离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料、纳米传感器及其产品和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料、纳米传感器及其产品和应用。其中，离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料包括介孔二氧化硅纳米粒子和沉积于介孔二氧化硅纳米粒子表面的离子特异性滤膜。纳米传感器包括离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料以及吸附在介孔二氧化硅纳米粒子内的相应的离子指示剂。该纳米传感器可高选择性、高灵敏度的对自由移动的活体细胞外离子浓度的变化进行动态成像，从而反应脑部神经活动情况。

Ion Specific Filtration Mesoporous Silicon Composites, Nanosensors and Their Products and Applications

The invention relates to an ion-specific filter membrane/mesoporous silicon composite material, a nanosensor and its products and applications. Among them, ion-specific membrane/mesoporous silica composite materials include mesoporous silica nanoparticles and ion-specific membrane deposited on the surface of mesoporous silica nanoparticles. Nanosensors include ion-specific membrane/mesoporous silica composite materials and corresponding ion indicators adsorbed in mesoporous silica nanoparticles. The nanosensor can be highly selective and sensitive for dynamic imaging of free-moving extracellular ion concentration changes in vivo, thus reflecting brain nerve activity.

【技术实现步骤摘要】
离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料、纳米传感器及其产品和应用
本专利技术涉及纳米传感器的制备领域，具体涉及一种离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料、纳米传感器及其产品和应用。
技术介绍
长期以来，人们需要利用记录神经元活动的技术来了解大脑的工作原理。为此，科学家们已积极尝试构建用于绘制组织电生理学的可伸缩电极阵列，并且设计各种能够非侵入地测量钙或电压变化的传感器。这些进步为大脑的研究开辟了新途径，并带来了许多新的生物学见解。K+是决定膜电位的关键因素之一，细胞外K+浓度([K+]o)的改变可直接影响膜电位并广泛影响神经元活动，如电压门控通道的激活和失活、突触传递和神经递质的生电性转运。因此，K+通过细胞膜的特异性渗透从根本上影响电信号并构成信息存储和转移的基础。此外，异常的[K+]o信号与许多脑部疾病有关联，如癫痫、皮质扩散性抑制和缺血性中风。鉴于K+在大脑各种生理和病理功能中起重要作用，在复杂行为中精确测量[K+]o动力学具有重要的科学意义。然而，由于可用的K+敏感性探针的限制，这仍然具有挑战性。时至今日，可用的K+光学传感器(例如Xiangxing,K.；Fengyu,S.；Liqiang,Z.；Jordan,Y.；Fred,L.；Zhengwei,S.；Yanqing,T.；Meldrum,D.R.,AHighlySelectiveMitochondria-TargetingFluorescentK(+)Sensor.AngewandteChemie2015,127(41),12221-12225.和Yang,Y.；Cuartero,M.；V.R.；Gooding,J.J.；Bakker,E.,Light-AddressableIonSensingforReal-TimeMonitoringofExtracellularPotassium.AngewandteChemieInternationalEdition2018,57(51),16801-16805.)可以对培养的细胞、小鼠脑切片或麻醉动物的[K+]o进行时空动力学的常规测量，但无法实现在自由移动的动物中进行测量。由于动物行为影响大脑的状态，自由移动的动物脑部[K+]o变化动态成像对他们的行为和神经活动的直接比较分析是至关重要的。然而，这种动态成像至今未被报道，主要存在以下几点原因。第一，在神经放电过程中，[K+]o的最大变化只有十倍(从3nM增加到30nM，然而细胞外Ca2+的浓度变化可以高达104倍)；K+光学传感器的灵敏度不够高，不足以探测到如此狭窄的[K+]o波动范围。第二，尽管K+传感器的选择性有了显著的提高，但仍未能很好的区分开Na+和K+。在神经放电过程中，K+外流经常伴随相应量Na+内流，假若K+传感器选择性不够高，在结合K+的同时还会结合Na+，那么细胞外Na+浓度的下降会抵消部分[K+]o改变诱导的信号变化幅度。因此，构建具有高灵敏度和高选择性的新型K+传感器对[K+]o的动态成像至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料、纳米传感器及其产品和应用。本专利技术所提供的技术方案为：一种离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，包括介孔二氧化硅纳米粒子和沉积于介孔二氧化硅纳米粒子表面的离子特异性滤膜；所述离子特异性滤膜由结构式(1)的分子组装而成。本专利技术中由于离子特异性滤膜由结构式(1)的分子组装而成，滤膜的孔道直径适宜且富含碳基，使得离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料能够选择性捕获钾离子。离子特异性滤膜捕获钾离子，随后将离子扩散至介孔二氧化硅纳米粒子，局部离子浓度升高利于信号放大，同时介孔二氧化硅纳米粒子可以携载离子指示剂，可高选择性、高灵敏度的对自由移动的活体细胞外钾离子浓度的变化进行动态成像，从而反应脑部神经活动情况。本专利技术中所述离子特异性滤膜厚度为0.5～100nm。作为优选，所述离子特异性滤膜厚度为0.5～30nm。进一步优选为1.5～20nm。本专利技术中所述的介孔二氧化硅纳米粒子的粒径为5～500nm。作为优选，所述介孔二氧化硅纳米粒子的粒径为5～100nm。进一步优选为30～50nm。本专利技术中所述离子特异性滤膜上的羰基被部分氧化为羧基。由于滤膜上的羰基被部分氧化为羧基，孔道对离子的亲和性发生改变，同时孔道直径缩小，使得离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料能够选择性捕获钠离子。本专利技术中所述离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料的表面修饰有PEG。PEG修饰后，提高其在体内分散性和稳定性，可以实现高选择性、高灵敏度的监测自由移动的活体脑部细胞外离子浓度动态变化，从而反应出脑部神经活动情况。本专利技术中提供一种纳米传感器，包括如上述的离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，以及吸附在介孔二氧化硅纳米粒子内的相应的离子指示剂。介孔二氧化硅纳米粒子具有极大的孔洞体积，能够携载离子指示剂，用于脑部监测细胞外离子浓度的动态变化情况；其次，表面包裹的离子特异性滤膜对某种离子具有较高的亲和性，选择性捕获某种离子并将其扩散至介孔硅，提高局部离子浓度，可实现高选择性、高灵敏度监测。作为优选，当离子特异性滤膜用于特异性捕获钾离子时，所述的离子指示剂为K+指示剂APG、K+指示剂PBFI等。作为优选，当离子特异性滤膜用于特异性捕获钠离子时，所述的离子指示剂为Na+指示剂SBFI等。本专利技术中提供一种如上述的纳米传感器在监测活体脑部细胞外离子浓度动态变化中的应用。作为优选，提供一种纳米传感器在监测自由移动的活体脑部细胞外离子浓度动态变化中的应用。纳米传感器通过对自由移动的活体细胞外钾离子浓度的变化进行动态成像，从而反应脑部神经活动情况，可用于监测脑部神经活动。本专利技术中提供一种离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料的制备方法，包括：1)将N-苄基水杨酰胺和无水碳酸钾加入到N,N-二甲基甲酰胺中，加热至85～95℃，继续加入1,1,1-三(对甲苯磺酰氧基-甲基)乙烷和2-氨基对苯二甲酸反应，得到滤膜前体；2)将滤膜前体沉积于介孔二氧化硅纳米粒子表面，得到钾离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料。步骤1)中的滤膜前体为结构式(1)的分子：1,1,1-tris-{[(2’-benzylaminoformyl)phenoxyl]methyl}ethane。具体的反应式如下：作为优选，所述步骤1)中N-苄基水杨酰胺、无水碳酸钾、1,1,1-三(对甲苯磺酰氧基-甲基)乙烷和2-氨基对苯二甲酸的投料比为：3～4g：2～3g：2.5～3.5g：0.2～0.4ml。作为优选，所述步骤1)中将N-苄基水杨酰胺和无水碳酸钾加入到N,N-二甲基甲酰胺中，加热至85～95℃，继续加入1,1,1-三(对甲苯磺酰氧基-甲基)乙烷和2-氨基对苯二甲酸反应10～15h，将得到的产物用硅胶柱色谱处理，以石油醚-乙酸乙酯混合液为洗脱液，得到白色的滤膜前体。洗脱液中石油醚与乙酸乙酯的体积比为1.5～2.5:1。作为优选，所述介孔二氧化硅纳米粒子的制备：将十六烷基三甲基氯化铵和三乙醇胺溶于去离子水，在90～100℃下反应0.5～5h，继续加入正硅酸乙酯反应0.5～5h；用氯化钠甲醇溶液萃取产物，得到介孔二氧化硅纳米粒子。所述十六烷基三甲基氯化铵、三乙醇胺与正硅酸乙酯的投本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，其特征在于，包括介孔二氧化硅纳米粒子和沉积于介孔二氧化硅纳米粒子表面的离子特异性滤膜；

【技术特征摘要】
1.一种离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，其特征在于，包括介孔二氧化硅纳米粒子和沉积于介孔二氧化硅纳米粒子表面的离子特异性滤膜；所述离子特异性滤膜由结构式(1)的分子组装而成。2.根据权利要求1所述的离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，其特征在于，所述离子特异性滤膜厚度为0.5～100nm；所述的介孔二氧化硅纳米粒子的粒径为5～500nm。3.根据权利要求1所述的离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，其特征在于，所述离子特异性滤膜上的羰基被部分氧化为羧基。4.根据权利要求1或3所述的离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，其特征在于，所述离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料的表面修饰有PEG。5.一种纳米传感器，其特征在于，包括如权利要求1～4任一所述的离子特异性滤膜/介孔硅的复合材料，以及吸附在介孔二氧化硅纳米粒子内的相应的离子指示剂。6.一种如权利要求5所述的纳米传感器在监测活体脑部细胞外离子浓度动态变化中...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌代舜，玄泽焕，陈忠，刘佳男，李方园，
申请(专利权)人：浙江大学，首尔大学校产学协力团，韩国基础科学研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33