一贯以来，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。而人类则必须通过分外设备才能不雅观测到近红外光。如今，科学家通过注射人造的的纳米颗粒，让小鼠也得到了感知近红外光的能力。这项打破性的进展于2月28日揭橥在国际期刊Cell上，作者是来自中国科学技能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”。
（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）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，准确的说便是波长在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：“这紧张是由于我们可见光谱范围不包括紫外和红外光，”由于我们眼球的分外布局，角膜和晶状体会将光芒中绝大部分的紫外光过滤掉，而红外光又太弱，无法引发眼内的感想熏染器产生旗子暗记，“韩纲教授表示，他们一贯在研究分外的材料来冲破这一限定。 ”
Chris Murray是宾夕法尼亚大学的材料学家，他阐明称，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。也便是说，这种纳米颗粒可以将低能量的不可见光（包括远红外光）引发成高能量的可见光。之以是这种纳米材料能实现分外的浸染，也是由于其是由一种分外的元素——稀土金属构成，而稀土金属的一大特点便是能长期坚持在引发态。
在经典的引发模型中，原子接管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引发进入高能态，但这种高能引发态只能坚持很短的一瞬间。接着这个电子则再次回落到之前的轨道中，并开释另一个携带能量的光子。对付绝大多数元向来说，这个引发态坚持过程只有数十亿分之一秒。
但是对稀土金属而言，这个引发态可以持续百万分之一秒甚或千分之一秒。这个韶光看似也很短，但是已经足以让下一个光子进入原子之中并引发更多能量，这样能让引发态持续下去。Murray说：“这就彷佛爬波浪状的滑梯一样，稀土金属有更强的牵引力，因此你有足够的韶光呆在第二级台阶上等待下一波能量的到来。”也便是说，稀土金属强大的牵引力，可以让同一阶梯上同时勾留更多的光子，这些光子聚在一起，等到能量足够时将再产生一次引发。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开释出来。
构建“超能力”颗粒当韩纲把稀土金属的这一特性见告薛天时，两人一下就意识到这种金属能办理一项大问题：如果这些稀土金属能够以纳米材料的办法整合到动物的眼球中，那岂不是有可能让原来不可见的红外光变成可见光吗？如果真能实现，红外视觉旗子暗记就能直接投射到视网膜上，并且还可以依此事理生产实用机器眼。他们当初也疑惑过这个想法的可行性，但是都坚持开展了下一步研究操持。
他们首先利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，镱原子卖力接管红外光，然后将能量通报给附近的铒原子，铒原子再以绿光的形式开释出来。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，纳米材料接管波长在980纳米附近的红外光芒后（光谱上位于赤色可见光附近），然后就能够通过可见光的形式开释出来。
韩纲认为，理论上这该当能让眼睛将红外光视为绿光，由于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想熏染器捕捉到。纳米材料布局好后，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不雅观察小鼠瞳孔是否紧缩。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蔽的平台，除非小鼠能找到这个隐蔽平台，否则就会沉入水中。这些小鼠已经被演习得可以识别LED旗子暗记，而这些旗子暗记将会从隐蔽的平台发出。小鼠想要活命，就得朝有旗子暗记的平台处移动。接着他们将可见的LED换成不可见的近红外灯，没有接管纳米颗粒注射的小鼠会在池塘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：“红外旗子暗记就连人都无法识别，“超级鼠”却可以依此找到精确方向，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旗子暗记的形状和模式。纳米颗粒带来的这些增强能力未来可以运用于很多方面。由于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瞥见更多平时见不到的东西。“这便是人们发明夜视仪的事理”。夜视仪可以将周围的红外光转化成可见光并呈现出来，这样可以达到在阴郁中可视的效果。韩纲认为团队的新技能也可能也有相似的运用前景。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。”
图片： Namita Nayyar (WF Team)
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授予生物体超凡的能力，就像科幻电影一样。但是目前要运用起来还有些勉强，最主要的缘故原由便是材料还不足高效。以目前夜间物体周围的红外光的强度来说，还并不敷以引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，还须要通过漫长的美国食药监局批准流程。而这个流程必须经由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运用方向。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引发光敏药物，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浸染的。“我们还不太清楚光在人体内发挥的浸染，由于体内并没有常日意义上的光敏感想熏染器。这种由红外光产生的深层穿透也是目前研究的热点。”
博科园-科学科普｜文: Angus Chen
转自: 环球科学/huanqiukexue
博科园-通报宇宙科学之美
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