Одно- и многопараметрическая калиб­ровка температуры по спектрам флуоресценции неодима в нанокристаллах оксида иттрий-гадолиния и иттрий-гадолиниевого граната

  • Михаил Александрович Ходасевич Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, корп. 2, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Дарья Александровна Борисевич Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, корп. 2, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Анатольевич Асеев Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49а, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия
  • Наталья Константиновна Кузьменко Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49а, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия
  • Ирина Маратовна Севастьянова Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49а, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-2-12-18

Аннотация

Рассмотрено применение активированных ионами неодима нанокристаллических порошков оксида иттрийгадолиния и иттрий-гадолиниевого граната для повышения чувствительности локальных флуоресцентных оптических датчиков температуры. На основе температурных зависимостей спектров флуоресценции неодима в данных порошках разработаны однопараметрическая (с помощью метода отношения интенсивностей флуоресценции с термически связанных уровней энергии активатора) и многопараметрическая (с помощью метода частичных наименьших квадратов) калибровочные модели. Отмечено, что при использовании попадающего в первое биологическое окно прозрачности (700 – 980 нм) спектрального диапазона 860 – 950 нм обе калибровочные модели имеют среднеквадратичное отклонение около 10 % и сопоставимы по точности. Выбор спектральных переменных методом поиска комбинаций сдвигающихся окон в многопараметрической модели позволил уменьшить среднеквадратичное отклонение для оксида иттрий-гадолиния более чем в 12 раз (с 9,8 до 0,8 °С), а для иттрий-гадолиниевого граната более чем в 2 раза (с 8,7 до 4,0 °С). Полученный результат указывает на возможность использования предложенных активированных неодимом нанокристаллических порошков и многопараметрических методов калибровки для локализации областей с фебрильной температурой в биологических и медицинских целях.

Биографии авторов

Михаил Александрович Ходасевич, Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, корп. 2, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник центра «Диагностические системы»

Дарья Александровна Борисевич, Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, корп. 2, 220072, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник центра «Диагностические системы»

Владимир Анатольевич Асеев, Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49а, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия

кандидат физико-математических наук; заведующий лабораторией современных фотонных материалов и технологий факультета фотоники

Наталья Константиновна Кузьменко, Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49а, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия

аспирантка лаборатории современных фотонных материалов и технологий факультета фотоники. Научный руководитель – В. А. Асеев

Ирина Маратовна Севастьянова, Университет ИТМО, пр. Кронверкский, 49а, 197101, г. Санкт-Петербург, Россия

аспирантка лаборатории современных фотонных материалов и технологий факультета фотоники. Научный руководитель – В. А. Асеев

Литература

  1. Hao Chen, Gongxun Bai, Qinghua Yang, Youjie Hua, Shiqing Xu, Liang Chen. Non-contact fluorescence intensity ratio optical thermometer based on Yb3+/Nd3+ codoped Bi4Ti3O12 microcrystals. Journal of Luminescence. 2020;221:117095. DOI: 10.1016/j.jlumin.2020.117095.
  2. Carbonati T, Ciontiac C, Cosaert E, Nimmegeers B, Meroniac D, Poelman D. NIR emitting GdVO4 : Nd nanoparticles for bioimaging: the role of the synthetic pathway. Journal of Alloys and Compounds. 2021;862:158413. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.158413.
  3. Manzoor O, Soleja N, Khan P, Hassan MI, Mohsin M. Visualization of thiamine in living cells using genetically encoded fluorescent nanosensor. Biochemical Engineering Journal. 2019;146:170–178. DOI: 10.1016/j.bej.2019.03.018.
  4. del Rosal B, Rocha U, Ximendes EC, Rodríguez EM, Jaque D, García Solé J. Nd3+ ions in nanomedicine: perspectives and applications. Optical Materials. 2017;63:185–196. DOI: 10.1016/j.optmat.2016.06.004.
  5. Balabhadra S, Debasu ML, Brites CDS, Nunes LAO, Malta OL, Rocha J, et al. Boosting the sensitivity of Nd3+-based luminescent nanothermometers. Nanoscale. 2015;7(41):17261–17267. DOI: 10.1039/C5NR05631D.
  6. Wade SA, Collins SF, Baxter GW. Fluorescence intensity ratio technique for optical fiber point temperature sensing. Journal of Applied Physics. 2003;94(8):4743–4756. DOI: 10.1063/1.1606526.
  7. Miniscalco WJ. Optical and electronic properties of rare earth ions in glasses. In: Digonnet MJF, editor. Rare-earth-doped fiber lasers and amplifiers. 2nd edition. Boca Raton: CRC Press; 2001. p. 17–112 (Optical science and engineering; volume 71). DOI: 10.1201/9780203904657.ch2.
  8. Svelto O. Principles of lasers. 3rd edition. New York: Plenum; 1989. 494 p. DOI: 10.1007/978-1-4615-7670-9.
  9. Yuan Zhou, Feng Qin, Yangdong Zheng, Zhiguo Zhang, Wenwu Cao. Fluorescence intensity ratio method for temperature sensing. Optics Letters. 2015;40(19):4544–4547. DOI: 10.1364/OL.40.004544.
  10. Rai VK. Temperature sensors and optical sensors. Applied Physics B. 2007;88(2):297–303. DOI: 10.1007/s00340-007-2717-4.
  11. Khodasevich МА, Аseev VА, Varaksa YuА, Kolobkova ЕV, Sinitsyn GV. Erbium-doped lead fluoride nano-glass-ceramics: application of principal component analysis to upconversion fluorescence spectra for temperature measurement. Materials Physics and Mechanics. 2015;24(1):18–23. Russian.
  12. Geladi P, Kowalski BR. Partial least-squares regression: a tutorial. Analytica Chimica Acta. 1986;185:1–17. DOI: 10.1016/0003-2670(86)80028-9.
  13. Zornoza R, Guerrero C, Mataix-Solera J, Scow KM, Arcenegui V, Mataix-Beneyto J. Near infrared spectroscopy for determination of various physical, chemical and biochemical properties in Mediterranean soils. Soil Biology & Biochemistry. 2008;40(7):1923–1930. DOI: 10.1016/j.soilbio.2008.04.003.
  14. Bro R, Smilde AK. Principal component analysis. Analytical Methods. 2014;6:2812–2831. DOI: 10.1039/C3AY41907J.
  15. Kennard RW, Stone LA. Computer aided design of experiments. Technometrics. 1969;11(1):137–148. DOI: 10.2307/1266770.
  16. Khodasevich МА, Aseev VА. [Spectral variables selection and increasing the accuracy of temperature calibration using the projection to latent structures from Yb3+ : CaF2 fluorescence spectra]. Optika i spektroskopiya. 2018;124(5):713–717. Russian. DOI: 10.21883/OS.2018.05.45958.22-18.
  17. Du YP, Liang YZ, Jiang JH, Berry RJ, Ozaki Y. Spectral regions selection to improve prediction ability of PLS models by changeable size moving window partial least squares and searching combination moving window partial least squares. Analytica Chimica Acta. 2004;501(2):183–191. DOI: 10.1016/j.aca.2003.09.041.
Опубликован
2022-06-03
Ключевые слова: флуоресценция, нанокристаллы, многопараметрическая калибровка, метод частичных наименьших квадратов, метод отношения интенсивностей флуоресценции
Поддерживающие организации Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 20-58-00054) и Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект Ф20Р-342).
Как цитировать
Ходасевич, М. А., Борисевич, Д. А., Асеев, В. А., Кузьменко, Н. К., & Севастьянова, И. М. (2022). Одно- и многопараметрическая калиб­ровка температуры по спектрам флуоресценции неодима в нанокристаллах оксида иттрий-гадолиния и иттрий-гадолиниевого граната. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 12-18. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-2-12-18
Выпуск
№ 2 (2022): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Оптика и спектроскопия

Copyright (c) 2022 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).