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一款能让小鼠看见红外线的眼药水

时间: 2019年03月05日 | 作者: 杨心舟 | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
最近,科学家通过注射人造的的纳米颗粒,让小鼠也获得了感知近红外光的能力。

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金属改变眼睛光谱

同为哺乳动物,小鼠和人的眼球在自然状态下都只能感知电磁波谱中极小的一段,准确的说就是波长在400纳米至700纳米之间的光。像紫外、红外这一类光波,不论小鼠还是人都看不到。薛天教授表示:“这主要是因为我们可见光谱范围不包括紫外和红外光,”由于我们眼球的特殊构造,角膜和晶状体会将光线中绝大部分的紫外光过滤掉,而红外光又太弱,无法激发眼内的感受器产生信号,“韩纲教授表示,他们一直在研究特殊的材料来打破这一限制。   ”

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Chris Murray是宾夕法尼亚大学的材料学家,他解释称,实验里所指的是一种称为“(光子)上转换”的纳米材料,其具有将低能量转换为高能量的特性。也就是说,这种纳米颗粒可以将低能量的不可见光(包括远红外光)激发成高能量的可见光。之所以这种纳米材料能实现特殊的作用,也是因为其是由一种特殊的元素——稀土金属构成,而稀土金属的一大特点就是能长期维持在激发态。

在经典的激发模型中,原子吸收到来自光子碰撞产生的能量,原子核周围规律旋转的电子会被激发进入高能态,但这种高能激发态只能维持很短的一瞬间。接着这个电子则再次回落到之前的轨道中,并释放另一个携带能量的光子。对于绝大多数元素来说,这个激发态维持过程只有数十亿分之一秒。

但是对稀土金属而言,这个激发态可以持续百万分之一秒甚或千分之一秒。这个时间看似也很短,但是已经足以让下一个光子进入原子之中并激发更多能量,这样能让激发态持续下去。Murray说:“这就好像爬波浪状的滑梯一样,稀土金属有更强的牵引力,因此你有足够的时间呆在第二级台阶上等待下一波能量的到来。”也就是说,稀土金属强大的牵引力,可以让同一阶梯上同时停留更多的光子,这些光子聚在一起,等到能量足够时将再产生一次激发。这使得稀土金属可以摄取多个远红外这样的低能态光子,然后以单个高能态的可见光子释放出来。

构建“超能力”颗粒

当韩纲把稀土金属的这一特性告诉薛天时,两人一下就意识到这种金属能解决一项大问题:假如这些稀土金属能够以纳米材料的方式整合到动物的眼球中,那岂不是有可能让原本不可见的红外光变成可见光吗?如果真能实现,红外视觉信号就能直接投射到视网膜上,并且还可以依此原理生产实用机械眼。他们当初也怀疑过这个想法的可行性,但是都坚持开展了下一步研究计划。

他们首先使用了铒和镱这两种稀土金属元素和ConA蛋白(刀豆蛋白A)一同制备成纳米颗粒。韩纲表示:在这个组合中,镱原子负责吸收红外光,然后将能量传递给附近的铒原子,铒原子再以绿光的形式释放出来。确切地说,当纳米颗粒进入眼内时,ConA蛋白吸附这些纳米颗粒并导向眼内光敏细胞或感光处,形成藤壶样的表面壳。之后,纳米材料吸收波长在980纳米附近的红外光线后(光谱上位于红色可见光附近),然后就能够通过可见光的形式释放出来。

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韩纲认为,理论上这应该能让眼睛将红外光视为绿光,因为纳米材料会发射出一个绿光子,这些绿光子有一半的概率会被眼内的感受器捕捉到。纳米材料构造好后,他们决定用小鼠验证这一理论是否可行。首先,他们将纳米颗粒注射进小鼠的眼部,之后用红外光照射改造眼并观察小鼠瞳孔是否收缩。小鼠作出的反应非常惊人,它们的改造眼能对红外光有缩瞳反应,而对照组,未改造的小鼠在红外光刺激下则不会产生反应。美国西北大学生物医学工程系的研究员John Rogers也表示:“这实在太妙了,一系列的表型实验都证明了他们的猜想”。

此外,他们也对“超级鼠”开展了一项行为学实验。他们将改造过的小鼠放到一个池子中,在这个池子里有一个隐藏的平台,除非小鼠能找到这个隐藏平台,否则就会沉入水中。这些小鼠已经被训练得可以识别LED信号,而这些信号将会从隐藏的平台发出。小鼠想要活命,就得朝有信号的平台处移动。接着他们将可见的LED换成不可见的近红外灯,没有接受纳米颗粒注射的小鼠会在水池中漫无目的地乱扑腾,而“超级鼠”则能很快找到平台。实验结果非常好,薛天表示:“红外信号就连人都无法识别,“超级鼠”却可以依此找到正确方向,这看上去会有点奇怪。”

超能力改造刚起步

这项实验意味着,小鼠可以利用他们的近红外视觉来识别周围环境信号的形状和模式。纳米颗粒带来的这些增强能力未来可以应用于很多方面。因为我们周围无时无刻都会有红外光的存在,尤其是在夜晚,拥有“超级鼠”的能力可以帮助我们看见更多平时见不到的东西。“这就是人们发明夜视仪的原理”。夜视仪可以将周围的红外光转化成可见光并呈现出来,这样可以达到在黑暗中可视的效果。韩纲认为团队的新技术也可能也有相似的应用前景。他说到:“这些纳米颗粒是放置在眼内的,别人并不知道你用了什么设备,他们只会认为你是超人。”

Murray也强调,要实现“超人梦”还有很长的路要走。这种纳米颗粒可能会赋予生物体超凡的能力,就像科幻电影一样。但是目前要应用起来还有些勉强,最重要的原因就是材料还不够高效。以目前夜间物体周围的红外光的强度来说,还并不足以激发这些纳米颗粒产生连续清晰的图像。并且,他们的纳米颗粒如果想要商业化,还需要通过漫长的美国食药监局批准流程。而这个流程必须经过非人灵长动物的实验,以及一系列安全实验才符合标准,不是一两年能完成的。

但是Murray 同样也看到了潜在的应用方向。红外光可以穿透人体到达更深的地方发挥效用,因此他认为这些纳米颗粒可以被用来帮助激发光敏药物,并对可见光无法轻易到达的地方产生治疗效应。或者,还可以被用来研究可见光是如何与我们体内的器官发生相互作用的。“我们还不太清楚光在人体内发挥的作用,因为体内并没有通常意义上的光敏感受器。这种由红外光产生的深层穿透也是目前研究的热点。”

原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/researchers-enable-super-mice-to-see-near-infrared-light/