Stokes shift prediction of fluorescent organic dyes using machine learning based hybrid cascade models

均方误差 梯度升压 Boosting(机器学习) 计算机科学 人工智能 级联 斯托克斯位移 荧光 回归 生物系统 决策树 线性回归 随机森林 机器学习 材料科学 数学 化学 统计 物理 光学 色谱法 生物
作者
Kapil Dev Mahato,Shraban Das,Chandrashekhar Azad,Uday Kumar
出处
期刊:Dyes and Pigments [Elsevier BV]
卷期号:222: 111918-111918 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.dyepig.2023.111918
摘要

Fluorescent organic dyes are widely used in various fields, including science and technology, research and development, medicine, and drug delivery. Multitudinous attempts have been made by experimentalists to develop such fluorescent organic dyes with the desired Stokes shift property at negligible cost and time. For quickly and accurately predicting the Stokes shift property of fluorescent organic dye, we proposed eight hybrid models based on the combination of nine single machine-learning models. To fulfill the objective, we considered a dataset of 3066 fluorescent organic materials and evaluated the performance of each model using three evaluation parameters: mean absolute error (MAE), root mean squared error (RMSE), and the coefficient of determination (R2). The hybrid cascade model of Extreme Gradient Boosting Regression and Light Gradient Boosting Machine Regression (XGBR + LGBMR) performed best for Stokes shift prediction, with MAE of 13.83 nm, RMSE of 19.95 nm, and R2 of 86.18 %. The prediction performance of all the undertaken models was validated by the experimental data of four xanthene dyes (Rh-19, Rh–B, Rh-6G, and Rh-110). In this regard, the XGBR + DTR (Extreme Gradient Boosting Regression + Decision Tree Regression) model was the best performer, with errors ranging from 5 to 13 nm for four dyes. The resultant errors are much smaller than the recently reported synthesized material with an error of 30 nm. The proposed models allow for rapid and cost-effective screening of a wide range of fluorescent organic dyes, which assists the researchers in gaining prior knowledge of materials and accelerates the discovery of new materials.
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