Graphene is a monolayer of tightly packed carbon atoms that possesses many interesting properties and has numerous exciting applications. In this work, we report the antibacterial activity of two water-dispersible graphene derivatives, graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) nanosheets. Such graphene-based nanomaterials can effectively inhibit the growth of E. coli bacteria while showing minimal cytotoxicity. We have also demonstrated that macroscopic freestanding GO and rGO paper can be conveniently fabricated from their suspension via simple vacuum filtration. Given the superior antibacterial effect of GO and the fact that GO can be mass-produced and easily processed to make freestanding and flexible paper with low cost, we expect this new carbon nanomaterial may find important environmental and clinical applications.

Abstract Coupling nanomaterials with biomolecular recognition events represents a new direction in nanotechnology toward the development of novel molecular diagnostic tools. Here a graphene oxide (GO)‐based multicolor fluorescent DNA nanoprobe that allows rapid, sensitive, and selective detection of DNA targets in homogeneous solution by exploiting interactions between GO and DNA molecules is reported. Because of the extraordinarily high quenching efficiency of GO, the fluorescent ssDNA probe exhibits minimal background fluorescence, while strong emission is observed when it forms a double helix with the specific targets, leading to a high signal‐to‐background ratio. Importantly, the large planar surface of GO allows simultaneous quenching of multiple DNA probes labeled with different dyes, leading to a multicolor sensor for the detection of multiple DNA targets in the same solution. It is also demonstrated that this GO‐based sensing platform is suitable for the detection of a range of analytes when complemented with the use of functional DNA structures.

Nucleic-acid aptamers have attracted intense interest and found wide applications in a range of areas. In this review, we summarize recent advances in the development of aptamer-based biosensors and bioassay methods, most of which have employed electrochemical, optical and mass-sensitive analytical techniques. Aptamers exhibit many advantages as recognition elements in biosensing when compared to traditional antibodies. They are small in size, chemically stable and cost effective. More importantly, aptamers offer remarkable flexibility and convenience in the design of their structures, which has led to novel biosensors that have exhibited high sensitivity and selectivity. Recently, the combination of aptamers with novel nanomaterials has significantly improved the performance of aptamer-based sensors, which we also review in this article. In view of the unprecedented advantages brought by aptamers, we expect aptamer-based biosensors to find broad applications in biomedical diagnostics, environmental monitoring and homeland security.

A single-layer MoS2 nanosheet exhibits high fluorescence quenching ability and different affinity toward ssDNA versus dsDNA. As a proof of concept, the MoS2 nanosheet has been successfully used as a sensing platform for the detection of DNA and small molecules.

We report a strategy for the reagentless transduction of DNA hybridization into a readily detectable electrochemical signal by means of a conformational change analogous to the optical molecular beacon approach. The strategy involves an electroactive, ferrocene-tagged DNA stem-loop structure that self-assembles onto a gold electrode by means of facile gold-thiol chemistry. Hybridization induces a large conformational change in this surface-confined DNA structure, which in turn significantly alters the electron-transfer tunneling distance between the electrode and the redoxable label. The resulting change in electron transfer efficiency is readily measured by cyclic voltammetry at target DNA concentrations as low as 10 pM. In contrast to existing optical approaches, an electrochemical DNA (E-DNA) sensor built on this strategy can detect femtomoles of target DNA without employing cumbersome and expensive optics, light sources, or photodetectors. In contrast to previously reported electrochemical approaches, the E-DNA sensor achieves this impressive sensitivity without the use of exogenous reagents and without sacrificing selectivity or reusability. The E-DNA sensor thus offers the promise of convenient, reusable detection of picomolar DNA.

Graphene is a single layer of sp2-bonded carbons that has unique and highly attractive electronic, mechanical, and thermal properties. Consequently, the potential impact of graphene and its derivatives (e.g., graphene oxide, GO) on human and environmental health has raised considerable concerns. In this study, we have carried out a systematic investigation on cellular effects of GO nanosheets and identified the effect of fetal bovine serum (FBS), an often-employed component in cell culture medium, on the cytotoxicity of GO. At low concentrations of FBS (1%), human cells were sensitive to the presence of GO and showed concentration-dependent cytotoxicity. Interestingly, the cytotoxicity of GO was greatly mitigated at 10% FBS, the concentration usually employed in cell medium. Our studies have demonstrated that the cytotoxicity of GO nanosheets arises from direct interactions between the cell membrane and GO nanosheets that result in physical damage to the cell membrane. This effect is largely attenuated when GO is incubated with FBS due to the extremely high protein adsorption ability of GO. The observation of this FBS-mitigated GO cytotoxicity effect may provide an alternative and convenient route to engineer nanomaterials for safe biomedical and environmental applications.

Designed oligonucleotides can self-assemble into DNA nanostructures with well-defined structures and uniform sizes, which provide unprecedented opportunities for biosensing, molecular imaging, and drug delivery. In this work, we have developed functional, multivalent DNA nanostructures by appending unmethylated CpG motifs to three-dimensional DNA tetrahedra. These small-sized functional nanostructures are compact, mechanically stable, and noncytotoxic. We have demonstrated that DNA nanostructures are resistant to nuclease degradation and remain substantially intact in fetal bovine serum and in cells for at least several hours. Significantly, these functional nanostructures can noninvasively and efficiently enter macrophage-like RAW264.7 cells without the aid of transfection agents. After they are uptaken by cells, CpG motifs are recognized by the Toll-like receptor 9 (TLR9) that activates downstream pathways to induce immunostimulatory effects, producing high-level secretion of various pro-inflammatory cytokines including tumor necrosis factor (TNF)-α, interleukin (IL)-6, and IL-12. We also show that multivalent CpG motifs greatly enhance the immunostimulatory effect of the nanostructures. Given the high efficacy of these functional nanostructures and their noncytotoxic nature, we expect that DNA nanostructures will become a promising tool for targeted drug delivery.

We determined the distribution and biocompatibility of graphene oxide (GO) in mice by using radiotracer technique and a series of biological assays. Results showed that GO was predominantly deposited in the lungs, where it was retained for a long time. Compared with other carbon nanomaterials, GO exhibited long blood circulation time (half-time 5.3 ± 1.2 h), and low uptake in reticuloendothelial system. No pathological changes were observed in examined organs when mice were exposed to 1 mg kg−1 body weight of GO for 14 days. Moreover, GO showed good biocompatibility with red blood cells. These results suggested that GO might be a promising material for biomedical applications, especially for targeted drug delivery to the lung. However, due to its high accumulation and long time retention, significant pathological changes, including inflammation cell infiltration, pulmonary edema and granuloma formation were found at the dosage of 10 mg kg−1 body weight. More attention should be paid to the toxicity of GO.

In this communication, we report a highly generalizable strategy, target-responsive electrochemical aptamer switch (TREAS) for the development of aptamer-based biosensors. In a typical TREAS design for ATP detection, the aptamer oligonucleotide dually labeled with thiol and ferrocene groups is hybridized with its complementary strand, and the thiolated duplex is self-assembled on a gold electrode. This duplex is responsive to the target ATP, which liberates the complementary strand and forms the aptamer−target complex. The electroactive ferrocene moiety, which is distal to the electrode surface in the absence of ATP, is moved to the proximal position during the binding-induced structural transition. This binding turns on the electron transfer and leads to measurable electrochemical signals for quantification of ATP. We then demonstrate that TREAS is a signal-on, reagentless sensor that can selectively detect ATP and features both generalizability and simplicity in design.