北京時間5月22日晚間，復旦大學與中國科學技術大學等國內外科研機構公布合作的研究成果：創新性地將一種含有多個熒光發射的稀土顆粒，與隱形眼鏡相結合，通過可穿戴的形式使人類感知近紅外光的時間、空間和色彩多維度信息！更為色盲等視覺疾病的治療提供新的解決方案。

簡而言之，開發多色稀土發光材料讓人類甚至閉眼也能“看見”紅外世界！讓人類對現實世界的認知更上一個維度！

開發多色稀土發光材料

讓近紅外光“肉眼可見”

傳統光學理論認為，人類視網膜的視錐細胞僅能響應 400-700 納米的可見光。但在合肥微尺度物質科學國家研究中心的實驗室里，研究人員通過稀土元素的量子隧穿效應，創造出直徑僅 20 納米的上轉換納米顆粒（UCNPs）。這些納米級 “光鑷” 能捕獲 700-2500 納米的近紅外光子，通過雙光子吸收過程將其轉化為紅綠藍三基色可見光。

2022年起，張凡團隊與中國科學技術大學薛天團隊合作，開展化學與生命科學的交叉融合。雙方團隊各展所長，學習彼此學科理論，實現知識體系融合，助力合作推進。

利用稀土離子的上轉換發光特性，可以從視覺感知角度賦予人類對紅外光的識別能力。通過精巧設計納米材料的核殼結構，團隊在單個顆粒上同時構建了三個不同的上轉換發光區域，由于不同發光區域之間用惰性的殼層阻隔，使得它們各自的能量傳遞和熒光發射過程彼此互不干擾，各自獨立。

張凡團隊合成的多色上轉換發光納米材料及其熒光光譜性質

如何將不可見的近紅外光轉變為人肉眼可見的光？這需要發揮稀土的優勢。課題組成員、化學系2019級直博生陳子晗介紹，稀土元素具有獨特光學性質，通過近紅外光激發，可以把不同顏色的光進行轉換。人體可以通過納米顆粒的熒光顏色，判斷外界的肉眼不可見的近紅外光波長，實現對近紅外“色彩”的識別。

利用多色上轉換發光材料制作可穿戴的隱形眼鏡

研究過程中，要在單個顆粒上集成多色功能，面臨極大挑戰。“單顆目標產物從設計到合成至少需一兩個月，且需確保每一步零差錯。”陳子晗說。為此，團隊每日完成合成后，均需對光譜、電鏡形貌及納米結構等進行表征監測，全程動態跟蹤稀土顆粒生長過程。團隊對納米顆粒進行表面改性，使其可分散在高分子聚合物溶液中，并最終制作成高度透明的隱形眼鏡。

志愿者佩戴隱形眼鏡后可識別各種組成的近紅外“復色光”

志愿者佩戴隱形眼鏡后，通過納米材料發出紅、綠、藍等三種可見波段的熒光，分別感知三種不可見的近紅外光，也可以識別由不同波長近紅外光組成的“復色光”，以及多組由不同波長近紅外光組成的圖案內容。這表明，具有抗干擾、正交發光和多光譜轉換特性的多色稀土發光材料，可以有效地實現人類對近紅外圖像視覺。

可發揮的空間巨大

為此，研究團隊對上轉換納米顆粒（Upconversion Nanoparticles, UCNP）進行表面修飾提高其在高分子聚合材料中均勻分散性，同時篩選出與 UCNPs 折射率匹配的高分子聚合材料。獲得了高摻雜比例（7-9%）的近紅外光上轉換隱形眼鏡，在大多數可見光波譜范圍內表現出超過 90% 的透明度。這比國際上已報道的 0.04-2% UCNPs 摻雜的其他高分子聚合材料的納米復合物材料具有顯著性能提升。

研究團隊進一步驗證了這種近紅外光上轉換隱形眼鏡（UCL）具有較好的力學性質、光學性能、親水性和較高的生物相容性。佩戴 UCL 的小鼠不僅獲得感知近紅外光的能力，還可以分辨不同時間頻率和不同方位的近紅外光信息。更重要的是，佩戴 UCL 的人類志愿者不僅可以看到一定光強范圍的近紅外光，還可以準確識別近紅外光的時間編碼信息。

2025 年 5 月 22 日，中國科學技術大學生命科學與醫學部、微尺度國家研究中心薛天/馬玉乾團隊，中國科學技術大學工程科學學院龔興龍/王勝團隊，復旦大學化學系張凡團隊，以及馬薩諸塞大學醫學院韓綱團隊，把研究成果發布在在國際頂尖學術期刊 Cell 上，題為：Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses 。

總體而言，這項研究通過視覺生理與納米材料技術相結合，制備高透明、高轉化效率的上轉換隱形眼鏡，實現了無需電源和復雜外部設備、可穿戴的人類近紅外圖像視覺能力拓展，能夠使人類感知近紅外光的時間、空間和色彩多維度信息。實現了多紅外光譜轉換的人類近紅外色彩視覺的概念驗證。

未來在醫療、信息處理及視覺輔助技術領域具有廣泛應用前景。此外，通過非侵入方式靈活調節人體視覺波譜范圍，也有望為色盲等視覺疾病的治療提供新的解決方案。

另外，上轉換隱形眼鏡如能實現發射光的定向輸出，就可能不依賴于鏡框光學系統直接實現隱形眼鏡介導的精細近紅外圖形視覺。

上轉換隱形眼鏡實現人類近紅外時空色彩視覺

未來的進化路徑已初現端倪：結合腦機接口技術，近紅外視覺信號可直接轉化為神經脈沖，使盲人重獲光明；而在深空探測中，宇航員佩戴的隱形眼鏡將成為探索系外行星大氣成分的 “活體光譜儀”。

然而研究團隊指出，這項技術是原理驗證性工作，仍有進一步優化空間，例如目前的上轉換效率還需要紅外光源的輔助照射。這些目標的實現，需要視覺生理學、材料科學與光學等多個學科進一步緊密合作。

來源：復旦大學

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