A nanoelectrode array based on vertically aligned multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) embedded in SiO2 is used for ultrasensitive DNA detection. Characteristic electrochemical behaviors are observed for measuring bulk and surface-immobilized redox species. Sensitivity is dramatically improved by lowering the nanotube density. Oligonucleotide probes are selectively functionalized to the open ends of nanotubes. The hybridization of subattomole DNA targets can be detected by combining such electrodes with Ru(bpy)32+ mediated guanine oxidation.

Fluorescence imaging is one of the most powerful techniques for monitoring biomolecules in living systems. Fluorescent sensors with absorption and emission in the near-infrared (NIR) region are favorable for biological imaging applications in living animals, as NIR light leads to minimum photodamage, deep tissue penetration, and minimum background autofluorescence interference. Herein, we have introduced a new strategy to design NIR functional dyes with the carboxylic-acid-controlled fluorescence on–off switching mechanism by the spirocyclization. Based on the design strategy, we have developed a series of Changsha (CS1–6) NIR fluorophores, a unique new class of NIR functional fluorescent dyes, bearing excellent photophysical properties including large absorption extinction coefficients, high fluorescence quantum yields, high brightness, good photostability, and sufficient chemical stability. Significantly, the new CS1–6 NIR dyes are superior to the traditional rhodamine dyes with both absorption and emission in the NIR region while retaining the rhodamine-like fluorescence ON-OFF switching mechanism. In addition, we have performed quantum chemical calculations with the B3LYP exchange functional employing 6-31G* basis sets to shed light on the structure-optical properties of the new CS1–6 NIR dyes. Furthermore, using CS2 as a platform, we further constructed the novel NIR fluorescent TURN-ON sensor 7, which is capable of imaging endogenously produced HClO in the living animals, demonstrating the value of our new CS NIR functional fluorescent dyes. We expect that the design strategy may be extended for development of a wide variety of NIR functional dyes with a suitable fluorescence-controlled mechanism for many useful applications in biological studies.

ConspectusFluorescence imaging is a rapidly growing technique for noninvasive imaging of biological molecules and processes with high spatial and temporal resolution. For effective biological imaging, it is essential and important to develop robust fluorescent dyes, in particular, near-infrared (NIR) fluorescent dyes with favorable optical properties. Compared with the visible light emitting dyes, NIR dyes have relatively longer emission wavelengths (650–900 nm) with lower energy and are advantageous as imaging agents owing to the minimum photodamage of NIR light to biological samples, deep penetration into tissues, and low interference from autofluorescence of biomolecules. Although great efforts have been devoted to engineer NIR fluorophores, it is still very challenging to regulate their photophysical properties as they often lack optically tunable mechanisms, and this shortcoming considerably restricts the realization of their full potential. Consequently, the rational design of small-molecule optically tunable NIR fluorophores is of high priority and great value.In general, two key characteristics are indispensable for designing excellent optically tunable NIR fluorescent dyes. First, NIR fluorescent dyes should display the maximal absorption and emission located in the NIR region and also have the prominent properties including excellent fluorescence quantum yields, large Stokes shifts, good chemical stability and photostability, low cytotoxicity, and desirable compatibility with biological systems. Second, in principle, functional NIR dyes should also possess optically tunable groups, which can be easily modified to afford responsive sites for the targets of interest.With these considerations in mind, in this Account, we described a unique "integration" strategy for judicious design of the optically tunable NIR fluorophores, which are an intuitive combination of the traditional NIR dyes and the optically tunable mechanisms in the visible light emissive dyes. Thus, the versatile strategy may allow not only retention of the NIR emission properties of NIR dyes but also inheritance of the optically tunable mechanisms from the visible light emissive dyes. By the unique integration strategy, a built-in optically tunable group is strategically installed into the traditional NIR fluorescent dyes to directly tune their optical properties. Herein, we present a concise review of the rational design strategy and biological applications of small-molecule optically tunable NIR fluorescent dyes via the unique integration strategy, and we focused mainly on our work and some representative examples from other groups based on our NIR platforms. This Account includes the detailed integration strategy of each class of the NIR fluorescent dyes, the development of their derivatives, and their imaging applications in living systems.

Photoacoustic (PA) tomography is an emerging biomedical imaging technology for precision cancer medicine. Conventional small‐molecule PA probes usually exhibit a single PA signal and poor tumor targeting that lack the imaging reliability. Here, we introduce a series of cyanine/hemicyanine interconversion dyes (denoted Cy‐HCy) for PA/fluorescent dual‐mode probe development that features optimized ratiometric PA imaging and tunable tumor‐targeting ability for precise diagnosis and resection of colorectal cancer (CRC). Importantly, Cy‐HCy can be presented in cyanine (inherent tumor targeting and long NIR PA wavelength) and hemicyanine (poor tumor targeting and short NIR PA wavelength) by fine‐tuning torsion angle and the ingenious transformation between cyanine and hemicyanine through regulation optically tunable group endows the NIR ratiometric PA and tunable tumor‐targeting properties. To demonstrate the applicability of Cy‐HCy dyes, we designed the first small‐molecule tumor‐targeting and NIR ratiometric PA probe Cy‐HCy‐H2S for precise CRC liver metastasis diagnosis, activated by H2S (a CRC biomarker). Using this probe, we not only visualized the subcutaneous tumor and liver metastatic cancers in CRC mouse models but also realized PA and fluorescence image‐guided tumor excision. We expect that Cy‐HCy will be generalized for creating a wide variety of inherently tumor‐targeting NIR ratiometric PA probes in oncological research and practice.