人類可看見的光波長范圍僅限于400-700納米，如果戴上一副由特殊材料制成的隱形眼鏡，未來或許能讓近紅外波段“肉眼可見”。
北京時間5月22日晚間，復(fù)旦大學(xué)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的合作研究成果以《上轉(zhuǎn)換隱形眼鏡賦能人類近紅外光視覺》為題發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）雜志上。該研究創(chuàng)新性地將一種含有多個熒光發(fā)射的稀土顆粒與隱形眼鏡相結(jié)合，通過可穿戴的形式使人類感知近紅外光的時間、空間和色彩等多維度信息，更為色盲等視覺疾病的治療提供新的解決方案。
該研究的通訊作者之一，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院張凡教授告訴第一財經(jīng)，自然界中的光，包含各種不同頻率的電磁波。當(dāng)人眼捕獲到外界自然光后，可以激活視網(wǎng)膜上識別紅、綠、藍(lán)三原色的三種視錐細(xì)胞，并根據(jù)三種視錐細(xì)胞被激活的比例，向大腦發(fā)送外界的顏色信息。然而，相對于自然界廣闊的光學(xué)波段，人眼可感知的波長范圍僅有400-700納米，這就意味著自然界中大量潛在的其他波段信息會被忽略。
而在元素周期表中，稀土元素是指包括鈧（Sc）、釔（Y）和鑭系在內(nèi)的17種元素。稀土元素具有非常優(yōu)異的磁、光、電等性質(zhì)。光學(xué)方面，稀土離子的f能級非常豐富，使其具有廣泛且尖銳的熒光發(fā)射峰，涵蓋了紫外、可見光和近紅外光區(qū)。上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象，是稀土材料最為重要的光學(xué)性質(zhì)，它是一種特殊的反斯托克斯位移發(fā)光過程。人們通過使用長波長的近紅外光作為激發(fā)光源，使其發(fā)出短波長的可見區(qū)熒光。
2021年，張凡團(tuán)隊與復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)研究院張嘉漪團(tuán)隊合作，利用稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象，結(jié)合光遺傳學(xué)技術(shù)，選擇性地激活不同神經(jīng)元，實現(xiàn)對清醒小鼠運動行為的經(jīng)顱選擇性調(diào)控。團(tuán)隊還與北京腦科學(xué)與類腦研究所方英團(tuán)隊合作，將稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料與柔性電極相結(jié)合，設(shè)計了一種光電信號聯(lián)用的腦機(jī)接口裝置，該裝置能夠長期植入小鼠腦區(qū)并多通道地記錄神經(jīng)元的電信號。
他介紹，之所以當(dāng)初想到把含有多個熒光發(fā)射的稀土顆粒與隱形眼鏡相結(jié)合，是因為近紅外波段相較于我們目前肉眼可感知的可見光波段更加廣闊，并且由于稀土具有獨特的上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象，這對于近紅外視覺研究非常有啟發(fā)。
“前期，我們在稀土納米級顆粒的精準(zhǔn)合成和光學(xué)性質(zhì)調(diào)控方面積累了多年的經(jīng)驗，因而我們想到在單個納米顆粒上集成多個近紅外波長響應(yīng)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象，實現(xiàn)對多個不同波長近紅外光的感知。與視覺最相關(guān)的就是眼睛，隱形眼鏡是最便捷的方式，我們發(fā)現(xiàn)納米級的稀土顆粒能夠很好地分散于制作隱形眼鏡的前體溶液中，之后得到的隱形眼鏡也保持了光學(xué)透明的性質(zhì)。因此，通過該款含有稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光顆粒的隱形眼鏡，賦予了人類首次對近紅外視覺的感知能力。”他接受第一財經(jīng)記者采訪時說。
交叉合作開發(fā)多色稀土發(fā)光材料
2022年起，張凡團(tuán)隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天團(tuán)隊合作，開展化學(xué)與生命科學(xué)的交叉融合。他們將具有多色發(fā)光性質(zhì)的稀土納米材料與隱形眼鏡結(jié)合，實現(xiàn)對近紅外“色彩”的識別。
志愿者佩戴隱形眼鏡后，通過納米材料發(fā)出紅、綠、藍(lán)等三種可見波段的熒光，分別感知三種不可見的近紅外光，也可以識別由不同波長近紅外光組成的“復(fù)色光”，以及多組由不同波長近紅外光組成的圖案內(nèi)容。這表明，具有抗干擾、正交發(fā)光和多光譜轉(zhuǎn)換特性的多色稀土發(fā)光材料，可以有效地實現(xiàn)人類對近紅外圖像視覺。
談到研究成果的未來應(yīng)用，張凡對記者補充，在推動成果落地的過程中，離不開化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、工學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域的密切合作。目前該成果初步完成了概念驗證，未來在轉(zhuǎn)化等方面還需要長期不斷研究。例如，在醫(yī)療特別是眼科疾病方面，臨床醫(yī)生對治療視覺相關(guān)疾病的需求是他們十分關(guān)心的，他們也可以根據(jù)疾病診療的實際需求對顆粒的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。
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