如何将红外光转化为可见光

美国哥伦比亚大学（Columbia University）科学家与哈佛大学（Harvard）研究人员共同合作，成功开发出一种将红外光转化为可见光的新技术，可实现无害辐射穿透活体组织及其它材料，而不会因高强度光照射而造成损害。该研究于2019年1月16日发表在《自然》杂志上。

哥伦比亚大学化学教授、该论文的合著者Tomislav Rovis认为：“这些发现令人兴奋，因为我们利用非侵入性红外光源实现了一系列通常需要使用高能可见光的复杂化学转化。该技术存在许多潜在应用，屏障是阻碍问题解决的主要因素。例如，这项研究有望提高光动力疗法（PDT）的覆盖面和有效性，而目前光动力疗法在治疗癌症方面的潜力尚未被全部挖掘。”该研究团队成员主要包括哥伦比亚大学化学副教授Luis M. Campos和哈佛大学罗兰研究所（Rowland Institute）的Daniel M. Congreve，他们利用少量新型化合物完成了一系列实验：当受到光刺激时，这种新型化合物可以调节分子间的电子转移，否则这种电子转移会更慢或根本不会发生。

该研究的化学转换技术被称为三重态融合上转换（triplet fusion upconversion），实验所涉及的一系列过程本质上是将两个红外光子融合成单个可见光光子。由于目前多数技术只能捕捉可见光，这就意味着可见光以外的太阳光谱将被浪费。三重态融合上转换技术则可以收集低能量的红外光，并将其转化为可见光，该技术是通过调整上转换元件来调节输出光，通过光敏剂和消除器的成对操作，实现从低能红外光中获取橙色光和蓝色光。这样就可以被太阳能电池板吸收利用。

相比于容易被多种表面反射的可见光，红外光的波长较长，可以穿透致密的物质。Campos解释道：“有了这项技术，我们能够将红外光微调至所需的较长波长，从而使我们能够无创地穿过各种各样的如纸张、塑料模具、血液及组织等屏障。”研究人员甚至可以用脉冲光穿过包在烧瓶上的两片培根。长期以来，科学家一直试图解决“让可见光穿透皮肤和血液而不损害内部器官或健康组织”的问题。用于治疗某些癌症的光动力疗法使用一种名为光敏剂的特殊药物，这种药物可由光触发并产生高反应活性的单态氧，这种单态氧能够和相邻生物大分子发生氧化反应，从而杀死或抑制癌细胞的生长。目前的光动力疗法仅限于局部或表面癌症的治疗。Rovis说：“我们这项新技术可以使光动力疗法进入人体中以往无法到达的区域。

并且利用一种结合红外光的无毒药物（该无毒药物可选择性地靶向肿瘤部位、照射癌细胞）来代替毒害整个身体的药物，因为现用的有毒药物不仅会杀死恶性细胞，也会杀死健康的细胞。”这项技术将有望产生深远的影响。红外光疗法将有助于包括外伤性脑损伤、神经和脊髓受损、听力损失及癌症等在内的许多疾病的治疗。其它潜在应用领域还包括：化学贮藏的远程管理、太阳能发电和数据存储、药物研发、传感器、食品安全方法、骨仿生复合材料的制备和微电子元件的加工。目前该团队的研究人员正尝试在其它生物系统中测试光子上转换技术。Campos说：“这将为‘改变光与生物体相互作用的方式’提供前所未有的发展机遇。事实上，目前我们正在利用上转换技术实现组织工程和药物输送。”