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  上海5月23日电 (陈静 丁超逸)人类可看见的光波长范围仅限于400纳米-700纳米,若能突破视觉极限,人类的感知将拓展到更广阔的近红外(700纳米-2500纳米)波段。

  记者23日获悉,复旦大学与中国科学技术大学等国内外科研机构合作开展研究,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。相关研究成果发表在《细胞》(Cell)杂志上。

  自然界中的光有各种不同频率。当人眼捕获到外界自然光后,可以激活视网膜上识别红、绿、蓝三原色的三种视锥细胞,并根据三种视锥细胞被激活的比例,向大脑发送外界的颜色信息。然而,相对于自然界广阔的光学波段,人眼可感知的波长范围仅有400纳米-700纳米,这意味着自然界中的大量潜在信息会被忽略。

  据悉,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。上转换发光现象,是稀土材料最为重要的光学性质。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。

  据悉,复旦大学张凡教授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,探索利用稀土离子的上转换发光特性,从视觉感知角度赋予人类对红外光的识别能力。通过精巧设计纳米材料的核壳结构,团队在单个颗粒上同时构建了三个不同的上转换发光区域,由于不同发光区域之间用惰性的壳层阻隔,使得它们各自的能量传递和荧光发射过程彼此互不干扰,各自独立。

  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。他们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。这表明,具有抗干扰、正交发光和多光谱转换特性的多色稀土发光材料,可以有效地实现人类对近红外图像视觉。

  研究实现了多个近红外光视觉的概念验证。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的应用前景,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。(完)

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