El principio de conversión ascendente implica un proceso óptico no lineal en el que ciertos materiales absorben fotones de baja energía, generalmente en el rango infrarrojo o infrarrojo cercano, y los convierten en fotones de mayor energía, como la luz visible o ultravioleta. Este proceso se produce mediante la absorción secuencial de varios fotones de menor energía por los electrones del material, seguida de la emisión de un único fotón de mayor energía. Este fenómeno se basa en niveles de energía específicos y transiciones electrónicas en el material, que a menudo involucran iones de tierras raras dopados en matrices huésped como cristales o nanopartículas. La eficiencia de la conversión ascendente depende de factores como la longitud de onda de excitación, la concentración de dopaje y la estructura cristalina del material.
La conversión UP-Control se utiliza en diversas aplicaciones en los campos óptico, fotónico y biomédico. En óptica, los materiales de conversión ascendente se utilizan para convertir la luz infrarroja en luz visible, lo que mejora la sensibilidad de los sistemas de detección e imágenes que operan en el espectro del infrarrojo cercano. En fotónica, el escalado se utiliza para mejorar la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos al permitir la recolección de luz infrarroja que las células solares convencionales no pueden absorber. En las ciencias biomédicas, la ampliación es crucial para las aplicaciones de bioimagen, donde permite una penetración más profunda en el tejido y una autofluorescencia reducida en comparación con las técnicas tradicionales de imagen por fluorescencia.
Los mecanismos de conversión ascendente implican una serie de procesos de transferencia de energía y transiciones electrónicas en el material de conversión ascendente. Normalmente, la conversión ascendente se produce mediante un proceso de absorción multifotonal en el que los electrones del material absorben secuencialmente dos o más fotones de baja energía. Esto excita los electrones a niveles de energía más altos, seguidos de pasos de relajación no radiativos y posteriores emisiones de fotones individuales con mayor energía que los fotones absorbidos. La eficiencia y las características espectrales de la conversión ascendente están determinadas por la estructura del nivel de energía del material, la concentración de dopante y las condiciones de excitación.
Las nanopartículas de conversión cruzada (UCNP) funcionan según los principios de conversión ascendente, utilizando partículas a nanoescala incrustadas con materiales de conversión asulco. Estas nanopartículas absorben luz infrarroja o infrarroja cercana, que puede penetrar profundamente en los tejidos biológicos y convertirla en luz visible o ultravioleta fácilmente detectable. Las UCNP generalmente constan de una estructura de capa a núcleo donde el núcleo contiene iones de tierras raras (p. ej., erbio, iterbio) dopados en una matriz cristalina (p. ej., Nayf4), y la capa proporciona estabilidad y funcionalización para aplicaciones específicas. Tras la excitación con luz infrarroja, las UCNP emiten luz visible, lo que permite mejorar las capacidades de detección e imágenes en la investigación biológica y médica.
Las propiedades de las nanopartículas de conversión ascendente incluyen su capacidad para convertir eficientemente fotones de baja energía en fotones de mayor energía, lo cual es crucial para aplicaciones que requieren sensores e imágenes sensibles. Los UCNP exhiben picos de emisión agudos, lo que permite la detección multiplexada al ajustar su composición y niveles de dopaje para emitir luz en diferentes longitudes de onda. Tienen baja toxicidad y buena biocompatibilidad, lo que los hace adecuados para aplicaciones biológicas como bioimagen, biodetección y administración dirigida de fármacos. Los UCNP también proporcionan fotoestabilidad, lo que permite sesiones de imágenes prolongadas sin una degradación significativa de la intensidad de la fluorescencia, lo que es beneficioso para estudios biológicos y diagnósticos médicos a largo plazo.