我国科学家把稀土颗粒融入隐形眼镜突破人类视觉极限

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。

人类的视网膜上有一类“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，决定了人类所看见的颜色。一直以来，人类可看见的光波长范围仅限于400-700纳米，若能感知更加广阔的近红外（700-2500纳米）波段，将突破人类视觉的极限。

近红外光波长范围涵盖700-2500纳米，被证明具有优异的生物体穿透性能，对生物体的辐射损伤小，被誉为“生物透明波段”。

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，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。

2022年起，复旦大学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。如何将不可见的近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，通过近红外光激发，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。

要在单个颗粒上集成多色功能，面临极大挑战。“单颗目标产物从设计到合成至少需一两个月，且需确保每一步零差错。”陈子晗介绍，团队每日完成合成后，均需对光谱、电镜形貌及纳米结构等进行表征监测，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。

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。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应用前景，通过可穿戴、非侵入式的隐形眼镜，可以灵活调节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、智能材料与未来能源创新学院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级直博生陈子晗和中国科学技术大学博士研究生陈雨诺等为论文共同第一作者。