隐形眼镜解锁“红外视觉”超能力，复旦合作研究登上《细胞》

在人类的视网膜上有(yǒu)一类“视锥细胞”，能对红、绿、蓝三原色特异性响应。三种细胞被激活的比例(bǐlì)，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。 与可见光区域紧密(jǐnmì)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(shēngwù)体穿透性能，对生物体的辐射损伤小，被誉为“生物透明波段(bōduàn)”。若能感知更加(gèngjiā)广阔的近红外（700-2500纳米）波段，将突破人类视觉的极限。 北京时间5月22日(rì)晚间，复旦大学与(yǔ)中国(zhōngguó)科学技术大学等国内外科研机构(kēyánjīgòu)合作研究成果以《上(shàng)转换隐形眼镜赋能人类近红外光视觉》（“Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses”）为题发表在《细胞(xìbāo)》（Cell）杂志上。 该研究创新性地将(jiāng)一种含有多个荧光发射的稀土颗粒与隐形眼镜相结合，通过可穿戴的形式使(shǐ)人类感知近红外光的时间、空间和色彩等多维度信息，更为色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案(jiějuéfāngàn)。 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，复旦大学教授张凡带领课题组(kètízǔ)，致力于近红外(jìnhóngwài)(jìnhóngwài)波段的生物医学研究(yánjiū)。课题组研发了包括无机稀土纳米材料和有机荧光(yíngguāng)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成像技术。团队开发(kāifā)的创新成像方法不仅多次在国际顶级刊物上发表，获得了上海市自然科学一等奖和科学探索奖等奖项，而且(érqiě)也实现(shíxiàn)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前研究。 元素周期表中，稀土元素是指包括钪（Sc）、钇（Y）和镧系(lánxì)在内的(de)17种元素。稀土元素具有非常(fēicháng)优异的磁、光、电等性质(xìngzhì)。光学方面，稀土离子的f能级非常丰富，使其具有广泛且尖锐的荧光(yíngguāng)发射峰，涵盖了紫外、可见光和近红外光(hóngwàiguāng)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，张凡团队与脑科学研究院(yánjiūyuàn)张嘉漪团队合作，利用稀土离子的上转换发光现象，结合光遗传学技术，选择性地激活不同神经元，实现对清醒小鼠运动行为的经颅选择性调控(tiáokòng)。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(guāngdiàn)信号联用的脑机接口装置，该(gāi)装置能够(nénggòu)长期植入小鼠脑区(nǎoqū)并多通道地记录神经元的电信号。 团队合成(héchéng)的多色上转换发光纳米材料(nàmǐcáiliào)及其荧光光谱性质。复旦大学 图 开发多色稀土发光(fāguāng)材料，让近红外光“肉眼可见” 2022年(nián)起，张凡(zhāngfán)团队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(de)上转换发光(fāguāng)特性，可以从视觉感知角度赋予人类对红外光的识别能力。通过精巧设计纳米材料的核壳结构，团队在单个颗粒(kēlì)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(céng)阻隔，使得它们各自(gèzì)的能量传递和荧光发射过程彼此互不干扰，各自独立。 如何将(jiāng)不可见的(de)近(jìn)红外光转变为人肉眼可见的光？这需要发挥稀土的优势。课题组成员、化学系2019级直博生陈子晗介绍，稀土元素具有独特光学性质，通过(tōngguò)近红外(jìnhóngwài)光激发，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。 研究过程中，要在单个颗粒上(shàng)集成多色功能，面临极大挑战。“单颗目标产物从(cóng)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(hòu)，均需对光谱、电镜形貌及纳米结构(jiégòu)等进行表征监测(jiāncè)，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，使其可分散在高分子聚合物溶液中，并最终制作成高度透明的隐形眼镜(yǐnxíngyǎnjìng)。 志愿者佩戴隐形眼镜后(hòu)可识别由不同波长近红外光组成的“复色光(fùsèguāng)”。复旦大学 图 志愿者佩戴隐形眼镜后，通过纳米材料发出红、绿(lǜ)、蓝等三种可见(kějiàn)波段的荧光，分别感知三种不可见的近红外光(hóngwàiguāng)，也可以识别由不同波长近红外光组成的“复色光”，以及多组由不同波长近红外光组成的图案内容。这表明，具有抗干扰、正交发光和多光谱转换(zhuǎnhuàn)特性的多色稀土发光材料，可以有效地实现人类对(duì)近红外图像视觉。 志愿者可识别由不同近红外光(hóngwàiguāng)组成的图案。复旦大学 图 研究实现了多个近红外光视觉的(de)(de)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，通过可穿戴、非侵入式(shì)的隐形眼镜，可以灵活调节(tiáojié)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(cáiliào)与未来能源(néngyuán)创新学院(xuéyuàn)张凡教授和中国科学技术大学的薛天教授、马玉乾教授、王胜教授、龚兴龙教授等为论文共同通讯作者，复旦大学化学系2019级(jí)直博生陈子晗和中国科学技术大学博士研究生(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参与部分(bùfèn)纳米材料合成的工作。 澎湃新闻记者 鞠文韬(jūwéntāo) 通讯员 丁超逸 (本文来自澎湃新闻(xīnwén)，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)