Near-infrared fluorescent sensors based on single-walled carbon nanotubes for life sciences applications

ChemSusChem

Volumn 4, Issue 7, 2011, Pages 848-863

  Boghossian, Ardemis A ^a   Zhang, Jingqing ^a   Barone, Paul W ^a   Reuel, Nigel F ^a   Kim, Jong Ho ^a   Heller, Daniel A ^a   Ahn, Jin Ho ^a   Hilmer, Andrew J ^a   Rwei, Alina ^a   Arkalgud, Jyoti R ^a   Zhang, Cathy T ^a   Strano, Michael S ^a  

^a Massachusetts Institute of Technology Cambridge   (United States)

Author keywords

analytical methods; biosensor; carbon; fluorescence; nanotubes

Indexed keywords

ABSORPTION; BIOLOGICAL SYSTEMS; BIOSENSORS; CHARGE TRANSFER; DESIGN; FLUORESCENCE; INFRARED DEVICES; MOLECULES; SENSORS; TISSUE;

ANALYTES; ANALYTICAL METHOD; BAND-GAP FLUORESCENCE; BIOLOGICAL TISSUES; CHARGE TRANSFER TRANSITIONS; DESIGN RULES; EMISSION WAVELENGTH; EXCITON QUENCHING; FLUORESCENT EMISSION; FLUORESCENT SENSORS; IN-VITRO; IN-VIVO; LIFE-SCIENCES; NEAR INFRARED; NEAR-INFRARED RANGE; PHOTO-STABILITY; REACTIVE NITROGEN SPECIES; REACTIVE OXYGEN SPECIES; SENSOR MEASUREMENTS; SINGLE-MOLECULE DETECTION; SMALL MOLECULES; SOLVATOCHROMISMS; STOCHASTIC SENSORS; TARGET MOLECULE;

SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES (SWCN);

CARBON NANOTUBE;

ANIMAL; BIOMEDICINE; CHEMICAL ANALYSIS; CHEMISTRY; HUMAN; INFRARED RADIATION; INSTRUMENTATION; METHODOLOGY; REVIEW; SEMICONDUCTOR; SPECTROFLUOROMETRY;

ANIMALS; BIOLOGICAL SCIENCE DISCIPLINES; CHEMISTRY TECHNIQUES, ANALYTICAL; HUMANS; INFRARED RAYS; NANOTUBES, CARBON; SEMICONDUCTORS; SPECTROMETRY, FLUORESCENCE;

EID: 79960349499     PISSN: 18645631     EISSN: 1864564X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/cssc.201100070     Document Type: Review

References (112)

1. S. M. Bachilo, M. S. Strano, C. Kittrell, R. H. Hauge, R. E. Smalley, R. B. Weisman, Science 2002, 298, 2361.
2. F. Wang, G. Dukovic, L. E. Brus, T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 177401.
3. M. S. Arnold, A. A. Green, J. F. Hulvat, S. I. Stupp, M. C. Hersam, Nat. Nanotechnol. 2006, 1, 60
4. X. Tu, S. Manohar, A. Jagota, M. Zheng, Nature 2009, 460, 250.
5. J. Crochet, M. Clemens, T. Hertel, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8058
6. J. Lefebvre, D. G. Austing, J. Bond, P. Finnie, Nano Lett. 2006, 6, 1603
7. D. A. Tsyboulski, J.-D. R. Rocha, S. M. Bachilo, L. Cognet, R. B. Weisman, Nano Lett. 2007, 7, 3080
8. L. J. Carlson, S. E. Maccagnano, M. Zheng, J. Silcox, T. D. Krauss, Nano Lett. 2007, 7, 3698.
9. T. Ando, J. Phys. Soc. Jpn. 1997, 66, 1066.
10. F. Wang, G. Dukovic, L. E. Brus, T. F. Heinz, Science 2005, 308, 838
11. J. Maultzsch, R. Pomraenke, S. Reich, E. Chang, D. Prezzi, A. Ruini, E. Molinari, M. S. Strano, C. Thomsen, C. Lienau, Phys. Rev. B 2006, 74, 166901.
12. M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, R. Saito, A. Jorio, Annu. Rev. Phys. Chem. 2007, 58, 719.
13. C. L. Kane, E. J. Mele, Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 197402.
14. Y. Z. Ma, L. Valkunas, S. M. Bachilo, G. R. Fleming, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 15671.
15. R. Saito, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press, London, 1998.
16. R. Saito, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press, London, 1998.
17. H. Kataura, Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, Y. Achiba, Synth. Met. 1999, 103, 2555.
18. R. B. Weisman, S. M. Bachilo, Nano Lett. 2003, 3, 1235.
19. M. S. Strano, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 16148
20. H. Telg, J. Maultzsch, S. Reich, F. Hennrich, C. Thomsen, Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 177401.
21. J. H. Choi, M. S. Strano, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 223114.
22. V. C. Moore, M. S. Strano, E. H. Haroz, R. H. Hauge, R. E. Smalley, J. Schmidt, Y. Talmon, Nano Lett. 2003, 3, 1379
23. J. H. Choi, M. S. Strano, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 223114
24. M. S. Strano, V. C. Moore, M. K. Miller, M. J. Allen, E. H. Haroz, C. Kittrell, R. H. Hauge, R. E. Smalley, J. Nanosci. Nanotechnol. 2003, 3, 81.
25. J. Chen, M. A. Hamon, H. Hu, Y. S. Chen, A. M. Rao, P. C. Eklund, R. C. Haddon, Science 1998, 282, 95.
26. M. O'Connell, E. Eibergen, S. Doorn, Nat. Mater. 2005, 4, 412
27. B. C. Satishkumar, L. O. Brown, Y. Gao, C.-C. Wang, H.-L. Wang, S. K. Doorn, Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 560.
28. P. W. Barone, R. S. Parker, M. S. Strano, Anal. Chem. 2005, 77, 7556.
29. J. Zhang, A. A. Boghossian, P. W. Barone, A. Rwei, J.-H. Kim, D. Lin, D. A. Heller, A. J. Hilmer, N. Nair, N. F. Reuel, M. S. Strano, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 567
30. H. Jin, D. A. Heller, J.-H. Kim, M. M. Strano, Nano Lett. 2008, 8, 4299
31. H. Jin, D. A. Heller, M. Kalbacova, J.-H. Kim, J. Zhang, A. A. Boghossian, N. Maheshri, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 302
32. E. S. Jeng, J. D. Nelson, K. L. J. Prather, M. S. Strano, Small 2010, 6, 40
33. E. S. Jeng, A. E. Moll, A. C. Roy, J. B. Gastala, M. S. Strano, Nano Lett. 2006, 6, 371
34. D. A. Heller, E. S. Jeng, T. K. Yeung, B. M. Martinez, A. E. Moll, J. B. Gastala, M. S. Strano, Science 2006, 311, 508
35. D. A. Heller, S. Baik, T. E. Eurell, M. S. Strano, Adv. Mater. 2005, 17, 2793
36. J. H. Kim, J. H. Ahn, P. Barone, H. Jin, J. Zhang, D. Heller, M. S. Strano, Angew. Chem. 2010, 122, 1498
37. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1456
38. J. H. Kim, D. A. Heller, H. Jin, P. W. Barone, C. Song, J. Zhang, L. J. Trudel, G. N. Wogan, S. R. Tannenbaum, M. S. Strano, Nat. Chem. 2009, 1, 473.
39. M. C. Hersam, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 387.
40. N. Nair, W. J. Kim, M. L. Usrey, M. S. Strano, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3946
41. M. S. Strano, C. A. Dyke, M. L. Usrey, P. W. Barone, M. J. Allen, H. W. Shan, C. Kittrell, R. H. Hauge, J. M. Tour, R. E. Smalley, Science 2003, 301, 1519.
42. W. J. Kim, N. Nair, C. Y. Lee, M. S. Strano, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 7326.
43. W. J. Kim, M. L. Usrey, M. S. Strano, Chem. Mater. 2007, 19, 1571.
44. A. J. Hilmer, N. Nair, M. S. Strano, Nanotechnology 2010, 21, 495703.
45. M. Zheng, A. Jagota, E. D. Semke, B. A. Diner, R. S. McLean, S. R. Lustig, R. E. Richardson, N. G. Tassi, Nat. Mater. 2003, 2, 338
46. M. Zheng, A. Jagota, M. S. Strano, A. P. Santos, P. Barone, S. G. Chou, B. A. Diner, M. S. Dresselhaus, R. S. McLean, G. B. Onoa, G. G. Samsonidze, E. D. Semke, M. Usrey, D. J. Walls, Science 2003, 302, 1545.
47. S. Ghosh, S. M. Bachilo, R. B. Weisman, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 443.
48. N. Nair, W. J. Kim, R. D. Braatz, M. S. Strano, Langmuir 2008, 24, 1790.
49. R. Mujumdar, L. Ernst, S. Mujumdar, C. Lewis, A. Waggoner, Bioconjugate Chem. 1993, 4, 105
50. R. Benson, H. Kues, Phys. Med. Biol. 1978, 23, 159
51. J. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy, 2nd Ed., Academic/Plenum Publishers, New York, 1999
52. D. Magde, G. Rojas, P. Seybold, Photochem. Photobiol. 1999, 70, 737.
53. S. Wray, M. Cope, D. Delpy, J. Wyatt, E. Reynolds, Biochim. Biophys. Acta 1988, 933, 184.
54. V. Saxena, M. Sadoqi, J. Shao, J. Pharm. Sci. 2003, 92, 2090.
55. S. Kim, Y. T. Lim, E. G. Soltesz, A. M. DeGrand, J. Lee, A. Nakayama, J. A. Parker, T. Mihaljevic, R. G. Laurence, D. M. Dor, L. H. Cohn, M. G. Bawendi, J. V. Frangioni, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 93.
56. L. J. McCartney, J. C. Pickup, O. J. Rolinski, D. J. S. Birch, Anal. Biochem. 2001, 292, 216
57. N. Klonis, N. H. Quazi, L. W. Deady, A. B. Hughes, L. Tilley, Anal. Biochem. 2003, 317, 47.
58. Z. Liu, W. Cai, L. He, N. Nakayama, K. Chen, X. Sun, X. Chen, H. Dai, Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 47
59. Z. Liu, K. Chen, C. Davis, S. Sherlock, Q. Z. Cao, X. Y. Chen, H. J. Dai, Cancer Res. 2008, 68, 6652.
60. D. X. Cui, F. R. Tian, C. S. Ozkan, M. Wang, H. J. Gao, Toxicol. Lett. 2005, 155, 73.
61. C. M. Sayes, F. Liang, J. L. Hudson, J. Mendez, W. H. Guo, J. M. Beach, V. C. Moore, C. D. Doyle, J. L. West, W. E. Billups, K. D. Ausman, V. L. Colvin, Toxicol. Lett. 2006, 161, 135.
62. R. Singh, D. Pantarotto, L. Lacerda, G. Pastorin, C. Klumpp, M. Prato, A. Bianco, K. Kostarelos, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 3357.
63. H. Dumortier, S. Lacotte, G. Pastorin, R. Marega, W. Wu, D. Bonifazi, J. P. Briand, M. Prato, S. Muller, A. Bianco, Nano Lett. 2006, 6, 1522.
64. P. W. Barone, S. Baik, D. A. Heller, M. S. Strano, Nat. Mater. 2005, 4, 86.
65. M. J. Pender, L. A. Sowards, J. D. Hartgerink, M. O. Stone, R. R. Naik, Nano Lett. 2006, 6, 40
66. L. S. Witus, J. D. R. Rocha, V. M. Yuwono, S. E. Paramonov, R. B. Weisman, J. D. Hartgerink, J. Mater. Chem. 2007, 17, 1909.
67. H. Jin, E. S. Jeng, D. A. Heller, P. V. Jena, R. Kirmse, J. Langowski, M. S. Strano, Macromolecules 2007, 40, 6731.
68. M. E. Hughes, E. Brandin, J. A. Golovchenko, Nano Lett. 2007, 7, 1191.
69. S. Meng, P. Maragakis, C. Papaloukas, E. Kaxiras, Nano Lett. 2007, 7, 45
70. S. Manohar, T. Tang, A. Jagota, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 17835
71. R. R. Johnson, A. T. C. Johnson, M. L. Klein, Nano Lett. 2008, 8, 69
72. R. R. Johnson, A. Kohlmeyer, A. T. C. Johnson, M. L. Klein, Nano Lett. 2009, 9, 537.
73. E. Jeng, P. Barone, J. Nelson, M. S. Strano, Small 2007, 3, 1602.
74. N. J. Schork, D. Fallin, J. S. Lanchbury, Clin. Genet. 2001, 58, 250.
75. D. G. Wang, J. B. Fan, C. J. Siao, A. Berno, P. Young, R. Sapolsky, G. Ghandour, N. Perkins, E. Winchester, J. Spencer, L. Kruglyak, L. Stein, L. Hsie, T. Topaloglou, E. Hubbell, E. Robinson, M. Mittmann, M. S. Morris, N. P. Shen, D. Kilburn, J. Rioux, C. Nusbaum, S. Rozen, T. J. Hudson, R. Lipshutz, M. Chee, E. S. Lander, Science 1998, 280, 1077
76. D. Altshuler, L. D. Brooks, A. Chakravarti, F. S. Collins, M. J. Daly, P. Donnelly, Nature 2005, 437, 1299
77. R. M. Twyman, Curr. Top. Med. Chem. 2004, 4, 1421.
78. D. A. Heller, H. Jin, B. M. Martinez, D. Patel, B. M. Miller, T. K. Yeung, P. V. Jena, C. Hobartner, T. Ha, S. K. Silverman, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 114.
79. R. E. Dickerson, H. R. Drew, B. N. Conner, R. M. Wing, A. V. Fratini, M. L. Kopka, Science 1982, 216, 475.
80. J. Garthwaite, C. L. Boulton, Annu. Rev. Physiol. 1995, 57, 683
81. S. Moncada, R. M. Palmer, E. A. Higgs, Pharmacol. Rev. 1991, 43, 109.
82. D. A. Wink, J. B. Mitchell, Free Radical Biol. Med. 2003, 34, 951
83. J. P. Rivot, J. Barraud, C. Montecot, B. Jost, J. M. Besson, Brain Res. 1997, 773, 66.
84. H. Shamoon, H. Duffy, N. Fleischer, S. Engel, P. Saenger, M. Strelzyn, M. Litwak, J. Wylierosett, A. Farkash, D. Geiger, H. Engel, etal., N. Engl. J. Med. 1993, 329, 977.
85. A. H. Barnett, Eur. J. Endocrinol. 2004, 151, T1.
86. P. W. Barone, M. S. Strano, Angew. Chem. 2006, 118, 8318
87. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 8138.
88. P. W. Barone, H. Yoon, R. Ortiz-García, J. Zhang, J.-H. Ahn, J.-H. Kim, M. S. Strano, ACS Nano 2009, 3, 3869.
89. H. Yoon, J. H. Ahn, P. W. Barone, K. Yum, R. Sharma, A. A. Boghossian, J. H. Han, M. S. Strano, Angew. Chem. 2011, 123, 1868
90. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 1828.
91. L. Cognet, D. A. Tsyboulski, J. D. R. Rocha, C. D. Doyle, J. M. Tour, R. B. Weisman, Science 2007, 316, 1465.
92. A. J. Siitonen, D. A. Tsyboulski, S. M. Bachilo, R. B. Weisman, J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2189
93. A. J. Siitonen, D. A. Tsyboulski, S. M. Bachilo, R. B. Weisman, Nano Lett. 2010, 10, 1595.
94. H. Jin, D. A. Heller, J. H. Kim, M. S. Strano, Nano Lett. 2008, 8, 4299.
95. J. A. Imlay, Annu. Rev. Microbiol. 2003, 57, 395.
96. H. Masui, L. Castro, J. Mendelsohn, J. Cell Biol. 1993, 120, 85
97. G. Carpenter, S. Cohen, Annu. Rev. Biochem. 1979, 48, 193.
98. D. S. Talaga, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2007, 12, 285
99. M. Andrec, R. M. Levy, D. S. Talaga, J. Phys. Chem. A 2003, 107, 7454
100. M. Jäger, A. Kiel, D. P. Herten, F. A. Hamprecht, ChemPhysChem 2009, 10, 2486
101. G. F. Schröder, H. Grubmuller, J. Chem. Phys. 2003, 119, 9920
102. H. Yang, G. B. Luo, P. Karnchanaphanurach, T. M. Louie, I. Rech, S. Cova, L. Y. Xun, X. S. Xie, Science 2003, 302, 262
103. T. C. Messina, H. Y. Kim, J. T. Giurleo, D. S. Talaga, J. Phys. Chem. B. 2006, 110, 16366
104. S. A. McKinney, C. Joo, T. Ha, Biophys. J. 2006, 91, 1941
105. C. Joo, S. A. McKinney, M. Nakamura, I. Rasnik, S. Myong, T. Ha, Cell 2006, 126, 515.
106. D. S. Talaga, J. Phys. Chem. A 2006, 110, 9743
107. D. S. Talaga, J. Phys. Chem. A 2009, 113, 5251.
108. A.A. Boghossian, J.Q. Zhang, F.T. LeFloch-Yin, Z.W. Ulissi, P. Bojo, J.H. Han, J.H. Kim, J.R. Arkalgud, N.F. Reuel, R. Braatz, M.S. Strano, J. Phys. Chem. 2011, in press.
109. J. W. J. Kerssemakers, E. L. Munteanu, L. Laan, T. L. Noetzel, M. E. Janson, M. Dogterom, Nature 2006, 442, 709.
110. P. D. Feigin, Adv. Appl. Probability 1976, 8, 712.
111. N. Keiding, Ann. Stat. 1975, 3, 363.
112. A. G. Walsh, A. N. Vamivakas, Y. Yin, S. B. Cronin, M. S. Unlu, B. B. Goldberg, A. K. Swan, Nano Lett. 2007, 7, 1485.