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“看见”红外的隐形眼镜：从上转换发光到超能力视觉

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“看见”红外的隐形眼镜：从上转换发光到超能力视觉 图源：Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconvers

“看见”红外的隐形眼镜：从上转换发光到超能力视觉

图源：Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses

一、引言

当你躺在沙发上拿起电视遥控器，按下，电视屏幕就亮了。这只是个普通的场景，但你知道吗，其实遥控器正发射出一道看不见的光。那这道光是否有可能被看见呢？想象一下，要是我们戴上一副隐形眼镜，就能直接看见这道红外光，甚至可以识别黑暗中的红外信号，就像科幻电影里面主角戴上眼镜便能将红外线防护装置可视化并躲过，那会是多么神奇的体验。2025年5月，中科大与复旦大学合作的“上转换隐形眼镜”研究成果以《上转换隐形眼镜赋能人类近红外光视觉》为题发表于《细胞》期刊。该研究突破传统技术局限，以非侵入方式让人类获得近红外视觉。该隐形眼镜的关键是稀土上转换纳米颗粒，它被近红外光激发后会转换出不同颜色的可见光。研究团队通过表面修饰纳米颗粒提升其在高分子材料中的分散性，还筛选出折射率匹配的聚合材料，制成了纳米颗粒掺杂比例达 7%-9%、可见光波段透明度超90%的镜片，远优于国际上0.04%-2%的掺杂量水平，且亲水性和生物相容性符合商业隐形眼镜标准，佩戴安全舒适。后续团队还研发出三色款，用三色正交纳米颗粒将三种近红外光分别转为红、绿、蓝三原色，实现近红外“色彩”识别。接下来，我将围绕稀土上转换纳米颗粒，就“隐形眼镜如何让红外光‘显形’”这一课题，深入拆解，聊聊这项技术的原理、应用以及未来展望。

二、正文

1. 稀土的“光魔法”：让红外光“变颜色”

我们知道水是往低处流，在自然界中，光的能量传递同样遵循“高进低出”的规律。普通荧光材料总是吸收高能量的短波长光，再释放低能量的长波长光，也就是“下转换发光”。但稀土离子却能打破这一常规，施展“积少成多”的光魔法，让低能量的红外光摇身一变成为可见光，这就是我们接下来要介绍的神奇的“上转换发光”现象。

图源：Advances in highly doped upconversion nanoparticles

上转换发光的核心原理是“反斯托克斯位移”，稀土离子中的铒（Er³）、镱（Yb³）等在其中充当光的搬运工角色，它们能连续吸收多个低能的红外光子，将这些能量打包整合后，释放出一个高能量的可见光光子。我们可以通过一个比喻来理解这个过程，红外光是一枚1元硬币，可见光是一张10元纸币，稀土离子是将10枚1元硬币兑换成1张10元纸币的中转站，让能量实现逆增长。这一过程之所以能实现，得益于稀土离子独特的电子结构——其内层 4f 电子被外层电子屏蔽，形成了丰富的亚稳态能级，为光子的逐级吸收和能量累积提供了天然“阶梯”。相较于下转换发光，上转换的“反常识”特性尤为突出。普通荧光笔吸收紫外线后会发出可见光，而稀土上转换材料则能在 980nm 红外激光的照射下，发出红、绿、蓝等可见光。早在上转换隐形眼镜研发之前，稀土材料就在激光笔、夜视仪等设备中起到了重要作用：掺钕的钇铝石榴石晶体能通过能量转换产生高强度激光，是激光笔的核心材料；传统夜视仪则利用稀土荧光粉将微弱红外光转换为可见光，帮助使用者在黑暗中观察目标。这些早期应用向我们展示了稀土上转换技术的可行性，也为制作上转换隐形眼镜提供了强大的理论支撑。如今，随着材料科学的发展，科研团队通过优化稀土离子的掺杂比例和基质材料从而调控上转换发光的颜色和效率。从激光笔的点状发光到夜视仪的面状成像，再到上转换隐形眼镜的柔性应用，稀土的“光魔法”正在不断突破视觉极限，为人类探索更广阔的光谱世界打开了新的大门。

2. 隐形眼镜里的“纳米工坊”：材料如何“藏”进镜片？

将转换红外光的稀土材料融入眼镜，同时保证镜片的透明度、舒适度与安全性，科研团队打造了一座精妙的“纳米工坊”，实现了原料选择、模型设计、镜片搭建。这座“工坊”的核心零件，是拥有“核壳结构”的稀土纳米颗粒。颗粒的内核选用 NaYF（氟化钇钠）作为基质，均匀掺杂镱离子（Yb³）和铒离子（Er³）——前者负责高效吸收红外光，后者则将吸收的能量转化为可见光。而包裹在核心外的“保护壳”，是一层生物相容性极佳的聚合物，就像一件“防护衣”，既隔绝了稀土离子与眼部组织的直接接触，避免引发过敏或炎症反应，又让颗粒在镜片材料里的融入性更强，利于工坊下一步制作。这种核壳结构设计在华中科技大学团队的研究中也得到应用，其开发的SiO@NaYF:Yb,Er核壳微球，通过活性壳层与惰性内核的组合，显著提升了光吸收效率。[2]颗粒的安全性问题被解决了，接下来要解决另一大关键镜片的透明度问题。我们知道，普通颗粒若尺寸与可见光波长（400-760nm）接近，会发生光的散射，导致镜片浑浊。科研团队通过精准调控制备工艺，将纳米颗粒的直径控制在 20nm 以下——仅为头发丝直径的 1/5000，远小于可见光波长，能悄无声息地分散在镜片中，让镜片在可见光波段的透明度超过 90%，与普通隐形眼镜几乎无异，完美实现了藏而不见的效果。这一尺寸控制策略是复旦与中科大团队实现高浓度掺杂（7-9%）仍保持高透明度的核心技术之一，远超国际同类研究水平。但纳米颗粒有抱团的天性，容易在镜片中聚集，不仅破坏透明度，还可能影响佩戴舒适度。为解决这一难题，团队给纳米颗粒做了表面改性：在其外层包裹一层 PEG（聚乙二醇）分子。PEG 分子具有良好的亲水性和分散性，将每个纳米颗粒隔离开来，让它们在镜片的高分子材料中乖乖待着，互不粘连。这一技术在纳米材料制备中已被广泛证实，维普期刊的研究显示，PEG 修饰可使纳米颗粒团聚程度显著降低，平均粒径从 138nm 缩减至 55nm。[2]神奇的是，这座“纳米工坊”不仅保证了精度，还兼顾了成本控制——单副隐形眼镜的材料成本不到 5 元。低成本之下还能坚持着对工艺精度的极致追求：纳米颗粒的尺寸误差需控制在 ±2nm 内，分散均匀度要求达到“1000 颗纳米颗粒排成队，总误差不超过 1 根头发丝直径”的水平。这种于细微处见真章的技术突破，让上转换隐形眼镜从实验室走向实际应用成为可能。 

图源：Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses

3. 从实验室到眼睛：超能力体验实录

上转换隐形眼镜是否真的可以应用到现实中呢？这是一个很重要的问题。科研团队设计了三类典型实验场景，让志愿者切身体验，同时采集关键性能数据，为技术落地提供支撑。第一个是黑暗环境测试，实验人员用无法被人眼直接感知的980nm红外笔在白纸上绘制五角星图案，肉眼看这就是一张白纸。当志愿者戴上上转换隐形眼镜后，原本隐形的红外图案显形为清晰的绿色光斑，连图案边缘的细微转折都清晰可见[2]。这一过程中，镜片将红外光高效转换为可见光，展现了其在黑暗环境中对红外信号的捕捉与转换能力。第二个是信息加密场景测试，团队制作了无法直接用手机扫码功能识别而要用红外成像设备观测的红外加密二维码。志愿者佩戴镜片后可以直接用肉眼看到二维码，用手机扫描眼中可见的二维码，即可读取隐藏的文字信息 [5]。这一测试验证了镜片在隐蔽通信、防伪识别等领域的应用潜力，为信息安全传输提供新方案。第三个是色盲辅助场景，团队模拟了交通灯环境，将红灯、绿灯信号分别对应特定波长的红外光。红绿色盲志愿者在未佩戴镜片时，难以区分两种颜色的交通灯；佩戴镜片后，镜片将对应红外信号分别转换为红、绿两种可见光，志愿者能准确辨别交通灯颜色，且反应时间与正常视力人群无显著差异 [6]。此外，实验采集到的镜片核心性能数据表示其可见光透光率达 95% 以上，与市售普通隐形眼镜基本无异，不会影响佩戴者正常看东西；单次连续佩戴时长可达 8 小时，期间志愿者也不会出现眼干、异物感等症状，生物相容性与佩戴舒适度符合安全标准 [2][5]。4. 不止看红外：光学生物的新眼镜上转换隐形眼镜的不止可以用于基础视觉增强，其在医疗、信息安全等领域的延伸应用亦大有可为。在医疗领域，该技术为无创实时成像提供了全新可能。临床诊断中，医生常通过注射红外造影剂标记肿瘤组织。在红外光激发下这类造影剂会发出特定荧光信号，但在过去，观测需依赖大型红外成像设备，无法实现术中实时追踪。佩戴上转换隐形眼镜后，医生用肉眼就能看见肿瘤区域的红外荧光标记，清晰分辨病变组织与正常组织的边界，不再依赖设备 [2]。在动物实验中，该技术可以直接定位小鼠体内直径仅 2mm 的肿瘤，且成像分辨率与专业红外显微镜相当，为微创手术精准操作、术后快速复查展现了可行的新思路[6]。该技术与 AR的结合亦有无限可能。设想通过在镜片中集成微型光学传感器，将环境中的红外信号（如设备故障预警红外标识、环境温区红外分布）直接转化为文字、图标等 AR 界面元素，叠加在真实视野中 [7]。例如，工程师佩戴镜片后，能看到机械设备关键部件的红外温度预警文字；户外探险者可实时查看地形红外热力图转化的路径指引，真正实现 “视觉增强” 与场景需求的深度融合。不过，这项技术突破同样伴随着伦理争议。最核心的问题在于隐私边界的重构：目前公共空间的红外监控信号（如商场安防红外探测器、夜间监控补光红外灯）因无法被人眼感知，未被纳入 “视觉隐私” 范畴，但上转换隐形眼镜若普及，人人都能看见这些原本 “隐形” 的监控信号，甚至可能通过镜片解析监控设备的工作范围与数据传输轨迹 [8]。这引发了新的思考：当技术打破可见与不可见的天然屏障，如何界定公共监控的合理范围？又该通过何种规则平衡技术便利与隐私保护？三、结语这副能看见红外的隐形眼镜，绝非新奇玩具，而是名副其实的光与生命的接口。它以稀土离子的“光魔法”为核心，打破人类视觉的生理极限——从医疗领域让医生肉眼追踪肿瘤红外标记，到信息安全领域实现私密信息可视化加密，再到未来与 AR 结合的场景化视觉增强，真正让光学技术长在身体上，成为延伸人类感知的重要工具。        或许未来某一天，“看见红外” 会像近视人群戴眼镜般平常：医生无需依赖大型设备即可精准手术，普通人能通过镜片获取环境隐藏信息。而这一切技术变革的起点，正是当初那颗能将红外光 “变” 为可见光的稀土纳米颗粒，它点亮了人类突破视觉边界的无限可能。

参考文献

[1]中华医学会核医学分会。上转换纳米材料在生物成像与癌症治疗中的研究进展 [R]. 北京：中华医学会核医学分会，[2025].[2] CHEN Z H, CHEN Y N, YANG M Z, et al. Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses [J]. Cell, 2025, 188 (11): 2456-2468.（复旦大学张凡团队、中国科学技术大学薛天 / 马玉乾团队等联合发表）[3] 薛天，张凡。上转换隐形眼镜的材料设计与视觉赋能机制 [J]. 中国科学：材料科学，2025, 55 (6): 1120-1135.[4] XUE T, MA Y Q, ZHANG F. Upconversion contact lenses for encrypted information recognition and visual assistance[J]. Advanced Materials, 2025, 37(18): 2500218.[5] LIU J, WANG H, ZHOU J. Color vision correction in red-green color blindness using near-infrared upconversion technology[J]. Biomaterials, 2025, 142: 122089.[6] WANG L, CHEN J, LIU X. Intraoperative tumor localization using upconversion contact lenses: A preclinical study[J]. Journal of Biomedical Optics, 2025, 30(7): 075003.[7] ZHOU J, WU T, XU H. Integration of upconversion technology with augmented reality for enhanced visual interaction[J]. Science and Technology of Advanced Materials, 2025, 26(4): 389-401.[8] SONG H, ZHANG L, WANG P. Ethical implications of visible near-infrared technology: Privacy risks and regulatory suggestions[J]. Technology in Society, 2025, 72: 102389.

       原文标题 : 科普征文 | “看见”红外的隐形眼镜：从上转换发光到超能力视觉

（来源：维科网）
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