Das Prinzip der Aufwärtskonvertierung beinhaltet einen nichtlinearen optischen Prozess, bei dem Photonen niedriger Energie, typischerweise im Infrarot- oder Nahinfrarotbereich, von bestimmten Materialien absorbiert und in Photonen höherer Energie, beispielsweise sichtbares oder ultraviolettes Licht, umgewandelt werden. Dieser Prozess erfolgt durch die aufeinanderfolgende Absorption mehrerer Photonen niedrigerer Energie durch die Elektronen des Materials, gefolgt von der Emission eines einzelnen Photons höherer Energie. Dieses Phänomen beruht auf bestimmten Energieniveaus und elektronischen Übergängen im Material, an denen häufig Seltenerdionen beteiligt sind, die in Wirtsmatrizen wie Kristalle oder Nanopartikel dotiert sind. Die Effizienz der Aufwärtskonvertierung hängt von Faktoren wie der Anregungswellenlänge, der Dotierungskonzentration und der Kristallstruktur des Materials ab.
Die UP-Control-Konvertierung findet in verschiedenen Anwendungen in den Bereichen Optik, Photonik und Biomedizin Anwendung. In der Optik werden Upconversion-Materialien verwendet, um Infrarotlicht in sichtbares Licht umzuwandeln, was die Empfindlichkeit von Bildgebungs- und Detektionssystemen verbessert, die im nahen Infrarotspektrum arbeiten. In der Photonik wird Upscaling verwendet, um die Effizienz von Photovoltaikgeräten zu verbessern, indem es die Gewinnung von Infrarotlicht ermöglicht, das herkömmliche Solarzellen nicht absorbieren können. In den biomedizinischen Wissenschaften ist die Hochskalierung für Bioimaging-Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Fluoreszenz-Bildgebungstechniken eine tiefere Gewebepenetration und eine geringere Autofluoreszenz ermöglicht.
Upconversion-Mechanismen beinhalten eine Reihe von Energieübertragungsprozessen und elektronischen Übergängen im Upconversion-Material. Typischerweise erfolgt die Aufwärtskonvertierung durch einen multiphotonalen Absorptionsprozess, bei dem zwei oder mehr niederenergetische Photonen nacheinander von den Elektronen des Materials absorbiert werden. Dadurch werden die Elektronen auf höhere Energieniveaus angeregt, gefolgt von strahlungslosen Entspannungsschritten und anschließenden Einzelphotonenemissionen mit höherer Energie als die absorbierten Photonen. Die Effizienz und die spektralen Eigenschaften der Aufwärtskonvertierung werden durch die Energieniveaustruktur des Materials, die Dotierstoffkonzentration und die Anregungsbedingungen bestimmt.
Kreuzkonversions-Nanopartikel (UCNPs) basieren auf den Prinzipien der Aufwärtskonversion und verwenden nanoskalige Partikel, die in Asulco-Konversionsmaterialien eingebettet sind. Diese Nanopartikel absorbieren Infrarot- oder Nahinfrarotlicht, das tief in biologische Gewebe eindringen und es in leicht erkennbares sichtbares oder ultraviolettes Licht umwandeln kann. UCNPs bestehen typischerweise aus einer Hülle-zu-Kern-Struktur, wobei der Kern Seltenerdionen (z. B. Erbium, Ytterbium) enthält, die in eine kristalline Matrix (z. B. Nayf4) dotiert sind, und die Hülle für Stabilität und Funktionalisierung für bestimmte Anwendungen sorgt. Bei Anregung mit Infrarotlicht emittieren UCNPs sichtbares Licht und ermöglichen so verbesserte Bildgebungs- und Sensorfunktionen in der biologischen und medizinischen Forschung.
Zu den Eigenschaften von Upconversion-Nanopartikeln gehört ihre Fähigkeit, Photonen niedriger Energie effizient in Photonen höherer Energie umzuwandeln, was für Anwendungen, die empfindliche Sensorik und Bildgebung erfordern, von entscheidender Bedeutung ist. UCNPs weisen scharfe Emissionsspitzen auf und ermöglichen eine Multiplex-Detektion, indem ihre Zusammensetzung und Dotierungsniveaus so abgestimmt werden, dass sie Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Sie weisen eine geringe Toxizität und eine gute Biokompatibilität auf und eignen sich daher für biologische Anwendungen wie Bioimaging, Biosensorik und gezielte Arzneimittelabgabe. UCNPs bieten außerdem Photostabilität und ermöglichen längere Bildgebungssitzungen ohne wesentliche Verschlechterung der Fluoreszenzintensität, was für biologische Langzeitstudien und medizinische Diagnostik von Vorteil ist.