隐形眼镜解锁“红外视觉”超能力，复旦合作研究登上《细胞》

在(zài)人类的视网膜上有一类“视锥细胞”，能对(duì)红、绿、蓝三原色特异性响应。三种细胞被激活的比例，决定了人类所看见的颜色。 一直(yìzhí)以来，人类可看见的(de)光波长范围限于400-700纳米，这意味着自然界中的大量潜在信息会被忽略。 与(yǔ)可见光(kějiànguāng)区域紧密相邻的是近红外光，波长范围涵盖700-2500纳米。近红外光被证明具有优异的生物体穿透性能，对生物体的辐射损伤小，被誉为(bèiyùwéi)“生物透明波段”。若能感知更加广阔(guǎngkuò)的近红外（700-2500纳米）波段，将突破人类视觉的极限。 北京时间(shíjiān)5月22日(rì)晚间，复旦大学与中国科学技术大学等国内外科研机构合作(hézuò)研究成果以《上转换隐形眼镜赋能(fùnéng)人类近红外光(hóngwàiguāng)视觉(shìjué)》（“Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses”）为题发表在《细胞》（Cell）杂志上。 该研究创新性地将一种含有多个荧光发射的(de)稀土颗粒与隐形眼镜相结合，通过可(kě)穿戴的形式使人类感知近红外光的时间、空间和(hé)色彩等多维度信息，更为色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案。 十余载跨学科研究，探索近红外光的奥秘(àomì) 澎湃新闻记者从复旦大学方面了解到，近十年来(lái)，复旦大学教授张凡带领课题组，致力于近红外波段的(de)(de)生物医学研究。课题组研发了包括无机稀土纳米材料(nàmǐcáiliào)和有机荧光染料在内的多款近红外发光探针，并对近红外荧光成像设备进行系统性地优化和创新，发展了在小动物等生物活体中的动态多通道(duōtōngdào)成像技术。团队开发的创新成像方法不仅多次(duōcì)在国际顶级刊物上发表，获得了上海市(shànghǎishì)自然科学一等奖和科学探索奖等奖项，而且也实现了基础研究到应用的转化，目前在附属华山医院、肿瘤医院等进行临床(línchuáng)前研究。 元素周期表中(zhōng)，稀土元素(xītǔyuánsù)是指包括钪（Sc）、钇（Y）和镧系在内的(de)(de)17种元素。稀土元素具有非常优异的磁、光、电等性质。光学方面，稀土离子的f能级非常丰富，使其具有广泛且(qiě)尖锐的荧光发射(fāshè)峰，涵盖了紫外、可见光和近红外光区。上转换发光现象，是稀土材料最为重要的光学性质。人们通过使用长波长的近红外光作为激发光源，使其发出短波长的可见区荧光。 2021年，张凡(zhāngfán)团队(tuánduì)与(yǔ)脑科学研究院张嘉漪团队合作(hézuò)，利用稀土离子的上转换发光现象，结合(jiéhé)光遗传学技术，选择性地激活(jīhuó)不同神经元，实现对清醒小鼠运动行为的经颅选择性调控。团队还与北京脑科学与类脑研究所方英团队合作，将稀土上转换发光纳米材料与柔性电极相结合，设计了一种光电信号联用的脑机接口装置，该装置能够长期植入小鼠脑区并多通道地记录神经元的电信号。 团队合成的(de)多色上转换发光纳米材料及其荧光光谱性质。复旦大学(fùdàndàxué) 图 开发多色稀土发光材料，让近红外光(hóngwàiguāng)“肉眼可见” 2022年起，张凡(zhāngfán)团队(tuánduì)与中国科学技术大学薛天团队合作，开展化学与生命科学的交叉融合。 利用稀土离子的上转换发光(fāguāng)特性，可以(kěyǐ)从视觉感知角度赋予人类对红外光的识别能力(nénglì)。通过精巧(jīngqiǎo)设计纳米材料的核壳结构，团队在单个颗粒上同时构建了三个不同的上转换发光区域，由于不同发光区域之间用惰性的壳层阻隔，使得它们各自的能量传递和荧光发射过程(guòchéng)彼此互不干扰，各自独立。 如何将不可见的近红外(jìnhóngwài)光转变为人肉眼(ròuyǎn)可见的光？这需要发挥稀土的优势(yōushì)。课题组成员、化学系2019级直博生(zhíbóshēng)陈子晗介绍，稀土元素具有独特光学性质，通过近红外光激发(jīfā)，可以把不同颜色的光进行转换。人体可以通过纳米颗粒的荧光颜色，判断外界的肉眼不可见的近红外光波长，实现对近红外“色彩”的识别。 研究过程(guòchéng)中，要在单个颗粒(kēlì)上集成多色功能，面临极大挑战。“单颗目标产物从设计到合成至少需一两个月，且需确保每一步零差错。”陈子晗说。为此，团队每日完成合成后，均需对光谱、电镜形貌及纳米结构等进行(jìnxíng)表征监测，全程动态跟踪稀土颗粒生长过程。团队对纳米颗粒进行表面改性(gǎixìng)，使其可分散在高分子(gāofēnzǐ)聚合物溶液中，并最终制作成高度(gāodù)透明的隐形眼镜。 志愿者佩戴隐形眼镜后可识别由不同波长(bōcháng)近红外光组成的“复色光”。复旦大学(fùdàndàxué) 图 志愿者佩戴隐形眼镜后，通过(tōngguò)纳米材料发出红、绿、蓝等三种(sānzhǒng)可见波段的荧光(yíngguāng)，分别感知三种不可见的近红外光，也可以识别由不同波长近红外光组成的“复色光”，以及多组(duōzǔ)由不同波长近红外光组成的图案内容。这表明(biǎomíng)，具有抗干扰、正交发光和多光谱转换特性的多色稀土发光材料，可以有效地实现人类对近红外图像视觉。 志愿者可识别由不同(bùtóng)近红外光组成的图案。复旦大学 图 研究实现了(le)多个近红外光(hóngwàiguāng)视觉的概念验证。未来，相关成果在医疗、信息处理及视觉辅助技术领域具有广泛的应用前景，通过(tōngguò)可穿戴、非侵入式的隐形眼镜，可以(kěyǐ)灵活调节人体视觉的感知范围，有望为色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案。 复旦大学化学系、智能材料与(yǔ)未来能源创新学院张凡教授和中国科学技术大学的(de)薛天教授、马玉乾教授、王胜教授、龚兴龙教授等为论文共同(gòngtóng)通讯作者，复旦大学化学系2019级直博生陈子晗和中国科学技术大学博士研究生(yánjiūshēng)(yánjiūshēng)陈雨诺等为论文共同第一作者，复旦大学智能材料与未来能源创新学院2024级博士研究生杨明珠(míngzhū)参与部分纳米材料合成的工作。 澎湃新闻记者 鞠文韬 通讯员 丁超逸(chāoyì) (本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载(xiàzài)“澎湃新闻”APP)