在人类的视网膜上有一类“视锥细胞”，能对红、绿、蓝三原色特同性相应。三种细胞被激活的比例，决意了人类所瞥见的颜色。

一直以来，人类可瞥见的光波长局限限于400-700纳米，这意味着自然界中的大批潜在信息会被疏忽。

与可见光区域精密相邻的是近红外光，波长局限涵盖700-2500纳米。近红外光被证实具有优秀的生物体穿透功能，对生物体的辐射毁伤小，被誉为“生物通明波段”。若能感知更加广阔的近红外（700-2500纳米）波段，将突破人类视觉的极限。

北京时间5月22日晚间，复旦大学与中国科学技能大学等国表里科研机构互助研究成果以《上转换隐形眼镜赋强人类近红外光视觉》（“Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses”）为题发表在《细胞》（Cell）杂志上。

该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连系，通过可穿戴的方式使人类感知近红外光的时间、空间和色采等多维度信息，更加色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案。

十余载跨学科研究，探索近红外光的神秘

展开盈余 78 %

汹涌新闻记者从复旦大学方面相识到，近十年来，复旦大学教授张凡带领课题组，致力于近红外波段的生物医学研究。课题组研发了包括无机稀土纳米质料和无机荧光染料在内的多款近红外发光探针，并对近红外荧光成像装备进行系统性地优化和创新，发展了在小动物等生物活体中的动态多通道成像技能。团队开辟的创新成像方法不但多次在国际顶级刊物上发表，获得了上海市自然科学一等奖和科学探索奖等奖项，并且也实现了基础研究到运用的转化，目前在附属华山医院、肿瘤医院等进行临床前研究。

元素周期表中，稀土元素是指包括钪（Sc）、钇（Y）和镧系在内的17种元素。稀土元素具有异常优秀的磁、光、电等性子。光学方面，稀土离子的f能级异常丰富，使其具有广泛且尖利的荧光发射峰，涵盖了紫外、可见光和近红外光区。上转换发光景象，是稀土质料最为重要的光学性子。人们通过使用长波长的近红外光作为引发光源，使其发出短波长的可见区荧光。

2021年，张凡团队与脑科学研究院张嘉漪团队互助，利用稀土离子的上转换发光景象，连系光遗传学技能，选择性地激活分歧神经元，实现对苏醒小鼠运动行为的经颅选择性调控。团队还与北京脑科学与类脑研究所方英团队互助，将稀土上转换发光纳米质料与柔性电极相连系，设计了一种光电信号联用的脑机接口装置，该装置能够长期植入小鼠脑区并多通道地纪录神经元的电信号。

团队合成的多色上转换发光纳米质料及其荧光光谱性子。复旦大学 图

开辟多色稀土发光质料，让近红外光“肉眼可见”

2022年起，张凡团队与中国科学技能大学薛天团队互助，展开化学与生命科学的交织融合。

利用稀土离子的上转换发光特征，可以从视觉感知角度赋予人类对红外光的识别本领。通过精巧设计纳米质料的核壳结构，团队在单个颗粒上同时构建了三个分歧的上转换发光区域，由于分歧发光区域之间用惰性的壳层阻隔，使得它们各自的能量传送和荧光发射历程相互互不干扰，各自自力。

如何将不可见的近红外光转变为人肉眼可见的光？这需要施展稀土的优势。课题构成员、化学系2019级直博生陈子晗介绍，稀土元素具有独特光学性子，通过近红外光引发，可以把分歧颜色的光进行转换。人体可以通过纳米颗粒的荧光颜色，推断外界的肉眼不可见的近红外光波长，实现对近红外“色采”的识别。

研究历程中，要在单个颗粒上集成多色功能，面临极大挑衅。“单颗方针产品从设计到合成至多需一两个月，且需确保每一步零差错。”陈子晗说。为此，团队每日完成合成后，均需对光谱、电镜形貌及纳米结构等进行表征监测，全程动态跟踪稀土颗粒生长历程。团队对纳米颗粒进行表面改性，使其可分散在高份子聚合物溶液中，并终究建造成高度通明的隐形眼镜。

志愿者佩带隐形眼镜后可识别由分歧波长近红外光构成的“复色光”。复旦大学 图

志愿者佩带隐形眼镜后，通过纳米质料发出红、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，也能够识别由分歧波长近红外光构成的“复色光”，和多组由分歧波长近红外光构成的图案内容。这注解，具有抗干扰、正交发光和多光谱转换特征的多色稀土发光质料，可以无效地实现人类对近红外图像视觉。

志愿者可识别由分歧近红外光构成的图案。复旦大学 图

研究实现了多个近红外光视觉的概念验证。将来，相干成果在医疗、信息处理及视觉辅助技能领域具有广泛的运用远景，通过可穿戴、非侵入式的隐形眼镜，可以灵活调治人体视觉的感知局限，有望为色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案。

复旦大学化学系、智能质料与将来动力创新学院张凡教授和中国科学技能大学的薛天教授、马玉乾教授、王胜教授、龚兴龙教授等为论文共同通讯作者，复旦大学化学系2019级直博生陈子晗和中国科学技能大学博士研究生陈雨诺等为论文共同第一作者，复旦大学智能质料与将来动力创新学院2024级博士研究生杨明珠参与部分纳米质料合成的工作。

公布于：上海市