在我們的視網膜上有一類“視錐細胞”，能對紅、綠、藍三原色特異性響應，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，復旦大學與中國科學技術大學等國內外科研機構合作研究成果以“Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses”(《上轉換隱形眼鏡賦能人類近紅外光視覺》)為題發表在《細胞》(Cell)雜志上。
 

　　該研究創新性地將一種含有多個熒光發射的稀土顆粒，與隱形眼鏡相結合，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，可以激活視網膜上識別紅、綠、藍三原色的三種視錐細胞，并根據三種視錐細胞被激活的比例，向大腦發送外界的顏色信息。
 

　　然而，相對于自然界廣闊的光學波段，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。
 

光學波段的劃分
 

　　與可見光區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，復旦大學張凡教授帶領課題組致力于近紅外波段的生物醫學研究。課題組研發了包括無機稀土納米材料和有機熒光染料在內的多款近紅外發光探針，并對近紅外熒光成像設備進行系統性地優化和創新，發展了在小動物等生物活體中的動態多通道成像技術。團隊開發的創新成像方法不僅多次在國際頂級刊物Nature Materials, Nature Nanotechnology和Nature Photonics上發表，獲得了上海市自然科學一等獎和科學探索獎等獎項，而且也實現了基礎研究到應用的轉化，目前也在附屬華山醫院、腫瘤醫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)和鑭系在內的17種元素。稀土元素具有非常優異的磁、光、電等性質。光學方面，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射峰，涵蓋了紫外、可見光和近紅外光區。上轉換發光現象，是稀土材料最為重要的光學性質，是一種特殊的反斯托克斯位移發光過程。人們通過使用長波長的近紅外光作為激發光源，使其發出短波長的可見區熒光。
 

　　2021年，張凡團隊與腦科學研究院張嘉漪團隊合作，利用稀土離子的上轉換發光現象，結合光遺傳學技術，選擇性地激活不同神經元，實現對清醒小鼠運動行為的經顱選擇性調控。團隊還與北京腦科學與類腦研究所方英團隊合作，將稀土上轉換發光納米材料與柔性電極相結合，設計了一種光電信號聯用的腦機接口裝置，該裝置能夠長期植入小鼠腦區并多通道地記錄神經元的電信號。
 

　　開發多色稀土發光材料，讓近紅外光“肉眼可見”
 

　　2022年起，張凡團隊與中國科學技術大學薛天團隊合作，開展化學與生命科學的交叉融合。雙方團隊各展所長，學習彼此學科理論，實現知識體系融合，助力合作推進。
 

　　利用稀土離子的上轉換發光特性，可以從視覺感知角度賦予人類對紅外光的識別能力。通過精巧設計納米材料的核殼結構，團隊在單個顆粒上同時構建了三個不同的上轉換發光區域，由于不同發光區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射過程彼此互不干擾，各自獨立。
 

張凡團隊合成的多色上轉換發光納米材料及其熒光光譜性質
 

　　如何將不可見的近紅外光轉變為人肉眼可見的光？這需要發揮稀土的優勢。課題組成員、化學系2019級直博生陳子晗介紹，稀土元素具有獨特光學性質，通過近紅外光激發，可以把不同顏色的光進行轉換。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，實現對近紅外“色彩”的識別。
 

利用多色上轉換發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。“單顆目標產物從設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、電鏡形貌及納米結構等進行表征監測，全程動態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“復色光”
 

　　志愿者佩戴隱形眼鏡后，通過納米材料發出紅、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“復色光”，以及多組由不同波長近紅外光組成的圖案內容。這表明，具有抗干擾、正交發光和多光譜轉換特性的多色稀土發光材料，可以有效地實現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
 

　　研究實現了多個近紅外光視覺的概念驗證。未來，相關成果在醫療、信息處理及視覺輔助技術領域具有廣泛的應用前景，通過可穿戴、非侵入式的隱形眼鏡，可以靈活調節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。
 

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