编辑推荐：
为解决上转换设备光能耗散、吸收不足致激发阈值超视网膜安全限等问题，研究人员开展微球介导定向光场增强上转换发光研究。构建核心壳微球等结构，使 UCL 强度提升三个数量级，获 0.0025 mW/cm2 超低阈值，相关接触镜改善兔视网膜退化视力，具重要应用价值。
在黑暗中看清物体是人类长久以来的梦想，而对于患有视网膜退化等疾病的患者来说，即便在微弱光线下视物也成为奢望。上转换发光（Upconversion Luminescence, UCL）技术有望将不可见的红外光转换为可见光，为夜视和视觉修复提供新途径。然而，传统上转换材料存在光吸收效率低、能量耗散严重的问题，导致激发阈值普遍高于 1 mW/cm2，这不仅超过了视网膜安全极限（0.3 mW/cm2），还限制了可穿戴设备的开发。此外，现有的增强技术如等离子体耦合纳米腔、介电纳米天线等，虽能提升发光强度，但存在光学散射和能量损耗，且应用场景受限。因此，开发超低阈值、高效能量利用的上转换系统，成为突破视网膜退化治疗和夜视技术瓶颈的关键。
为解决上述难题，华中科技大学的研究团队开展了一系列创新研究。他们设计了一种基于微球介导定向光场的上转换系统，通过构建核心壳结构微球（Upconversion Core-Shell Microsphere, UCM）和光子晶体接触镜（Upconversion Contact Lens, UCCL），实现了超低阈值的红外视觉，并在视网膜退化兔子模型中验证了其修复视力的能力。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为可穿戴光学设备和眼科治疗提供了新范式。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过水热法制备了 SiO?@NaYF?:Yb,Er 核心壳微球，其中 NaYF?:Yb,Er 作为活性壳层，SiO?为惰性核心，利用不同材料的折射率差异（NaYF?:Yb,Er 壳层 n=1.48，SiO?核心 n=1.46）实现光的多次反射 - 吸收 - 上转换。其次，利用有限差分时间域（FDTD）模拟优化微球尺寸和光场分布，发现 500 nm 微球可产生最强的电场增强效应。最后，将 UCM 集成到四层结构的光子晶体接触镜中，包括抗反射层（ARL）、上转换发光层（UCL）、绿光反射层（GRL）和红外反射层（IRL），通过光子晶体的反射和放大作用进一步提升光利用率。研究中使用的动物模型为光诱导视网膜退化的新西兰白兔，通过瞳孔光反射（PLR）和视网膜电图（ERG）评估视觉功能恢复情况。
机制研究：微球的定向光场增强与能量转换
研究发现，NaYF?:Yb,Er 壳层不仅是上转换发光层，还充当共振腔。当红外光入射时，由于壳层与核心的折射率差异，光线在壳层内发生多次反射，延长了光程，使 Yb3?离子吸收更多红外光子，并高效将能量传递给 Er3?离子，促进其从基态（E?）跃迁到激发态（E?）。FDTD 模拟显示，500 nm UCM 的电场强度较 40 nm 上转换纳米颗粒（UCNP）增强 1200 倍，正向发射强度是背向的 150 倍，红外吸收提升 8 倍。这种定向光场效应显著降低了实现上转换所需的激发功率，使 UCM 的发光强度较 UCNP 提升三个数量级。
材料表征：核心壳微球与接触镜的结构性能
透射电子显微镜（TEM）和 X 射线衍射（XRD）证实，制备的 UCM 具有清晰的核心壳结构，壳层厚度约 50 nm，且形成高效发光的 β-NaYF?:Yb,Er 晶相。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，微球表面修饰的聚乙二醇配体有效减少了羟基引起的非辐射跃迁。四层结构的 UCCL 通过热固化和紫外固化工艺制备，各层微球排列有序，抗反射层使可见光透过率达 90% 以上，量子产率提升至 9.4%（UCNP 仅为 0.3%），在 0.0025 mW/cm2 的超低激发阈值下仍能产生强绿光发射。
红外视觉应用：视网膜退化的无创修复
在视网膜退化（RD）兔子模型中，强光损伤导致视网膜外核层（ONL）变薄，杆状细胞功能丧失，表现为对 532 nm 可见光和 980 nm 红外光刺激无明显瞳孔收缩。佩戴 UCCL 后，兔子的瞳孔对红外光的响应显著恢复，接近正常水平。ERG 检测显示，RD 兔子在同时接受 532 nm 和 980 nm 光刺激时，光电压振幅较未佩戴组提升数倍，甚至超过正常兔子。行为学实验表明，RD 兔子在黑暗环境中借助 UCCL 的红外视觉，寻找食物的时间显著缩短，且随着红外光功率增加，表现优于正常兔子。长期佩戴实验显示，UCCL 对角膜上皮无损伤，证实了其安全性。
结论与讨论：从实验室到临床的突破
该研究通过微球介导的定向光场策略，成功解决了上转换系统中光能耗散和吸收不足的核心问题，将激发阈值降至 0.0025 mW/cm2，远低于视网膜安全极限，同时实现了 9.4% 的高量子产率。UCCL 作为一种无创、可逆的可穿戴设备，不仅为视网膜退化患者提供了新的治疗选择，还为夜视技术、生物成像和光伏领域开辟了新方向。未来，通过优化壳层材料、设计多层核心壳结构，有望进一步提升发光强度和调控荧光颜色，推动该技术在临床和其他领域的广泛应用。这项工作标志着上转换技术从高功率实验室设备向低功耗可穿戴设备的重要跨越，为解决人类视觉障碍和能源利用问题提供了创新思路。
