作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 钾离子纳米传感器的设计及传感机理
(一)纳米传感器合成示意图
合成了NaYF4:Yb/Tm@NaYF4:Yb/Nd (UCNP)核，并用致密的二氧化硅层和连续的介孔二氧化硅壳包覆
蚀刻掉致密的二氧化硅层形成了一个空腔，可以装载PBFI
纳米传感器最后涂上钾离子选择性滤膜
(二)示意图显示了纳米传感器的放大图[来自(一)中的红色虚线框]及其钾离子传感机制
过滤膜层只允许钾离子扩散到纳米传感器内外，从而排除了其他阳离子的干扰
一旦扩散到纳米传感器中，钾离子将立即与PBFI结合
在近红外辐射下，来自铀转化核电厂的上转换紫外光激发PBFI，导致钾键PBFI的发射
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aax9757 研究人员已经开发了许多钾离子探针来检测各种生物过程中钾离子浓度的波动
然而，这种探针对于检测活体动物的生理波动不够灵敏，并且不容易用目前使用的短波长激发来监测深层组织
在一份新的报告中，刘佳楠和中国的一组神经科学、化学和分子工程研究人员描述了一种用于活细胞和动物的近红外钾离子成像的高灵敏度和高选择性纳米传感器
该团队通过在介孔二氧化硅纳米粒子的空腔中封装上转换纳米粒子(UCNPs)和商业钾离子指示剂，并用钾离子选择性滤膜对其进行涂覆，从而构建了纳米传感器
膜从介质中吸附钾离子，过滤掉任何干扰阳离子
在其作用机制中，铀转化纳米粒子将近红外转换为紫外光，以激发钾离子指示剂，并检测培养细胞和疾病动物模型(包括小鼠和斑马鱼幼虫)中波动的钾离子浓度
研究结果现已发表在《科学进展》杂志上
最丰富的细胞内阳离子钾(K+)在包括神经传递、心跳、肌肉收缩和肾功能在内的多种生物过程中极其重要
细胞内或细胞外钾离子浓度(此处称为[钾离子浓度)的变化提示异常的生理功能，包括心脏功能障碍、癌症和糖尿病
因此，研究人员热衷于开发有效的策略来监测[钾离子]波动的动态，特别是直接光学成像
大多数现有探针在生理条件下对钾离子检测不敏感，并且不能区分钠离子/钾离子泵跨膜运输过程中[钾离子]和伴随的钠离子([钠离子])之间的波动
虽然荧光寿命成像可以区分水溶液中的钾离子和钠离子，但该方法需要专门的仪器
大多数钾离子传感器也是由短波长光(包括紫外线或可见光)激活的，这导致在检查活组织时散射明显，穿透深度有限
相比之下，所提出的近红外成像技术将在深层组织成像过程中提供独特的优势，作为一种可行的替代方案
钾离子纳米传感器的结构表征
(A至C)UCNP @ dsio 2(A)、UCNP@dSiO2@mSiO2 (B)和UCNP@hmSiO2 (C)的大角度环形暗场图像
屏蔽纳米传感器的扫描电子显微镜图像
(5)浸入含150毫摩尔钠离子、150毫摩尔钾离子、2毫摩尔钙离子、2毫摩尔镁离子、50微米铁离子、2毫摩尔锌离子、50微米锰离子和50微米铜离子的水溶液中的屏蔽纳米传感器的扫描电镜图像
(五)沿白线的能谱元素线扫描剖面显示，屏蔽纳米传感器的中孔和空腔中只存在钾离子信号
学分:科学进步，doi: 10
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aax9757 钾离子纳米传感器的设计及其结构表征 刘等设计纳米传感器
封装的上转换纳米粒子和商业钾离子指示剂——结合钾离子的苯并呋喃间苯二甲酸盐(PBFI)进入介孔二氧化硅纳米粒子的核心
铀转化纳米粒子能够将近红外光转化为紫外光，并通过发光共振能量转移激发钾离子指示剂的受体
他们用一层薄薄的钾离子选择性滤膜来保护二氧化硅纳米颗粒的外表面，该滤膜带有由羰基氧生成的微孔，以增强特异性
该装置有利于钾离子通过膜孔自由转移，同时防止其他生物相关阳离子扩散
这项技术允许他们检测溶液中[钾离子]的轻微波动
在纳米传感器构建的每一步中，研究小组使用透射电子显微镜来观察纳米粒子的可控结构和外观
动态光散射证实了屏蔽纳米传感器表面存在过滤膜
HEK 293细胞钾离子外排的成像
示意图显示通过链霉亲和素结合的纳米传感器检测钾离子流出，该传感器与生物素修饰的细胞相连
(二)共聚焦显微镜图像，显示在用钾离子外排刺激器(5种微米奈吉宁、5种微米布美他尼和10种微米哇巴因的混合物)处理后的不同时间点，纳米传感器标记的HEK 293细胞的荧光(在400至500纳米和500至600纳米)
(3)纳米传感器荧光变化的时间进程和用钾离子流出刺激器处理后计算的钾离子流出速率的时间依赖性
用不同浓度(20、40、60、80和100%)的钾离子外排刺激剂处理后屏蔽纳米传感器标记的HEK 293细胞的时间依赖性荧光波动
五个独立实验的结果总结为(C)和(D)中的平均扫描电镜
学分:科学进步，doi: 10
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aax9757 纳米传感器在水中和细胞内[钾离子]波动期间的性能
该团队测试了屏蔽纳米传感器在生理范围(0至150毫米)内的增强灵敏度，显示出荧光强度比非屏蔽纳米传感器增加了12倍
钾离子探针对钠离子有很高的选择性，刘等
使用屏蔽纳米传感器通过快速检测对波动[钾离子]的一致荧光灵敏度进行验证，同时不受[钠离子]增加的影响
由于活细胞依靠钠钾腺苷三磷酸酶(钠钾泵)来维持细胞膜上陡峭的[钾]梯度，这个过程是细胞能量消耗的部分原因
细胞能量代谢的缺陷会导致[K+]梯度的丧失，同时产生细胞外[K+]称为[K+]0，科学家对其进行监测，以获得细胞生存能力和生长的有价值的指标
此后，他们通过在含有人胚胎肾293细胞系的培养基中的纳米传感器表面上接枝聚乙二醇来增加纳米传感器检测细胞死亡或增殖速率的特异性
然后，他们通过将大量纳米传感器固定在细胞膜上，使用链霉亲和素结合的纳米传感器固定在生物素修饰的细胞上，从而优化了实验方案
结果强调了屏蔽纳米传感器的灵敏度提高，以连续监测钾离子流出
屏蔽纳米传感器处理的小鼠大脑在通过KCl触发开始扩散抑郁时的K+成像结果
全长视频比真实速度快八倍
学分:科学进步，doi: 10
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aax9757 在老鼠完整的大脑中传播电波 该小组随后应用屏蔽纳米传感器研究了老鼠大脑中的皮层扩散抑制(CSD)，这是一种类似波的神经活动传播
这一过程通常包括皮层表面钾离子的缓慢扩散释放，并可通过氯化钾(KCl)孵育在小鼠大脑中触发
科学家们同时通过外科颅窗监测了局部场电位和光信号，并观察到刺激后一波逐渐增加的[K+]0在大脑皮层传播
刘等
在注射了非屏蔽纳米传感器的小鼠中没有观察到波动，这表明外部过滤器对于提高纳米传感器的灵敏度的重要性
在偏头痛患者中，记录的波速与血氧水平依赖磁共振成像(MRI)获得的值没有显著差异
PTZ处理后斑马鱼仔鱼脑细胞外钾爆发
(一)PTZ治疗诱导神经元钙活性(中)和细胞外钾浓度(右)的增加
左侧:成像的脑区包括左右端脑(分别为左右端脑)、左右缰核(分别为左右缰核)、松果体(分别为左右视顶盖)
中:通过使用基因表达的钙指示剂jRGECO1a来监测神经元钙活性
测量的响应幅度用红色编码，并映射回成像的大脑区域
分散的活动点标记为白色，其相邻区域标记为灰色
选择四个读出放大器(黄色)
右:用钾纳米传感器监测细胞外钾浓度
测量的响应幅度用绿色编码，并映射回成像的大脑区域
(二)在(一)中标记了在四个代表性的感兴趣区域观察到的神经元钙活性(红色)和细胞外钾浓度
在应用PTZ后，神经元钙活性和细胞外钾浓度在几个活性点都增加了，包括松果体和前视顶盖，如ROI1所示
在活动点的邻近区域，神经元钙活动变化不存在或最小，而细胞外钾浓度继续增加(ROII和ROIII)
然而，在远离活性点的区域，神经元钙活性和细胞外钾浓度都没有增加
学分:科学进步，doi: 10
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aax9757 为了拓展纳米传感器的应用，刘等
使用斑马鱼幼虫监测神经元钙水平和细胞外钾浓度
虽然细胞外钾浓度的大幅度增加可引起强烈的神经元激活，从而导致慢性脑供血不足和癫痫，但没有直接证据显示疾病过程中细胞外钾的变化
因此，研究小组利用斑马鱼幼体构建了一个疾病模型，以增加细胞外钾浓度，并观察特定脑区的疾病特征性神经元激活
通过这种方式，刘佳楠和他的同事设计了一种具有极高灵敏度和选择性的钾离子纳米传感器
选择性滤膜的外部涂层增强了该装置在活细胞和完整大脑中快速定量检测钾离子的选择性、灵敏度和动力学
屏蔽纳米传感器将在大脑研究中有广泛的应用，以提高对异常[K+]相关疾病的理解
这种方法与基于光纤的内窥镜和测光技术一起，可以对自由活动的动物进行实时钾成像
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