K⁺浓度是多种生物体过程中的重要指标，目前成功开发了多种光学K⁺离子探针用于监测生物体中的K⁺变化，但是目前的K⁺离子探针具有一定缺陷，比如灵敏度较低，难以对生物体中的信号变化清楚的表征。此外，对生物体中的深部组织的探测无法实现，这是因为目前大多数的K⁺探针使用波长较低的光激发。中科院硅酸盐研究所施剑林、步文博，

中国科学院脑科学与智能技术卓越中心杜久林、熊志奇等报道了红外K⁺离子纳米探针实现了对生物组织和活体动物深层结构的高选择性高响应度的成像监测。这种纳米探针通过上转换材料进行测试（在多孔SiO₂纳米粒子中装载上转换纳米材料和K⁺指示剂）并在SiO₂上包覆K⁺离子过滤膜，通过离子过滤膜对K⁺的选择性过滤，上转换纳米粒子通过吸收红外光并转变为紫外光，激发K⁺指示剂，因此能够对环境中的K⁺浓度变化进行表征。

文章要点

（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气氛中加热到156 ℃保持1 h，降低到室温后加入NH₄F和NaOH的甲醇溶液，随后加热到290 ℃保持1.5 h，得到NaYF₄:Yb纳米粒子。随后在NaYF₄:Yb界面上包覆一层NaYF₄:Yb/Nd。

         通过将合成的NaYF₄:Yb/Nd/NaYF₄:Yb分散到Igepal CO-520环己烷溶液中，加入NH₃水，缓慢加入TEOS原硅酸四乙酯，得到包裹有SiO₂的材料。随后再负载一层介孔SiO₂膜，通过加入CTAC十六烷基三甲基氯化铵、TEA三乙醇胺，在80 ℃中加入TEOS，得到包覆介孔SiO₂层的材料。在材料表面负载保护层：保护膜前驱液配制，将N-苄基水杨酰胺、K₂CO₃溶解于DMF中，加热到90 ℃，随后加入1,1,1-三（对甲苯磺酰氧基甲基）乙烷、2-氨基对苯二甲酸搅拌24 h。通过柱层析方法（石油醚/乙酸乙酯：2：1）得到白色固体保护膜原料。在乙腈溶液中将保护膜负载到上转换复合纳米材料表面。

（2）水溶液中的K⁺离子监测性能测试。对150 mM K⁺, 150 mM Na⁺, 2 mM Ca²⁺, 2 mM Mg²⁺, 50 μM Fe²⁺, 2 mM Zn²⁺, 50 μM Mn²⁺, 50 μM Cu²⁺监测性能显示，K⁺离子指示剂对K⁺的选择性较高。并且结果显示界面上~2 nm厚度的过滤膜改善了监测性能。

（3）细胞中微量K⁺测试。在纳米颗粒界面上负载一层PEG膜结构防止对蛋白质的无选择吸附、并改善探针的稳定性，结果显示这种探针具有监测生物体中的K⁺变化能力。对鼠大脑和斑马鱼大脑中的K⁺和Ca²⁺监测。

参考文献

Jianan Liu, Limin Pan, Chunfeng Shang, Bin Lu, Rongjie Wu, Yun Feng, Weiyu Chen, Rongwei Zhang, Jiwen Bu, Zhiqi Xiong*, Wenbo Bu*, Jiulin Du*, Jianlin Shi*

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