アップコンバージョンナノ粒子の濃度消光との闘い

ランタニドをドープしたアップコンバージョンナノ粒子（UCNP）は、多波長近赤外（NIR）の励起を深部紫外線（UV）からNIR領域にまたがる調整可能な排出に変換する発光ナノ材料の特別なクラスです。大規模なアンチストークスシフトに加えて、UCNPは、急激な放出帯域幅、長い励起状態の寿命、および光学的瞬きと光退色に対する高い耐性も備えています。したがって、UCNPは、生物学的イメージングや治療薬から太陽光発電やフォトニクスに至るまで、多くの困難な問題を解決する有望な候補として特定されています。それにもかかわらず、主にこれらのナノ粒子の発振器強度が低いため、アップコンバージョンプロセスを利用することの進歩は、限られた放射強度によって妨げられています。UCNPは、ランタニドドーパントの4F構成内の電子遷移を活用して光子エネルギー変換を実現するバルクカウンターパートの光学特性に本質的に似ています。一般に、高ドーパント濃度は、励起光のエネルギーを収集し、維持するために高密度の光学中心を提供することにより、アップコンバージョンの発光を促進します。ただし、ドーパント濃度の増加は、排出ゲインを相殺する自己消光プロセスを誘発し、最終的には全体的な排出強度の減衰をもたらす可能性があります。濃度消光として知られるこの現象は、明るいUCNPを構築するための大きな障害を表しています。近年、ナノ粒子研究の進歩により、ドーパント濃度の上昇でのエネルギー損失を緩和するためのいくつかの戦略が出現しました。その結果、UCNPにおける高レベルのランタニドイオンのドーピングは、光子の包括的な排出強度を高めるための実行可能なソリューションになりました。重度のドープされたUCNPにおける広範なエネルギー交換の相互作用のために、光子のアップコンバージョンのスペクトルの調整性も大幅に強化されています。これらの進歩により、上向きの研究の範囲が大幅に拡大しました。重いドーピングを通じてアップコンバージョンを強化するためのガイドラインを提供するために、UCNPの濃度消光の理解と制御における最近の進歩を確認しようとします。化学合成において大きな進歩により、明確に定義されたサイズ、形態、およびコアシェル構造のさまざまなナノ粒子におけるランタニドイオンのドーピングを絶妙に制御できるようになりました。革新的な励起スキームと組み合わせてナノ構造宿主材料のエネルギー移動を限定することにより、Uponversionの濃度消光が大部分が緩和されることを示します。その結果、異常に高いドーパント濃度を使用して、高輝度と大きな抗ストークスシフトを示すUCNPを構築できます。重くドープされたUCNPの開発により、低濃度のランタニドドーパントを含む従来のUCNPではほとんど満たすことができない高度なバイオイメージングおよびフォトニックアプリケーションが可能になることを実証します。

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) are a special class of luminescent nanomaterials that convert multiwavelength near-infrared (NIR) excitation into tunable emissions spanning the deep ultraviolet (UV) to NIR regions. In addition to large anti-Stokes shift, UCNPs also feature a sharp emission bandwidth, long excited-state lifetime, as well as high resistance to optical blinking and photobleaching. Therefore, UCNPs have been identified as promising candidates to solve many challenging problems in fields ranging from biological imaging and therapeutics to photovoltaics and photonics. Nevertheless, the progress of utilizing an upconversion process is being hindered by the limited emission intensity, principally due to low oscillator strength in these nanoparticles. UCNPs essentially resemble the optical characteristics of their bulk counterparts, which take advantage of electronic transition within the 4f configuration of the lanthanide dopants to realize photon energy conversions. In general, a high dopant concentration promotes upconversion luminescence by providing a high density of optical centers to collect and to sustain the energy of the excitation light. However, an increase in dopant concentration induces self-quenching processes that offset the emission gain and may eventually result in attenuation of the overall emission intensity. This phenomenon known as concentration quenching represents a major obstacle to constructing bright UCNPs. In recent years, advances in nanoparticle research have led to the emergence of several strategies for mitigating energy loss at elevated dopant concentrations. In consequence, doping high levels of lanthanide ions in UCNPs has become a viable solution to boosting the emission intensity of photon upconversion. On account of extensive energy exchange interaction in heavily doped UCNPs, the spectrum tunability of photon upconversion is also greatly enhanced. These advances have largely expanded the scope of upconversion research. To provide guidelines for enhancing upconversion through heavy doping, we attempt to review recent advances in the understanding and control of concentration quenching in UCNPs. With significant advancements made in the chemical synthesis, we are now able to exquisitely control the doping of lanthanide ions in various nanoparticles of well-defined size, morphology, and core-shell structure. We show that, by confining energy transfer in nanostructured host materials in conjunction with innovative excitation schemes, concentration quenching of upconversion luminescence is largely alleviated. As a result, unusually high dopant concentrations can be used to construct UCNPs displaying high brightness and large anti-Stokes shift. We demonstrate that the development of heavily doped UCNPs enables advanced bioimaging and photonic applications that can hardly be fulfilled by conventional UCNPs comprising low concentrations of lanthanide dopants.