Highly Sensitive Graphene-MoS₂ Hybrid Surface Plasmon Resonance Biosensor for Malaria Detection via Refractive Index Analysis of Red Blood Cells

कल्पना कीजिए कि आप एक शोर भरे कमरे में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। आमतौर पर, पृष्ठभूमि का शोर उस सूक्ष्म ध्वनि को दबा देता है, जिससे यह बताना असंभव हो जाता है कि कोई बोल रहा है या बस हवा चल रही है। विज्ञान की दुनिया में, यह "शोर" अक्सर इस बात की कठिनाई होती है कि किसी सतह से प्रकाश के टकराकर वापस लौटने (बाउंस होने) में होने वाले अत्यंत सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाना कितना कठिन है। वैज्ञानिक इस समस्या को हल करने के लिए एक चतुर तकनीक का उपयोग करते हैं जिसे सरफेस प्लाज्मन रेजोनेंस (SPR) कहा जाता है। SPR को एक धातु से बने बहुत ही सटीक रूप से ट्यून किए गए रेडियो एंटीना की तरह समझें। जब प्रकाश बिल्कुल सही कोण पर इस एंटीना से टकराता है, तो यह धातु की सतह पर इलेक्ट्रॉनों को एक समन्वित लहर में नृत्य करने के लिए प्रेरित करता है। यदि आप एंटीना के पास कुछ भी थोड़ा सा अलग रखते हैं—जैसे पानी की एक बूंद या एक छोटा वायरस—तो वह नृत्य अपनी लय बदल देता है। इस लय में होने वाले बदलाव को देखकर, वैज्ञानिक बिना उसे छुए उस "चीज" की उपस्थिति का पता लगा सकते हैं। चिकित्सा के क्षेत्र में यह एक बड़ी बात है क्योंकि यह डॉक्टरों को मलेरिया जैसी बीमारियों का जल्दी पता लगाने में मदद कर सकता है, केवल यह देखकर कि रक्त कोशिकाएं प्रकाश के साथ कैसे व्यवहार करती हैं, बिना उन्हें रसायनों से रंगे या लंबे लैब परीक्षणों का इंतजार किए।

अब, एक टीम की कल्पना करें जो शिराज यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की है, जिन्होंने इस "रेडियो एंटीना" को और भी अधिक संवेदनशील बनाने के लिए इसे अपग्रेड करने का निर्णय लिया। वे जानते थे कि जबकि मानक धातु के एंटीना अच्छे होते हैं, वे बेहतर हो सकते हैं यदि उन्हें विशेष, अत्यंत पतली सामग्रियों में लपेटा जाए। उन्होंने सिल्वर (चांदी), ग्राफीन की एक एकल परत (जो कार्बन परमाणुओं की एक ऐसी शीट है जो कागज के टुकड़े जितनी पतली है), और ट्रांजिशन मेटल डाइकैल्कोजेनाइड्स (TMDCs) नामक सामग्रियों के एक परिवार के 'सैंडविच' के साथ प्रयोग किया। ये TMDCs एक विशेष मसाले के विभिन्न स्वादों की तरह हैं जो प्रकाश के साथ सामग्री की अंतःक्रिया को बदल सकते हैं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि कौन सा "स्वाद" और सिल्वर की कौन सी मोटाई मलेरिया से संक्रमित लाल रक्त कोशिकाओं के लिए सबसे सटीक और संवेदनशील डिटेक्टर बनाएगी।

इस अध्ययन में, लेखकों ने प्रयोगशाला में कोई भौतिक उपकरण नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने अपने सेंसर को डिजाइन और परीक्षण करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने एक ग्लास प्रिज्म, एक सिल्वर फिल्म और ग्राफीन की एक परत के साथ मिश्रित चार अलग-अलग TMDC सामग्रियों (MoS₂, MoSe₂, WS₂, या WSe₂) के साथ एक संरचना का मॉडल तैयार किया। उन्होंने इस सेटअप पर एक नियर-इन्फ्रारेड लाइट बीम (लगभग 1000 से 1100 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य) डाली और गणना की कि कितना प्रकाश वापस उछला। उनका लक्ष्य वह आदर्श संयोजन खोजना था जो स्वस्थ लाल रक्त कोशिका और मलेरिया से संक्रमित कोशिका के बीच के अंतर का पता चलते ही सबसे बड़ा "डांस शिफ्ट" (लय परिवर्तन) पैदा कर सके।

सिमुलेशन से पता चला कि सिल्वर की परत की मोटाई और सामग्री का चुनाव अत्यंत महत्वपूर्ण था। यह केवल "सर्वश्रेष्ठ" सामग्री चुनने के बारे में नहीं था; बल्कि यह उपयोग की जाने वाली प्रकाश की विशिष्ट रंग (वेवलेंथ) के लिए सही मिलान खोजने के बारे में था। उदाहरण के लिए, 1000 nm की तरंग दैर्ध्य पर, WS₂ का उपयोग करने वाली संरचना जिसमें 40-नैनोमीटर की सिल्वर परत थी, ने प्रकाश का सबसे मजबूत अवशोषण दिखाया। हालांकि, जब उन्होंने इसे 1100 nm पर बदला, तो MoSe₂ सामग्री चमकने लगी और सबसे अच्छा प्रदर्शन करने लगी। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि ग्राफीन की अधिक परतें जोड़ने से हमेशा मदद नहीं मिली; वास्तव में, बहुत अधिक परतों ने कभी-कभी सेंसर को कम संवेदनशील बना दिया क्योंकि उन्होंने प्रकाश को उस सतह से बहुत दूर फंसा दिया जहाँ रक्त कोशिकाएं मौजूद थीं।

कई संयोजनों के परीक्षण के बाद, टीम ने एक "चैंपियन" कॉन्फ़िगरेशन की पहचान की। उन्होंने पाया कि 70-नैनोमीटर सिल्वर फिल्म, ग्राफीन की एक एकल परत और MoS₂ (या MoSe₂) की एक परत वाला सेंसर, जो 1100 nm की तरंग दैर्ध्य पर काम करता है, सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करता है। यह सेटअप अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील था। जब उन्होंने रिफ्रैक्टिव इंडेक्स (प्रकाश के मुड़ने की माप) में एक बहुत छोटे बदलाव का पता लगाने के लिए सिमुलेशन किया, जो एक लाल रक्त कोशिका के संक्रमित होने पर होता है, तो सेंसर का "रेजोनेंस एंगल" काफी मात्रा में बदल गया। विशेष रूप से, रक्त कोशिका के गुणों में बहुत छोटे बदलाव (0.005 RIU) के लिए, सेंसर ने 198.08 डिग्री प्रति यूनिट रिफ्रैक्टिव इंडेक्स की संवेदनशीलता दिखाई। यदि परिवर्तन थोड़ा बड़ा (0.007 RIU) था, तो संवेदनशीलता बढ़कर 201.52 डिग्री प्रति यूनिट हो गई।

पत्र में यह भी सिम्युलेट किया गया कि यह सेंसर मलेरिया संक्रमण के विभिन्न चरणों के बीच अंतर कैसे करेगा। स्वस्थ लाल रक्त कोशिकाओं का एक विशिष्ट रिफ्रैक्टिव इंडेक्स होता है, लेकिन जैसे-जैसे मलेरिया परजीवी कोशिका के भीतर बढ़ता है, कोशिका के गुण बदल जाते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि सेंसर स्वस्थ कोशिका और "रिंग", "ट्रोफोज़ोइट" और "शिज़ोंट" चरणों के संक्रमण के बीच स्पष्ट अंतर कर सकता है, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट संकेत उत्पन्न करता है। उदाहरण के लिए, शिज़ोंट चरण का संकेत एक स्वस्थ कोशिका से काफी अलग था, जिससे पता चलता है कि सेंसर न केवल बीमारी की उपस्थिति, बल्कि यह भी पहचान सकता है कि वह कितनी उन्नत है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि उनके परिणाम वर्तमान में कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं और भौतिक प्रयोगों पर नहीं, फिर भी यह डिज़ाइन एक बहुत ही आशाजनक मार्ग सुझाता है। उनका तर्क है कि इन हाइब्रिड 2D सामग्रियों का उपयोग करके, एक ऐसा बायोसेन्सर बनाना संभव है जो वर्तमान डिजाइनों की तुलना में बहुत अधिक सटीक और तीव्र हो। यह अंततः एक ऐसा उपकरण बन सकता है जो रक्त की एक बूंद से परावर्तित प्रकाश का विश्लेषण करके, बिना किसी लेबल के, मलेरिया का तेजी से पता लगा सके। यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि सफलता की कुंजी धातु और 2D सामग्रियों की परतों को प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के साथ सावधानीपूर्वक ट्यून करने में निहित है, जो यह सिद्ध करता है कि नैनोस्केल सेंसिंग की दुनिया में, बारीकियों का बहुत महत्व है।