Yukarı dönüşüm ilkesi, tipik olarak kızılötesi veya yakın kızılötesi aralığındaki düşük enerjili fotonların belirli malzemeler tarafından emildiği ve görünür veya ultraviyole ışık gibi daha yüksek enerjili fotonlara dönüştürüldüğü doğrusal olmayan bir optik işlemi içerir. Bu işlem, malzemenin elektronları tarafından birkaç düşük enerjili fotonun sıralı olarak emilmesi ve ardından tek bir yüksek enerjili fotonun emisyonu ile gerçekleşir. Bu fenomen, malzemedeki belirli enerji seviyelerine ve elektronik geçişlere dayanır; genellikle kristaller veya nanopartiküller gibi ana matrislere katkılı nadir toprak iyonlarını içerir. Yukarı dönüştürme verimliliği, uyarılma dalga boyu, katkı konsantrasyonu ve malzemenin kristal yapısı gibi faktörlere bağlıdır.
UP-Kontrol dönüşümü optik, fotonik ve biyomedikal alanlardaki çeşitli uygulamalarda kullanım alanı bulur. Optikte, kızılötesi ışığı görünür ışığa dönüştürmek için yukarı dönüştürme malzemeleri kullanılır, bu da yakın kızılötesi spektrumda çalışan görüntüleme ve algılama sistemlerinin hassasiyetini artırır. Fotonikte yükseltme, geleneksel güneş pillerinin ememediği kızılötesi ışığın toplanmasına izin vererek fotovoltaik cihazların verimliliğini artırmak için kullanılır. Biyomedikal bilimlerde ölçek yükseltme, geleneksel floresan görüntüleme teknikleriyle karşılaştırıldığında daha derin doku penetrasyonuna ve daha az otofloresansa izin verdiği biyo görüntüleme uygulamaları için çok önemlidir.
Yukarı dönüştürme mekanizmaları, bir dizi enerji aktarım sürecini ve yukarı dönüştürme malzemesindeki elektronik geçişleri içerir. Tipik olarak yukarı dönüşüm, iki veya daha fazla düşük enerjili fotonun malzemenin elektronları tarafından sırayla emildiği çok fotonal bir soğurma işlemi yoluyla gerçekleşir. Bu, elektronları daha yüksek enerji seviyelerine uyarır, ardından ışınımsız gevşeme adımları ve ardından emilen fotonlardan daha yüksek enerjiye sahip tek foton emisyonları gelir. Yukarı dönüşümün verimliliği ve spektral özellikleri, malzemenin enerji seviyesi yapısı, katkı konsantrasyonu ve uyarma koşulları tarafından belirlenir.
Çapraz dönüşüm nanopartikülleri (UCNP’ler), asulco dönüşüm malzemelerine gömülü nano ölçekli parçacıkları kullanarak yukarı dönüşüm ilkelerine dayalı olarak çalışır. Bu nanopartiküller, biyolojik dokuların derinliklerine nüfuz edebilen ve onu kolayca tespit edilebilen görünür veya ultraviyole ışığa dönüştürebilen kızılötesi veya yakın kızılötesi ışığı emer. UCNP’ler tipik olarak çekirdeğin, kristal bir matrise (örneğin Nayf4) katkılı nadir toprak iyonları (örneğin, erbiyum, iterbiyum) içerdiği ve kabuğun belirli uygulamalar için stabilite ve işlevsellik sağladığı bir kabuktan çekirdeğe yapıdan oluşur. Kızılötesi ışıkla uyarıldıklarında UCNP’ler görünür ışık yayarak biyolojik ve tıbbi araştırmalarda gelişmiş görüntüleme ve algılama yetenekleri sağlar.
Yukarı dönüşüm nanopartiküllerinin özellikleri arasında, düşük enerjili fotonları verimli bir şekilde yüksek enerjili fotonlara dönüştürme yetenekleri yer alır; bu, hassas algılama ve görüntüleme gerektiren uygulamalar için çok önemlidir. UCNP’ler keskin emisyon zirveleri sergiler ve farklı dalga boylarında ışık yaymak için bileşimlerini ve doping seviyelerini ayarlayarak çoğullamalı tespite olanak tanır. Düşük toksisiteye ve iyi biyouyumluluğa sahip olmaları, onları biyogörüntüleme, biyoalgılama ve hedefe yönelik ilaç dağıtımı gibi biyolojik uygulamalar için uygun hale getirir. UCNP’ler ayrıca, uzun vadeli biyolojik çalışmalar ve tıbbi teşhisler için faydalı olan, floresans yoğunluğunda önemli bir bozulma olmadan uzun süreli görüntüleme oturumlarına olanak tanıyan fotostabilite sağlar.