The Kinetics of the ZnO Catalysed Photodegradation of Aspirin under UV Irradiation
यह अध्ययन यूवी विकिरण के तहत संश्लेषित जिंक ऑक्साइड नैनोकणों का उपयोग करके एस्पिरिन के फोटोडिग्रेडेशन (प्रकाश-अपघटन) की गतिकी की जांच करता है, जो यह प्रकट करता है कि यह प्रतिक्रिया छद्म-प्रथम-क्रम (pseudo-first-order) गतिकी का अनुसरण करती है और इसमें 50 मिलीग्राम का इष्टतम उत्प्रेरक डोज़ तथा उत्प्रेरक के शून्य आवेश बिंदु (point of zero charge) और एस्पिरिन की आयनीकरण अवस्था के बीच परस्पर क्रिया से प्रेरित एक घंटी के आकार की (bell-shaped) पीएच निर्भरता देखी गई है।
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हमारे शहरों और नदियों से बहने वाले पानी में हमारे द्वारा ली जाने वाली दवाओं के अंश तेजी से बढ़ रहे हैं। जब हम दर्द या सूजन के लिए कोई गोली निगलते हैं, तो हमारा शरीर उसे संसाधित करता है, लेकिन उसका सारा हिस्सा टूट नहीं पाता। बाकी हिस्सा हमारे शरीर से बाहर निकलकर अपशिष्ट जल (वेस्टवॉटर) में प्रवेश कर जाता है, जहाँ यह पर्यावरण में बना रह सकता है, जिससे जलीय जीवन को नुकसान पहुँच सकता है और पारिस्थितिक तंत्र बाधित हो सकता है। इन जल निकायों में पाए जाने वाले सबसे सामान्य ड्रग्स में से एक एस्पिरिन है, जो लाखों लोगों द्वारा दर्द के उपचार और हृदय की सुरक्षा के लिए उपयोग की जाने वाली दवा है। हालांकि नियंत्रित मात्रा में यह मनुष्यों के लिए सुरक्षित है, लेकिन प्राकृतिक जल निकायों में इसकी उपस्थिति पर्यावरण वैज्ञानिकों के लिए एक बढ़ती चिंता का विषय है। चुनौती इन जिद्दी रासायनिक यौगिकों को पानी और कार्बन डाइऑक्साइड जैसे हानिरहित पदार्थों में तोड़ने का तरीका खोजने में निहित है, वह भी बिना नई विषाक्तता पैदा किए।
इस समस्या से निपटने के लिए, शोधकर्ता 'फोटोकैटलिसिस' (photocatalysis) नामक विज्ञान की एक शाखा की ओर मुड़ रहे हैं। कल्पना कीजिए कि एक ऐसी सामग्री है जो एक छोटे, सौर-ऊर्जा संचालित मशीन की तरह काम करती है। जब प्रकाश इस सामग्री से टकराता है, तो यह एक विद्युत आवेश उत्पन्न करता है जो जटिल अणुओं को छिन्न-भिन्न कर सकता है। जिंक ऑक्साइड, एक सफेद पाउडर जिसका उपयोग अक्सर सनस्क्रीन और पेंट में किया जाता है, ऐसी ही एक सामग्री है। जब इसे नैनोपार्टिकल्स (nanoparticles)—ऐसे कण जिन्हें अरबोंवें हिस्से में मापा जाता है—में पीस दिया जाता है, तो यह इस कार्य में अविश्वसनीय रूप से कुशल हो जाता है। लक्ष्य इन नैनोपार्टिकल्स का उपयोग करना है, जिन्हें पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश में रखा गया हो, ताकि वे एक उत्प्रेरक (catalyst) के रूप में कार्य कर सकें जो पानी में एस्पिरिन के विनाश की गति को बढ़ा सके, और एक स्थायी प्रदूषक को एक सौम्य पदार्थ में बदल सके।
हाल ही में हुए एक अध्ययन में, भारत के अलीगढ़ मुस्लिम विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने यह परीक्षण करने के लिए कि यह प्रक्रिया एस्पिरिन के लिए कितनी अच्छी तरह काम करती है, एक प्रयोग किया। उन्होंने अपने स्वयं के जिंक ऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स का बैच बनाना शुरू किया। एक विधि का उपयोग करते हुए जिसमें रासायनिक घोलों को मिलाना और गर्म करना शामिल था, उन्होंने एक महीन पाउडर तैयार किया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उन्होंने सही सामग्री बनाई है, उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) और प्रकाश-आधारित स्कैनरों के साथ इसका परीक्षण किया। इन उपकरणों ने पुष्टि की कि कण वास्तव में जिंक ऑक्साइड थे, जो एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना में व्यवस्थित थे, और जिनका औसत आकार 32 नैनोमीटर था। शोधकर्ताओं ने कणों की सतह की भी जांच की, जिससे पता चला कि वे पानी के सूक्ष्म अणुओं से ढके हुए थे और उनमें अपेक्षित रासायनिक बंधन थे, जिससे पुष्टि हुई कि वे प्रयोग के लिए तैयार थे।
इसके बाद टीम ने इन नैनोपार्टिकल्स को एस्पिरिन मिश्रित पानी के एक पात्र में रखा और उस घोल पर पराबैंगनी प्रकाश डाला। वे पिछले कार्यों से जानते थे कि केवल पराबैंगनी प्रकाश अकेले एस्पिरिन को नहीं तोड़ सकता, और न ही नैनोपार्टिकल्स अकेले, बिना प्रकाश के, कुछ खास करेंगे। यह दोनों का संयोजन था जो मायने रखता था। जैसे ही प्रकाश जिंक ऑक्साइड से टकराया, इसने एक प्रतिक्रिया को प्रेरित किया जिसने 'हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स' (hydroxyl radicals) नामक अत्यधिक सक्रिय कणों को उत्पन्न किया। ये रेडिकल्स छोटे, आक्रामक सफाईकर्मियों की तरह हैं जो एस्पिरिन के अणुओं पर हमला करते हैं, उनके रासायनिक बंधों को तोड़ते हैं और अंततः उन्हें सरल, हानिरहित घटकों में बदल देते हैं।
इस सफाई प्रक्रिया को चलाने के सर्वोत्तम तरीके को खोजने के लिए, शोधकर्ताओं ने कई चरों (variables) का परीक्षण किया। सबसे पहले, उन्होंने यह देखा कि जिंक ऑक्साइड पाउडर की कितनी मात्रा का उपयोग करना है। उन्होंने पाया कि शुरुआत में अधिक पाउडर डालने से प्रतिक्रिया तेज हो जाती है, क्योंकि प्रकाश के टकराने के लिए अधिक सतहें उपलब्ध होती हैं और सफाई करने वाले रेडिकल्स बनने के लिए अधिक स्थान होते हैं। हालांकि, इसकी एक सीमा थी। एक बार जब उन्होंने अपने 50 मिलीलीटर के नमूने में 50 मिलीग्राम से अधिक पाउडर मिला दिया, तो प्रतिक्रिया की गति वास्तव में धीमी हो गई। वैज्ञानिकों ने समझाया कि जब पाउडर बहुत अधिक होता है, तो पानी धुंधला हो जाता है। यह धुंधलापन मिश्रण में गहराई तक कणों तक पहुँचने वाले प्रकाश को रोकता है, और कण स्वयं आपस में गुच्छे बना लेते हैं, जिससे उनकी सक्रिय सतहें छिप जाती हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे बहुत घने कोहरे के माध्यम से देखने की कोशिश करना; प्रकाश अपना काम करने के लिए अंदर तक नहीं पहुँच पाता।
इसके बाद, उन्होंने यह परीक्षण किया कि पानी में एस्पिरिन की मात्रा इस प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने दवा की सांद्रता (concentration) को बहुत कम मात्रा से लेकर उच्च मात्रा तक बदला। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे एस्पिरिन की मात्रा बढ़ी, उसके विनाश की दर भी बढ़ गई। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि सफाई करने वाले रेडिकल्स, जो प्रकाश और पाउडर द्वारा एक स्थिर दर से उत्पन्न होते हैं, के पास हमला करने के लिए अधिक लक्ष्य थे। एस्पिरिन के अणुओं की संख्या अधिक होने के कारण, रेडिकल्स अपनी ऊर्जा को एक-दूसरे से टकराकर बर्बाद करने के बजाय, दवा के अणु को खोजने और उसे तोड़ने में अधिक सक्षम थे।
अंत में, टीम ने पानी की अम्लता (acidity) की जांच की, जो यह एक महत्वपूर्ण कारक है कि ये रासायनिक प्रतिक्रियाएं कैसे व्यवहार करती हैं। उन्होंने मिश्रण में एक विशिष्ट अम्ल मिलाया यह देखने के लिए कि pH स्तर परिणाम को कैसे प्रभावित करता है। परिणामों ने एक स्पष्ट शिखर (peak) दिखाया। प्रतिक्रिया तब सबसे अच्छा काम करती थी जब अम्ल की सांद्रता एक विशिष्ट मध्यम स्तर पर थी। यदि पानी बहुत अधिक अम्लीय था, तो दक्षता गिर गई। शोधकर्ताओं का मानना है कि ऐसा इसलिए है क्योंकि बहुत अधिक एसिड आयन सफाई करने वाले रेडिकल्स के साथ हस्तक्षेप करते हैं, जिससे वे कम प्रभावी रूपों में बदल जाते हैं, या इसलिए कि अम्ल स्वयं जिंक ऑक्साइड के कणों को घोलना शुरू कर देता है, जिससे उत्प्रेरक (catalyst) को नुकसान पहुँचता है।
पूरे प्रयोग के दौरान, शोधकर्ताओं ने अलग-अलग समय पर शेष बचे ड्रग की मात्रा को मापकर एस्पिरिन के टूटने का पता लगाया। उन्होंने प्रक्रिया के मध्यवर्ती चरणों (intermediate steps) की पहचान करने के लिए 'मास स्पेक्ट्रोमेट्री' (mass spectrometry) नामक एक परिष्कृत तकनीक का भी उपयोग किया। उन्होंने पाया कि एस्पिरिन पहले सैलिसिलिक एसिड और एसिटिक एसिड में टूट जाता है, जो सरल यौगिक हैं। इसके बाद वे हाइड्रोक्विनोन और म्यूकोनिक एसिड जैसे और भी छोटे अणुओं में टूटते हैं, और अंततः कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में परिवर्तित हो जाते हैं। इसने पुष्टि की कि यह प्रक्रिया केवल दवा को छिपा नहीं रही थी, बल्कि वास्तव में उसे नष्ट कर रही थी।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि जिंक ऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स पानी से एस्पिरिन को साफ करने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी उपकरण हैं, बशर्ते कि स्थितियों का सावधानीपूर्वक प्रबंधन किया जाए। यह प्रक्रिया सबसे अच्छा काम करती है जब उत्प्रेरक की एक विशिष्ट मात्रा, अम्लता का एक मध्यम स्तर और पराबैंगनी प्रकाश की निरंतर आपूर्ति हो। हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस प्रक्रिया में समय लगता है—कई दिनों के बाद 90 प्रतिशत से अधिक की सफाई तक पहुँचना—यह फार्मास्युटिकल प्रदूषण से निपटने के लिए एक आशाजनक, हरित विधि प्रदान करता है। यह समझकर कि उत्प्रेरक का कितना उपयोग करना है और पानी के रसायन को कैसे ट्यून करना है, यह दृष्टिकोण एक दिन हमारे जलमार्गों को उन दवाओं के अवशेषों से मुक्त रखने में मदद कर सकता है जिन पर हम भरोसा करते हैं।
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