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各個(gè)波段的電磁波，從左至右依次為：伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波，圖片來源www.flir.com

撰文 | 孫珂劍

責(zé)編 | 葉水送

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從我國古代的“千里眼”、“順風(fēng)耳”到如今風(fēng)靡世界的漫威超級(jí)英雄，人類一直渴望能夠擁有突破自然限制的超能力。

自然狀態(tài)下，人類可見光的波長范圍在400-780nm之間，而紅外線的波長超出了這個(gè)范圍，我們憑借自然視力無法看到它。這其中的原理是，當(dāng)可見光進(jìn)入人眼時(shí)，視網(wǎng)膜上的桿狀和錐狀感光細(xì)胞會(huì)吸收光子，并向大腦傳送生物電信號(hào)；而紅外線的光波因?yàn)楣獠ㄟ^長而無法被感光細(xì)胞吸收，因此對(duì)于我們來說是不可見的。

3月1日，來自中國科技大學(xué)和麻省醫(yī)學(xué)院（Massachusetts Medical School）的科研人員通過納米技術(shù)對(duì)老鼠進(jìn)行了視覺增強(qiáng)，讓它們能夠在保持正常視力的同時(shí)看到紅外線。相關(guān)研究發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊Cell雜志上。

漫威超級(jí)英雄“鷹眼（hawkeye）”，他具有超強(qiáng)的視力，圖片來自Wikipedia

雖然紅外線“存在感”不怎么強(qiáng)，但實(shí)際上充斥著我們的生活環(huán)境。一切釋放熱量的物體，包括任何動(dòng)物在內(nèi)，都會(huì)發(fā)出紅外線。它業(yè)已在夜視技術(shù)、感應(yīng)技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。

這項(xiàng)研究的通訊作者之一、中科大教授薛天解釋道，“可見光只在電磁光譜中占據(jù)很小的一部分，波長更長或更短的不可見光，如紅外線，其實(shí)攜帶著大量信息?！?/p>

為了“看見”原本不可見的紅外線，本項(xiàng)研究主要分為三個(gè)步驟：

首先，科學(xué)家制作出了一種直徑約為38nm的增頻轉(zhuǎn)換納米微粒（upconversion nanoparticles，簡稱UCNPs），它實(shí)際上是微型的紅外傳感器和轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⒓t外線的長波轉(zhuǎn)換為可見光的短波。

 

UCNPs和伴刀球狀蛋白A（ConA）結(jié)合，就得到了pbUCNPs。

 

接下來的任務(wù)是，使這種微粒注射到人眼中并附著在感光細(xì)胞上。為此，科學(xué)家將伴刀豆球蛋白A（ConA）和酸溶的UCNPs相結(jié)合，這種蛋白能夠幫助形成糖苷鍵，使納米顆粒有效地連接到感光細(xì)胞上，這樣就得到了光感受器附著式增頻轉(zhuǎn)換納米顆粒（photoreceptor-binding upconversion nanoparticles，簡稱pbUCNPs）。當(dāng)紅外線照射到視網(wǎng)膜上時(shí)，該微粒能夠捕獲光波較長的紅外線并釋放出波長較短的可見光，這樣一來，視覺感光細(xì)胞就能吸收這些光波，大腦就會(huì)收到相應(yīng)的信號(hào)。

“在我們的實(shí)驗(yàn)中，納米顆粒將波長為980nm左右的近紅外線轉(zhuǎn)換成波長峰值為535nm的可見光，對(duì)于視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞來說，轉(zhuǎn)換后的紅外線相當(dāng)于綠色可見光?！绷硪幻芯空弑硎?。

圖中的點(diǎn)狀物是納米微粒pbUCNPs，條狀物是視網(wǎng)膜上的桿狀和錐狀感光細(xì)胞。納米微粒能將紅外線轉(zhuǎn)換為綠光。

 

第三個(gè)步驟就是在老鼠身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了，和人類一樣，老鼠在自然狀態(tài)下無法看見紅外線。被注射了納米微粒的老鼠在紅外線照射下表現(xiàn)出了瞳孔收縮等生理跡象，而作為對(duì)照組的被注射緩沖劑老鼠則沒有對(duì)紅外線作出任何反應(yīng)。

瞳孔收縮等跡象僅表明視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞能夠探測(cè)到紅外線的存在，而真正的“視覺”還意味著大腦能夠收到眼睛發(fā)出的信號(hào)并進(jìn)行理解。因此，科學(xué)家為老鼠設(shè)計(jì)了一系列迷宮任務(wù)，結(jié)果證實(shí)老鼠能夠在白天看到可見光的同時(shí)看到紅外線，并能夠利用后者辨別形狀。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生副作用。在極為罕見的情況下，注射納米顆粒會(huì)使角膜變得渾濁，但不良反應(yīng)一般都會(huì)在一周之內(nèi)消失。

“在我們的實(shí)驗(yàn)里，視網(wǎng)膜上的桿狀和錐狀細(xì)胞都成功地和納米顆粒結(jié)合到一起，并且能夠被近紅外光線激活，因此我們相信這項(xiàng)技術(shù)可以用于人眼”。薛天表示，未來這項(xiàng)技術(shù)可被用來治療對(duì)紅光不敏感的相關(guān)疾病，還可能為人類帶來“超級(jí)視力”，并被進(jìn)一步應(yīng)用在加密、安保和軍事行動(dòng)中。

參考資料

[1] Nanotechnology makes it possible for mice to see in infrared. Cell Press.

[2] Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae.Cell.