L’upconversion è ampiamente utilizzata in vari campi per la sua capacità di convertire fotoni a bassa energia, tipicamente nello spettro infrarosso o vicino infrarosso, in fotoni a energia più elevata come la luce visibile o ultravioletta. Uno degli usi principali dell’upscaling è nelle applicazioni di imaging e rilevamento biomedico. Convertendo la luce del vicino infrarosso che penetra in profondità in luce visibile, l’upconversion consente una migliore profondità e risoluzione dell’imaging nei tessuti biologici. Questa capacità è fondamentale per le tecniche di imaging non invasive, la diagnostica e le terapie mirate in cui sono richieste elevata sensibilità e risoluzione spaziale. Inoltre, l’upscaling viene utilizzato nelle telecomunicazioni, nel fotovoltaico e nel monitoraggio ambientale per un’efficiente raccolta della luce e trasmissione dei dati.
I vantaggi dell’upscaling risiedono nella sua capacità di sfruttare la luce infrarossa, che può penetrare nei tessuti e nei materiali in modo più efficace della luce visibile, e convertirla in fotoni ad energia superiore facilmente rilevabili. Questo processo migliora la sensibilità e riduce il rumore di fondo nelle applicazioni di imaging e rilevamento. I materiali di upconversion mostrano anche un’elevata fotostabilità, consentendo un funzionamento prolungato senza una significativa degradazione dell’intensità della fluorescenza. Inoltre, la conversione positiva consente il rilevamento multiplex regolando le lunghezze d’onda di emissione dei materiali, consentendo il rilevamento simultaneo di più bersagli o biomarcatori nei campioni biologici.
La differenza principale tra conversione incrociata e conversione verso il basso è nella direzione della conversione dell’energia fotonica. L’upconversion comporta la conversione di fotoni di energia inferiore (ad esempio, infrarossi) in fotoni di energia più elevata (ad esempio, visibili o ultravioletti) attraverso un processo ottico non lineare. Questo processo richiede in genere diverse fasi di assorbimento di fotoni e trasferimento di energia nel materiale. Al contrario, una conversione inferiore converte i fotoni a energia più elevata in fotoni a energia inferiore, come la conversione della luce ultravioletta in luce visibile nei materiali fosforici o nei coloranti fluorescenti utilizzati nei display e nell’illuminazione. I processi di conversione vengono utilizzati anche nei test basati sulla fluorescenza e nelle tecniche di imaging in cui la luce emessa ha un’energia inferiore rispetto alla luce di eccitazione assorbita.
L’upconversion della fluorescenza si riferisce a una tecnica specifica in cui i materiali di upconversion vengono utilizzati per convertire la luce infrarossa in luce visibile o ultravioletta, che viene quindi rilevata utilizzando metodi di rilevamento basati sulla fluorescenza. In questa tecnica, le nanoparticelle o i materiali di upconversion assorbono due o più fotoni di energia inferiore (ad esempio, vicino infrarosso) ed emettono un singolo fotone di energia superiore (ad esempio, visibile o ultravioletto) con caratteristiche di fluorescenza. Ciò consente il rilevamento e l’imaging sensibile in applicazioni biologiche e mediche in cui sono richieste una penetrazione profonda dei tessuti e un’elevata risoluzione spaziale. La conversione positiva alla fluorescenza è vantaggiosa per ridurre l’autofluorescenza e lo sfondo rispetto alle tradizionali tecniche di imaging a fluorescenza.
Il processo di conversione fotone positivo prevede diverse fasi nei materiali di upconversion. Inizialmente, il materiale di conversione assorbe diversi fotoni di energia inferiore simultaneamente o in sequenza, eccitando gli elettroni verso stati energetici più elevati nella struttura a bande di energia del materiale. Questi elettroni eccitati subiscono quindi processi di rilassamento non radiativo per raggiungere livelli energetici intermedi prima di emettere un singolo fotone con energia maggiore rispetto ai fotoni assorbiti. Questo processo di emissione generalmente provoca un’emissione di fluorescenza o fosforescenza a lunghezze d’onda specifiche determinate dalla composizione del materiale e dai livelli di energia. I processi di conversione dei fotoni non sono lineari e dipendono dalla precisa corrispondenza energetica tra le energie dei fotoni e le bande proibite dei materiali per ottenere conversioni ed emissioni efficienti.