Výskumný tím pod vedením profesora XUE Tiana a profesora MA Yuqiana z Čínskej univerzity vedy a techniky (USTC) v spolupráci s viacerými výskumnými skupinami úspešne umožnil ľudské priestorovo-časové farebné videnie v blízkej infračervenej (NIR) oblasti pomocou kontaktných šošoviek s upkonverziou (UCL). Štúdia bola publikovaná online v časopise Cell 22. mája 2025 (EST) a bola uvedená v tlačovej správe od...Cell Press.
V prírode elektromagnetické vlny pokrývajú široký rozsah vlnových dĺžok, ale ľudské oko dokáže vnímať iba úzku časť známu ako viditeľné svetlo, takže blízke infračervené svetlo za červeným koncom spektra je pre nás neviditeľné.
Obr. 1. Elektromagnetické vlny a spektrum viditeľného svetla (obrázok od tímu prof. XUE)
V roku 2019 dosiahol tím pod vedením profesora XUE Tiana, MA Yuqiana a HAN Ganga prelom vstreknutím upkonverzných nanomateriálov do sietníc zvierat, čo umožnilo vôbec prvú možnosť videnia NIR obrazu voľným okom u cicavcov. Vzhľadom na obmedzenú použiteľnosť intravitreálnej injekcie u ľudí však kľúčovou výzvou tejto technológie spočíva v umožnení ľudského vnímania NIR svetla neinvazívnymi prostriedkami.
Mäkké priehľadné kontaktné šošovky vyrobené z polymérnych kompozitov poskytujú nositeľné riešenie, ale vývoj UCL čelí dvom hlavným výzvam: dosiahnutiu efektívnej schopnosti upkonverzie, ktorá vyžaduje dopovanie nanočasticami s vysokou upkonverziou (UCNP), a udržaniu vysokej priehľadnosti. Začlenenie nanočastíc do polymérov však mení ich optické vlastnosti, čo sťažuje vyváženie vysokej koncentrácie s optickou čistotou.
Prostredníctvom povrchovej modifikácie UCNP a skríningu polymérnych materiálov s porovnateľným indexom lomu vyvinuli výskumníci UCL, ktoré dosahujú 7 – 9 % integráciu UCNP pri zachovaní viac ako 90 % priehľadnosti vo viditeľnom spektre. UCL navyše preukázali uspokojivý optický výkon, hydrofilnosť a biokompatibilitu, pričom experimentálne výsledky ukázali, že myšie modely aj ľudia, ktorí ich používali, dokázali nielen detekovať svetlo NIR, ale aj rozlišovať jeho časové frekvencie.
Ešte pôsobivejšie je, že výskumný tím navrhol nositeľný systém okuliarov integrovaný s UCL a optimalizoval optické zobrazovanie, aby prekonal obmedzenie, ktoré spočíva v tom, že konvenčné UCL poskytujú používateľom iba hrubé vnímanie obrazov v blízkej infračervenej oblasti (NIR). Tento pokrok umožňuje používateľom vnímať obrazy v blízkej infračervenej oblasti s priestorovým rozlíšením porovnateľným s videním vo viditeľnom svetle, čo umožňuje presnejšie rozpoznávanie zložitých vzorov v blízkej infračervenej oblasti.
Aby sa výskumníci lepšie vyrovnali s rozsiahlym výskytom multispektrálneho NIR svetla v prírodnom prostredí, nahradili tradičné UCNP trichromatickými UCNP a vyvinuli trichromatické kontaktné šošovky s upkonverziou (tUCL), ktoré používateľom umožnili rozlíšiť tri odlišné vlnové dĺžky NIR a vnímať širšie farebné spektrum NIR. Integráciou farebných, časových a priestorových informácií umožnili tUCL presné rozpoznávanie viacrozmerných údajov kódovaných NIR, čím ponúkli vylepšenú spektrálnu selektivitu a schopnosti eliminovať rušenie.
Obr. 2. Farebný vzhľad rôznych vzorov (simulované reflexné zrkadlá s rôznymi reflexnými spektrami) pri viditeľnom a blízkom infračervenom osvetlení, pozorovaný cez systém nositeľných okuliarov integrovaný s tUCL. (Obrázok od tímu prof. XUE)
Obr. 3. UCL umožňujú ľudské vnímanie svetla NIR v časovej, priestorovej a chromatickej dimenzii. (Obrázok od tímu prof. XUE)
Táto štúdia, ktorá demonštrovala nositeľné riešenie pre NIR videnie u ľudí prostredníctvom UCL, poskytla dôkaz o koncepte farebného videnia v NIR a otvorila sľubné aplikácie v oblasti bezpečnosti, boja proti falšovaniu a liečby porúch farebného videnia.
Odkaz na papier:https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.04.019
(Napísal XU Yehong, SHEN Xinyi, upravil ZHAO Zheqian)
Čas uverejnenia: 7. júna 2025