【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學技術大學生命科學與醫(yī)學部和合肥微尺度物質科學國家研究中心薛天/馬玉乾團隊，工程科學學院龔興龍/王勝團隊，復旦大學化學系張凡團隊，以及國際科研機構共同作為通訊作者，結合視覺神經科學、高分子材料與創(chuàng)新納米融合技術，通過隱形眼鏡方式實現(xiàn)人類近紅外時空色彩圖像視覺。該研究成果于5月22日在線發(fā)表于國際頂級期刊Cell上，被Cell press進行News release專題報道。
自然界中存在包括可見光在內廣泛波長范圍的電磁波，然而能夠被我們的眼睛所感知的可見光只占電磁波譜很小的一部分(圖1)，人眼所見光譜范圍的局限是由視網(wǎng)膜感光細胞中的感光蛋白 (Opsin) 固有的物理化學特性所決定。感光波譜缺陷會帶來色盲等視覺疾病，同時為了看到紅外線人類研發(fā)出夜視儀等裝備。薛天/馬玉乾研究團隊和韓綱教授研究組2019年在 Cell 上發(fā)表研究論文，利用一種轉換紅外光成為可見光的上轉換納米材料，經特殊修飾后注射到動物視網(wǎng)膜中，首次實現(xiàn)了哺乳動物的裸眼近紅外圖像視覺能力。然而，由于眼內注射的方式在人體上應用受限，如何通過非侵入性方式相對自由的調節(jié)人眼感光波譜范圍，甚至賦予人類近紅外視覺能力，就成為這項技術在人體上實際應用的挑戰(zhàn)。
圖1.電磁波和可見光波譜
高分子聚合材料制備的軟性透明隱形眼鏡被廣泛應用于視力矯正，這為我們實現(xiàn)人類近紅外視覺提供了一個可佩戴式的解決方案。然而，制備適合人類視覺的近紅外光上轉換隱形眼鏡(UpconversionContactLenses，UCLs)，勢必要解決高效上轉換能力(高濃度上轉換納米顆粒摻雜)和良好光學性能(高透明度)的問題。但是，納米顆粒在高分子聚合材料中的融合會改變其光學性質，使得難以獲得高濃度、高透明度的納米復合物材料。為此，研究人員對上轉換納米顆粒(Upconversion Nanoparticles,UCNPs)進行表面修飾提高其在高分子聚合材料中均勻分散性，同時篩選出與UCNPs折射率匹配的高分子聚合材料。獲得了高摻雜比例(7-9%)的近紅外光上轉換隱形眼鏡，在大多數(shù)可見光波譜范圍內表現(xiàn)出超過90%的透明度。這比國際上已報道的0.04-2%UCNPs摻雜的其他高分子聚合材料的納米復合物材料具有顯著性能提升。
研究人員進一步驗證了這種近紅外光上轉換隱形眼鏡(Upconversion Contact Lenses,UCLs)具有較好的力學性質、光學性能、親水性和較高的生物相容性。佩戴UCLs的小鼠不僅獲得感知近紅外光的能力，還可以分辨不同時間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴UCLs的人類志愿者不僅可以看到一定光強范圍的近紅外光，還可以準確識別近紅外光的時間編碼信息。
在僅利用UCLs進行近紅外空間信息識別時，由于紅外圖像信息被UCLs轉換為散射的可見光，導致人類志愿者僅能獲得粗糙的近紅外圖像辨別能力。為了克服這一困難，研究人員開發(fā)了一種內置UCLs的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)(wearableeyeglass system)。通過優(yōu)化光學設計，對UCLs轉換后的近紅外空間信息進行成像處理，使志愿者能夠獲得與可見光視覺一樣空間分辨率的近紅外圖像視覺，進而實現(xiàn)對復雜近紅外圖形的精確識別。
除了時間和空間信息外，視覺感知還可以在色彩維度上傳遞豐富的信息。可見光中的色彩信息是由波長決定的。與可見光相比，紅外光的波譜范圍更廣。為了感知在自然環(huán)境中廣泛存在的多光譜紅外光，研究人員使用三色正交UCNPs(trichromatic UCNPs)取代了傳統(tǒng)的UCNPs，可以將三種不同光譜的近紅外光轉換成紅、綠、藍三基色的可見光，同時避免了發(fā)射光譜波段的干擾問題。通過佩戴由trichromatic UCNPs制備成的三色上轉換隱形眼鏡(trichromatic upconversion contact lenses，tUCLs)，志愿者可以有效地識別三種波長的近紅外光，感知多種近紅外色彩。此外，通過色彩、時間、空間信息的結合，志愿者可以準確識別出更豐富的近紅外光編碼的多維度信息。這表明具有抗干擾、正交和多光譜轉換特性的tUCLs可以有效地實現(xiàn)人類近紅外色彩圖像視覺(圖2)。
圖2.各種圖形(不同反射波譜的反射鏡片模擬)通過tUCLs內置的可穿戴式框架眼鏡系統(tǒng)在可見光和近紅外光照射下的色彩顯示
總體而言，這項研究通過視覺生理與納米材料技術相結合，制備高透明、高轉化效率的上轉換隱形眼鏡，實現(xiàn)了無需電源和復雜外部設備、可穿戴的人類近紅外圖像視覺能力拓展，能夠使人類感知近紅外光的時間、空間和色彩多維度信息(圖3)。實現(xiàn)了多紅外光譜轉換的人類近紅外色彩視覺的概念驗證。未來在醫(yī)療、信息處理及視覺輔助技術領域具有廣泛應用前景。此外，通過非侵入方式靈活調節(jié)人體視覺波譜范圍，也有望為色盲等視覺疾病的治療提供新的解決方案。
研究團隊指出，這項技術是原理驗證性工作， 仍有進一步優(yōu)化空間，例如 目前的上轉換效率還需要紅外光源的輔助照射。 另外上轉換隱形眼鏡如能實現(xiàn)發(fā)射光的定向輸出，就可能不依賴于鏡框光學系統(tǒng)直接實現(xiàn)隱形眼鏡介導的精細近紅外圖形視覺。 這些目標的實現(xiàn)，需要視覺生理學、材料科學與光學等多個學科進一步緊密合作。
圖3. 上轉換隱形眼鏡實現(xiàn)人類近紅外時空色彩視覺
中國科大生醫(yī)部和合肥微尺度物質科學國家研究中心的馬玉乾教授、博士生陳雨諾、工程科學學院王勝副教授、復旦大學化學系博士生陳子晗以及韓綱研究組張原瑋博士為該論文的共同第一作者。中國科大薛天教授為首要通訊作者，馬玉乾教授、龔興龍教授、王勝副教授、韓綱教授、張凡教授為論文的共同通訊作者。中國科學技術大學為本項工作的第一作者和最后通訊作者單位。該研究得到人類前沿科學項目及多個國際科研項目和基金的支持。同時也得到科技部、基金委、中國科學院、安徽省科技廳等部門的項目基金支持，以及新基石研究員項目、科學探索獎、峰基金等基金的資助。此外，該工作還得到中國科學技術大學物理學院陳宇翱教授、殷旭飛博士的技術支持。
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