Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston (USTC) professorien XUE Tianin ja professori MA Yuqianin johtama tutkimusryhmä on yhteistyössä useiden tutkimusryhmien kanssa onnistuneesti mahdollistanut ihmisille lähi-infrapunan (NIR) spatiotemporaalisen värinäön ylöspäin suuntautuvien piilolinssien (UCL) avulla. Tutkimus julkaistiin Cell-lehdessä verkossa 22. toukokuuta 2025 (EST), ja se esiteltiin lehdistötiedotteessa.Cell Press.
Luonnossa sähkömagneettiset aallot kattavat laajan aallonpituusalueen, mutta ihmissilmä pystyy havaitsemaan vain kapean osan, joka tunnetaan näkyvänä valona, mikä tekee NIR-valosta spektrin punaisen pään ulkopuolella näkymätöntä meille.
Kuva 1. Sähkömagneettiset aallot ja näkyvän valon spektri (kuva professori XUE:n tiimiltä)
Vuonna 2019 professori XUE Tianin, MA Yuqianin ja HAN Gangin johtama tiimi saavutti läpimurron injektoimalla ylöspäin konvertoivia nanomateriaaleja eläinten verkkokalvoihin, mikä mahdollisti ensimmäisenä paljaalla silmällä tapahtuvan lähiinfrapunakuvan näkemisen nisäkkäillä. Koska lasiaisensisäisen injektion sovellettavuus ihmisillä on kuitenkin rajallista, tämän teknologian keskeinen haaste on mahdollistaa lähiinfrapunavalon havaitseminen ihmisille ei-invasiivisin keinoin.
Polymeerikomposiiteista valmistetut pehmeät, läpinäkyvät piilolinssit tarjoavat puettavan ratkaisun, mutta UCL-linssien kehittämisessä on kaksi päähaastetta: tehokkaan ylöspäin konversion saavuttaminen, mikä vaatii korkean ylöspäin konversion nanopartikkelien (UCNP) seostamista, ja korkean läpinäkyvyyden ylläpitäminen. Nanopartikkelien sisällyttäminen polymeereihin kuitenkin muuttaa niiden optisia ominaisuuksia, mikä vaikeuttaa korkean pitoisuuden ja optisen kirkkauden tasapainottamista.
Modifioimalla UCNP-hiukkasten pintaa ja seulomalla taitekertoimeltaan yhteensovitettuja polymeerimateriaaleja tutkijat kehittivät UCL-hiukkasia, jotka saavuttivat 7–9 %:n UCNP-integraation ja samalla säilyttivät yli 90 %:n läpinäkyvyyden näkyvässä spektrissä. Lisäksi UCL-hiukkasilla oli tyydyttävä optinen suorituskyky, hydrofiilisyys ja bioyhteensopivuus, ja kokeelliset tulokset osoittivat, että sekä hiirimallit että ihmiskäyttäjät pystyivät paitsi havaitsemaan lähi-infrapunavaloa myös erottamaan sen ajalliset taajuudet.
Vielä vaikuttavampaa on, että tutkimusryhmä suunnitteli puettavan silmälasijärjestelmän, joka on integroitu UCL-linsseihin ja optimoi optisen kuvantamisen, jotta voidaan voittaa rajoitus, jonka mukaan perinteiset UCL-linssit tarjoavat käyttäjille vain karkean NIR-kuvien hahmonnuksen. Tämä edistysaskel mahdollistaa NIR-kuvien havaitsemisen näkyvän valon näkökykyyn verrattavalla spatiaalisella resoluutiolla, mikä mahdollistaa monimutkaisten NIR-kuvioiden tarkemman tunnistamisen.
Luonnollisissa ympäristöissä laajalle levinneen monispektrisen NIR-valon kanssa selviytyäkseen tutkijat korvasivat perinteiset UCNP-lasit kolmivärisillä UCNP-laseilla kehittääkseen kolmivärisiä ylöspäin konvertoivia piilolinssejä (tUCL), jotka mahdollistivat käyttäjien erottaa kolme erillistä NIR-aallonpituutta ja havaita laajemman NIR-värispektrin. Yhdistämällä väri-, ajalliset ja spatiaaliset tiedot tUCL-lasit mahdollistivat moniulotteisen NIR-koodatun datan tarkan tunnistamisen, mikä paransi spektraalista selektiivisyyttä ja häiriönsietokykyä.
Kuva 2. Erilaisten kuvioiden (simuloitujen heijastavien peilien, joilla on erilaiset heijastusspektrit) värien ulkonäkö näkyvän ja NIR-valon alla, katsottuna puettavan silmälasijärjestelmän ja tUCL-linssien läpi. (Kuva professori XUE:n tiimiltä)
Kuva 3. UCL-lasit mahdollistavat ihmisen havaitsemisen NIR-valosta ajallisessa, paikallisessa ja kromaattisessa ulottuvuudessa. (Kuva professori XUE:n tiimiltä)
Tämä tutkimus, jossa esiteltiin ihmisille puettava ratkaisu NIR-näön parantamiseksi UCL-lasien avulla, tarjosi NIR-värinäön toimivuuden todisteen ja avasi lupaavia sovelluksia turvallisuuden, väärennösten estämisen ja värinäön puutteiden hoidossa.
Paperilinkki:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Kirjoittanut XU Yehong, SHEN Xinyi, toimittanut ZHAO Zheqian)
Julkaisun aika: 7. kesäkuuta 2025