O princípio da conversão ascendente envolve um processo óptico não linear onde fótons de baixa energia, normalmente na faixa do infravermelho ou infravermelho próximo, são absorvidos por certos materiais e convertidos em fótons de energia mais alta, como luz visível ou ultravioleta. Este processo ocorre pela absorção sequencial de vários fótons de menor energia pelos elétrons do material, seguida pela emissão de um único fóton de maior energia. Este fenômeno depende de níveis de energia específicos e transições eletrônicas no material, muitas vezes envolvendo íons de terras raras dopados em matrizes hospedeiras como cristais ou nanopartículas. A eficiência da conversão ascendente depende de fatores como comprimento de onda de excitação, concentração de dopagem e estrutura cristalina do material.
A conversão UP-Control é usada em várias aplicações nos campos óptico, fotônico e biomédico. Em óptica, materiais de conversão ascendente são usados para converter luz infravermelha em luz visível, o que melhora a sensibilidade dos sistemas de imagem e detecção que operam no espectro do infravermelho próximo. Na fotônica, o upscaling é usado para melhorar a eficiência dos dispositivos fotovoltaicos, permitindo a captação de luz infravermelha que as células solares convencionais não conseguem absorver. Nas ciências biomédicas, o upscaling é crucial para aplicações de bioimagem, onde permite uma penetração mais profunda nos tecidos e uma autofluorescência reduzida em comparação com as técnicas tradicionais de imagem por fluorescência.
Os mecanismos de conversão ascendente envolvem uma série de processos de transferência de energia e transições eletrônicas no material de conversão ascendente. Normalmente, a conversão ascendente ocorre através de um processo de absorção multifotonal onde dois ou mais fótons de baixa energia são absorvidos sequencialmente pelos elétrons do material. Isso excita os elétrons para níveis de energia mais elevados, seguidos por etapas de relaxamento não radiativo e subsequentes emissões de fótons únicos com energia mais alta do que os fótons absorvidos. A eficiência e as características espectrais da conversão ascendente são determinadas pela estrutura do nível de energia do material, pela concentração do dopante e pelas condições de excitação.
As nanopartículas de conversão cruzada (UCNPs) operam com base nos princípios de conversão ascendente, usando partículas em nanoescala incorporadas com materiais de conversão asulco. Essas nanopartículas absorvem luz infravermelha ou infravermelha próxima, que pode penetrar profundamente nos tecidos biológicos e convertê-la em luz visível ou ultravioleta facilmente detectável. UCNPs normalmente consistem em uma estrutura shell-to-core onde o núcleo contém íons de terras raras (por exemplo, érbio, itérbio) dopados em uma matriz cristalina (por exemplo, Nayf4), e o shell fornece estabilidade e funcionalização para aplicações específicas. Após excitação com luz infravermelha, as UCNPs emitem luz visível, permitindo imagens aprimoradas e capacidades de detecção em pesquisas biológicas e médicas.
As propriedades das nanopartículas de conversão ascendente incluem a sua capacidade de converter eficientemente fótons de baixa energia em fótons de alta energia, o que é crucial para aplicações que requerem detecção e imagem sensíveis. As UCNPs exibem picos de emissão nítidos, permitindo a detecção multiplexada ajustando sua composição e níveis de dopagem para emitir luz em diferentes comprimentos de onda. Eles têm baixa toxicidade e boa biocompatibilidade, tornando-os adequados para aplicações biológicas, como bioimagem, biossensor e administração direcionada de medicamentos. As UCNPs também fornecem fotoestabilidade, permitindo sessões de imagem prolongadas sem degradação significativa da intensidade de fluorescência, o que é benéfico para estudos biológicos e diagnósticos médicos de longo prazo.