【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在我們的視網(wǎng)膜上有一類“視錐細胞”，能對紅、綠、藍三原色特異性響應(yīng)，三種細胞被激活的比例決定了人類所看見的顏色。一直以來，人類可看見的光波長范圍僅限于400-700納米，若能感知更加廣闊的近紅外(700-2500納米)波段，將突破人類視覺的極限。
 

　　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)外科研機構(gòu)合作研究成果以“Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses”(《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。
 

　　十余載跨學(xué)科研究，探索近紅外光奧秘
 

　　自然界中的光，包含各種不同頻率的電磁波。當人眼捕獲到外界自然光后，可以激活視網(wǎng)膜上識別紅、綠、藍三原色的三種視錐細胞，并根據(jù)三種視錐細胞被激活的比例，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的大量潛在信息會被忽略。
 

光學(xué)波段的劃分
 

　　與可見光區(qū)域緊密相鄰的是近紅外光，波長范圍涵蓋700-2500納米。近紅外光被證明具有優(yōu)異的生物體穿透性能，對生物體的輻射損傷小，被譽為“生物透明波段”。
 

　　近十年來，復(fù)旦大學(xué)張凡教授帶領(lǐng)課題組致力于近紅外波段的生物醫(yī)學(xué)研究。課題組研發(fā)了包括無機稀土納米材料和有機熒光染料在內(nèi)的多款近紅外發(fā)光探針，并對近紅外熒光成像設(shè)備進行系統(tǒng)性地優(yōu)化和創(chuàng)新，發(fā)展了在小動物等生物活體中的動態(tài)多通道成像技術(shù)。團隊開發(fā)的創(chuàng)新成像方法不僅多次在國際頂級刊物Nature Materials, Nature Nanotechnology和Nature Photonics上發(fā)表，獲得了上海市自然科學(xué)一等獎和科學(xué)探索獎等獎項，而且也實現(xiàn)了基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，目前也在附屬華山醫(yī)院、腫瘤醫(yī)院等進行臨床前研究。
 

　　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)，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，張凡團隊與腦科學(xué)研究院張嘉漪團隊合作，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。團隊還與北京腦科學(xué)與類腦研究所方英團隊合作，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。
 

　　開發(fā)多色稀土發(fā)光材料，讓近紅外光“肉眼可見”
 

　　2022年起，張凡團隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)薛天團隊合作，開展化學(xué)與生命科學(xué)的交叉融合。雙方團隊各展所長，學(xué)習(xí)彼此學(xué)科理論，實現(xiàn)知識體系融合，助力合作推進。
 

　　利用稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性，可以從視覺感知角度賦予人類對紅外光的識別能力。通過精巧設(shè)計納米材料的核殼結(jié)構(gòu)，團隊在單個顆粒上同時構(gòu)建了三個不同的上轉(zhuǎn)換發(fā)光區(qū)域，由于不同發(fā)光區(qū)域之間用惰性的殼層阻隔，使得它們各自的能量傳遞和熒光發(fā)射過程彼此互不干擾，各自獨立。
 

張凡團隊合成的多色上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料及其熒光光譜性質(zhì)
 

　　如何將不可見的近紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)槿巳庋劭梢姷墓猓窟@需要發(fā)揮稀土的優(yōu)勢。課題組成員、化學(xué)系2019級直博生陳子晗介紹，稀土元素具有獨特光學(xué)性質(zhì)，通過近紅外光激發(fā)，可以把不同顏色的光進行轉(zhuǎn)換。人體可以通過納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見的近紅外光波長，實現(xiàn)對近紅外“色彩”的識別。
 

利用多色上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料制作可穿戴的隱形眼鏡
 

　　研究過程中，要在單個顆粒上集成多色功能，面臨極大挑戰(zhàn)。“單顆目標產(chǎn)物從設(shè)計到合成至少需一兩個月，且需確保每一步零差錯。”陳子晗說。為此，團隊每日完成合成后，均需對光譜、電鏡形貌及納米結(jié)構(gòu)等進行表征監(jiān)測，全程動態(tài)跟蹤稀土顆粒生長過程。團隊對納米顆粒進行表面改性，使其可分散在高分子聚合物溶液中，并最終制作成高度透明的隱形眼鏡。
 

志愿者佩戴隱形眼鏡后可識別各種組成的近紅外“復(fù)色光”
 

　　志愿者佩戴隱形眼鏡后，通過納米材料發(fā)出紅、綠、藍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。
 

志愿者可識別由不同近紅外光組成的圖案
 

　　研究實現(xiàn)了多個近紅外光視覺的概念驗證。未來，相關(guān)成果在醫(yī)療、信息處理及視覺輔助技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，通過可穿戴、非侵入式的隱形眼鏡，可以靈活調(diào)節(jié)人體視覺的感知范圍，有望為色盲等視覺疾病的治療提供新的解決方案。
 

　　復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系、智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院張凡教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的薛天教授、馬玉乾教授、王勝教授、龔興龍教授等為論文共同通訊作者，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系2019級直博生陳子晗和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生陳雨諾等為論文共同第一作者，復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院2024級博士研究生楊明珠參與部分納米材料合成的工作。