Photon upconversion
फोटॉन अपकॉन्वर्जन (यू. सी.) एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें दो या दो से अधिक फोटॉनों के क्रमिक अवशोषण से उत्तेजना तरंग दैर्ध्य की तुलना में कम तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश का उत्सर्जन होता है। यह एक एंटी-स्टोक्स प्रकार का उत्सर्जन है। एक उदाहरण अवरक्त प्रकाश का दृश्य प्रकाश में रूपांतरण है। अपकॉन्वर्जन कई अलग-अलग तंत्रों के माध्यम से कार्बनिक और अकार्बनिक दोनों पदार्थों में हो सकता है। कार्बनिक अणु जो ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश के माध्यम से फोटॉन अपकॉन्वर्जन प्राप्त कर सकते हैं, वे आमतौर पर पॉलीसाइक्लिक सुगंधित हाइड्रोकार्बन (पी. ए. एच.) होते हैं। फोटॉन अप-कन्वर्जन में सक्षम अकार्बनिक पदार्थों में अक्सर डी-ब्लॉक या एफ-ब्लॉक तत्वों के आयन होते हैं। इन आयनों के उदाहरण हैं Ln3 +, Ti2 +, Ni2 +, Mo3 +, Re4 +, Os4 +, और इसी तरह। फोटॉन अप-कन्वर्जन के पीछे भौतिक तंत्र अकार्बनिक पदार्थों में फोटॉन अप-कन्वर्जन के लिए तीन बुनियादी तंत्र हैं और कार्बनिक पदार्थों में कम से कम दो अलग-अलग तंत्र हैं। अकार्बनिक पदार्थों में फोटॉन अप-कन्वर्जन ऊर्जा हस्तांतरण अप-कन्वर्जन (ई. टी. यू.), उत्तेजित-अवस्था अवशोषण (ई. एस. ए.) और फोटॉन हिमस्खलन (पी. ए.) के माध्यम से होता है। इस तरह की प्रक्रियाओं को बहुत अलग आकार और संरचनाओं वाली सामग्रियों में देखा जा सकता है, जिसमें ऑप्टिकल फाइबर, बल्क क्रिस्टल या नैनोपार्टिकल्स शामिल हैं, जब तक कि उनमें ऊपर उल्लिखित सक्रिय आयनों में से कोई भी हो। कार्बनिक अणु संवेदी ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश (एस. टी. टी. ए.) और ऊर्जा पूलिंग के माध्यम से फोटॉन को परिवर्तित कर सकते हैं। अपकॉन्वर्जन को दो-फोटॉन अवशोषण और दूसरी-हार्मोनिक पीढ़ी से अलग किया जाना चाहिए। इन दोनों भौतिक प्रक्रियाओं का परिणाम फोटॉन अपकॉन्वर्जन (उत्तेजना की तुलना में कम तरंग दैर्ध्य के फोटॉनों का उत्सर्जन) के समान है, लेकिन इसके पीछे का तंत्र अलग है। एक प्रारंभिक प्रस्ताव (एक ठोस-अवस्था आई. आर. क्वांटम काउंटर) 1959 में निकोलास ब्लूमबर्गन द्वारा बनाया गया था और इस प्रक्रिया को पहली बार 1966 में फ्रांस्वा औज़ेल द्वारा देखा गया था। एक थर्मल अपकॉन्वर्जन तंत्र भी संभव है। यह तंत्र अपकॉन्वर्टर में कम ऊर्जा वाले फोटॉनों के अवशोषण पर आधारित है, जो गर्म होता है और उच्च ऊर्जा वाले फोटॉनों को फिर से उत्सर्जित करता है। इस प्रक्रिया में सुधार करने के लिए, अपकॉन्वर्टर की ऑप्टिकल अवस्थाओं के घनत्व को आवृत्ति-और कोणीय-चयनात्मक उत्सर्जन विशेषताओं को प्रदान करने के लिए सावधानीपूर्वक इंजीनियर किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक समतल तापीय अपकॉन्वर्टिंग प्लेटफॉर्म में एक सामने की सतह हो सकती है जो एक संकीर्ण कोणीय सीमा के भीतर कम-ऊर्जा वाले फोटॉनों की घटना को अवशोषित करती है, और एक पिछली सतह जो कुशलता से केवल उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉनों का उत्सर्जन करती है। इन सतह के गुणों को फोटोनिक क्रिस्टल के डिजाइन के माध्यम से महसूस किया जा सकता है, और थर्मोफोटोवोल्टिक और निष्क्रिय विकिरण शीतलन पर सिद्धांतों और प्रयोगों का प्रदर्शन किया गया है। सर्वोत्तम मानदंड के तहत, अप-कनवर्टर पेश करके सौर विकिरण से बिजली में ऊर्जा रूपांतरण दक्षता AM1.5D स्पेक्ट्रम का उपयोग करके 73 प्रतिशत तक जा सकती है और एकल-जंक्शन सेल के लिए 6,000 K पर सूर्य को ब्लैक बॉडी स्रोत के रूप में 76 प्रतिशत माना जा सकता है। संवेदी ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश संवेदी ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश (एस. टी. टी. ए.) आधारित फोटॉन अपकॉन्वर्जन एक द्वि-आण्विक प्रक्रिया है जो कई ऊर्जा हस्तांतरण चरणों के माध्यम से, दो कम आवृत्ति वाले फोटॉनों को उच्च आवृत्ति वाले एक फोटॉन में कुशलता से जोड़ती है। टी. टी. ए. प्रणालियों में एक अवशोषक प्रजाति, संवेदी और एक उत्सर्जक प्रजाति, उत्सर्जक (या विनाशक) होती है। उत्सर्जक आम तौर पर बड़े एकल-त्रिभुज ऊर्जा विभाजन के साथ बहुआयामी क्रोमोफोर होते हैं, जैसे कि एंथ्रेसीन और इसके व्युत्पन्न। संवेदी ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश में पहला कदम संवेदी द्वारा कम ऊर्जा वाले फोटॉन का अवशोषण है। सेंसिटाइज़र तब इंटरसिस्टम क्रॉसिंग (आई. एस. सी.) के बाद अपनी पहली ट्रिपल उत्तेजित अवस्था (3सेन *) को आबाद करता है। संवेदी पर उत्तेजना ऊर्जा तब एक डेक्सटर प्रकार ट्रिपल ऊर्जा हस्तांतरण (टीईटी) के माध्यम से एक ग्राउंड स्टेट उत्सर्जक में स्थानांतरित होती है, जिससे एक ट्रिपल उत्तेजित उत्सर्जक (3ईएम *) उत्पन्न होता है। दो ट्रिपल उत्तेजित उत्सर्जक फिर एक दूसरी ऊर्जा हस्तांतरण प्रक्रिया में परस्पर क्रिया करते हैं, जिसे ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश (टी. टी. ए.) के रूप में जाना जाता है। टी. टी. ए. पर एक उत्सर्जक को अपनी उत्तेजित एकल अवस्था (1ई. एम. *) में और दूसरे उत्सर्जक को अपनी जमीनी स्थिति में छोड़ते हुए त्रिगुणित ऊर्जाओं को संयोजित किया जाता है। एकल उत्तेजित अवस्था से उत्सर्जक एक फोटॉन के उत्सर्जन के माध्यम से जमीनी अवस्था में लौटता है। इस तरह दो कम ऊर्जा वाले फोटॉन उच्च ऊर्जा वाले एक फोटॉन में परिवर्तित हो जाते हैं। सिद्धांत अस्थायी रूप से फोटॉन ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए लंबे समय तक रहने वाली तीन अवस्थाओं पर निर्भर करता है। चूँकि आणविक ऑक्सीजन प्रभावी रूप से तीन अवस्थाओं को बुझा देता है, इसलिए यह महत्वपूर्ण है कि कुशलता से कार्य करने के लिए नमूनों को पूरी तरह से विघटित या संलग्न किया जाए। संवेदी ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश के माध्यम से फोटॉन अपकॉन्वर्जन में कम उत्तेजना तीव्रता पर भी कुशल होने का लाभ है जो इसे सौर सेल दक्षता बढ़ाने के लिए सूर्य की रोशनी को परिवर्तित करने के लिए संभावित रूप से उपयोगी बनाता है। अपकॉन्वर्टिंग नैनोपार्टिकल्स हालांकि फोटॉन अपकॉन्वर्शन का पहली बार थोक क्रिस्टल और ऑप्टिकल फाइबर में अध्ययन किया गया था, यह नैनोमटेरियल्स के विकास के साथ बेहतर जाना जाने लगा। यह उन कई तरीकों के कारण हुआ जिसमें फोटॉन अपकॉन्वर्जन गुणों के साथ नैनोस्ट्रक्चर को लागू किया जा सकता है। सामग्री के इस नए वर्ग को मोटे तौर पर अपकॉन्वर्टिंग नैनोपार्टिकल्स या यू. सी. एन. पी. के रूप में संदर्भित किया जा सकता है। लैंथेनाइड-डोप्ड नैनोपार्टिकल्स लैंथेनाइड-डोप्ड नैनोपार्टिकल्स 1990 के दशक के अंत में नैनोटेक्नोलॉजी पर बढ़ते ध्यान के कारण उभरे। हालाँकि उनके ऑप्टिकल संक्रमण अनिवार्य रूप से थोक सामग्री से मिलते-जुलते हैं, सतह संशोधनों के लिए उपयुक्त नैनोस्ट्रक्चर के परिणामस्वरूप बेहतर या नई विशेषताएँ होती हैं। इसके अलावा, कणों के छोटे आकार जैविक अनुप्रयोगों के लिए आणविक फ्लोरोफोर के विकल्प के रूप में उनके उपयोग की अनुमति देते हैं। उनके अद्वितीय ऑप्टिकल गुणों, जैसे कि बड़े स्टोक्स शिफ्ट और पलक झपकाने की कमी ने उन्हें एकल-अणु ट्रैकिंग और गहरे ऊतक इमेजिंग सहित चुनौतीपूर्ण कार्यों में पारंपरिक चमकदार जांच को प्रतिद्वंद्वी बनाने में सक्षम बनाया है। बायोइमेजिंग के मामले में, जैसा कि लैंथेनाइड-डोप्ड नैनोपार्टिकल्स को निकट-अवरक्त प्रकाश से उत्तेजित किया जा सकता है, वे जैविक नमूनों के ऑटोफ्लोरेसेंस को कम कर सकते हैं और इस प्रकार छवि के कंट्रास्ट में सुधार कर सकते हैं। लैंथेनाइड-डोप्ड नैनोकण एक पारदर्शी सामग्री के नैनोक्रिस्टल होते हैं (अक्सर फ्लोराइड NaYF4, NaGdF4, LiYF4, YF3, CaF2 या ऑक्साइड जैसे Gd2O3) जो लैंथेनाइड आयनों के साथ डोप किए जाते हैं। फोटॉन अपकॉन्वर्जन में उपयोग किए जाने वाले सबसे आम लैंथेनाइड आयन इरबियम-यटर्बियम (एआर3 +, वाईबी3 +) या थुलियम-यटर्बियम (टीएम3 +, वाईबी3 +) जोड़े हैं। इस तरह के संयोजनों में यटर्बियम आयनों को एंटेना के रूप में जोड़ा जाता है, ताकि लगभग 980 एनएम पर प्रकाश को अवशोषित किया जा सके और इसे अपकॉन्वर्टर आयन में स्थानांतरित किया जा सके। यदि यह आयन एरबियम है, तो एक विशेषता हरा और लाल उत्सर्जन देखा जाता है, जबकि जब अपकॉन्वर्टर आयन थुलियम होता है, तो उत्सर्जन में निकट-पराबैंगनी, नीला और लाल प्रकाश शामिल होता है। इन नैनोमटेरियल्स के आशाजनक पहलुओं के बावजूद, एक तत्काल कार्य जो सामग्री रसायनज्ञों का सामना करता है, वह ट्यूनेबल उत्सर्जन के साथ नैनोकणों के संश्लेषण में निहित है, जो बहुआयामी इमेजिंग और संवेदन में अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है। एक पुनरुत्पादक, उच्च उपज वाले कृत्रिम मार्ग के विकास ने, जो दुर्लभ पृथ्वी हैलाइड नैनोकणों के नियंत्रित विकास की अनुमति देता है, कई अलग-अलग जैव अनुप्रयोगों में अपकॉन्वर्जन नैनोकणों के विकास और व्यावसायीकरण को सक्षम बनाया है। इस दिशा में हाल की प्रगति में संरचित नैनोक्रिस्टल क्रिस्टल का संश्लेषण शामिल है, जैसे कि एक कोर/खोल संरचना वाले कण, जो अंतरपृष्ठीय ऊर्जा हस्तांतरण (आई. ई. टी.) के माध्यम से अप-कन्वर्जन की अनुमति देते हैं। अर्धचालक नैनोपार्टिकल्स अर्धचालक नैनोपार्टिकल्स या क्वांटम डॉट्स को अक्सर दो-फोटॉन अवशोषण तंत्र के बाद उत्तेजना की तुलना में कम तरंग दैर्ध्य का प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए प्रदर्शित किया गया है, न कि फोटॉन अपकॉन्वर्जन। हालांकि, हाल ही में आणविक उत्सर्जकों के साथ संयुक्त संवेदी के रूप में सी. डी. एस. ई., पी. बी. एस. और पी. बी. एस. ई. जैसे अर्धचालक नैनोकणों के उपयोग को ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश के माध्यम से फोटॉन अपकॉन्वर्जन के लिए एक नई रणनीति के रूप में दिखाया गया है। इनका उपयोग 980 एनएम अवरक्त प्रकाश को 600 एनएम दृश्य प्रकाश में; हरे प्रकाश को नीले प्रकाश में; और नीले प्रकाश को पराबैंगनी में बदलने के लिए किया गया है। यह तकनीक बहुत उच्च अपकॉन्वर्टिंग क्षमता से लाभान्वित होती है। विशेष रूप से, इन सामग्रियों का उपयोग सूर्य के प्रकाश के अवरक्त क्षेत्र को बिजली में पकड़ने और फोटोवोल्टिक सौर कोशिकाओं की दक्षता बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। विवो में विभेदक कैंसर बायोइमेजिंग के लिए अपकॉन्वर्जन नैनोकैप्सूल वांछित नैदानिक परिणाम प्रदान करने के उद्देश्य से समय पर कैंसर के उपचार के लिए ट्यूमर घातकता का प्रारंभिक निदान महत्वपूर्ण है। पारंपरिक प्रतिदीप्ति-आधारित इमेजिंग को दुर्भाग्य से कम ऊतक प्रवेश और पृष्ठभूमि स्व-प्रतिदीप्ति जैसी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। अपकॉन्वर्शन (यू. सी.) आधारित बायोइमेजिंग इन सीमाओं को दूर कर सकती है क्योंकि उनकी उत्तेजना कम आवृत्तियों पर होती है और उत्सर्जन उच्च आवृत्तियों पर होता है। क्वोन एट अल। बहु-कार्यात्मक सिलिका-आधारित नैनोकैप्सूल विकसित किए गए, जिन्हें दो अलग-अलग ट्रिपल-ट्रिपलेट विनाश यू. सी. क्रोमोफोर जोड़े को समाहित करने के लिए संश्लेषित किया गया। प्रत्येक नैनोकैप्सूल लाल प्रकाश उत्तेजना के बाद अलग-अलग रंग, नीले या हरे रंग का उत्सर्जन करता है। इन नैनोकैप्सूलों को क्रमशः स्तन या बृहदान्त्र कैंसर कोशिकाओं को चुनिंदा रूप से लक्षित करने के लिए एंटीबॉडी या पेप्टाइड्स के साथ संयुग्मित किया गया था। इन विट्रो और इन विवो दोनों प्रयोगात्मक परिणामों ने एकल तरंग दैर्ध्य उत्तेजना से कैंसर-विशिष्ट और विभेदक-रंग इमेजिंग के साथ-साथ बढ़ी हुई पारगम्यता और प्रतिधारण प्रभाव के कारण लक्षित ट्यूमर स्थलों पर कहीं अधिक संचय का प्रदर्शन किया। इस दृष्टिकोण का उपयोग विभिन्न ट्यूमर-विशिष्ट, रंग-कोडिंग परिदृश्यों के लिए विभिन्न प्रकार के क्रोमोफोर जोड़े की मेजबानी करने के लिए किया जा सकता है और विषम ट्यूमर सूक्ष्म वातावरण के भीतर कैंसर प्रकारों की एक विस्तृत श्रृंखला के निदान के लिए नियोजित किया जा सकता है। स्वतःस्फूर्त पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्जन संदर्भ प्रकाश क्वांटम प्रकाशिकी भी देखें।