視覺增強來了：新型奈米材料讓小鼠看到紅外線

撰文 | 孫珂劍

責編 | 葉水送

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

自然狀態下，人類可見光的波長範圍在400-780nm之間，而紅外線的波長超出了這個範圍，我們憑藉自然視力無法看到它。這其中的原理是，當可見光進入人眼時，視網膜上的桿狀和錐狀感光細胞會吸收光子，並向大腦傳送生物電訊號；而紅外線的光波因為光波過長而無法被感光細胞吸收，因此對於我們來說是不可見的。

3月1日，來自中國科技大學和麻省醫學院（Massachusetts Medical School）的科研人員透過奈米技術對老鼠進行了視覺增強，讓它們能夠在保持正常視力的同時看到紅外線。相關研究發表在國際學術期刊

Cell

雜誌上。

圖片來自Wikipedia圖片來自Wikipedia

漫威超級英雄“鷹眼（hawkeye）”，他具有超強的視力。

雖然紅外線“存在感”不怎麼強，但實際上充斥著我們的生活環境。一切釋放熱量的物體，包括任何動物在內，都會發出紅外線。它業已在夜視技術、感應技術中得到了廣泛應用。

這項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佔據很小的一部分，波長更長或更短的不可見光，如紅外線，其實攜帶著大量資訊。”

各個波段的電磁波，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

為了“看見”原本不可見的紅外線，本項研究主要分為三個步驟：

首先，科學家制作出了一種直徑約為38nm的增頻轉換奈米微粒（upconversion nanoparticles，簡稱UCNPs），它實際上是微型的紅外感測器和轉換器，能夠將紅外線的長波轉換為可見光的短波。

UCNPs和伴刀球狀蛋白A（ConA）結合，就得到了pbUCNPs。

接下來的任務是，使這種微粒注射到人眼中並附著在感光細胞上。為此，科學家將伴刀球狀蛋白A（ConA）和酸溶的UCNPs相結合，這種蛋白能夠幫助形成糖苷鍵，使奈米顆粒有效地連線到感光細胞上，這樣就得到了光感受器附著式增頻轉換奈米顆粒（photoreceptor-binding upconversion nanoparticles，簡稱pbUCNPs）。當紅外線照射到視網膜上時，該微粒能夠捕獲光波較長的紅外線並釋放出波長較短的可見光，這樣一來，視覺感光細胞就能吸收這些光波，大腦就會收到相應的訊號。“在我們的實驗中，奈米顆粒將波長為980nm左右的近紅外線轉換成波長峰值為535nm的可見光，對於視網膜上的感光細胞來說，轉換後的紅外線相當於綠色可見光。” 另一名研究者表示。

圖中的點狀物是奈米微粒pbUCNPs，條狀物是視網膜上的桿狀和錐狀感光細胞。奈米微粒能將紅外線轉換為綠光。

第三個步驟就是在老鼠身上進行實驗了，和人類一樣，老鼠在自然狀態下無法看見紅外線。被注射了納米微粒的老鼠在紅外線照射下表現出了瞳孔收縮等生理跡象，而作為對照組的被注射緩衝劑的老鼠則沒有對紅外線作出任何反應。

瞳孔收縮等跡象僅表明視網膜上的感光細胞能夠探測到紅外線的存在，而真正的“視覺”還意味著大腦能夠收到眼睛發出的訊號並進行理解。因此，科學家為老鼠設計了一系列迷宮任務，結果證實老鼠能夠在白天看到可見光的同時看到紅外線，並能夠利用後者辨別形狀。

此外，科學家還發現這項技術有時會產生副作用。在極為罕見的情況下，注射奈米顆粒會使角膜變得渾濁，但不良反應一般都會在一週之內消失。

“在我們的實驗裡，視網膜上的桿狀和錐狀細胞都成功地和奈米顆粒結合到一起，並且能夠被近紅外光線啟用，因此我們相信這項技術可以用於人眼”。參與研究的中科大科學家薛天表示，未來這項技術可被用來治療對紅光不敏感的相關疾病，還可能為人類帶來“超級視力”，並被進一步應用在加密、安保和軍事行動中。

參考資料

［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。

作者簡介

孫珂劍

，本科畢業於北航宇航學院，目前在北大攻讀傳播學。想成為永遠好奇的記錄者，相信世界本身已足夠美。