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

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 ⁴F_5/2 лазерным излучением 805 нм. Приведена процедура калибровки для пересчета отношения интенсивностей люминесценции со штарковских подуровней состояния ⁴F_3/2 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 ⁴F_3/2, 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.

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.