Een onderzoeksteam onder leiding van prof. XUE Tian en prof. MA Yuqian van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC), in samenwerking met diverse onderzoeksgroepen, heeft met succes het spatiotemporele kleurenzicht in het nabij-infrarood (NIR) bij mensen mogelijk gemaakt met behulp van upconversie-contactlenzen (UCL's). De studie werd online gepubliceerd in Cell op 22 mei 2025 (EST) en werd gepresenteerd in een persbericht vanCelpers.
In de natuur bestrijken elektromagnetische golven een groot golflengtebereik, maar het menselijk oog kan slechts een klein gedeelte waarnemen: zichtbaar licht. Hierdoor is NIR-licht buiten het rode uiteinde van het spectrum voor ons onzichtbaar.
Figuur 1. Elektromagnetische golven en zichtbaar lichtspectrum (Afbeelding van het team van Prof. XUE)
In 2019 bereikte een team onder leiding van prof. XUE Tian, MA Yuqian en HAN Gang een doorbraak door upconversie-nanomaterialen in het netvlies van dieren te injecteren, wat de allereerste mogelijkheid tot NIR-beeldwaarneming met het blote oog bij zoogdieren mogelijk maakte. Vanwege de beperkte toepasbaarheid van intravitreale injectie bij mensen, ligt de grootste uitdaging voor deze technologie echter in het mogelijk maken voor de mens om NIR-licht op een niet-invasieve manier waar te nemen.
Zachte, transparante contactlenzen van polymeercomposieten bieden een draagbare oplossing, maar de ontwikkeling van UCL's kent twee grote uitdagingen: het bereiken van een efficiënte upconversiecapaciteit, waarvoor doping met hoge upconversie-nanodeeltjes (UCNP's) vereist is, en het behouden van een hoge transparantie. De integratie van nanodeeltjes in polymeren verandert echter hun optische eigenschappen, waardoor het moeilijk wordt om een hoge concentratie te combineren met optische helderheid.
Door middel van oppervlaktemodificatie van UCNP's en screening van polymere materialen met een overeenkomende brekingsindex, ontwikkelden onderzoekers UCL's die een UCNP-integratie van 7-9% bereikten en tegelijkertijd meer dan 90% transparantie in het zichtbare spectrum behielden. Bovendien vertoonden UCL's bevredigende optische prestaties, hydrofiliteit en biocompatibiliteit. Experimentele resultaten toonden aan dat zowel muizenmodellen als menselijke dragers niet alleen NIR-licht konden detecteren, maar ook de tijdsfrequenties ervan konden differentiëren.
Nog indrukwekkender is dat het onderzoeksteam een draagbaar brilsysteem heeft ontworpen, geïntegreerd met UCL's en de optische beeldvorming heeft geoptimaliseerd om de beperking te overwinnen dat conventionele UCL's gebruikers slechts een grove perceptie van NIR-beelden bieden. Deze vooruitgang stelt gebruikers in staat om NIR-beelden waar te nemen met een ruimtelijke resolutie die vergelijkbaar is met zichtbaar licht, wat een nauwkeurigere herkenning van complexe NIR-patronen mogelijk maakt.
Om beter om te gaan met de wijdverspreide aanwezigheid van multispectraal NIR-licht in natuurlijke omgevingen, vervingen onderzoekers traditionele UCNP's door trichromatische UCNP's om trichromatische upconversie-contactlenzen (tUCL's) te ontwikkelen. Deze lenzen stelden gebruikers in staat om drie verschillende NIR-golflengten te onderscheiden en een breder NIR-kleurenspectrum waar te nemen. Door kleur-, temporele en ruimtelijke informatie te integreren, maakten tUCL's nauwkeurige herkenning van multidimensionale NIR-gecodeerde data mogelijk, met verbeterde spectrale selectiviteit en anti-interferentiemogelijkheden.
Figuur 2. De kleurweergave van verschillende patronen (gesimuleerde reflecterende spiegels met verschillende reflectiespectra) onder zichtbare en NIR-belichting, zoals gezien door het draagbare brilsysteem geïntegreerd met tUCL's. (Afbeelding van het team van Prof. XUE)
Figuur 3. UCL's maken de menselijke waarneming van NIR-licht in temporele, ruimtelijke en chromatische dimensies mogelijk. (Afbeelding van het team van Prof. XUE)
Deze studie, die een draagbare oplossing voor NIR-zicht bij mensen via UCL's demonstreerde, leverde een proof of concept op voor NIR-kleurenzicht en opende de deur voor veelbelovende toepassingen op het gebied van beveiliging, namaakbestrijding en de behandeling van kleurenblindheid.
Link naar het artikel:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Geschreven door XU Yehong, SHEN Xinyi, bewerkt door ZHAO Zheqian)
Plaatsingstijd: 07-06-2025