以《上转换隐形眼镜赋能人类近红外光视觉》为题发表在《细胞》杂志上的科研成果引发了全球科学界的广泛关注，该研究创新性地将一种含有多个荧光发射的稀土颗粒，与隐形眼镜相结合，通过可穿戴的形式，使人类感知近红外光的时间、空间和色彩多维度信息，更为色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案。
         自然界中的光，包含各种不同频率的电磁波。由于人眼可感知的波长范围只有400-700nm，所以忽略了自然界中的大量潜在信息。近红外光与可见光区域紧密相邻，波长范围涵盖了700-2500nm。近红外光之所以被被誉为“生物透明波段”，是因为其具有优异的生物体穿透性能，对生物体的辐射损伤小。
          某大学教授带领课题组近十年来致力于近红外波段的生物医学研究。团队不仅研发了无机稀土纳米材料和有机荧光染料等多款近红外发光探针，并系统性地优化和创新了近红外荧光成像设备，发展了在小动物等生物活体中的动态多通道成像技术。团队开发的创新成像方法不仅多次在国际顶级刊物上发表，而且也完成了基础研究到应用的转化，相关的临床研究也在附属华山医院、肿瘤医院等单位进行。
          稀土元素在光学方面，稀土离子的f能级非常丰富，使其具有广泛且尖锐的荧光发射峰，涵盖了紫外、可见光和近红外光区。稀土材料最为重要的光学性质是上转换发光现象，是一种特殊的反斯托克斯位移发光过程。人们为了使其发出短波长的可见区荧光，使用了长波长的近红外光作为激发光源。
           近年，团队与脑科学研究院团队合作，利用稀土离子的上转换发光现象，结合光遗传学技术，选择性地激活不同神经元，实现对清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团队合作，将稀土上转换发光纳米材料与柔性电极相结合，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记录神经元的电信号。

多色稀土发光材料，让近红外光“肉眼可见”
          近年来，团队与中国科学技术大学团队合作，开展化学与生命科学的交叉融合。利用稀土离子的上转换发光特性，可以从视觉感知角度赋予人类对红外光的识别能力。通过精巧设计纳米材料的核壳结构，团队在单个颗粒上同时构建了三个不同的上转换发光区域，由于不同发光区域之间用惰性的壳层阻隔，使得它们各自的能量传递和荧光发射过程彼此互不干扰，各自独立。
          团队成员介绍，将不可见的近红外光转变为人肉眼可见的光需要发挥稀土的优势，稀土元素具有独特光学性质，通过近红外光激发，可以把不同颜色的光进行转换。人体可以通过纳米颗粒的荧光颜色，判断外界的肉眼不可见的近红外光波长，实现对近红外“色彩”的识别。
          研究过程中，在单个颗粒上集成多色功能面临极大挑战，单颗目标产物从设计到合成至少一两个月，且需确保每一步零差错。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过程。团队对纳米颗粒进行表面改性，使其可分散在高分子聚合物溶液中，并最终制作成高度透明的隐形眼镜。
          在佩戴这款隐形眼镜后，可以通过纳米材料发出红、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，也可以识别由不同波长近红外光组成的“复色光”，以及多组由不同波长近红外光组成的图案内容。这表明，具有抗干扰、正交发光和多光谱转换特性的多色稀土发光材料，可以有效地实现人类对近红外图像视觉。
          研究验证了多个近红外光视觉的概念。未来，相关成果在医疗、信息处理及视觉辅助技术领域具有广泛的应用前景，通过可穿戴、非侵入式的隐形眼镜，可以灵活调节人体视觉的感知范围，有望为色盲等视觉疾病的治疗提供新的解决方案。