Zasada konwersji w górę obejmuje nieliniowy proces optyczny, w którym fotony o niskiej energii, zwykle w zakresie podczerwieni lub bliskiej podczerwieni, są absorbowane przez określone materiały i przekształcane w fotony o wyższej energii, takie jak światło widzialne lub ultrafiolet. Proces ten zachodzi poprzez sekwencyjną absorpcję kilku fotonów o niższej energii przez elektrony materiału, po czym następuje emisja pojedynczego fotonu o wyższej energii. Zjawisko to opiera się na określonych poziomach energii i przejściach elektronowych w materiale, często z udziałem jonów ziem rzadkich domieszkowanych w matrycach macierzystych, takich jak kryształy lub nanocząstki. Wydajność konwersji w górę zależy od takich czynników, jak długość fali wzbudzenia, stężenie domieszki i struktura krystaliczna materiału.
Konwersja UP-Control znajduje zastosowanie w różnych zastosowaniach w dziedzinach optycznych, fotonicznych i biomedycznych. W optyce materiały upkonwersyjne służą do konwersji światła podczerwonego na światło widzialne, co poprawia czułość systemów obrazowania i detekcji działających w widmie bliskiej podczerwieni. W fotonice upscaling stosuje się w celu poprawy wydajności urządzeń fotowoltaicznych, umożliwiając wychwytywanie światła podczerwonego, którego konwencjonalne ogniwa słoneczne nie są w stanie wchłonąć. W naukach biomedycznych skalowanie w górę ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach bioobrazowania, gdzie umożliwia głębszą penetrację tkanek i zmniejszoną autofluorescencję w porównaniu z tradycyjnymi technikami obrazowania fluorescencyjnego.
Mechanizmy konwersji w górę obejmują szereg procesów przenoszenia energii i przejść elektronowych w materiale konwersji w górę. Zazwyczaj konwersja w górę zachodzi w procesie absorpcji wielofotonowej, w którym dwa lub więcej fotonów o niskiej energii są sekwencyjnie absorbowane przez elektrony materiału. Powoduje to wzbudzenie elektronów do wyższych poziomów energii, po których następują etapy relaksacji bezpromienistej i kolejne emisje pojedynczych fotonów o energii wyższej niż fotony zaabsorbowane. Wydajność i charakterystyka widmowa konwersji w górę są określone przez strukturę poziomu energii materiału, stężenie domieszki i warunki wzbudzenia.
Nanocząstki konwersji krzyżowej (UCNP) działają w oparciu o zasady konwersji w górę, wykorzystując nanocząstki zatopione w materiałach do konwersji asulco. Nanocząstki te pochłaniają światło podczerwone lub bliskie podczerwieni, które może wnikać głęboko w tkanki biologiczne i przekształcać je w łatwo wykrywalne światło widzialne lub ultrafioletowe. UCNP zazwyczaj składają się ze struktury powłoka-rdzeń, w której rdzeń zawiera jony metali ziem rzadkich (np. erb, iterb) domieszkowane w matrycy krystalicznej (np. Nayf4), a otoczka zapewnia stabilność i funkcjonalizację dla określonych zastosowań. Po wzbudzeniu światłem podczerwonym UCNP emitują światło widzialne, umożliwiając ulepszone możliwości obrazowania i wykrywania w badaniach biologicznych i medycznych.
Właściwości nanocząstek konwertujących w górę obejmują ich zdolność do wydajnego przekształcania fotonów o niskiej energii w fotony o wyższej energii, co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach wymagających czułego wykrywania i obrazowania. UCNP wykazują ostre piki emisji, umożliwiając multipleksową detekcję poprzez dostrojenie ich składu i poziomów domieszkowania w celu emitowania światła o różnych długościach fal. Mają niską toksyczność i dobrą biokompatybilność, dzięki czemu nadają się do zastosowań biologicznych, takich jak bioobrazowanie, bioczujnik i ukierunkowane dostarczanie leków. UCNP zapewniają także fotostabilność, umożliwiając długotrwałe sesje obrazowe bez istotnej degradacji intensywności fluorescencji, co jest korzystne w długoterminowych badaniach biologicznych i diagnostyce medycznej.