Các tính chất quang của vật liệu có vai trò rất quan trọng khi thăm dò vào các tế bào sống. Vì các tính chất khác, như điện từ của vật liệu có thể ảnh hưởng, làm biến tính các tế bào sống, hoặc thậm chí phá hỏng chúng. Do đó, các sóng có năng lượng thấp thường được dùng để nghiên cứu và tìm hiểu chúng. Nhưng tín hiệu từ các vật liệu sinh học là rất yếu do hiệu ứng tự phát quang tự nhiên trong các môi trường sinh học. Sự kết hợp giữa các vật liệu vô cơ và hữu cơ là phương án tốt để khắc phục những hạn chế đó, để tạo thành các chíp cảm biến, thiết bị sinh học hoặc các thiết bị khác hoạt động ở mức dưới tế bào.
Các ống nano cacbon đơn thường được cuộn lại từ các tám graphene với đường kính cỡ nanomet có tính chất quang đặc biệt. Các ống SWNT bán dẫn khi tiếp xúc với các chất có tính hoạt động bề mặt trong môi trường nước, chúng phát quang ở dãi cận hồng ngoại một cách rõ ràng, nhờ tính chất của bề rộng vùng cấm của chúng. Bề rộng vùng cấm này rất nhạy với môi trường điện môi định xứ xung quanh SWNT, và tính chất này có thể được lợi dụng trong cảm ứng, mà gần đây đã được dùng để phát hiện đường Dglucose.
Trong số các phân từ có thể liên kết với bề mặt của SWNTs là DNA ở trạng thái xoắn kép. Các chuỗi ADN trên 20nu (oligonucleotide) sẽ chuyển trạng thái từ trạng thái tự nhiên, xoắn phải sang trạng thái xoắn trái khi hấp thụ cation và trung hoà điện tích âm ở backbone. Người ta đã chỉ ra rằng sự chuyển trạng thái liên tục từ trạng thái B sang trạng thái Z của một đoạn ADN xoắn kép gồm khoảng 30 nucleotide sẽ làm thay đổi môi trường điện môi của SWNT và làm giảm năng lượng phản xạ xuống 15 meV. Chúng ta có thể dùng tín hiệu huỳnh quang này để xác định các cation của kim loại hoá trị 2 đã bám vào ADN và khiến chúng ổn định ở trạng thái Z. Nhiệt động lực học của sự thay đổi hình dạng ADN xung quanh SWNT là gần như thuận nghịch. Những cảm biến cận hồng ngoại này có thể hoạt động trong những môi trường tán xạ hoặc hấp thụ mạnh. Nhóm nghiên cứu của Heller đã chứng minh được điều này khi họ đã dò tìm được các ion thuỷ ngân trong máu, tế bào sống.
Để chế tạo các chíp cảm biến, các nhà nghiên cứu bắt đầu cuốn một đoạn xoắn kép ADN xung quanh bề mặt của ống nano cacbon đơn tường, giống như một đoạn dây cáp bọc quanh một cây bút chì. ADN bắt đầu bọc
quanh ống nano với hình dạng nhất định nhờ các điện tích âm dọc theo backbone trên bề mặt. Khi ADN phơi nhiễm với các ion của các nguyên tử nhất định - như Calsi, thuỷ ngân, natri - các điện tích âm bị trung hoà và ADN thay đổi hình dạng, tương tự như sự chuyển trạng thái bình thường của ADN từ trạng thái B sang trạng thái Z. Việc thay đổi hình dạng này làm giảm diện tích che phủ bề mặt của ADN, làm nhiễu loạn cấu trúc điện và sự chuyển mức tự nhiên của ống nano, phát xạ cận hồng ngoại xuống mức năng lượng thấp hơn. Sự thay đổi năng lượng phát xạ xác định số lượng ion liên kết vơi ADN. Khi tách các ion ra khỏi dung dịch sẽ khiến cho năng lượng bức xạ trở về giá trị ban đầu và trả ADN lại trạng thái ban đầu, khiến cho quá trình trở nên thuận nghịch và chíp có thể tái sử dụng được.