2013)。150μL(GT)15-SWNT样品以2、5、10和25mg L-1的浓度制备且也在96-孔板中测试。通过添加1.5μl 10mM核黄素(Sigma)至各孔进行模型淬灭实验，与添加1.5μl水的对照样品进行对比。该样品在室温在摇动器中培养1小时，然后在nIR阵列中成像。

[0166] SWNT凝胶的光漂白.将PEG-(GT)15-SWNT和藻酸盐-(GT)15-SWNT置于润湿的滤纸片上(BioRad mini Trans-Blot)，暴露于651nm 14mW激光且通过动物成像系统每5分钟成像，保持4小时的区间。该样品在整个光漂白研究过程中连续暴露于激光辐射。

[0167] SWNT凝胶的长期稳定性.PEG-(GT)15-SWNT和藻酸盐-(GT)15-SWNT在nIR阵列和整体动物成像系统上分析60-90天。凝胶如上成像且在25℃在成像之间储存在其缓冲溶液中(对PEG和藻酸盐凝胶分别为水和BaCl2)。

[0168] 用模型组织进行组织深度检测.将组织模型(鸡胸)切成2、4、6、8或10mm的厚度，且均一半径为2cm。1cm厚的组织切片被置于整体动物成像平台，其中凝胶样品在组织中心，且具体厚度的样品组织被置于该堆积物(stack)的顶部以用于成像。对每个测试的厚度使用三种不同凝胶和三个不同样品组织将其重复进行。对于nIR阵列成像系统，不同厚度的鸡胸组织切片被置于显微镜载玻片上，且凝胶填料被置于组织样品顶部。对于0、1、2、3和4mm厚度的样品，PEG水凝胶的暴露时间分别为9、14、16、24和36秒，且对于相同鸡胸样品藻酸盐凝胶的暴露时间为4、6、8、12和20秒。鸡胸组织的吸收使用UV-可见-nIR分光光度计(UV-3101PC Shimadzu)测量。

[0169] 用于去卷积原始数据的数学公式

[0170] Maestro提供的图像数据为3D图像堆栈的形式，其中各层为特定波长的检测的光子数量的规则的2D图像。这些图像在处理之前通过maestro按比例缩放。

[0171] 分析之前，将图像堆栈去卷积以提供表示纳米管、背景组织和自体荧光噪声的相对贡献的图像。其通过进行荧光光谱的线性拟合的最小二乘最小化来进行。使用以下模型:

[0172] 测量值＝ix，模型值＝B*bx+N*nx+A*ax

[0173] 其中ix为特定像素的测量的光谱(归一化到1)，bx和nx分别为背景和纳米管光谱，且ax为白色噪声自体荧光光谱。bx和nx光谱直接从Maestro.csl文件获得。这些文件首先通过Maestro软件通过奇异值分解或其它用户辅助方法计算。ax光谱相对x为恒定的。所有光谱被归一化以具有平均值为1。对各像素使用正系数求解以下定义最小化的方程组：

[0174]

[0175]

[0176] 随后，生成感兴趣图像的白加黑区域以限定围绕肝的区域，且随后对这些区域进行数据分析。

[0177] 对于各像素，为寻找提供与测量光谱最佳拟合的荧光谱的线性组合，应最小化以下的求和:

[0178]

[0179] 其中bx、nx、ax、ix为背景、纳米管、自体荧光和被归一化以具有平均值为1的图像的谱。A、B、N为线性系数。

[0180] 然而，由于假设纳米管、背景和自体荧光为仅有的荧光光源，存在以下限制:

[0181] A+B+N＝1,0≤A,B,N≤1

[0182] 这些限制可用于简化问题。现在以下应被最小化:

[0183]

[0184] 相对B和N求偏导数且使其等同于0，给出了:

[0185]

[0186]

[0187] 解这两个方程得到:

[0188]

[0189]

[0190] A＝1-N-B

[0191] 这允许我们重新计算以下值:

[0192]

[0193]

[0194]

[0195]

[0196] 以及以下矢量:

[0197] vecNanoAutoDif＝(nx-ax)

[0198] vecBackAutoDif＝(bx-ax)

[0199] 然而，由于非负性约束，如果任一计算的常数为负的，取其为0，且重新计算(使用类似的最小化和重新计算的常数和矢量以进行优化)。如果这导致另一值为负的，它们都被设定为0且剩余值默认变为1。

[0200] 该问题针对3个源明确得到解决，并且其可按需要针对尽可能多的源得到解决，只要光谱中有比存在的源更多的波长(x)(否则该问题没有唯一的解决方案)。非负性和求和为1的限制仍然必须被遵守。

[0201] 用于去卷积原始数据的Matlab代码

[0202]

[0203]

[0204]

[0205]

[0206]

[0207]

[0208] 其它实施方案在以下权利要求的范围内。