新型納米材料,可使老鼠看到近紅外光,未來或?qū)⒈粦?yīng)用于人類夜視

新型納米級(jí)材料可將近紅外光轉(zhuǎn)換成可見綠光，如果把它注入老鼠眼睛，就能讓老鼠利用裸眼看到紅外光。

兩位生物技術(shù)研究人員通過向老鼠體內(nèi)注射花粉粒大小的納米級(jí)器件，使老鼠具備了識(shí)別近紅外光的能力。長期以來，這種能力一直被認(rèn)為只有少數(shù)動(dòng)物（包括某些蛇、昆蟲和蝙蝠）以及人類使用特殊設(shè)備才具備。其中一名研究者是美國馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院（University of Massachusetts Medical School）的生物化學(xué)家韓剛教授，他稱這種實(shí)驗(yàn)嚙齒類動(dòng)物為“超級(jí)老鼠”。該研究小組于2019年2月28日在Cell上發(fā)表了該研究成果。

老鼠和人類的眼球只能探測到電磁波譜的一小段——波長在400納米到700納米之間。較短或較長的波長（如紫外線和紅外線波段），對(duì)這兩種生物來說通常是不可見的。這是由于角膜和晶狀體過濾掉了大部分紫外線，而紅外線太弱，根本無法激活我們眼中的光感受器。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)教授薛天表示：“這是人類可見光譜的物理極限，但韓教授告訴我他們正在研究這種不尋常的材料?！?/p>

薛教授指的是所謂的光子上轉(zhuǎn)換納米材料（photon up-conversion nanomaterials），這種材料以其可將低能、不可見光（包括紅外光）轉(zhuǎn)換為高能、可見光的能力而命名。美國賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）材料科學(xué)家Chris Murray表示，實(shí)現(xiàn)這種功能的關(guān)鍵在于納米材料的組成，Murray并未參與這項(xiàng)研究。Murray說：“這種材料是由一系列稱為稀土金屬的元素構(gòu)成，該類元素的特性之一就是它具有很長的激發(fā)態(tài)?！?/p>

當(dāng)?shù)湫驮游漳芰繒r(shí)（例如來自碰撞的光子），圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子就會(huì)以一種不同的、更高能級(jí)的模式運(yùn)動(dòng)，但時(shí)間很短暫。然后電子將迅速回到原來的能級(jí)，然后原子將儲(chǔ)存的能量作為另一個(gè)光子發(fā)射出去。對(duì)于大多數(shù)元素來說，這個(gè)時(shí)間是以十億分之一秒為單位的。

Murray解釋道，但對(duì)于稀土金屬來說，這種激發(fā)態(tài)可以持續(xù)百萬分之一秒甚至千分之一秒。這就有足夠的時(shí)間讓另一個(gè)光子撞擊原子并形成更多的能量。他補(bǔ)充道：“這就好像你爬上了滑梯的梯級(jí)，稀土金屬又有一點(diǎn)兒‘牽引力’，因此你可以在第二‘梯級(jí)’停留足夠長的時(shí)間，以等待下一波能量把你帶到更高的‘梯級(jí)’。”這使得稀土金屬可以吸收多個(gè)低能光子（包含紅外波段光子），并將這些能量以可見光范圍的單個(gè)高能光子釋放。

當(dāng)韓教授告訴薛教授關(guān)于利用稀土金屬材料的這種特性時(shí)，兩人共同實(shí)現(xiàn)了薛教授的設(shè)想——所謂“像科幻小說一樣的瘋狂想法”。如果這些金屬能以納米材料的形式集成到動(dòng)物的眼球中，科學(xué)家們或許能將不可見的紅外光轉(zhuǎn)換成可見光，從而將紅外視覺信息直接傳遞到視網(wǎng)膜，進(jìn)而有效地創(chuàng)造出電子眼。薛說：“起初我們懷疑這種想法的可行性，但嘗試后發(fā)現(xiàn)效果還不錯(cuò)?！?/p>

韓教授和薛教授利用兩種稀土金屬（鉺和鐿）和一種名為ConA的蛋白質(zhì)，構(gòu)建了他們的納米粒子。韓教授解釋道：“鐿吸收紅外光，然后將其能量轉(zhuǎn)移到附近的鉺原子上，而后鉺原子就會(huì)發(fā)出綠光?！本唧w來說，該納米材料吸收980納米的近紅外光（該波段紅外光相對(duì)接近可見光光譜的紅色邊緣）。ConA蛋白附著在微粒上，幫助引導(dǎo)納米粒子進(jìn)入眼中的感光細(xì)胞或光感受器。當(dāng)納米顆粒進(jìn)入眼睛時(shí)，該蛋白質(zhì)會(huì)使納米顆粒像藤壺一樣附著在光感受器的表面。

韓教授說，從理論上講，當(dāng)納米材料發(fā)射出可與眼睛的自然光感受器相互作用的綠光光子時(shí)（約有一半時(shí)間），眼睛就可以將紅外光看成為綠光。為了測試該材料能否真正讓老鼠在近紅外光下看見東西，韓與薛完成了他們能想到的所有測試。他們證實(shí)，這種經(jīng)過改進(jìn)的光感受器在與紅外光相互作用時(shí)，會(huì)向大腦發(fā)出電信號(hào)。他們將紅外光照射到改良過的老鼠眼睛里，來觀察老鼠的瞳孔是否會(huì)收縮，結(jié)果顯示老鼠的瞳孔的確收縮了。相比較，未經(jīng)改良的老鼠對(duì)這些測試沒有類似反應(yīng)。未參與這項(xiàng)研究的美國西北大學(xué)（Northwestern University）生物醫(yī)學(xué)工程師John Rogers感慨道：“該研究非常巧妙。最有力的證據(jù)就是這一系列行為測試?！?/p>

該研究的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，韓和薛把他們改造過的老鼠一個(gè)接一個(gè)地放進(jìn)水池里，如果老鼠找不到經(jīng)過隱蔽的平臺(tái)，它們肯定會(huì)淹死。這些老鼠已被訓(xùn)練得學(xué)會(huì)識(shí)別放置在該隱蔽平臺(tái)上的、顯示出圖案或形狀的LED指示牌。薛說：“老鼠想要抵達(dá)平臺(tái)保證自身安全，因此它們會(huì)直接游到LED指示牌處。”所以薛使用隱形的近紅外LED代替了可見光LED。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沒有注射納米粒子的老鼠會(huì)在水池里漫無目的地游蕩；但注射過納米粒子的老鼠立即找到了平臺(tái)。薛感慨，這個(gè)現(xiàn)象讓他不寒而栗，他說：“我們自己甚至都看不到近紅外LED指示牌，但改良的老鼠每次都會(huì)游向正確的近紅外LED指示牌，這太可怕了！”

該實(shí)驗(yàn)意味著老鼠不僅可以利用近紅外視覺來辨別周圍世界的形狀和圖案，而且還能有效利用它來增強(qiáng)自身能力。環(huán)境紅外光一直存在于地球表面，在可見光不足的夜間，它對(duì)人類卻很有用。韓說：“這就是人類發(fā)明夜視鏡的原因?！边@些夜視設(shè)備可將周圍的紅外光轉(zhuǎn)換成顯示屏上的可見光，讓人們?cè)诤诎抵锌匆姟ｍn希望其研究團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)有一天也能達(dá)到類似的目的。韓說：“我們的納米器件是在眼睛里，因此沒人知道你有它，這樣你可以成為超人?！?/p>

然而，Murray指出，這個(gè)夢想離現(xiàn)實(shí)還有很長的路要走。Murray說：“這‘科幻’元素可以賦予生物體更強(qiáng)的能力，是個(gè)令人著迷的想法。”但他補(bǔ)充道：“這有些不現(xiàn)實(shí)，這些材料還沒有那么高效?！笔紫?，夜間沒有足夠的環(huán)境紅外光讓這些納米粒子產(chǎn)生真正相干的圖像。其次，薛和韓的納米顆粒還需經(jīng)過美國食品和藥物監(jiān)督管理局（U.S. Food and Drug Administration）漫長的審批程序，才能用于人類的商業(yè)用途。這期間還將包括在非人靈長類動(dòng)物身上進(jìn)行試驗(yàn)，以及一系列安全測試，完成所有程序可能需要經(jīng)過數(shù)年。

但是Murray發(fā)現(xiàn)了其他潛在的應(yīng)用。他說：“紅外光可以探入身體深處，讓我們完成想做的事情?！币虼怂茰y，在可見光無法輕易到達(dá)的地方，這些納米顆?？杀挥脕韼椭せ钅承┕饷羲幬锘蛑委煼椒?。或者它們也可用來研究可見光是如何與我們身體內(nèi)部器官相互作用的。Murray說：“我們還不能完全理解體內(nèi)光線對(duì)人體的影響，因?yàn)轶w內(nèi)沒有正常的光感受器。這種紅外深穿透激發(fā)是目前此類材料的研究熱點(diǎn)。”