【產通社，6月21日訊】清華大學新聞中心（Tsinghua University News Center）官網消息，其電子系盛興研究組在《美國科學院院刊》（PNAS）發(fā)表了題為《基于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。通過設計制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、快速的轉換。制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(tǒng)的有效光遺傳調控。該研究成果為低創(chuàng)傷、無線、植入式光電神經接口的研究開辟了新的方向。

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(fā)射光的波長小于吸收光的波長。這種獨特的反斯托克斯（anti-Stokes shift）發(fā)光的現象在生物醫(yī)療、紅外探測、太陽能利用等方面有著重要的應用。然而，傳統(tǒng)基于稀土元素、有機等熒光材料的上轉換過程基于非線性的能量躍遷機制，需要高相干性和大功率激發(fā)光源激發(fā)，具有相對較低的轉換效率和緩慢的響應速率。

本文提出了新型的光電半導體異質結構的設計，制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(fā)光上轉換。通過運用新型的光-電轉換機制，克服了傳統(tǒng)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、生物兼容性好的植入上轉換微型光源。

這種可無線控制和遠程激發(fā)的上轉換微型光源不僅解決了傳統(tǒng)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(yī)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，利用近紅光處于生物組織透明窗口波段范圍和可穿透深層組織的特點，成功的激發(fā)和調制器件發(fā)射可見光。結合光遺傳技術，將微型上轉換光源植入動物腦內，利用近紅外光成功實現了對神經系統(tǒng)的光學調控。該研究為低創(chuàng)傷、無線、植入式光電神經接口的實現提供了新的研究思路。

清華大學電子系助理教授盛興為本文的通訊作者，電子系博士后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、趙凌云副研究員，賓夕法尼亞州立大學的助理教授諾爾·吉賓克（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。

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://news.tsinghua.edu.cn，以及http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1802064115。    （完）