Speaker
Description
Timpul de viață al fluorescenței este o proprietate fotofizică esențială, care reflectă dinamica de dezexcitare a stării excitate a cromoforilor organici și prezintă o importanță majoră pentru aplicații precum imagistica prin fluorescență, detecția cu senzori, optoelectronica și screeningul materialelor.
În acest studiu a fost dezvoltat un cadru de învățare automată bazat pe arbori de decizie pentru predicția timpilor de viață ai fluorescenței, utilizând date pentru perechi cromofor–solvent provenite din baza de date Deep4Chem. Structurile moleculare au fost reprezentate numeric prin descriptori RDKit, amprente moleculare Morgan și MACCS, descriptori ai solventului, caracteristici de interacțiune construite și variabile fotofizice. Această abordare a permis integrarea efectelor structurale, electronice, geometrice și de mediu într-un spațiu unificat al descriptorilor.
Au fost comparate mai multe algoritmi de regresie, iar LightGBM a fost selectat drept model final datorită echilibrului dintre acuratețea predictivă, eficiența computațională, scalabilitate și interpretabilitate. Modelul optimizat a fost evaluat printr-o validare încrucișată în 10 fold-uri, stratificată pe clustere, obținând o valoare medie MAE de 0,8324 ± 0,0617 ns și un coeficient mediu R² de 0,7523 ± 0,0317.
Analiza erorilor a arătat că modelul oferă cele mai fiabile predicții în domeniul intermediar al timpilor de viață, unde densitatea datelor este cea mai ridicată. Abateri mai mari apar pentru cromoforii cu timpi de viață sub 1ns și pentru cei cu timpi de viață mari, din cauza amplificării erorii relative, a incertitudinii experimentale și a reprezentării limitate a acestor cazuri în setul de date.
Validarea externă prin comparație cu benchmark-uri TD-DFT și cu date experimentale independente a demonstrat că modelul reproduce tendințele globale ale timpului de viață al fluorescenței. Astfel, acesta poate fi utilizat ca instrument rapid de screening, fără a înlocui spectroscopia detaliată sau calculele de chimie cuantică.
Analiza SHAP a evidențiat faptul că timpul de viață al fluorescenței este determinat în principal de randamentul cuantic, geometria moleculară, descriptorii asociați emisiei, indicii topologici și motivele structurale la nivel de fragmente. Aceste rezultate indică faptul că modelul învață relații cu semnificație fizică între structura moleculară, mediul solventului, stabilizarea stării excitate și procesele de relaxare neradiativă.