Onderzoekers van de National University of Singapore hebben een synthetische methode ontwikkeld om de luminescentie van upconversie in met lanthanide gedoteerde nanokristallen ter grootte van eiwitten te verbeteren door oppervlaktereconstructie door middel van molecuulcoördinatie. Deze innovatie voorkomt oppervlaktegebonden energieverlies en markeert een belangrijke doorbraak op het gebied van lanthanideluminescentie.

Niet-lineaire frequentie-upconversie is een onderwerp van fundamenteel en technologisch belang in een overvloed aan onderzoeksgebieden, variërend van materiaalkunde, scheikunde tot fotofysica en biologie. Deze interesse wordt gedreven door veelzijdige toepassingen, inclusief driedimensionale displays, vastestoflasers, opto-elektronica, en bio-imaging met superresolutie, evenals optogenetica. Er is een grote vraag naar het voorbereiden van zeer lichtgevende, op-conversie nanokristallen van eiwitformaat, wat grote mogelijkheden biedt voor het bevorderen van beeldvormingstechnieken met sub-diffractie-limietresolutie. Echter, voor kleine nanokristallen, een groot deel van de lanthanidedoteermiddelen bevindt zich op de oppervlakte- of ondergrondlagen, vormen een niet-luminescerende donkere laag. Eerdere studies hebben een consensus bereikt dat het verlies van excitatie-energie voornamelijk wordt toegeschreven aan oppervlakte-quenching. Ondanks aanzienlijke inspanningen, het mechanisme dat ten grondslag ligt aan oppervlakte-quenching blijft ongrijpbaar, grotendeels te wijten aan complexe energiediffusie in met lanthanide gedoteerde opconversiesystemen en beperkte technieken voor karakterisering van oppervlaktedefecten.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Liu Xiaogang van de afdeling Chemie, National University of Singapore en Prof Xu Hui van Heilongjiang University hebben een eenvoudige benadering ontwikkeld om multifoton-upconversie in sub-10 nm-kristallen te verbeteren door orbitale hybridisatie en kristalveldsplitsing in oppervlaktelanthaniden via ligandcoördinatie te reconstrueren. De ligandcoördinatie kan de sensibilisatorbevattende donkere laag activeren en de energiemigratie tussen oppervlakte- en binnenlanthanidesensibilisatoren vergemakkelijken, verbetering van het nut van excitatie-energie en opconversie-efficiëntie (zie figuur). Door te coördineren met tweetandige picolinezuurmoleculen, NaGdF ₄ Van :Yb/Tm nanodeeltjes met een diameter van 5 nm is aangetoond dat ze tot 11, 000-voudige opconversieverbetering in het ultraviolette spectrale gebied. Bovendien, ligandcoördinatie kan reconstructie op energieniveau uitoefenen met een ligand-sensitizer-scheidingsafstand van meer dan 2 nm. Deze bevindingen bieden nieuwe en fundamentele inzichten in grensvlak-energieoverdracht in ultrakleine systemen en bieden een platform voor het construeren van optische ondervragingssystemen op enkelvoudige deeltjesniveaus.

Prof Liu zei:"Onze aanpak heeft een eenvoudige en effectieve strategie aangetoond voor verbetering van de luminescentie opwaartse conversie. Molecuulcoördinatie verandert de grootte en morfologie van nanokristallen niet en vereist geen complexe instrumentatie. Deze heldere, ultrakleine opconversie-nanodeeltjes hebben potentieel bij het bereiken van beeldvorming met superresolutie, intraneuronaal axontransport volgen, en beeldgestuurde precisiediagnose op het niveau van één deeltje."