“离子”好消息！ 用于近红外光激发的新型钾离子纳米探针出炉

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近日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室杜久林研究组、熊志奇研究组与中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林、步文博研究组合作完成了一项研究。该项研究开发出来了一种可以用近红外光激发的新型钾离子荧光纳米探针，利用这一新型纳米探针，研究团队成功监测了斑马鱼和小鼠脑中伴随性神经活动的钾离子浓度变化。相关研究成果可在《科学进展》期刊上查阅。

据了解，钾离子是人体细胞内和细胞外基质中的主要阳离子，动物体内98%的钾存在于细胞内。而心肌和神经肌肉都需要有相对恒定的钾离子浓度来维持正常的应激性。当血清钾过高时，对心肌有抑制作用，可使心跳在舒张期停止，血清钾过低能使心肌兴奋，可使心跳在收缩期停止。血钾对神经肌肉的作用则与心肌正好相反。因此，钾离子浓度的改变可以从侧面反映神经活动的异常，其成像可以成为研究神经系统功能的新切入口。

当前，钾离子的检测方法有焰色反应、离子选择性电位分析法、火焰光度法、原子吸收分光光度法等，但是这些检测分析方法容易受到其他金属元素的干扰，或者受限于检测仪器的相关要求，故而检测精确度有限。为克服现有技术的不足，达到有效检测钾离子浓度状态的目的，近些年来市场上推出了专门针对钾离子检测用的细胞钾离子浓度荧光定量检测试剂盒。该类检测试剂盒的监测原理为，钾离子敏感性荧光探针与钾离子结合后，其荧光强度会显著增强，然后利用荧光分光光度仪来观察相对荧光峰值的变化，从而达到有效检测细胞内钾离子浓度变化的目的。

然而，不容忽视的是，现有的钾离子探针在活组织中容易被吸收和探测而只能应用于大脑浅层，因此只能使用紫外或者可见光来激发。此外，现有的钾离子探针普遍具有抗干扰性差、选择低，难以有效区分钠钾离子，无法实现对钾离子的特异性监测等缺陷。因此，亟需研发新的钾离子荧光纳米探针，并使用更高穿透力的光束来激发。

在众多穿透力强的电磁波中，研究人员们终选择了近红外光，利用近红外光来激发钾离子荧光探针。据了解，近红外光是一种介于可见光(VIS)和中红外光(MIR)之间的电磁波。在此次研究过程中，研究人员们精心制备了总直径为85 nm左右的三层核壳结构的球状纳米探针。值得一提的是，该探针的内核上转换发光纳米颗粒可以将近红外光转换成可见光，同时作为中间层钾离子荧光探针的激发光。外层2 nm厚的薄膜只允许钾离子进出纳米探针，大大提高了设备的抗干扰能力。

为进一步验证该新型钾离子荧光纳米探针的实用性，研究人员们利用该设备实现了对小鼠偏头痛模型和斑马鱼癫痫模型大脑中存在的钾离子浓度的实时动态监测。在近红外光的激发下，研究人员从偏头痛型小鼠大脑中观察到了钾离子浓度变化以平面波形式传播的现象，这一研究发现为进一步了解皮层扩散性抑制的机制提供了新的技术手段。而在观察具有癫痫的斑马鱼大脑时则印证了钾离子扩散在大规模神经活动发作与传播过程中的作用机制。

综上，此次科研成果为探究动物大脑神经元中的钾离子的动态变化提供了新的监测方法。这意味着，沿着这一研究方向不断迈进，未来或许有望解决诸多疑难的神经性疾病。

资料来源参考：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、高校与高等教育、百度百科

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