Ljuset som en självlysande partikel avger är vanligtvis mindre energiskt än det ljus som den absorberar. Vissa applikationer kräver att det utsända ljuset är mer energiskt, men denna så kallade uppkonverteringsprocess har observerats i endast en liten handfull material. Xiaogang Liu vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och medarbetare har nu lyckats utöka listan över uppkonverteringsmaterial, underlättar vägen till nya applikationer.

Traditionella uppkonverteringspartiklar kännetecknas av deras jämnt fördelade eller "stegeliknande" energinivåer som deras inre elektroner kan ta på sig. De jämna avstånden gör att en elektron kan lyftas upp i energi många gånger i följd, genom att absorbera många fotoner av samma färg. När en elektron som har befordrats till en hög energi äntligen slappnar av tillbaka till det lägsta energitillståndet, den avger en foton som är mer energisk än de fotoner som exciterade den till att börja med.

Nanopartiklar dopade med element från lantanidgruppen i det periodiska systemet kan uppkonverteras, och är användbara för biologisk avbildning eftersom deras högenergiemission tydligt kan särskiljas från bakgrundsljud. Dock, endast tre element från lantanidserien är effektiva vid uppkonvertering:erbium, thulium, och holmium. Denna lista är så kort på grund av de samtidiga kraven att en uppkonverteringspartikel uppvisar en stegliknande elektronisk energistruktur, och även effektiva utsläpp.

Liu och kollegor löste detta problem genom att använda olika lantanider för att utföra olika steg i uppkonverteringsprocessen. Sensibiliserande element absorberar infallande ljus, och överför den absorberade energin till närliggande ackumulatorer, vars elektroner stiger till höga energinivåer. Sedan, energin som lagras i ackumulatorer överförs genom att hoppa genom många migratorer, tills en aktivator nås. Till sist, aktivatorn frigör en högenergifoton.

Genom att tilldela olika element till var och en av dessa fyra funktioner, forskarna kunde lätta på kraven på varje enskilt element. Dessutom, oönskade interaktioner mellan olika element undveks genom att separera dem rumsligt inuti en enda sfärisk nanopartikel som har sensibilisatorer och ackumulatorer i kärnan, aktivatorer i skalet och migratorer i både kärnan och skalet.

Denna design gjorde det möjligt för Liu och hans team att observera ett spektrum av färger från den uppkonverterade emissionen av europium, terbium, dysprosium och samarium (se bild). Samma tillvägagångssätt kan också tillåta andra element att släppa ut effektivt. "Våra resultat kan leda till framsteg inom ultrakänslig biodetektion, säger Liu, "och borde inspirera fler forskare att arbeta inom detta område."