Preview

Biomedical Photonics

Расширенный поиск

НЕИНВАЗИВНАЯ ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА БИОТКАНЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПО СПЕКТРАМ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ИОНОВ Nd3+

https://doi.org/10.24931/2413-9432-2018-7-2-25-36

Полный текст:

Аннотация

Одним из перспективных методов лечения онкологических заболеваний является метод лазерной гипертермии. Для рутинного клинического использования гипертермии необходимо контролировать однородность и локальность нагрева внутри опухоли. Добиться локального нагрева можно при использовании специальных термоагентов, в качестве которых могут выступать наночастицы (НЧ), допированные редкоземельными ионами. Измерение температуры термоагентов в режиме реального времени позволит своевременно регулировать подаваемую возбуждающую мощность лазерного излучения и оптимизировать режимы гипертермии.

В работе представлены результаты исследования по неинвазивному определению температуры НЧ YPO4, допированных ионами Nd3+, c чувствительностью 0,2% °С-1 в диапазоне температур 30-60°С. Температура НЧ рассчитывалась по спектрам люминесценции Nd3+ в диапазоне 800-1000 нм при возбуждении на уровень 4F5/2 лазерным излучением 805 нм. Приведена процедура калибровки для пересчета отношения интенсивностей люминесценции со штарковских подуровней состояния 4F3/2 Nd3+ в значения реальной температуры НЧ в соответствии с распределением Больцмана. Предложен алгоритм расчета интенсивностей люминесценции для отдельных штарковских компонент. После вычисления интенсивностей, соответствующих каждой отдельной штарковской компоненте, происходит суммирование всех интенсивностей, относящихся к переходу с верхнего и с нижнего штарковских подуровней состояния 4F3/2, а затем вычисляется их отношение. Полученное отношение нормируется на значение отношения при комнатной температуре и в соответствии с калибровочной зависимостью пересчитывается в температуру нагрева НЧ. Продемонстрировано, что исследуемые НЧ Nd3+:YPO4 могут быть использованы в качестве так называемых «первичных» термометров, не требующих дополнительной перекалибровки для оценки температуры в диапазоне температур, используемом при гипертермии.

Об авторах

И. Д. Романишкин
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук
Россия
Москва


Д. В. Поминова
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук
Россия
Москва


П. В. Грачев
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук
Россия
Москва


В. И. Макаров
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук
Россия
Москва


А. С. Ванецев
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук; Тартусский университет
Россия
Москва, Тарту


Е. О. Орловская
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук
Россия
Москва


А. Е. Баранчиков
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
Россия
Москва


И. Силдос
Тартусский университет
Эстония
Тарту


В. Б. Лощенов
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук
Россия
Москва


Ю. В. Орловский
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук; Тартусский университет
Россия
Москва, Тарту


А. В. Рябова
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук
Россия
Москва


Список литературы

1. Issels R., Kampmann E., Kanaar R., Lindner L.H. Hallmarks of hyperthermia in driving the future of clinical hyperthermia as targeted therapy: translation into clinical application // International Journal of Hyperthermia. - 2016. - Vol. 32(1). - P. 89-95. doi:10.3109/02656736.2015.1119317

2. Chichel A., Skowronek J., Kubaszewska M., Kanikowski M. Hyperthermia - description of a method and a review of clinical applications // Reports of Practical Oncology & Radiotherapy. - 2007. - Vol. 12(5). - P. 267-275. doi: 10.1016/S1507-1367(10)60065-X

3. Myerson R.J., Moros E.G., Diederich C.J., et al. Components of a hyperthermia clinic: recommendations for staffing, equipment, and treatment monitoring // International Journal of Hyperthermia. - 2014. - Vol. 30(1). - P. 1-5. doi:10.3109/02656736.2013.861520

4. Helmchen F., Denk W. Deep tissue two-photon microscopy // Nature Methods. - 2005. - Vol. 2. - P. 932-940. doi:10.1038/nmeth818

5. Leitgeb N., Omerspahic A., Niedermayr F. Exposure of non-target tissues in medical diathermy // Bioelectromagnetics. - 2010. - Vol. 31(1). - P. 12-19. doi:10.1002/bem.20521

6. Kaur P., Aliru M.L., Chadha A.S., Asea A., Krishnan S. Hyperthermia using nanoparticles - promises and pitfalls // International Journal of Hyperthermia. - 2016. - Vol. 32(1). - P. 76-88. doi:10.3109/02656736.2015.1120889

7. Wust P., Cho C., Hildebrant B., Gellermann J. Thermal monitoring: invasive, minimal-invasive and non-invasive approaches // International Journal of Hyperthermia. - 2006. - Vol. 22(3). - P. 255-262. doi: 10.1080/02656730600661149

8. Rocha U., Hu J., Rodriguez E.M., et al. Subtissue imaging and thermal monitoring of gold nanorods through joined encapsulation with Nd-doped infrared-emitting nanoparticles // Small. - 2016. - Vol. 12(39). - P. 5394-5400. doi:10.1002/smll.201600866

9. Escudero A., Carrillo-Carrion C., Zyuzin M.V., Parak W.J. Luminescent rare-earth-based nanoparticles: a summarized overview of their synthesis, functionalization, and applications // Top Curr Chem (Cham). - 2016. - Vol. 374(4). - P. 48. doi:10.1007/ s41061-016-0049-8

10. Carrasco E., del Rosal B., Sanz-Rodriguez F., et al. Intratumoral thermal reading during photo-thermal therapy by multifunctional fluorescent nanoparticles // Advanced Functional Materials. - 2015. - Vol. 25(4). - P. 615. doi:10.1002/adfm.201403653

11. Quintanilla M., Benayas A., Naccache R., Vetrone F. Chapter 5. Luminescent nanothermometry with lanthanide-doped nanoparticles in book Thermometry at the Nanoscale: Techniques and Selected Applications. - The Royal Society of Chemistry, 2016. - P. 124-166. doi:10.1039/9781782622031-00124

12. Wang Z., Zhang P., Yuan Q., et al. Nd3+-sensitized NaLuF4 luminescent nanoparticles for multimodal imaging and temperature sensing under 808 nm excitation // Nanoscale. - 2015. - Vol. 7(42). - P. 17861-17870. doi:10.1039/C5NR04889C

13. Wawrzynczyk D., Bednarkiewicz A., Nyk M., et al. Neodymium(III) doped fluoride nanoparticles as non-contact optical temperature sensors // Nanoscale. - 2012. - Vol. 4(22). - P. 6959-6961. doi:10.1039/c2nr32203j

14. Rocha U., Silva C.J., Silva W.F., et al. Subtissue thermal sensing based on neodymium-doped LaF3 nanoparticles // ACS Nano. - 2013. - Vol. 7(2). - P. 1188-1199. doi:10.1021/nn304373q

15. Li X., Wang R., Zhang F., et al. Nd3+ sensitized up/down converting dual-mode nanomaterials for efficient in-vitro and in-vivo bioimaging excited at 800 nm // Sci. Rep. - 2013. - Vol. 3. - P. 3536. doi:10.1038/srep03536

16. Tian X., Wei X., Chen Y., et al. Temperature sensor based on ladder-level assisted thermal coupling and thermal-enhanced luminescence in NaYF4: Nd3+ // Opt Express. - 2014. - Vol. 22(24). - P. 30333-30345. doi:10.1364/OE.22.030333

17. Rocha U., Kumar K.U., Jacinto C., et al. Nd3+ doped LaF3 nanoparticles as self-monitored photo-thermal agents // Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 104. - 053703. doi:10.1063/1.4862968

18. Basiev T.T., Dergachev A.Yu., Orlovskii Y.V., Prokhorov A.M. Multiphonon nonradiative relaxation from high- lying levels of Nd3+ ion in fluoride and oxide laser materials // Journal of Luminescence. - 1992. - Vol. 53. - P. 19-23. doi:10.1016/0022- 2313(92)90096-R

19. Kolesnikov I.E., Kalinichev A.A., Kurochkin M.A., et al. New strategy for thermal sensitivity enhancement of Nd 3+-based ratiometric luminescence thermometers // Journal of Luminescence. - 2017. - Vol. 192. - P. 40-46. doi:10.1016/j.jlumin.2017.06.024

20. Samsonova E., Popov A., Vanetsev A., et al. Energy transfer kinetics probe for OH- quenchers in the YPO4:Nd3+ nanocrystals suitable for imaging in the biological tissue transparency window // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2014. - Vol. 16. - P. 26806-26815. doi:10.1039/C4CP03774J

21. Levenberg K. A method for the solution of certain non-linear problems in least squares // Quarterly of Applied Mathematics. - 1944. - Vol. 2. - P. 164-168. doi: 10.1090/qam/10666

22. Marquardt D.W. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 1963. - Vol. 11(2). - P. 431-441. doi:10.1137/0111030

23. Guillot-Noel O., Kahn-Harari A., Viana B., et al. Optical spectra and crystal field calculations of Nd3+ doped Zircon-type YMO4 laser hosts (M= V, P, As) // Journal of Physics: Condensed Matter. - 1998. - Vol. 10(29). - P. 6491-6503. doi:10.1088/0953-8984/10/29/009

24. Rai V.K., Rai S.B. A comparative study of FIR and FL based temperature sensing schemes: an example of Pr3+ // Applied Physics B. - 2007. - Vol. 87. - P. 323-325. doi:10.1007/s00340-007-2592-z

25. Balabhadra S., Debasu M.L., Brites C.D.S., et al. Boosting the sensitivity of Nd3+-based luminescent nanothermometers // Nanoscale. - 2015. - Vol. 7. - P. 17261-17267. doi:10.1039/C5NR05631D

26. Kolesnikov I.E., Kalinichev A.A., Kurochkin M.A., et al. YVO4:Nd3+ nanophosphors as NIR-to-NIR thermal sensors in wide temperature range // Scientific Reports. - 2017. - Vol. 7. - 18002. doi:10.1038/s41598-017-18295-w

27. Kaldvee K., Nefedova A.V., Fedorenko S.G., et al. Approaches to contactless optical thermometer in the NIR spectral range based on Nd3+ doped crystalline nanoparticles // Journal of Luminescence. - 2017. - Vol. 183. - P. 478-485.

28. Jacques S.L. Origins of tissue optical properties in the UVA, visible and NIR regions // Advances in Optical Imaging and Photon Migration. - 1996. - Vol. 2. - P. 364-370.


Для цитирования:


Романишкин И.Д., Поминова Д.В., Грачев П.В., Макаров В.И., Ванецев А.С., Орловская Е.О., Баранчиков А.Е., Силдос И., Лощенов В.Б., Орловский Ю.В., Рябова А.В. НЕИНВАЗИВНАЯ ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА БИОТКАНЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПО СПЕКТРАМ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ИОНОВ Nd3+. Biomedical Photonics. 2018;7(2):25-36. https://doi.org/10.24931/2413-9432-2018-7-2-25-36

For citation:


Romanishkin I.D., Pominova D.V., Grachev P.V., Makarov V.I., Vanetsev A.S., Orlovskaya E.O., Baranchikov A.E., Sildos I., Loschenov V.B., Orlovskii Y.V., Ryabova A.V. NONINVASIVE ESTIMATION OF THE LOCAL TEMPERATURE OF BIOTISSUES HEATING UNDER THE ACTION OF LASER IRRADIATION FROM THE LUMINESCENCE SPECTRA OF Nd3+ IONS. Biomedical Photonics. 2018;7(2):25-36. (In Russ.) https://doi.org/10.24931/2413-9432-2018-7-2-25-36

Просмотров: 245


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2413-9432 (Print)