アップコンバージョンナノ粒子

UCNP合成では、ナノ粒子のサイズ、形状、相など、いくつかの側面を制御することに重点が置かれています。これらの各側面を制御するには、さまざまな合成経路があり、その中でも共沈法、水熱（溶媒熱）法、熱分解法が最も一般的です。^{[ 34 ] [ 37 ]}さまざまな合成方法にはそれぞれ長所と短所があり、合成方法の選択は、プロセスの簡便性/容易性、コスト、および目的の形態を達成できる能力のバランスを取る必要があります。一般的に、固体合成技術はナノ粒子の組成を制御するのに最も簡単ですが、サイズや表面化学を制御するのは簡単ではありません。液体ベースの合成は効率的で、通常は環境にも優れています。

最も単純で経済的な方法は、ナノ結晶の成分を溶液中で混合し、沈殿させる方法です。この方法では、サイズ分布が狭い（約 100  nm）ナノ粒子が得られますが、より複雑な方法ほどの精度はなく、合成後の処理がより多く必要になります。^{[ 34 ]}ナノ粒子は高温でのアニーリング工程で改善できますが、これはしばしば凝集を引き起こし、用途を制限します。一般的な共沈法で合成されたナノ粒子には、エチレンジアミン四酢酸（EDTA）の存在下で調製された希土類ドープ NaYF ₄ナノ粒子や、NaF と有機リン酸塩（キャッピング配位子）中で調製された LaY​​bEr などがあります。^{[ 38 ]}

水熱（溶媒熱）法、または水熱/溶媒熱法は、オートクレーブ内の高温高圧下で密閉容器内で実施されます。^{[ 34 ]}この方法では、形状とサイズ（単分散）を精密に制御できますが、合成時間が長く、成長をリアルタイムで観察できないという欠点があります。より専門的な技術には、ゾルゲル法（金属アルコキシドの加水分解と重縮合）や燃焼（炎）合成などがあり、これらは迅速な非溶液相経路です。水溶性で「グリーン」な全合成の開発も検討されており、これらの方法の最初の例として、ポリエチレンイミン（PEI）でコーティングされたナノ粒子が用いられています。^{[ 39 ]}

熱分解では、高温の溶媒を用いて分子前駆体を核に分解し、核はほぼ同じ速度で成長して、高品質で単分散のナノ粒子が得られます。^{[ 21 ] [ 37 ]}成長は前駆体の分解速度論とオストワルド熟成によって制御され、温度と反応物の添加および種類によって粒子のサイズ、形状、構造を細かく制御できます。^{[ 37 ]}

多くの化学的および生物学的応用において、アップコンバージョンナノ粒子の濃度を分子量で定量化することは有用である。この目的のために、各ナノ粒子は高分子とみなすことができる。ナノ粒子の分子量を計算するには、ナノ粒子のサイズ、単位格子構造のサイズと形状、および単位格子の元素組成を知る必要がある。これらのパラメータは、それぞれ透過型電子顕微鏡とX線回折から得ることができる。これによって、ナノ粒子内の単位格子の数、したがってナノ粒子の総質量を推定することができる。^{[ 40 ]}

結晶のサイズが小さくなるにつれて、表面積と体積の比率が劇的に増加し、ドーパントイオンは表面不純物、リガンド、溶媒の影響により消光される。したがって、ナノサイズの粒子は、アップコンバージョン効率においてバルク粒子に劣る。実験的調査により、非放射緩和過程におけるリガンドの支配的な役割が明らかになった。^{[ 41 ]}アップコンバージョンナノ粒子の効率を高める方法はいくつかある。これには、シェル成長、リガンド交換、二重層形成などが含まれる。

ドープされた各ナノ粒子の周囲に結晶性材料の不活性シェルを導入すると、コアを周囲や表面の不活性化剤から隔離する効果的な方法となり、アップコンバージョン効率が向上することが示されている。 ^{[ 42 ]}例えば、厚さ1.5 nmのNaYF4_シェルでコーティングされた8  nmのNaYF4 _Yb3 + ^/ Tm3 ⁺ UCNPは、アップコンバージョン発光が30倍向上する。^{[ 43 ]}シェルは、次の2つの一般的なアプローチを使用してエピタキシャル成長させることができる。i) 分子前駆体を使用する。ii) 犠牲粒子を使用する（オストワルド熟成を参照）。^{[ 38 ]}さらに、発光増強のためのシェルの臨界厚さが存在し、それが設計因子となる可能性がある。^{[ 44 ]} 

シェル材料の分子前駆体は、オレイン酸やオクタデセンなどの高沸点溶媒中でコア粒子と混合され、得られた混合物を300  ℃に加熱してシェル前駆体を分解する。シェルはコア粒子上にエピタキシャル成長する傾向がある。コアとシェルのホストマトリックスは化学組成が類似しているため（均一なエピタキシャル成長を実現するため）、シェル成長前後の対応するTEM画像間にコントラストの差はない。したがって、コアシェル形成ではなく合金形成の可能性を容易に排除することはできない。しかし、X線光電子分光法（XPS）を使用すれば、2つのシナリオを区別することができる。^{[ 39 ]}

合成されたままのUCNPは通常、調製中にサイズと形状の制御を助ける有機リガンドで覆われています。これらのリガンドは表面を疎水性にするため、水溶液に分散せず、生物学的応用を妨げます。水性溶媒への溶解度を高める簡単な方法の1つは、直接リガンド交換です。これには、最初のリガンドを置き換えるためのより好ましいリガンドが必要です。合成中にNPを覆う疎水性のネイティブリガンド（通常はオレイン酸のような長鎖分子）は、より極性のある親水性リガンド（通常は多重キレート化（例：ポリエチレングリコール（PEG）リン酸、ポリアクリル酸）で直接置換され、より優れた安定性と結合を提供し、その結果、交換が行われます。^{[ 34 ]}この方法の欠点は、交換に伴う反応速度が遅いことです。^{[ 34 ] [ 35 ]}一般的に、新しいリガンドは、NP表面への容易な結合を可能にするチオールなどの基で官能化されています。直接交換のプロトコルは単純で、一般的に長時間混合する必要があるが、後処理が面倒になる場合があり、各システムに合わせて条件を最適化する必要があり、凝集が発生する可能性がある。しかし、リガンド交換の2段階プロセスでは、元のリガンドを除去してから親水性のリガンドをコーティングするため、より良い方法である。ここでのリガンド除去ステップは、さまざまな方法で報告されている。簡単な方法は、超音波処理下で粒子をエタノールで洗浄することである。ニトロソニウムテトラフルオロボレートや酸などの試薬を使用して、ナノ粒子の表面から元のリガンドを剥がし、後で好ましいリガンドを結合させる。この方法は、直接交換よりもナノ粒子の凝集傾向が少なく、他のタイプのナノ粒子にも一般化できる。^{[ 38 ]}

別の方法としては、UCNPを長い両親媒性アルキル鎖でコーティングして擬似二重層を作る方法がある。両親媒性分子の疎水性尾部はNP表面のオレイン酸リガンドの間に挿入され、親水性頭部は外側を向く。リン脂質は生物細胞に容易に取り込まれるため、この目的で非常に成功裏に使用されてきた^{[ 38 ]。}この戦略を使用すると、2番目の層を選択することで表面電荷を容易に制御でき、いくつかの機能化分子を外層にロードすることができる^{[ 34 ]} 。表面電荷と表面官能基の両方がナノ粒子の生物活性において重要である。脂質二重層コーティングを作るためのより安価な戦略は、両親媒性分子の代わりに両親媒性ポリマーを使用することである。

UCNP を用いたバイオイメージングでは、サンプル内の UCNP をレーザーで励起し、放出された周波数倍増光を検出します。UCNP は、狭い発光スペクトル、高い化学的安定性、低い毒性、弱い自家蛍光バックグラウンド、長い発光寿命、光消光および光退色に対する高い耐性により、イメージングに有利です。ストークスシフト過程を使用し、高い光子エネルギーを必要とする従来のバイオラベルと比較して、^{[ 34 ]} UCNP は、より低いエネルギーで、損傷が少なく、より深く浸透する光の使用を可能にする反ストークス機構を利用します。^{[ 45 ]マルチモーダルイメージング剤は、複数の信号報告モードを組み合わせます。Gd 3+}または Fe ₂ O ₃ を含む UCNP は、発光プローブおよび MRI 造影剤として使用できます。 UCNPは、フォトルミネッセンスとX線コンピュータ断層撮影（CT）の構成にも使用されており、フォトルミネッセンス、X線CT、およびMRIを組み合わせたトリモーダルUCNPも準備されています。^{[ 46 ]}フッ化物イオンとランタニドイオン間の引力相互作用を利用することで、UCNPは単光子放出コンピュータ断層撮影（SPECT）に基づくイメージング剤として使用でき、リンパ節のイメージングや癌手術の病期分類の補助に役立ちます。標的蛍光体としてリガンドと結合したUCNPは、悪性細胞上に過剰発現受容体を形成し、細胞を選択的にイメージングするためのフォトルミネッセンスラベルとして機能します。UCNPは、癌手術の補助としてリンパ節や血管系を標的とするなどの機能イメージングにも使用されています。^{[ 47 ] [ 48 ]} UCNPは、ドーパント変調により多重イメージングを可能にし、発光ピークを分解可能な波長にシフトします。抗体に結合したシングルバンドUCNPは乳がん細胞の検出に使用され、多重分析には適さない従来の抗体の蛍光標識を凌駕する。^{[ 49 ]}

光誘起電子移動機構を利用しています。UCNPは、細胞内温度差を検出するナノ温度計として使用されてきました。(NaYF ₄ : 20% Yb ³⁺、2% Er ³⁺ ) @NaYF ₄コアシェル構造の六角形ナノ粒子は、HeLa 細胞で生理的範囲(25 °C ～ 45  °C)の温度を0.5 °C未満の 精度で測定できます。^{[ 50 ]} UNCPは、酵素や抗体などの認識要素と組み合わせることで、より汎用性の高いバイオセンサーにすることができます。細胞内グルタチオンは、MnO ₂ナノシートで修飾したUCNPを使用して検出されました。MnO _{2ナノシートはUCNPの発光を消光し、グルタチオンはMnO 2}をMn ²⁺に還元することで、この発光を選択的に回復することが観察されました。SYBR Green I色素を結合させたNaYF₄ _: Yb³⁺ /Tm³⁺^ナノ粒子は^{、 0.06} nMの検出限界で試験管内で^Hg²⁺を検出できます。Hg²⁺やその他の重金属は生細胞内で測定されています。波長可変かつ多重化された発光により^、異なる種類の物質を同時に検出できます。

UCNPベースの薬物送達システムを構築するには3つの方法があります。まず、UCNPは、ドキソルビシンなどの疎水性薬物を粒子表面の疎水性ポケットにカプセル化することで輸送できます。薬物はpHの変化によって放出されます。次に、メソポーラスシリカでコーティングされたUCNPを使用することができ、薬物は多孔質表面に貯蔵され、そこから放出されます。3番目に、薬物は中空のUCNPシェルにカプセル化され、輸送されます。^{[ 34 ]}

光活性化プロセスによって薬剤を送達または活性化するプロセスは、光線力学療法（PDT）として知られています。多くの光活性化合物は紫外線によって活性化されますが、紫外線は赤外線に比べて浸透深度が浅く、組織への損傷が大きくなります。UCNPは、無害な赤外線照射を受けると、紫外線活性化化合物を局所的に活性化するために使用できます。たとえば、UCNPは赤外線を吸収して可視光を放出し、光増感剤を活性化して、腫瘍細胞を破壊する高反応性一重項酸素を生成することができます。この無毒で効果的なアプローチは、in vitroとin vivoの両方で実証されています。同様に、UCNPは熱によって標的を破壊する光熱療法にも使用できます。UCNP-プラズモンナノ粒子複合体（例：NaYF ₄ :Yb Er@Fe ₃ O ₄ @Au ₁₇）では、UCNPが腫瘍細胞を標的とし、プラズモンナノ粒子が熱を発生させて癌細胞を殺します。

UCNPは、捕捉して電気に変換できる太陽光のスペクトルを広げるために、ソーラーパネルに組み込まれています。太陽電池の最大出力は、電子を促進するために捕捉される入射光子の割合によって部分的に決定されます。太陽電池は、バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光子のみを吸収して変換できます。バンドギャップよりも小さいエネルギーを持つ入射光子はすべて失われます。バンドギャップが1.34 eVの理想的な単接合太陽電池の場合、入射太陽光の33.17%しか吸収できません。これはショックレー・クイサー限界としても知られています。UCNPは、複数の低エネルギーIR光子を1つの高エネルギー光子に結合することで、この無駄になった太陽光を捕捉できます。放出された光子は、バンドギャップを越えて電荷キャリアを促進するのに十分なエネルギーを持ちます。^{[ 51 ]} UCNPは、さまざまなクラスとさまざまな形態の太陽電池システムに組み込むことができます。例えば、UCNPは半導体の裏面にフィルムとして積層され、低エネルギー光を集めてアップコンバージョンすることができます。^{[ 52 ]}このような処理により、アップコンバージョン光の効率が37%に達しました。別の戦略としては、ナノ粒子を多孔質材料全体に分散させる方法があります。あるデバイス構造では、UCNPがチタニアマイクロ足場に浸透されています。^{[ 53 ]} UCNPを埋め込むためにチタニアをさらに追加すると、UCNPは色素増感セルにも使用されています。^{[ 54 ] [ 55 ]}さらに、UCNPはペロブスカイト太陽電池（PSC）に利用することで、効率を大幅に向上させることができます。^{[ 56 ] [ 57 ]}

太陽電池の性能を最適化するには、制御する必要のある UCNP のさまざまなパラメータがあります。UCNP の太陽光効率向上を最適化するには、ナノ粒子のサイズと形状、ドーパントとホスト格子の同一性、およびドーパントの濃度を制御することが重要です。ホスト格子は、合成に耐えられるほど化学的に頑丈である必要があります。これらの UCNP 特性に影響を与えるシステムパラメータには、温度、圧力、キャッピングリガンド、前駆体組成、加熱速度、冷却速度、反応時間、溶媒、および試薬濃度が含まれます。太陽電池で UCNP の用途を商業化するには、その合成をスケールアップする必要があります。さまざまな用途に最適な UCNP 構造がありますが、太陽電池の場合、最も適していてスケールアップ可能な UCNP 構造の 1 つはコアシェルナノ粒子です。一般的に、ナノ粒子の合成は、フローリアクター、マイクロ流体、またはバッチ生産を使用してスケールアップされます。しかし、より精密な合成方法、すなわち水熱（溶媒熱）法および熱分解法では、300℃を超える温度が必要となるため、フローリアクターやマイクロ流体デバイスは、高品質の大規模UCNP合成には適していません。したがって、太陽電池用途向けの機能性UCNPを大規模に合成するには、コアシェルナノ粒子をバッチ生産する方法が最も最適な方法です。^{[ 58 ]}

ランタニドをドープしたアップコンバージョンナノ結晶は、その高い光安定性と独自の非線形光学プロセスにより、有機色素や量子ドットなどの従来の超解像イメージングプローブに代わる有望な代替品として実際に登場しました。たとえば、アップコンバージョンナノ結晶は、STED顕微鏡で高解像度イメージングを実現するために使用されています。この技術では、蛍光プローブを励起レーザーで励起し、続いて枯渇レーザーを使用して誘導放出により脱励起します。ドーナツ型の枯渇レーザーを使用することで、点像分布関数（PSF）が効果的に圧縮され、回折障壁を克服して超解像イメージングが可能になります。^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ]}

さらに、単一ビーム超解像イメージングのための超高非線形性を持つ光子アバランシェ材料の探索は、これらの先進的なナノ材料が光イメージング技術の限界を押し広げる可能性をさらに強調しています。アップコンバージョンナノ結晶の独自の特性により、複雑な計算解析を必要とせずに、単純な走査共焦点顕微鏡によって70 nm以下の空間分解能で超解像イメージングを実現できます。^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

有機分子や量子ドットとは対照的に、ランタニドイオンは複雑な励起状態と著しく長い発光寿命を示します。この特性により、ランタニド活性化利得材料を使用する場合、レーザー発振に不可欠な反転分布を容易に実現できます。小型レーザーは、さまざまなセンシングおよびイメージング用途向けのコヒーレント光を生成するためのプラットフォームとして使用されています。ランタニドをドープしたアップコンバージョンナノ結晶は、マイクロキャビティ内でUVからNIRへのレーザー発振を実現するために効果的に利用されています。驚くべきことに、これは室温で連続波（CW）ポンピングレーザー光源を使用して100 W cm^-2未満のポンピング閾値で実現されています。^{[ 66 ] [ 67 ]}

膜イオンチャネルは、電気信号の伝播と統合を促進することで、さまざまな生物システムにおいて重要な役割を果たしています。アップコンバージョンナノ結晶は、特定の膜イオンチャネルの活性を制御できるナノイルミネーターとして登場しました。この機能は、生体組織における近赤外線（NIR）光の減衰が少ないため、イオンチャネル活性を正確かつ最小限の侵襲で制御できる生体内アプリケーションにおいて特に価値があります。あるアプリケーションでは、強い青色発光を示すアップコンバージョンナノ結晶をポリマー足場に埋め込むことが挙げられます。このアプローチにより、980 nmのNIR光で励起されたときに、足場表面上のニューロン細胞の活動を光遺伝学的に制御することが可能になります。^{[ 68 ]}さらに、アップコンバージョンナノ結晶を介した光遺伝学の利用により、マウス脳の深部脳ニューロンの刺激が可能になりました。この技術は、遺伝子改変ニューロンからのドーパミン放出を誘発し、抑制性ニューロンの活性化を介して脳波を誘発するのに効果的であることが証明されています。さらに、アップコンバージョン光遺伝学は、海馬の興奮性細胞を抑制することによって発作を抑制し、記憶の想起を促すことに有望であることが示されている。^{[ 69 ]}

MIR放射にさらされると、ランタニドナノトランスデューサーの発光バンド強度比を変調することができる。この変調により、MIR放射が可視光（VIS）および近赤外線（NIR）領域に変換され、シリコン光検出器を使用したリアルタイム検出およびイメージングが可能になる。^{[ 70 ]}

光スイッチングは、光によって引き起こされるある化学異性体から別の化学異性体への変換です。光スイッチングは、光データ処理およびストレージ、および光放出に利用されています。光放出は、ナノ粒子表面に付着した部分を光によって分離させることです。ランタニドをドープしたNaYF ₄のUCNPは、リモートコントロール光スイッチとして使用されています。^{[ 71 ]} UCNPは、低コストの近赤外線を照射して、それを極めて局所的に紫外線に変換できるため、有用な光スイッチです。光触媒システムは、太陽電池と同じ原理でUCNPによって強化できます。^{[ 72 ]} YF ₃ :Yb/Tm UCNPでコーティングされた二酸化チタンでは、近赤外線照射下で汚染物質の分解が観察されました。^{[ 73 ]}通常、低エネルギーの近赤外線は、UV領域にバンドギャップを持つ二酸化チタンで光触媒を誘発することはできません。二酸化チタンの励起は、表面付近の化合物を分解する表面酸化還元反応を引き起こします。 UCNPは、安価な低エネルギー近赤外線光子を高価な紫外線光子の代わりに利用することを可能にする。生物学的文脈では、紫外線は強く吸収され、組織損傷を引き起こす。しかし、近赤外線は弱く吸収され、生体内でUCNPの挙動を誘発する。コアシェルUCNPは、生物医学的使用において完全に安全な強度の近赤外線を使用してルテニウム錯体の光分解を開始するために使用された。^{[ 74 ]}

UCNPベースのシステムは、光ベースの技術と電流ベースの技術の両方を組み合わせることができます。この半導体の光刺激は、情報を保存するために電圧ベースの刺激と組み合わされます。^{[ 75 ]}フラッシュドライブにUCNPを使用するその他の利点としては、使用されるすべての材料が光と熱に安定していることが挙げられます。さらに、UCNPフィルムの欠陥はデータストレージに影響を与えません。これらの利点により、印象的なストレージ限界が達成され、UCNPフィルムは光ストレージの有望な材料となっています。^{[ 76 ]} UCNPは、ディスプレイや印刷のニッチな用途に適用できます。既存のコロイドインク調製物にUCNPを使用して、偽造防止コードまたは印刷物を製造できます。^{[ 77 ]}柔軟で透明なディスプレイもUCNPを使用して製造されています。 [78]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を組み込んだ新しいセキュリティインクには多くの利点があります。^{[79]また、これらのインクは近赤外光にさらされるまで見えません。赤、緑、青のアップコンバージョンインクが}実現されています。重なり合ったインクから生成される色は、近赤外線励起のパワー密度に依存し、これにより追加のセキュリティ機能を組み込むことが可能になります。^{[ 80 ]}

指紋採取におけるアップコンバージョンナノ粒子の使用は、非常に選択的です。^{[ 81 ]}アップコンバージョンナノ粒子は、指先が表面に触れたときに付着する汗中のリゾチームに結合することができます。また、同じ方法でコカインが付着した指紋を識別するために、コカイン特異的アプタマーが開発されています。アップコンバージョンナノ粒子はバーコードにも使用できます。これらのマイクロバーコードは、さまざまな物体に埋め込むことができます。バーコードは近赤外線照明下で見え、 iPhoneカメラと顕微鏡の対物レンズを使用して画像化できます。 ^{[ 82 ]}