Нанотехнология позволяет видеть в инфракрасном диапазоне
Однократное введение наночастиц в глаза мышей дало им инфракрасное зрение на срок до 10 недель с минимальными побочными эффектами
Мыши с улучшенным зрением благодаря нанотехнологиям смогли видеть как инфракрасный, так и видимый свет, сообщает исследование, опубликованное 28 февраля в журнале Cell.
Однократное введение наночастиц в глаза мышей дало им инфракрасное зрение на срок до 10 недель с минимальными побочными эффектами, позволяя им видеть инфракрасный свет даже в течение дня и с достаточной специфичностью, чтобы различать различные формы.
Эти результаты могут привести к прогрессу в технологиях инфракрасного зрения человека, включая потенциальные применения в гражданском шифровании, безопасности и военных операциях.
Люди и другие млекопитающие ограничены в восприятии диапазона длин волн света, называемого видимым светом, который включает в себя длины волн радуги. Но инфракрасное излучение, которое имеет большую длину волны, окружает нас. Люди, животные и предметы излучают инфракрасный свет, выделяя тепло, а предметы кроме того могут отражать инфракрасный свет.
«Видимый свет, который может восприниматься естественным зрением человека, занимает лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра», — говорит старший автор исследования Тянь Сюэ из Университета науки и технологий Китая. «Однако электромагнитные волны длиннее или короче видимого света несут много информации».
Многопрофильная группа ученых во главе с Сюэ и Цзинь Бао в Университете науки и технологии Китая, а также Ганг Ханом в Медицинской школе Массачусетского университета разработали нанотехнологию для работы с существующими структурами глаза.
«Когда свет попадает в глаз и попадает на сетчатку, палочки и колбочки — или фоторецепторные клетки — поглощают фотоны с длинами волн видимого света и посылают соответствующие электрические сигналы в мозг», — говорит Хан. «Поскольку длины инфракрасных волн слишком велики для поглощения фоторецепторами, мы не можем их воспринимать».
В своем исследовании ученые создали наночастицы, которые могут плотно прикрепляться к фоторецепторным клеткам и действовать как крошечные датчики инфракрасного света. Когда инфракрасный свет попадает на сетчатку, наночастицы захватывают более длинные инфракрасные волны и излучают более короткие волны в диапазоне видимого света.
Затем ближайшая колбочка или палочка сетчатки поглощает меньшую длину волны и посылает нормальный сигнал в мозг, как если бы видимый свет попал на сетчатку.
«В нашем эксперименте наночастицы поглощали инфракрасный свет с длиной волны около 980 нм и преобразовывали его в свет с длиной 535 нм, что делало инфракрасный свет зеленым», — говорит Бао.
Исследователи проверили наночастицы на мышах, которые, как и люди, не могут видеть инфракрасное излучение естественным путем. Мыши, получившие инъекции, демонстрировали бессознательные физические признаки того, что они обнаруживали инфракрасный свет, например, сужение зрачков, в то время как мыши, которым вводили только буферный раствор, не реагировали на инфракрасный свет.
Чтобы проверить, могут ли мыши чувствовать инфракрасный свет, исследователи поставили ряд задач в лабиринте, чтобы продемонстрировать, что мыши могут видеть инфракрасный свет при дневном освещении одновременно с видимым светом.
«Мы считаем, что в будущем, возможно, найдется место для совершенствования технологии с помощью новой версии наночастиц на органической основе, изготовленных из одобренных соединений, которые, как представляется, приводят к еще более яркому инфракрасному зрению» — говорят исследователи.
Они также полагают, что можно провести большую работу по тонкой настройке спектра излучения наночастиц для соответствия человеческим глазам, которые используют больше колбочек, чем палочек для своего центрального зрения, по сравнению с глазами мыши. «Это захватывающая тема, потому что технологии, которые мы сделали здесь возможными, могут в конечном итоге дать людям возможность видеть за пределами наших естественных возможностей», — говорят ученые.
Cell, Ma et al.: «Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae.» https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30101-1 , DOI: 10.1016/j.cell.2019.01.038