有稀土颗粒的隐形眼镜？《细胞》新成果有望解锁红外视觉“超能力”

人类可看见的光波长范围仅限于400-700纳米，如果戴上一副由特殊材料制成的隐形眼镜，未来或许能让近红外波段“肉眼可见”。

北京时间5月22日晚间，复旦大学与中国科学技术大学等国内外科研机构的合作研究成果以《上转换隐形眼镜赋能人类近红外光视觉》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稀土颗粒与隐形眼镜相结合，通过可穿戴的形式使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。

该研究的通讯作者之一，复旦大学化学系、智能材料与未来能源创新学院张凡教授告诉第一财经，自然界中的光，包含各种不同频率的电磁波。当人眼捕获到外界自然光后，可以激活视网膜上识别红、绿、蓝三原色的三种视锥细胞，并根据三种视锥细胞被激活的比例，向大脑发送外界的颜色信息。然而，相对于自然界广阔的光学波段，人眼可感知的波长范围仅有400-700纳米，这就意味着自然界中大量潜在的其他波段信息会被忽略。

而在元素周期表中，稀土元素是指包括钪（Sc）、钇（Y）和镧系在内的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，使其具有广泛且尖锐的荧光发射峰，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，它是一种特殊的反斯托克斯位移发光过程。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，张凡团队与复旦大学脑科学研究院张嘉漪团队合作，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。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。

他介绍，之所以当初想到把含有多个荧光发射的稀土颗粒与隐形眼镜相结合，是因为近红外波段相较于我们目前肉眼可感知的可见光波段更加广阔，并且由于稀土具有独特的上转换发光现象，这对于近红外视觉研究非常有启发。

“前期，我们在稀土纳米级颗粒的精准合成和光学性质调控方面积累了多年的经验，因而我们想到在单个纳米颗粒上集成多个近红外波长响应的上转换发光现象，实现对多个不同波长近红外光的感知。与视觉最相关的就是眼睛，隐形眼镜是最便捷的方式，我们发现纳米级的稀土颗粒能够很好地分散于制作隐形眼镜的前体溶液中，之后得到的隐形眼镜也保持了光学透明的性质。因此，通过该款含有稀土上转换发光颗粒的隐形眼镜，赋予了人类首次对近红外视觉的感知能力。”他接受第一财经记者采访时说。

交叉合作开发多色稀土发光材料

2022年起，张凡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。他们将具有多色发光性质的稀土纳米材料与隐形眼镜结合，实现对近红外“色彩”的识别。

志愿者佩戴隐形眼镜后，通过纳米材料发出红、绿、蓝等三种可见波段的荧光，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。

谈到研究成果的未来应用，张凡对记者补充，在推动成果落地的过程中，离不开化学、材料学、生物学、工学和医学等多个学科领域的密切合作。目前该成果初步完成了概念验证，未来在转化等方面还需要长期不断研究。例如，在医疗特别是眼科疾病方面，临床医生对治疗视觉相关疾病的需求是他们十分关心的，他们也可以根据疾病诊疗的实际需求对颗粒的发光性质进行调整。