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近日,以《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(xì)胞》雜志上的科研成果引發(fā)了全球科學(xué)界的廣泛關(guān)注,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。
自然界中的光,包含各種不同頻率的電磁波。由于人眼可感知的波長范圍只有400-700nm,所以忽略了自然界中的大量潛在信息。近紅外光與可見光區(qū)域緊密相鄰,波長范圍涵蓋了700-2500nm。近紅外光之所以被被譽(yù)為“生物透明波段”,是因?yàn)槠?/span>具有優(yōu)異的生物體穿透性能,對生物體的輻射損傷小。
某大學(xué)教授帶領(lǐng)課題組近十年來致力于近紅外波段的生物醫(yī)學(xué)研究。團(tuán)隊不僅研發(fā)了無機(jī)稀土納米材料和有機(jī)熒光染料等多款近紅外發(fā)光探針,并系統(tǒng)性地優(yōu)化和創(chuàng)新了近紅外熒光成像設(shè)備,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(tuán)隊開發(fā)的創(chuàng)新成像方法不僅多次在國際*刊物上發(fā)表,而且也完成了基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化,相關(guān)的臨床研究也在附屬華山醫(yī)院、腫瘤醫(yī)院等單位進(jìn)行。
稀土元素在光學(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)。稀土材料*為重要的光學(xué)性質(zhì)是上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象,是一種特殊的反斯托克斯位移發(fā)光過程。人們?yōu)榱耸蛊浒l(fā)出短波長的可見區(qū)熒光,使用了長波長的近紅外光作為激發(fā)光源。
近年,團(tuán)隊與腦科學(xué)研究團(tuán)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(shí)現(xiàn)對清醒小鼠運(yùn)動行為的經(jīng)顱選擇性調(diào)控。團(tuán)隊還與北京腦科學(xué)與類腦研究所團(tuán)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(jī)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。
多色稀土發(fā)光材料,讓近紅外光“肉眼可見”
近年來,團(tuán)隊與科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊合作,開展化學(xué)與生命科學(xué)的交叉融合。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(tuán)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(dú)立。
團(tuán)隊成員介紹,將不可見的近紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)槿巳庋劭梢姷墓庑枰l(fā)揮稀土的優(yōu)勢,稀土元素具有光學(xué)性質(zhì),通過近紅外光激發(fā),可以把不同顏色的光進(jìn)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(shí)現(xiàn)對近紅外“色彩”的識別。
研究過程中,在單個顆粒上集成多色功能面臨極大挑戰(zhàn),單顆目標(biāo)產(chǎn)物從設(shè)計到合成至少一兩個月,且需確保每一步零差錯。為此,團(tuán)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(jìn)行表征監(jiān)測,全程動態(tài)跟蹤稀土顆粒生長過程。團(tuán)隊對納米顆粒進(jìn)行表面改性,使其可分散在高分子聚合物溶液中,并*終制作成高度透明的隱形眼鏡。
在佩戴這款隱形眼鏡后,可以通過納米材料發(fā)出紅、綠、藍(lán)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(shí)現(xiàn)人類對近紅外圖像視覺。
研究驗(yàn)證了多個近紅外光視覺的概念。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。
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