Il principio di upconversion prevede un processo ottico non lineare in cui i fotoni a bassa energia, tipicamente nella gamma dell’infrarosso o del vicino infrarosso, vengono assorbiti da determinati materiali e convertiti in fotoni a energia più elevata, come la luce visibile o ultravioletta. Questo processo avviene mediante l’assorbimento sequenziale di diversi fotoni di energia inferiore da parte degli elettroni del materiale, seguito dall’emissione di un singolo fotone di energia superiore. Questo fenomeno si basa su livelli energetici specifici e transizioni elettroniche nel materiale, che spesso coinvolgono ioni di terre rare drogati in matrici ospiti come cristalli o nanoparticelle. L’efficienza di conversione dipende da fattori quali la lunghezza d’onda di eccitazione, la concentrazione del drogaggio e la struttura cristallina del materiale.
La conversione UP-Control trova impiego in varie applicazioni nei campi ottico, fotonico e biomedico. In ottica, i materiali di conversione vengono utilizzati per convertire la luce infrarossa in luce visibile, migliorando la sensibilità dei sistemi di imaging e rilevamento che operano nello spettro del vicino infrarosso. Nella fotonica, l’upscaling viene utilizzato per migliorare l’efficienza dei dispositivi fotovoltaici consentendo la raccolta della luce infrarossa che le celle solari convenzionali non possono assorbire. Nelle scienze biomediche, l’upscaling è fondamentale per le applicazioni di bioimaging, dove consente una penetrazione più profonda nei tessuti e una ridotta autofluorescenza rispetto alle tradizionali tecniche di imaging a fluorescenza.
I meccanismi di upconversion implicano una serie di processi di trasferimento di energia e transizioni elettroniche nel materiale di upconversion. Tipicamente, la conversione avviene attraverso un processo di assorbimento multifotonale in cui due o più fotoni a bassa energia vengono assorbiti in sequenza dagli elettroni del materiale. Ciò eccita gli elettroni a livelli energetici più elevati, seguiti da fasi di rilassamento non radiativo e successive emissioni di singoli fotoni con energia maggiore rispetto ai fotoni assorbiti. L’efficienza e le caratteristiche spettrali dell’upconversion sono determinate dalla struttura del livello energetico del materiale, dalla concentrazione del drogante e dalle condizioni di eccitazione.
Le nanoparticelle a conversione incrociata (UCNP) operano sulla base dei principi di up-conversion, utilizzando particelle su scala nanometrica incorporate con materiali di conversione asulco. Queste nanoparticelle assorbono la luce infrarossa o vicina all’infrarosso, che può penetrare in profondità nei tessuti biologici e convertirla in luce visibile o ultravioletta facilmente rilevabile. Gli UCNP consistono tipicamente in una struttura shell-to-core in cui il nucleo contiene ioni di terre rare (ad esempio erbio, itterbio) drogati in una matrice cristallina (ad esempio Nayf4) e il guscio fornisce stabilità e funzionalizzazione per applicazioni specifiche. Dopo l’eccitazione con la luce infrarossa, gli UCNP emettono luce visibile, consentendo capacità di imaging e rilevamento migliorate nella ricerca biologica e medica.
Le proprietà delle nanoparticelle di upconversion includono la loro capacità di convertire in modo efficiente fotoni a bassa energia in fotoni ad alta energia, che è fondamentale per le applicazioni che richiedono rilevamento e imaging sensibili. Gli UCNP presentano picchi di emissione netti, consentendo il rilevamento multiplex regolando la loro composizione e i livelli di drogaggio per emettere luce a diverse lunghezze d’onda. Hanno una bassa tossicità e una buona biocompatibilità, che li rendono adatti per applicazioni biologiche come il bioimaging, il biosensing e la somministrazione mirata di farmaci. Gli UCNP forniscono anche fotostabilità, consentendo sessioni di imaging prolungate senza una significativa degradazione dell’intensità della fluorescenza, il che è vantaggioso per studi biologici a lungo termine e diagnostica medica.