Molekyle-medieret overfladerekonstruktion muliggør en kæmpe opkonvertering af luminescens

Forskere fra National University of Singapore har udviklet en syntetisk metode til at forbedre opkonverteringsluminescens i protein-størrelse lanthanid-doterede nanokrystaller ved overfladerekonstruktion gennem molekylekoordination. Denne innovation forhindrer overflade-associeret energitab og markerer et betydeligt gennembrud inden for lanthanidluminescens.

Ikke-lineær frekvensopkonvertering er et emne af fundamental og teknologisk betydning i et væld af forskningsfelter, lige fra materialevidenskab, kemi til fotofysik og biologi. Denne interesse er drevet af alsidige applikationer, inklusive tredimensionelle skærme, solid state lasere, optoelektronik, og super-opløsning bioimaging, samt optogenetik. Der er stor efterspørgsel efter fremstilling af meget selvlysende, opkonverterende nanokrystaller i proteinstørrelse, som giver store muligheder for at fremme billeddannelsesteknikker med sub-diffraktionsgrænse opløsning. Imidlertid, til små nanokrystaller, en stor del af lanthanid-doteringsmidler findes på overflade- eller sub-overfladelagene, danner et ikke-luminescerende mørkt lag. Tidligere undersøgelser har nået en konsensus om, at tab af excitationsenergi dominerende tilskrives overfladeslukning. Trods en betydelig indsats, mekanismen bag overfladeslukningen forbliver uhåndgribelig, hovedsagelig på grund af kompleks energidiffusion i lanthanid-doterede opkonverteringssystemer og begrænsede teknikker til karakterisering af overfladedefekter.

Et forskerhold ledet af professor Liu Xiaogang fra Institut for Kemi, National University of Singapore og professor Xu Hui fra Heilongjiang University har udviklet en simpel tilgang til at forbedre multifoton opkonvertering i sub-10 nm krystaller ved at rekonstruere orbital hybridisering og krystalfeltspaltning i overfladelanthanider via ligandkoordination. Ligandkoordinationen kan aktivere det sensibilisatorholdige mørke lag og lette energimigreringen mellem overflade- og indre lanthanidsensibilisatorer, forbedring af nytten af ​​excitationsenergi og opkonverteringseffektivitet (se figur). Ved at koordinere med bidentate picolinsyremolekyler, NaGdF ₄ :Yb/Tm nanopartikler med diametre på 5 nm har vist sig at have op til 11, 000 gange opkonverteringsforøgelse i det ultraviolette spektrale område. I øvrigt, ligandkoordination kan udøve rekonstruktion på energiniveau med en ligand-sensibilisator-separationsafstand på mere end 2 nm. Disse resultater giver ny og grundlæggende indsigt i grænsefladeenergioverførsel i ultrasmå systemer og giver en platform til at konstruere optiske forespørgselssystemer på enkeltpartikelniveauer.

Prof Liu sagde, "Vores tilgang har vist en enkel og effektiv strategi for opkonvertering af luminescensforbedring. Molekylekoordination ændrer hverken størrelsen og morfologien af ​​nanokrystaller eller kræver kompleks instrumentering. Disse lyse, ultrasmå upconversion nanopartikler rummer potentiale til at opnå super-opløsning billeddannelse, sporing af intraneuronal axontransport, og billeddannelsesstyret præcisionsdiagnose på enkeltpartikelniveau."