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在4月17日，中科院硅酸鹽研究所施劍林、步文博和中國科學院腦科學與智能技術卓越中心杜久林、熊志奇等人報道了利用上轉換材料納米傳感器對鉀離子進行近紅外成像，相關成果發表在Science Advances上。

1. Science Advances：一種高靈敏度、高選擇性的近紅外鉀離子成像納米傳感器

K⁺濃度是多種生物體過程中的重要指標，目前成功開發了多種光學K⁺離子探針用于監測生物體中的K⁺變化，但是目前的K⁺離子探針具有一定缺陷，比如靈敏度較低，難以對生物體中的信號變化清楚的表征。此外，對生物體中的深部組織的探測無法實現，這是因為目前大多數的K⁺探針使用波長較低的光激發。

于此，中科院硅酸鹽研究所施劍林、步文博，中國科學院腦科學與智能技術卓越中心杜久林、熊志奇等報道了紅外K⁺離子納米探針實現了對生物組織和活體動物深層結構的高選擇性高響應度的成像監測。這種納米探針通過上轉換材料進行測試（在多孔SiO₂納米粒子中裝載上轉換納米材料和K⁺指示劑）并在SiO₂上包覆K⁺離子過濾膜，通過離子過濾膜對K⁺的選擇性過濾，上轉換納米粒子通過吸收紅外光并轉變為紫外光，激發K⁺指示劑，因此能夠對環境中的K⁺濃度變化進行表征。

文章要點：

要點1：材料合成

YCl₃，YbCl₃，TmCl₃溶解于油酸和1-十八碳烯混合溶液中，Ar氣氛中加熱到156 ℃保持1 h，降低到室溫后加入NH₄F和NaOH的甲醇溶液，隨后加熱到290 ℃保持1.5 h，得到NaYF₄:Yb納米粒子。隨后在NaYF₄:Yb界面上包覆一層NaYF₄:Yb/Nd。通過將合成的NaYF₄:Yb/Nd/NaYF₄:Yb分散到Igepal CO-520環己烷溶液中，加入NH₃水，緩慢加入TEOS原硅酸四乙酯，得到包裹有SiO₂的材料。隨后再負載一層介孔SiO₂膜，通過加入CTAC十六烷基三甲基氯化銨、TEA三乙醇胺，在80 ℃中加入TEOS，得到包覆介孔SiO₂層的材料。在材料表面負載保護層：保護膜前驅液配制，將N-芐基水楊酰胺、K₂CO₃溶解于DMF中，加熱到90 ℃，隨后加入1,1,1-三（對甲苯磺酰氧基甲基）乙烷、2-氨基對苯二甲酸攪拌24 h。通過柱層析方法（石油醚/乙酸乙酯：2：1）得到白色固體保護膜原料。在乙腈溶液中將保護膜負載到上轉換復合納米材料表面。

要點2：水溶液中的K+離子監測性能測試

對150 mM K⁺, 150 mM Na⁺, 2 mM Ca²⁺, 2 mM Mg²⁺, 50 μM Fe²⁺, 2 mM Zn²⁺, 50 μM Mn²⁺, 50 μM Cu²⁺監測性能顯示，K⁺離子指示劑對K⁺的選擇性較高。并且結果顯示界面上~2 nm厚度的過濾膜改善了監測性能。

要點3：細胞中微量K+測試

在納米顆粒界面上負載一層PEG膜結構防止對蛋白質的無選擇吸附、并改善探針的穩定性，結果顯示這種探針具有監測生物體中的K⁺變化能力。對鼠大腦和斑馬魚大腦中的K⁺和Ca²⁺監測。

Jianan Liu, et al. A highly sensitive and selective nanosensor for near-infrared potassium imaging，Science Advance 2020, 6, 16, eaax9757

DOI: 10.1126/sciadv.aax9757

https://advances.sciencemag.org/content/6/16/eaax9757.full

而在十天之前的4月7日，該兩個課題組合作的同樣利用納米傳感器對神經元活動進行成像的研究成果發表在化學頂刊JACS上。

2. JACS: 近紅外電壓納米傳感器能夠實時成像小鼠和斑馬魚的神經元活動

具有監視神經元活動能力的光學電壓傳感器是研究大腦信息處理的寶貴工具。但是，當前的遺傳編碼電壓指示器通常需要高功  率的可見光來激發，并且僅限于基因可尋址的模型動物。于此，中國科學院腦科學與智能技術卓越中心杜久林和中科院硅酸鹽研究所施劍林、步文博等人報道了近紅外（NIR）激發的非遺傳電壓納米傳感器，可在完整動物中實現穩定的神經元膜電位記錄。

本文要點：

1）納米傳感器由F?rster共振能量轉移（FRET）對，外膜錨定的上轉換納米粒子（UCNP）和膜嵌入的六硝基二苯胺（Dipicrylamine，DPA）組成。DPA的負電荷會使膜電位波動而影響DPA與UCNP之間的距離，從而進一步改變FRET效率。因此，納米傳感器的發射強度可以報告膜電位。

2）使用納米傳感器，不僅可以監測培養的細胞膜電位的電誘發變化，還可以監測完整斑馬魚中神經元的感覺反應以及完整小鼠中皮質神經元的腦部狀態調節閾下活性。

Jianan Liu, et al. Near-Infrared Voltage Nanosensors Enable Real-Time Imaging of Neuronal Activities in Mice and Zebrafish. Journal of the American Chemical Society 2020.

DOI: 10.1021/jacs.0c01025

https://doi.org/10.1021/jacs.0c01025

奇物論關于施劍林院士課題組之前的研究報道部分如下：（點擊查看詳情） 

1. 施劍林/陳雨等Angew：納米老藥用出新高度！巧妙的1+1>2腫瘤饑餓-化學療法

2. 施劍林院士等AM：富銅普魯士藍納米藥物用于放大光熱治療

3. 施劍林院士團隊AM：納米催化藥物的不足，可用自噬抑制劑來彌補！

4. 施劍林院士Adv. Sci.: 抑制自噬，讓癌細胞再餓一會兒