金属离子在生命体中发挥了至关重要的作用,不仅参与生命体组织结构的构成,而且在生命代谢的过程中担任了关键角色。在生命体中,金属离子有着多样化的存在形式和空间分布特征。具体到生命的基本构成单元—细胞,金属离子在不同的细胞器中有着特异性的分布,并且有着游离、结合等多种存在形式,承担着细胞内各种不同的生理功能。因此,在亚细胞层次上,特异性的区分金属离子的存在形式,对金属离子的浓度变化、空间运动行为等进行实时的监测,对于深入了解生命体各种生理机制具有至关重要的作用。目前,对金属离子的检测已经有多种方法,有针对纯溶液的AAS、ICP-MS等,也有具有空间分辨能力的Nano-SIMS、LA-ICP-MS等。相比于这些方法,荧光方法不仅能够实现金属离子的空间分布成像,而且可以应用于活细胞中,对于细胞生理过程的实时检测具有重要意义。但是,目前的荧光方法需精巧设计特异性探针和进行复杂的化学合成,因此,希望开发出简单、通用的荧光分析方法,以实现活细胞中亚细胞层次上金属离子的实时荧光成像。本论文利用离子选择性荧光纳米胶束来实现这一目的。离子选择性荧光纳米胶束是利用两亲性的高分子材料包裹质子化染料、离子载体和离子交换剂组成的胶束颗粒,其中质子化染料作为荧光体,离子载体识别目标离子。当离子载体识别离子时,离子交换引起了染料的去质子化,导致了染料荧光强度的衰减。两者的独立存在意味着可以通过简单更换材料的方式,使得胶束变更光谱区域和目标离子。因为染料和离子载体易于商业化获得,所以这种胶束颗粒充分体现了简单、通用性的特点。在第一个工作中,成功利用离子胶束颗粒实现了对线粒体和溶酶体中Ca2+的同时、实时检测。通过EDC/NHS反应依次在胶束壳层上修饰聚乙烯亚胺(PEI)和三苯基溴化磷(TPP),使得胶束颗粒具有了线粒体的靶向识别能力;同时未能逃逸成功的胶束颗粒也在溶酶体中定位。借助生色离子载体III(ETH 5350)在溶酶体和线粒体中不同的荧光寿命,成功区分了胶束颗粒在两种细胞器中的定位。当向细胞中添加离子霉素(Ionomycin)时,可以发现线粒体中Ca2+浓度的升高,而在溶酶体中的浓度基本没有变化,与细胞Ca2+的缓冲机制相符合。这也为进一步深入了解细胞内离子的转运机制提供了帮助。在第二个工作中,离子胶束颗粒成功实现对细胞外近膜区域K+的实时荧光成像。通过对构成胶束颗粒骨架的F127末端羧基化,使得颗粒表面因羧基表现为负电荷,与表面带负电的细胞膜产生静电排斥。这种排斥减慢了细胞对胶束颗粒的胞吞速度,使得颗粒能够长时间吸附固定在细胞膜上。在向溶液中添加K+引起细胞附近K+浓度的升高后,可以发现胶束颗粒对K+浓度的变化迅速做出了响应,荧光强度迅速下降。这种快速响应的能力表明了胶束颗粒对细胞钾离子通道打开引起的K+对外释放这一行为具有实时检测的可能,使得胶束在探索了解细胞膜K+转运机制方面具有一定的应用前景。