华中科技大学王云明、李贵刚《自然·通讯》：超灵敏红外视觉隐形眼镜-夜盲症患者的新福音

视网膜色素变性 和先天性静止性夜盲是困扰视网膜退 化的两类 遗传性性疾病 ，因 视网膜的光感受器细胞（视杆细胞和 / 或视锥细胞）功能受损或缺失，导致感 光 能力急剧下降，造成 严重 夜间视力障碍 。 这类疾病的综合发病率约为 1:3000 ， 导致 全球有数百万患者生活在 “ 黑夜 ” 的束缚之中。 在上转换器件中构建微 / 纳米结构调制 的光场以 吸收低能光子并发射高能光，对于生物成像、激光和 光伏来说是 革命性的，能够将 发光强度 提高几个数量级。然而， 光能耗散和吸收不足导致激发阈值 （ ＞ 1 mW /cm 2 ） 超过了视网膜安全限制 ，严重 阻碍可穿戴的上转换光学器件 的发展 。

曙光初现：微球透镜技术引领红外视觉革命

为了解决这一问题 ， 华中科技大学 王云明教授 团队 联合 同济 医学院 李贵刚教授 团队 创造性地开发了一种由 微球透镜阵列构建的 红外视觉 隐形眼镜 ， 通过设计 上转换微球诱导的红外 光 场 汇聚 、基于核壳 结构 的多重 反射 - 吸收 - 上 转换 和光子晶体放大器 ，将 发光 强度 提高三个数量级 ，并实现 超低阈值 0.0025 mW /cm 2 的 可见光转换 ，使其在 远低于自然界红外光 能量的激发下也能高效运行。其中的 上 转换核壳微球通过 汇聚 光场产生 1200 倍 局部电场增强 ， 提高 8 倍的红外吸收 ， 实现 发射比为 150 的方向性光转换 。通过制造成具有光子晶体放大器结构的 4 层隐形眼镜， 实现了高达 9 .4% 的光能转换效率， 显著提高了暗光成像清晰度，并在视网膜变性 兔 眼中实现了暗光视力恢复， 使其达到 超越 正常眼的视觉水平，表现出极大的 实际临床应用 前景。该研究以题为“ Ultralow-threshold upconversion infrared vision via a microsphere-mediated directional photofield ”的论文发表在最新一期的 国际顶级学术期刊《 Nature Communications 》（ 《自然 - 通讯》 ） 。

技术核心：将 “ 不可见 ” 变为 人眼 “ 可见 ”

作者设计了 一种具有连续 β 相 NaYF 4 ： Yb 、 Er 外壳的定向上转换微球，该微球被集成到光子晶体 隐形眼镜 放大器中，以 高灵敏度 光转换 实现夜盲症治疗。 其中 上转换 核壳 微球（ UCM ）为核心， 与传统惰性 SiO 2 外层的设计不同 ， 该 核壳 微球 由光活性 NaYF 4 : Yb , Er 外 壳 和惰性 SiO 2 内 核 组成。该设计的 UCM 在低功率激发下 可以 实现明亮的上转换发光，通过促进 Yb³⁺ 吸收红外光子并转移能量，使足够数量的 Er ³ ⁺ 跃迁至激发态，从而增强辐射跃迁。激发光谱在 800-1100 nm 范围内展现出宽带上转换 ，并产生纯净的绿色光发射。此外，随着颗粒尺寸增大， F DTD 模拟 分析显示 微球 介 导 红外光逐渐产生方向性 光场， 500 nm UCM 在入射光正向的发光强度约为反向的 150 倍 ， 且比上转换纳米 离子 方向性提升 三个数量级 。为了获得可穿戴的高效上转换设备， 作者 设计了一种四层结构的上转换隐形眼镜（ UCCL ），包括抗反射层（ ARL ）、含有 UCM 的上转换发光层（ UCL ），以及由光子晶体制成的绿色和红外光反射层（ GRL 和 IRL ）。在 AM 1.5G 光源产生的红外光照射下， UCCL 通过 光调制 显著提升了图像清晰度 ，展现出强大的上转换能力。

图 1 红外视觉隐形眼镜的定向发光增强及其应用

SiO 2 @NaYF 4 :Yb,Er 微球被设计用于通过壳层内的反射 - 吸收效应延长光的传播路径，从而增强红外吸收。当光从 光密介质 的 NaYF 4 :Yb,Er 壳层进入 光疏介质 的 SiO 2 核心时，会产生多次内部反射 ，此时 壳层同时充当 反射层 和上转换层 。 由于多次反射 - 吸收 - 上转换效应， 500 nm 微球的红外吸收率较纳米 离子 提高了 8 倍 ，并且 红外光在上转换壳层中的 长路径增强了光与光活性离子（ Yb 3+ 和 Er 3+ ）的相互作用，提高了 Yb 3+ 和 Er 3+ 离子之间的能量转移效率， 增加了 荧光寿命 。 这就是 UCM 在红外光下表现出宽带吸收特性，并通过将更多能量转移到 Er 3+ 的高能级， 从而 提高辐射跃迁的 概率 ， 显著增强绿色发光的原因。令人惊讶的是， UCM 在低功率激发下表现出显著的方向性上转换发光。 FDTD 模拟显示， UCM 在微球的一侧 积累红外辐射通量 ，从而 产生强电场 ，与 40 nm UCNP 相比， 500 nm UCM 沿入射光方向 的电场强度增强了 1200 倍。这种增强的电场环境显著提高了稀土原子在低功率光照射下电子能级辐射跃迁的发生率，使增强因子提升了三个数量级。此外， 作者 为了将 UCM 集成到可穿戴设备中并进一步增强方向性上转换发光，设计了夹心状光子晶体结构以提高红外光的利用效率 ，从而 二次利用入射红外光，并沿 入射方向传播生成的绿色光 。通过 上转换核壳微球诱导的方向性汇聚、 多级反射 - 吸收 - 上转换 与光子晶体放大器的协同作用， 上转换隐形眼镜 在 980 nm 激发下实现了超低阈值（ 0.0025 mW /cm 2 ）。

图 2 上转换发光增强及方向性机制

作者 成功制备了 三种粒径的 核壳微球 ，并通过 TEM 和元素 分布 图像揭示了微球的结构 组层 ，其中 NaYF 4 :Yb,Er 沉积后形成约 50 nm 的致密壳层 ，将 原始的非晶态二氧化硅转变为高效上转换晶体结构 β-NaYF 4 :Yb,Er 。超 深度场 显微镜图像清晰显示了 UCM 壳层在弱红外光照射下的绿色上转换荧光。 空心硅微球、 上转换 微球、 P HEMA-MMA 微球和 SiO 2 微球 通过注模成 形方法 成功 制备 了 4 层有序排列的上转换 隐形眼镜 。 这种 4 层 增强型 上转换隐形眼镜 的 量子 产率 提高了 30 倍 ，并 在超低激发功率下达到 9.4% 量子产率 。 得益于高效的红外上转换 ，作者 验证了 上转换隐形眼镜在可见光方面的显著优势， 并表明这种 优势随着红外光与可见光比例的提高而增强 ，展现出 红外视觉 隐形眼镜 在改善 暗光视力 方面 的应用潜能 。

图 3 核壳微球及上转换隐形眼镜的 表征 与性能

巨大潜力：照亮夜盲症治疗之路

为了探索对夜盲症的应用效果，作者 通过光诱导的视网膜损伤建立了视网膜变性（ RD ）模型，并通过佩戴上转换隐形眼镜恢复了视力。瞳孔光反射（ PLR ）实验 表明 对照组兔在 532 nm 光照下瞳孔强烈收缩；然而， RD 兔的瞳 孔收缩不明显，这归因于视网膜光感受器功能减退。 RD 组 兔眼通过佩戴 UCCL 将红外光转换为可见光， 其 光反应恢复至不低于正常眼睛的水平。 另外，作者 还 通过视网膜电图（ ERG ）反应分析红外视觉 ， RD 兔眼对 532 nm 光刺激的 ERG 反应远低于正常兔眼，且缺乏对 980 nm 光刺激的反应。佩戴 UCCL 后， RD 兔眼在 532 nm 和 980 nm 低功率双重刺激下获得的光敏视觉远超正常眼。 为进一步探讨 UCCL 红外视觉的实用性和益处， 作者 通过暴露兔 子于绿色光并喂食提摩西草 构建行为认知 ， 在分隔的房间内施加不同光照条件，记录兔子从固定起点到达相同距离位置所需的时间。由于视网膜对光的感知能力较弱， 视网膜退化的兔子到达时间比正常兔子更长，而佩戴 UCCL 后该时间可显著缩短。 UCCL 赋予的红外视觉优势随着红外光与可见光的光学功率比增加而持续提升，甚至超过正常兔子的视觉表现。 凭借多样化的结构诱导光学调制和功能性透镜设计， UCCL 实现了可逆的非侵入式红外视觉转换，具有超 低激发阈值、高效光子利用率、实用性和安全性。 此外，作为调节光刺激的敏感有效替代方案， UCCL 有望促进其他光疗应用，例如改善先天性夜盲症患者的夜视能力，以及为阿尔茨海默病患者提供特定频率的光线 治疗 。

图 4 红外视觉隐形眼镜治疗兔眼视网膜变性

总结与展望

作者开发了 微球 介 导的定向 光场增强 技术 ， 实现 超 灵敏、高效率的 上转换红外 视觉 ， 显著 提升了 暗光 成像的清晰度 ，并 恢复了视网膜退化 兔眼 受损的暗视能力 。 这种方向 性 增强的上转换策略 解决了光能耗散和红外吸收不足的瓶颈 ，为低阈值可穿戴设备的 实用设计 提供了 坚实理论基础 。 该 研究成果集成了 材料科学、光学工程与临床眼科学 等多学科 ，为全球数百万夜盲症患者点燃了重获夜间视力的希望之光 。 希望该技术 尽快 早日从实验室走向 临床成熟产品 惠及广大患者 ， 期待 团队 积极推进 红外视觉 隐形眼镜的完善与产业化落地进程 。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-60393-1

来源：高分子科学前沿

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