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视觉增强来了:新型纳米材料让小鼠看到红外线

撰文 | 孙珂剑 责编 | 叶水送
从我国古代的 “千里眼”、“顺风耳” 到如今风靡世界的漫威超级英雄,人类一直渴望能够拥有突破自然限制的超能力。
 
自然状态下,人类可见光的波长范围在400-780nm之间,而红外线的波长超出了这个范围,我们凭借自然视力无法看到它。这其中的原理是,当可见光进入人眼时,视网膜上的杆状和锥状感光细胞会吸收光子,并向大脑传送生物电信号;而红外线的光波因为光波过长而无法被感光细胞吸收,因此对于我们来说是不可见的。
 
3月1日,来自中国科技大学和麻省医学院(Massachusetts Medical School)的科研人员通过纳米技术对老鼠进行了视觉增强,让它们能够在保持正常视力的同时看到红外线。相关研究发表在国际学术期刊 Cell 杂志上。
 
 
虽然红外线“存在感”不怎么强,但实际上充斥着我们的生活环境。一切释放热量的物体,包括任何动物在内,都会发出红外线。它业已在夜视技术、感应技术中得到了广泛应用。
 
这项研究的通讯作者之一、中科大教授薛天解释道,“可见光只在电磁光谱中占据很小的一部分,波长更长或更短的不可见光,如红外线,其实携带着大量信息。”
 
 
为了“看见”原本不可见的红外线,本项研究主要分为三个步骤:
 
首先,科学家制作出了一种直径约为38nm的增频转换纳米微粒(upconversion nanoparticles,简称UCNPs),它实际上是微型的红外传感器和转换器,能够将红外线的长波转换为可见光的短波。
 
 
接下来的任务是,使这种微粒注射到人眼中并附着在感光细胞上。为此,科学家将伴刀球状蛋白A(ConA)和酸溶的UCNPs相结合,这种蛋白能够帮助形成糖苷键,使纳米颗粒有效地连接到感光细胞上,这样就得到了光感受器附着式增频转换纳米颗粒(photoreceptor-binding upconversion nanoparticles,简称pbUCNPs)。当红外线照射到视网膜上时,该微粒能够捕获光波较长的红外线并释放出波长较短的可见光,这样一来,视觉感光细胞就能吸收这些光波,大脑就会收到相应的信号。“在我们的实验中,纳米颗粒将波长为980nm左右的近红外线转换成波长峰值为535nm的可见光,对于视网膜上的感光细胞来说,转换后的红外线相当于绿色可见光。” 另一名研究者表示。
 
第三个步骤就是在老鼠身上进行实验了,和人类一样,老鼠在自然状态下无法看见红外线。被注射了纳米微粒的老鼠在红外线照射下表现出了瞳孔收缩等生理迹象,而作为对照组的被注射缓冲剂的老鼠则没有对红外线作出任何反应。
 
瞳孔收缩等迹象仅表明视网膜上的感光细胞能够探测到红外线的存在,而真正的“视觉”还意味着大脑能够收到眼睛发出的信号并进行理解。因此,科学家为老鼠设计了一系列迷宫任务,结果证实老鼠能够在白天看到可见光的同时看到红外线,并能够利用后者辨别形状。
 
此外,科学家还发现这项技术有时会产生副作用。在极为罕见的情况下,注射纳米颗粒会使角膜变得浑浊,但不良反应一般都会在一周之内消失。
 
“在我们的实验里,视网膜上的杆状和锥状细胞都成功地和纳米颗粒结合到一起,并且能够被近红外光线激活,因此我们相信这项技术可以用于人眼”。参与研究的中科大科学家薛天表示,未来这项技术可被用来治疗对红光不敏感的相关疾病,还可能为人类带来“超级视力”,并被进一步应用在加密、安保和军事行动中。
 
 参考资料
[1]  Nanotechnology makes it possible for mice tosee in infrared. Cell Press.
[2]  Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae.Cell.
 
 
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