Het principe van opconversie omvat een niet-lineair optisch proces waarbij fotonen met lage energie, meestal in het infrarode of nabij-infrarode bereik, door bepaalde materialen worden geabsorbeerd en omgezet in fotonen met hogere energie, zoals zichtbaar of ultraviolet licht. Dit proces vindt plaats door de opeenvolgende absorptie van verschillende fotonen met lagere energie door de elektronen van het materiaal, gevolgd door de emissie van een enkel foton met hogere energie. Dit fenomeen is afhankelijk van specifieke energieniveaus en elektronische overgangen in het materiaal, waarbij vaak zeldzame aardionen betrokken zijn die in gastheermatrices zoals kristallen of nanodeeltjes zijn gedoteerd. De efficiëntie van de opwaartse conversie hangt af van factoren zoals excitatiegolflengte, doteringsconcentratie en kristalstructuur van het materiaal.
UP-Control-conversie wordt gebruikt in verschillende toepassingen op het optische, fotonische en biomedische gebied. In de optica worden opconversiematerialen gebruikt om infrarood licht om te zetten in zichtbaar licht, wat de gevoeligheid verbetert van beeld- en detectiesystemen die in het nabij-infrarode spectrum werken. In de fotonica wordt opschaling gebruikt om de efficiëntie van fotovoltaïsche apparaten te verbeteren door het oogsten van infrarood licht mogelijk te maken dat conventionele zonnecellen niet kunnen absorberen. In de biomedische wetenschappen is opschaling cruciaal voor bioimaging-toepassingen, waar het diepere weefselpenetratie mogelijk maakt en autofluorescentie vermindert in vergelijking met traditionele fluorescentiebeeldvormingstechnieken.
Opconversiemechanismen omvatten een reeks energieoverdrachtsprocessen en elektronische overgangen in het opconversiemateriaal. Meestal vindt opconversie plaats via een multifotonaal absorptieproces waarbij twee of meer fotonen met lage energie achtereenvolgens worden geabsorbeerd door de elektronen van het materiaal. Dit prikkelt de elektronen tot hogere energieniveaus, gevolgd door niet-stralingsrelaxatiestappen en daaropvolgende emissies van enkele fotonen met hogere energie dan de geabsorbeerde fotonen. De efficiëntie en spectrale kenmerken van de opconversie worden bepaald door de energieniveaustructuur van het materiaal, de doteerstofconcentratie en de excitatieomstandigheden.
Cross-conversion nanodeeltjes (UCNP’s) werken op basis van de principes van opwaartse conversie, waarbij gebruik wordt gemaakt van deeltjes op nanoschaal ingebed met asulco-conversiematerialen. Deze nanodeeltjes absorberen infrarood- of nabij-infraroodlicht, dat diep in biologische weefsels kan doordringen en dit kan omzetten in gemakkelijk detecteerbaar zichtbaar of ultraviolet licht. UCNP’s bestaan doorgaans uit een shell-to-core-structuur waarbij de kern zeldzame aardionen (bijvoorbeeld erbium, ytterbium) bevat, gedoteerd in een kristallijne matrix (bijvoorbeeld Nayf4), en de schaal stabiliteit en functionaliteit biedt voor specifieke toepassingen. Bij excitatie met infrarood licht zenden UCNP’s zichtbaar licht uit, waardoor verbeterde beeld- en detectiemogelijkheden in biologisch en medisch onderzoek mogelijk worden.
De eigenschappen van opconverterende nanodeeltjes omvatten hun vermogen om fotonen met lage energie efficiënt om te zetten in fotonen met hogere energie, wat cruciaal is voor toepassingen die gevoelige detectie en beeldvorming vereisen. UCNP’s vertonen scherpe emissiepieken, waardoor multiplexdetectie mogelijk is door hun samenstelling en dopingniveaus af te stemmen om licht op verschillende golflengten uit te zenden. Ze hebben een lage toxiciteit en een goede biocompatibiliteit, waardoor ze geschikt zijn voor biologische toepassingen zoals bioimaging, biosensing en gerichte medicijnafgifte. UCNP’s bieden ook fotostabiliteit, waardoor langdurige beeldvormingssessies mogelijk zijn zonder significante verslechtering van de fluorescentie-intensiteit, wat gunstig is voor biologische onderzoeken op lange termijn en medische diagnostiek.