Le principe de la conversion ascendante implique un processus optique non linéaire où les photons à faible énergie, généralement dans la plage infrarouge ou proche infrarouge, sont absorbés par certains matériaux et convertis en photons d’énergie plus élevée, tels que la lumière visible ou ultraviolette. Ce processus se produit par l’absorption séquentielle de plusieurs photons à énergie inférieure par les électrons du matériau, suivis de l’émission d’un seul photon d’énergie plus élevée. Ce phénomène repose sur des niveaux d’énergie spécifiques et des transitions électroniques dans le matériau, impliquant souvent des ions de terres rares dopés dans des matrices d’hôtes comme des cristaux ou des nanoparticules. L’efficacité de la conversion ascendante dépend de facteurs tels que la longueur d’onde d’excitation, la concentration de dopage et la structure cristalline du matériau.
La conversion UP-Contrôle trouve une utilisation dans diverses applications à travers les champs optiques, photoniques et biomédicaux. En optique, des matériaux de conversion ascendant sont utilisés pour convertir la lumière infrarouge en lumière visible, ce qui améliore la sensibilité des systèmes d’imagerie et de détection fonctionnant dans le spectre proche infrarouge. Dans la photonique, la conversion ascendante est utilisée pour améliorer l’efficacité des dispositifs photovoltaïques en permettant la récolte de la lumière infrarouge que les cellules solaires conventionnelles ne peuvent pas absorber. Dans les sciences biomédicales, la conversion ascendante est cruciale pour les applications de bioimagerie, où elle permet une pénétration des tissus plus profonde et une réduction de l’autofluorescence par rapport aux techniques d’imagerie par fluorescence traditionnelles.
Les mécanismes de conversion ascendante impliquent une série de processus de transfert d’énergie et de transitions électroniques dans le matériau de conversion ascendante. En règle générale, la conversion ascendante se produit par un processus d’absorption multiphotonal où deux photons à faible énergie ou plus sont absorbés séquentiellement par les électrons du matériau. Cela excite les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés, suivis des étapes de relaxation non radiatifs et des émissions ultérieures d’un seul photon avec une énergie plus élevée que les photons absorbés. L’efficacité et les caractéristiques spectrales de la conversion ascendante sont déterminées par la structure du niveau d’énergie du matériau, la concentration de dopants et les conditions d’excitation.
Les nanoparticules de conversion croisées (UCNP) fonctionnent basées sur les principes de la conversion ascendante, en utilisant des particules à l’échelle nanométrique incrustées avec des matériaux de conversion asulco. Ces nanoparticules absorbent la lumière infrarouge ou proche infrarouge, qui peut pénétrer profondément les tissus biologiques et la convertir en lumière visible ou ultraviolette facilement détectable. Les UCNP sont généralement constitués d’une structure de coque à noyau où le noyau contient des ions de terres rares (par exemple, erbium, ytterbium) dopés dans une matrice cristalline (par exemple, Nayf4), et la coquille assure la stabilité et la fonctionnalisation pour des applications spécifiques. Lors de l’excitation avec la lumière infrarouge, les UCNP émettent une lumière visible, permettant des capacités d’imagerie et de détection améliorées dans la recherche biologique et médicale.
Les propriétés des nanoparticules de conversion ascendante comprennent leur capacité à convertir efficacement les photons de basse énergie en photons à plus haute énergie, ce qui est crucial pour les applications nécessitant une détection et une imagerie sensibles. Les UCNP présentent des pics d’émission nets, permettant une détection multiplexée en réglant leur composition et leurs niveaux de dopage pour émettre de la lumière à différentes longueurs d’onde. Ils ont une faible toxicité et une bonne biocompatibilité, ce qui les rend adaptés à des applications biologiques telles que la bioimagerie, la biodétection et l’administration ciblée de médicaments. Les UCNP offrent également une photostabilité, permettant des séances d’imagerie prolongées sans dégradation significative de l’intensité de la fluorescence, ce qui est bénéfique pour les études biologiques à long terme et les diagnostics médicaux.