如何將紅外光轉化為可見光

美國哥倫比亞大學（Columbia University）科學家與哈佛大學（Harvard）研究人員共同合作，成功開發出一種將紅外光轉化為可見光的新技術，可實現無害輻射穿透活體組織及其它材料，而不會因高強度光照射而造成損害。該研究于2019年1月16日發表在《自然》雜志上。

哥倫比亞大學化學教授、該論文的合著者Tomislav Rovis認為：“這些發現令人興奮，因為我們利用非侵入性紅外光源實現了一系列通常需要使用高能可見光的復雜化學轉化。該技術存在許多潛在應用，屏障是阻礙問題解決的主要因素。例如，這項研究有望提高光動力療法（PDT）的覆蓋面和有效性，而目前光動力療法在治療癌癥方面的潛力尚未被全部挖掘?！痹撗芯繄F隊成員主要包括哥倫比亞大學化學副教授Luis M. Campos和哈佛大學羅蘭研究所（Rowland Institute）的Daniel M. Congreve，他們利用少量新型化合物完成了一系列實驗：當受到光刺激時，這種新型化合物可以調節分子間的電子轉移，否則這種電子轉移會更慢或根本不會發生。

該研究的化學轉換技術被稱為三重態融合上轉換（triplet fusion upconversion），實驗所涉及的一系列過程本質上是將兩個紅外光子融合成單個可見光光子。由于目前多數技術只能捕捉可見光，這就意味著可見光以外的太陽光譜將被浪費。三重態融合上轉換技術則可以收集低能量的紅外光，并將其轉化為可見光，該技術是通過調整上轉換元件來調節輸出光，通過光敏劑和消除器的成對操作，實現從低能紅外光中獲取橙色光和藍色光。這樣就可以被太陽能電池板吸收利用。

相比于容易被多種表面反射的可見光，紅外光的波長較長，可以穿透致密的物質。Campos解釋道：“有了這項技術，我們能夠將紅外光微調至所需的較長波長，從而使我們能夠無創地穿過各種各樣的如紙張、塑料模具、血液及組織等屏障?！毖芯咳藛T甚至可以用脈沖光穿過包在燒瓶上的兩片培根。長期以來，科學家一直試圖解決“讓可見光穿透皮膚和血液而不損害內部器官或健康組織”的問題。用于治療某些癌癥的光動力療法使用一種名為光敏劑的特殊藥物，這種藥物可由光觸發并產生高反應活性的單態氧，這種單態氧能夠和相鄰生物大分子發生氧化反應，從而殺死或抑制癌細胞的生長。目前的光動力療法僅限于局部或表面癌癥的治療。Rovis說：“我們這項新技術可以使光動力療法進入人體中以往無法到達的區域。

并且利用一種結合紅外光的無毒藥物（該無毒藥物可選擇性地靶向腫瘤部位、照射癌細胞）來代替毒害整個身體的藥物，因為現用的有毒藥物不僅會殺死惡性細胞，也會殺死健康的細胞?！边@項技術將有望產生深遠的影響。紅外光療法將有助于包括外傷性腦損傷、神經和脊髓受損、聽力損失及癌癥等在內的許多疾病的治療。其它潛在應用領域還包括：化學貯藏的遠程管理、太陽能發電和數據存儲、藥物研發、傳感器、食品安全方法、骨仿生復合材料的制備和微電子元件的加工。目前該團隊的研究人員正嘗試在其它生物系統中測試光子上轉換技術。Campos說：“這將為‘改變光與生物體相互作用的方式’提供前所未有的發展機遇。事實上，目前我們正在利用上轉換技術實現組織工程和藥物輸送?！?/p>