By Angus Chen on February 28, 2019
两名生物技术研究人员通过向老鼠体内注射花粉粒大小的纳米设备，使老鼠具备了探测近红外光的能力。长期以来，人们一直认为只有某些动物才具备这种能力，包括某些蛇、昆虫和蝙蝠，以及使用特殊设备的人类。其中一名科学家，马萨诸塞大学医学院的生物化学家韩刚(音)，称这种实验啮齿动物为“超级老鼠”。研究小组于本周四在《细胞》杂志上公布了他们的研究结果。
老鼠和人类的眼球只能探测到波长在400到700纳米之间的光子，这是电磁波谱的一小段。较短或较长的波长，如紫外线和红外线范围内的波长，一般对这两种生物都是看不见的。角膜和晶状体过滤掉大部分紫外线，而红外线太弱，无法激活我们眼睛里的光感受器。“这是我们可见光谱的物理极限，”中国科技大学(University of Science and Technology of China)生命科学教授田雪表示。“但Gang告诉我他们正在研究这种不寻常的材料。”
他指的是所谓的光子上转换纳米材料，以其将低能、不可见的光子(包括红外光)转换为高能、可见光的能力命名。宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)材料科学家克里斯•默里(Chris Murray)表示，这种功能的关键在于纳米材料的组成。默里没有参与这项工作。“它们是由一组叫做*土稀**金属的元素组成的，”他说。“它们迷人的特性之一是，它们有非常长的激发态。”
当一个典型的原子吸收能量(例如，从一个碰撞的光子)时，围绕原子核旋转的一些电子以一种不同的、更有能量的模式跳舞——但只是短暂的片刻。然后电子迅速回落到原来的位置，原子将储存的能量作为另一个光子喷射出去。对于大多数元素来说，这个时刻是用十亿分之一秒来衡量的。
但是对于*土稀**金属，这种激发态可以持续百万分之一秒甚至千分之一秒。这是足够的时间让另一个光子撞击原子并形成更多的能量，默里说。他补充说:“这就像有人爬上了滑溜溜的梯子。”*土稀**金属“有更多的‘牵引力’，所以你可以在第二梯级停留足够长的时间，让下一波能量把你带到下一个梯级。”这使得*土稀**金属可以吸收多个低能光子，包括红外范围内的光子，并将这些能量以单个高能光子的形式释放到可见光范围内。
当韩告诉薛关于利用*土稀**金属这种特性的材料时，两人想出了薛所谓的“一个疯狂的想法，就像科幻小说一样”。“如果这些金属能以纳米材料的形式集成到动物的眼球中，科学家们也许能将不可见的红外光转换成可见光，从而将红外视觉信息直接传递到视网膜上，从而有效地制造出电子眼睛。”薛说:“我们怀疑这是否可行。”“但尝试一下还是不错的。”
韩和雪利用两种*土稀**金属，即铒和镱，以及一种名为ConA的蛋白质，构建了他们的纳米颗粒。“镱吸收(红外线)光，然后将其能量转移到附近的一个铒原子上，而后者会发出绿光，”韩说。具体来说，该纳米材料吸收980纳米的近红外光(相对接近可见光光谱的红色边缘)。ConA蛋白附着在微粒上，帮助引导纳米颗粒进入眼睛的感光细胞或光感受器。当纳米颗粒进入眼睛时，蛋白质使纳米颗粒像藤壶一样附着在光感受器的表面。
Han说，从理论上讲，当纳米材料发射出一个绿光光子(大约有一半的时间)与眼睛的自然光感受器相互作用时，眼睛就可以将红外光解释为绿光。为了测试它是否能让老鼠在近红外光下看东西，韩和雪做了所有他们能想到的测试。他们证实，这种经过修饰的光感受器在与红外光互动时，会向大脑发出电信号。他们将红外光照射到改良过的老鼠眼睛里，看它们的瞳孔是否会收缩——他们确实收缩了。未经修饰的老鼠对这些测试没有类似的反应。西北大学的生物医学工程师John Rogers没有参与这项研究，他说:“这非常聪明。”“最令人信服的是一系列行为测试。”
在其中一项实验中，韩和薛把他们改造过的老鼠一个接一个地放进水池里，如果不找到一个隐蔽的平台，它们肯定会淹死。这些老鼠已经被训练识别放置在这个平台上的LED指示牌，显示出一个图案或形状。“老鼠想在平台上安全，”薛说，所以它们会直接游到标志处。所以薛用隐形的近红外led代替了可见光led。没有注射纳米粒子的老鼠在水池里漫无目的地游荡。但修改后的系统立即找到了平台。薛说这让他不寒而栗。“我们甚至看不到(LED指示牌)，但老鼠每次都游向正确的屏幕。”这太可怕了，”薛说。
这意味着老鼠可以利用近红外视觉来辨别周围世界的形状和模式，并在功能上利用这种增强的能力。环境红外光一直存在于地球表面，但在夜间，当可见光供应不足时，它对人类可能最有用。“这就是为什么人类发明了夜视镜，”韩说。这些设备将周围的红外光转换成显示屏上的可见光，让人们在黑暗中看到东西。韩希望这个团队的新技术有一天也能达到类似的目的。“这是在眼睛里，所以没人知道你有，”他说。“你可以成为超人。”
然而，默里指出，这个梦想离现实还有很长的路要走。他说:“这种‘科幻’元素可以赋予生物体更强的能力，这是一个令人着迷的想法。”但他补充说，“这有点做作。这些材料还没有那么有效。“首先，在夜间没有足够的环境红外光让这些纳米粒子产生真正相干的图像。此外，薛和韩的纳米颗粒还需要经过美国食品和药物管理局(fda)漫长的审批程序，才能用于人类。这将包括在非人灵长类动物身上进行试验，以及一系列安全试验，所有这些试验都可能需要数年时间。
但是Murray可以看到其他潜在的应用。他说:“红外光可以深入到身体深处，做你想做的事情。”因此，他推测这些纳米颗粒可能被用来帮助激活某些光敏药物或治疗方法，这些药物或治疗方法位于可见光无法轻易到达的地方。或者它们可以用来研究可见光如何与我们的内部器官相互作用。Murray说:“我们还不能完全理解体内的光线对人体的影响，因为那里没有正常的光感受器。”“这种红外深穿透激发是目前此类材料的研究热点。”