National University of Singapore forskare har utvecklat en syntetisk metod för att förbättra uppkonvertering luminescens i proteinstora lantanid-dopade nanokristaller genom ytrekonstruktion genom molekylkoordinering. Denna innovation förhindrar ytförknippad energiförlust och markerar ett betydande genombrott inom lantanidlumencensområdet.

Icke-linjär frekvensuppkonvertering är ett ämne av grundläggande och teknisk betydelse inom en uppsjö av forskningsområden, allt från materialvetenskap, kemi till fotofysik och biologi. Detta intresse drivs av mångsidiga applikationer, inklusive tredimensionella skärmar, solid-state lasrar, optoelektronik, och bioupplevelse med superupplösning, samt optogenetik. Det finns en stor efterfrågan på att förbereda mycket självlysande, uppgradering av nanokristaller i proteinstorlek, som erbjuder stora möjligheter att utveckla bildteknik med upplösning med sub-diffraktionsgräns. Dock, för små nanokristaller, en stor del av lantaniddopanterna ligger på ytan eller underytan, bildar ett icke-självlysande mörkt lager. Tidigare studier har nått en konsensus om att excitationsenergiförlust dominerande tillskrivs ytsläckning. Trots stora ansträngningar, mekanismen bakom ytkylningen förblir svårfångad, till stor del på grund av komplex energidiffusion i lantaniddopade uppkonverteringssystem och begränsade tekniker för karakterisering av ytdefekter.

Ett forskargrupp ledd av prof Liu Xiaogang från Institutionen för kemi, National University of Singapore och professor Xu Hui från Heilongjiang University har utvecklat ett enkelt tillvägagångssätt för att förbättra multiphoton-uppkonvertering i kristaller under 10 nm genom rekonstruktion av orbitalhybridisering och kristallfältuppdelning i ytlantanider via ligandkoordinering. Ligandkoordinationen kan aktivera det sensibilisatorinnehållande mörka skiktet och underlätta energimigrationen mellan yt- och inre lantanidsensibilisatorer, förbättra användningen av excitationsenergi och uppkonverteringseffektivitet (se figur). Genom att samordna med bidentatpikolinsyramolekyler, NaGdF ₄ :Yb/Tm -nanopartiklar med diametrar på 5 nm har visat sig ha upp till 11, 000-faldig uppkonverteringsförbättring i det ultravioletta spektralområdet. Dessutom, ligandkoordination kan utöva rekonstruktion på energinivå med ett ligand-sensibilisator-separationsavstånd över 2 nm. Dessa fynd ger nya och grundläggande insikter om gränsöverskridande energiöverföring i ultrasmå system och ger en plattform för konstruktion av optiska förhörssystem på enpartikelnivåer.

Prof Liu sa, "Vårt tillvägagångssätt har visat på en enkel och effektiv strategi för uppkonvertering av luminescensförbättring. Molekylkoordination förändrar varken storleken och morfologin hos nanokristaller eller kräver komplex instrumentering. Dessa ljusa, ultra-små uppkonvertering nanopartiklar har potential att uppnå superupplöst bildbehandling, intraneuronal axon transport spårning, och bildstyrd precisionsdiagnos på enpartikelnivå."