突破视觉极限!打一针就能看见红外线,中国科学家打造超能力鼠

更新日期:2019-03-13
环球科学ScientificAmerican

图片: Namita Nayyar (WF Team)

一直以来,科学界都认为只有极少数的动物能感知到近红外光,比如某些蛇, 昆虫和蝙蝠。而人类则必须通过特殊设备才能观测到近红外光。如今,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。这项突破性的进展于2月28日发表在国际期刊Cell上,作者是来自中国科学技术大学的薛天教授与美国马萨诸塞大学医学院的韩纲教授,他们将这些经实验改造的啮齿类动物称为“超级鼠”。   

撰文丨Angus Chen

翻译丨刘沙

审校丨杨心舟

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。   ”

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。

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/

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