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研究人员利用新型纳米材料 可使“超级老鼠”看到近红外光

2019-03-04 09:27
来源: 微迷网

据麦姆斯咨询报道,两位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级器件,使老鼠具备了识别近红外光的能力。长期以来,这种能力一直被认为只有少数动物(包括某些蛇、昆虫和蝙蝠)以及人类使用特殊设备才具备。其中一名研究者是美国马萨诸塞大学医学院(University of Massachusetts Medical School)的生物化学家韩刚教授,他称这种实验啮齿类动物为“超级老鼠”。该研究小组于2019年2月28日在Cell上发表了该研究成果。

研究人员利用新型纳米材料 可使“超级老鼠”看到近红外光

老鼠和人类的眼球只能探测到电磁波谱的一小段——波长在400纳米到700纳米之间。较短或较长的波长(如紫外线和红外线波段),对这两种生物来说通常是不可见的。这是由于角膜和晶状体过滤掉了大部分紫外线,而红外线太弱,根本无法激活我们眼中的光感受器。中国科学技术大学生命科学教授薛天表示:“这是人类可见光谱的物理极限,但韩教授告诉我他们正在研究这种不寻常的材料。”

薛教授指的是所谓的光子上转换纳米材料(photon up-conversion nanomaterials),这种材料以其可将低能、不可见光(包括红外光)转换为高能、可见光的能力而命名。美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)材料科学家Chris Murray表示,实现这种功能的关键在于纳米材料的组成,Murray并未参与这项研究。Murray说:“这种材料是由一系列称为稀土金属的元素构成,该类元素的特性之一就是它具有很长的激发态。”

当典型原子吸收能量时(例如来自碰撞的光子),围绕原子核旋转的电子就会以一种不同的、更高能级的模式运动,但时间很短暂。然后电子将迅速回到原来的能级,然后原子将储存的能量作为另一个光子发射出去。对于大多数元素来说,这个时间是以十亿分之一秒为单位的。

Murray解释道,但对于稀土金属来说,这种激发态可以持续百万分之一秒甚至千分之一秒。这就有足够的时间让另一个光子撞击原子并形成更多的能量。他补充道:“这就好像你爬上了滑梯的梯级,稀土金属又有一点儿‘牵引力’,因此你可以在第二‘梯级’停留足够长的时间,以等待下一波能量把你带到更高的‘梯级’。”这使得稀土金属可以吸收多个低能光子(包含红外波段光子),并将这些能量以可见光范围的单个高能光子释放。

当韩教授告诉薛教授关于利用稀土金属材料的这种特性时,两人共同实现了薛教授的设想——所谓“像科幻小说一样的疯狂想法”。如果这些金属能以纳米材料的形式集成到动物的眼球中,科学家们或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,进而有效地创造出电子眼。薛说:“起初我们怀疑这种想法的可行性,但尝试后发现效果还不错。”

韩教授和薛教授利用两种稀土金属(铒和镱)和一种名为ConA的蛋白质,构建了他们的纳米粒子。韩教授解释道:“镱吸收红外光,然后将其能量转移到附近的铒原子上,而后铒原子就会发出绿光。”具体来说,该纳米材料吸收980纳米的近红外光(该波段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,帮助引导纳米粒子进入眼中的感光细胞或光感受器。当纳米颗粒进入眼睛时,该蛋白质会使纳米颗粒像藤壶一样附着在光感受器的表面。

韩教授说,从理论上讲,当纳米材料发射出可与眼睛的自然光感受器相互作用的绿光光子时(约有一半时间),眼睛就可以将红外光看成为绿光。为了测试该材料能否真正让老鼠在近红外光下看见东西,韩与薛完成了他们能想到的所有测试。他们证实,这种经过改进的光感受器在与红外光相互作用时,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,来观察老鼠的瞳孔是否会收缩,结果显示老鼠的瞳孔的确收缩了。相比较,未经改良的老鼠对这些测试没有类似反应。未参与这项研究的美国西北大学(Northwestern University)生物医学工程师John Rogers感慨道:“该研究非常巧妙。最有力的证据就是这一系列行为测试。”

该研究的一项实验中,韩和薛把他们改造过的老鼠一个接一个地放进水池里,如果老鼠找不到经过隐蔽的平台,它们肯定会淹死。这些老鼠已被训练得学会识别放置在该隐蔽平台上的、显示出图案或形状的LED指示牌。薛说:“老鼠想要抵达平台保证自身安全,因此它们会直接游到LED指示牌处。”所以薛使用隐形的近红外LED代替了可见光LED。结果发现,没有注射纳米粒子的老鼠会在水池里漫无目的地游荡;但注射过纳米粒子的老鼠立即找到了平台。薛感慨,这个现象让他不寒而栗,他说:“我们自己甚至都看不到近红外LED指示牌,但改良的老鼠每次都会游向正确的近红外LED指示牌,这太可怕了!”

该实验意味着老鼠不仅可以利用近红外视觉来辨别周围世界的形状和图案,而且还能有效利用它来增强自身能力。环境红外光一直存在于地球表面,在可见光不足的夜间,它对人类却很有用。韩说:“这就是人类发明夜视镜的原因。”这些夜视设备可将周围的红外光转换成显示屏上的可见光,让人们在黑暗中看见。韩希望其研究团队的新技术有一天也能达到类似的目的。韩说:“我们的纳米器件是在眼睛里,因此没人知道你有它,这样你可以成为超人。”

然而,Murray指出,这个梦想离现实还有很长的路要走。Murray说:“这‘科幻’元素可以赋予生物体更强的能力,是个令人着迷的想法。”但他补充道:“这有些不现实,这些材料还没有那么高效。”首先,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。其次,薛和韩的纳米颗粒还需经过美国食品和药物监督管理局(U.S. Food and Drug Administration)漫长的审批程序,才能用于人类的商业用途。这期间还将包括在非人灵长类动物身上进行试验,以及一系列安全测试,完成所有程序可能需要经过数年。

但是Murray发现了其他潜在的应用。他说:“红外光可以探入身体深处,让我们完成想做的事情。”因此他推测,在可见光无法轻易到达的地方,这些纳米颗粒可被用来帮助激活某些光敏药物或治疗方法。或者它们也可用来研究可见光是如何与我们身体内部器官相互作用的。Murray说:“我们还不能完全理解体内光线对人体的影响,因为体内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。”

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