該成果為低創傷、無線、植入式光電神經接口的研究開闢了新方向。
從紅外光到可見光的波長上轉換過程在生物醫療、紅外探測、太陽能利用等方面有著重要的應用。然而，基於傳統非線性發光材料的上轉換過程具有一定的侷限性。近日，清華大學電子系盛興研究組在《美國科學院院刊》（PNAS）發表題為《基於微型光電上轉換器件的植入式光源》（Microscale optoelectronic infrared-to-visible upconversion devices and their use as injectable light sources）的研究論文。通過對設計製備新型的半導體光電異質結構，實現了從紅外光到可見光的高效、快速上轉換。製備的微型光源被植入活體動物體內，實現了對生物神經系統的有效光遺傳調控。該研究成果為低創傷、無線、植入式光電神經接口的研究開闢了新的方向。
向下容易向上難，然而躍遷之後的優勢是極為明顯，這樣的道理也適用物理光學領域。光子上轉換（photon upconversion）是將多個低能量光子轉換成高能量光子的過程，即發射光的波長小於吸收光的波長。這種獨特的反斯托克斯（anti-Stokes shift）發光的現象在生物醫療、紅外探測、太陽能利用等方面有著重要的應用。然而，傳統基於稀土元素、有機等熒光材料的上轉換過程基於非線性的能量躍遷機制，需要高相干性和大功率激發光源激發，具有相對較低的轉換效率和緩慢的響應速率。
在PNAS論文中，盛興研究組提出了新型的光電半導體異質結構的設計，藉助微納加工工藝，製備出高度集成化的微型植入式波長上轉換器件，成功的實現從近紅外光到可見光各波段的發光上轉換。通過運用新型的光-電轉換機制，克服了傳統非線性上轉換材料的一系列問題，實現了低光照下的線性近紅外到可見光的上轉換，同時將能量轉換的響應時間縮減至納秒量級。通過特殊的轉移和封裝方式，實現了可靠性高、生物兼容性好的波長上轉換微型光源。
圖1.基於半導體異質結構的紅外-可見光上轉換器件及陣列
來自美國威斯康辛大學電子與計算機工程學院的馬振強教授對該項成果給予了高度評價：“While energy down conversion is relative easy, up-conversion has been rather challenging. This up-conversion method is the smartest and the easiest one up to date. The application of the technology is beyond one can imagine. Infrared light is everywhere in nature and exists day and night. But visible light is only available daytime. The semiconductor based up-conversation opens numerous opportunities for applications.”
同時，為了使光電器件與柔軟、可延展的生物組織實現更理想的集成，研究者通過外延層剝離方法將薄膜器件從原始的生長襯底進行剝離，藉助於轉移印刷技術，實現了薄膜器件與異質柔性襯底的結合，製備出植入式微型波長上轉換光源微顆粒。藉助於柔性襯底、可無線控制和遠程激發的波長上轉換微型光源，不僅解決了傳統的植入式光纖、電纜等的有線光電能量傳輸方式的束縛，而且打破了電感耦合及電磁輻射等無線供能方式中大尺寸器件和傳輸距離的限制。通過與生物醫學研究人員合作，將波長上轉換光源探針植入活體動物皮下，利用近紅光處於生物組織透明窗口波段範圍和可穿透深層組織的特點，成功的激發和調製器件發射可見光。
圖2.轉移印刷至不同異質襯底（聚酯薄膜，PDMS光纖）和分散在溶液中的波長上轉換器件。
利用“光遺傳學”技術，採用光作為刺激媒介調控神經元細胞離子通道的開關，可以實現對大腦進行精準的調控。然而，目前光遺傳學中的修飾神經元的光感蛋白僅與可見波段的光相互作用，並且採用侵入式的傳統光學信號傳輸方法存在著很大的侷限性。使用波長上轉換器件作為微型光源植入動物腦內，對近紅外光進行可見化轉換，從而成功實現了對神經系統的光學調控。
圖3.植入活體動物神經系統的微型波長上轉換器件
本文通訊作者盛興博士對本工作進行了展望：“該研究為低創傷、無線、植入式光電神經接口的實現提供了新的研究思路。近年來，各種微納尺度的新型光電器件在生物光子學、納米醫藥等領域的應用展現了巨大的潛力。在‘後摩爾時代’，把高性能的光電信息器件與生物系統進行完美的結合，是一個重要的研究方向。我們期待與各學科專家合作，共同探索這一交叉前沿領域。”
該工作由清華大學電子系盛興研究組主導完成，電子系博士後丁賀和北京生命科學研究所-清華大學生命科學學院2014級博士生盧立輝為共同第一作者，合作者包括北京生命科學研究所-清華大學生命科學學院羅敏敏教授、清華大學材料學院助理教授尹斕、副研究員趙凌雲、賓夕法尼亞州立大學的助理教授 Noel C. Giebink 等。本工作獲得了中組部青年千人計劃、國家自然科學基金、北京信息科學與技術國家研究中心的經費支持。
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