Chitosan-modified nickel ferrite nanocomposite for ciprofloxacin adsorption: experimental and density functional theory study
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि *Foeniculum vulgare* बीज के अर्क के माध्यम से संश्लेषित एक चिटोसन-संशोधित निकिल फेराइट नैनोकम्पोजिट, प्रयोगात्मक गतिकी (kinetics), समताप (isotherms) और डीएफटी (DFT) गणनाओं द्वारा समर्थित तंत्रों के माध्यम से सिप्रोफ्लोक्सासिन को प्रभावी ढंग से अधिशोषित करता है, जबकि पुनरुद्धार और वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग के संबंध में आगे के सत्यापन की आवश्यकता पर प्रकाश डालता है।
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कल्पना कीजिए कि हमारी नदियों और झीलों के पानी में हमारे अदृश्य मेहमान थोड़े अधिक भीड़भाड़ वाले हो गए हैं: अस्पतालों और खेतों से बचा हुआ अवशेष दवा। इन मेहमानों के बीच, सिप्रोफ्लोक्सासिन (ciprofloxacin) नामक एक कठिन एंटीबायोटिक एक बार-बार आने वाला आगंतुक है। यह केवल एक परेशानी नहीं है; यह मछलियों और पानी के नन्हे जीवों को नुकसान पहुँचा सकता है, और इससे भी बुरा यह है कि यह बैक्टीरिया को दवाओं को अनदेखा करना सीखने में मदद करता है, जिससे वास्तविक संक्रमणों का इलाज करना कठिन हो जाता है। वैज्ञानिक इन दवाओं को पानी से सोखने के लिए "स्पंज" बनाने की कोशिश कर रहे हैं ताकि वे वापस प्रकृति में बहने से पहले उन्हें बाहर निकाला जा सके। स्पंज का एक लोकप्रिय प्रकार चिटोसन (chitosan) से बना है, जो झींगा के छिलकों से प्राप्त एक चिपचिपा, गाढ़ा पदार्थ है जो चीजों को पकड़ना पसंद करता है। लेकिन अपने आप में, यह गाढ़ा पदार्थ थोड़ा अव्यवस्थित है—यह एसिड में आसानी से घुल जाता है और अपना काम करने के बाद इसे पानी से बाहर निकालना मुश्किल होता है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ता अक्सर इस गाढ़े पदार्थ को धातु ऑक्साइड (metal oxides) नामक छोटे, कठोर पत्थरों के साथ मिलाते हैं। यदि ये पत्थर चुंबकीय हैं, जैसे कि एक छोटा चुंबक, तो आप एक बड़े चुंबक का उपयोग करके पूरे स्पंज को आसानी से पानी से बाहर निकाल सकते हैं। यह शोध एक विशिष्ट टीम वर्क की खोज करता है: निकल फेराइट (nickel ferrite) नामक एक चुंबकीय चट्टान, जिसे चिटोसन के उस झींगा-छिलके वाले गाढ़े पदार्थ से लेपित किया गया है, यह देखने के लिए कि क्या यह सिप्रोफ्लोक्सासिन के लिए एक सुपर-स्पंज के रूप में कार्य कर सकता है।
इस अध्ययन के वैज्ञानिकों ने पहले एक विशेष ट्रिक का उपयोग करके निकल फेराइट के सूक्ष्म चुंबकीय क्रिस्टल बनाकर एक नए प्रकार का स्पंज बनाने का निर्णय लिया: उन्होंने क्रिस्टल उगाने के लिए एक प्राकृतिक सहायक के रूप में सौंफ के अर्क (fennel seed extract) का उपयोग किया। एक बार जब उनके पास ये सूक्ष्म चुंबकीय चट्टानें आ गईं, तो उन्होंने उन्हें चिटोसन की एक परत में लपेटा, जिससे एक नैनोकम्पोजिट बना जिसे उन्होंने NiFe₂O₄@CS नाम दिया। इसे ऐसे समझें जैसे एक छोटे, चुंबकीय कंकड़ को चिपचिपी, अत्यधिक अवशोषक टेप की एक परत में लपेटा गया हो। वे यह देखना चाहते थे कि क्या यह नया हाइब्रिड पदार्थ पानी से सिप्रोफ्लोक्सासिन के अणुओं को पकड़ सकता है।
सबसे पहले, उन्हें यह साबित करना था कि उन्होंने वास्तव में वही बनाया जो उन्होंने सोचा था। उन्होंने सामग्री को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे उपकरणों का उपयोग किया। परिणामों ने दिखाया कि चुंबकीय निकल फेराइट क्रिस्टल वहां मौजूद थे, जिनका आकार लगभग 16 से 21 नैनोमीटर था (यह अविश्वसनीय रूप से छोटा है, जैसे सूक्ष्मदर्शी के नीचे दिखने वाला धूल का कण), और चिटोसन वास्तव में उनसे चिपका हुआ था। इस सामग्री का "पॉइंट ऑफ जीरो चार्ज" pH 6.97 पर था, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि लगभग 7 (तटस्थ पानी) के pH पर, स्पंज की सतह पूरी तरह से संतुलित है, न तो बहुत धनात्मक और न ही बहुत ऋणात्मक। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि सिप्रोफ्लोक्सासिन पानी के pH के आधार पर अपना विद्युत व्यक्तित्व बदल लेता है; pH 7 पर, यह एक "ज्विटरआयन" (zwitterion) है, जिसका अर्थ है कि इसमें सकारात्मक और नकारात्मक दोनों भाग होते हैं, जिससे यह कई तरीकों से स्पंज से चिपकने में सक्षम होता है।
जब उन्होंने लैब में इस स्पंज का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह काम तो करता है, लेकिन इसकी कुछ विशिष्ट सीमाएं हैं। एक त्वरित परीक्षण में, जहाँ उन्होंने देखा कि स्पंज कितनी तेजी से दवा को पकड़ता है, यह लंबे इंतजार के बाद लगभग 16.82 मिलीग्राम दवा प्रति ग्राम स्पंज की गति तक पहुँच गया। हालांकि, जब उन्होंने पानी में दवा की विभिन्न मात्राओं के साथ इसका परीक्षण किया, तो स्पंज पूरी तरह से भरने से पहले लगभग 47-48 मिलीग्राम प्रति ग्राम तक पकड़ सकता था। शोधकर्ताओं ने गणित का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि यदि वे अधिक दवा जोड़ते रहते हैं तो यह कितना हो सकता है, और गणित ने एक बहुत बड़ी संख्या (288 mg/g) का सुझाव दिया, लेकिन वे बहुत सावधान रहे कि यह केवल एक गणितीय अनुमान है, न कि कुछ जिसे उन्होंने वास्तव में मापा है। स्पंज ने शुरुआत में सबसे तेजी से दवा को पकड़ा और फिर धीमा हो गया, एक पैटर्न जो "स्यूडो-सेकंड-ऑर्डर" (pseudo-second-order) मॉडल के साथ सबसे अच्छा फिट बैठता है, जो यह सुझाव देता है कि पकड़ने की प्रक्रिया सतह पर बचे खाली स्थानों की संख्या पर निर्भर करती है।
यह समझने के लिए कि दवा कैसे चिपकी, वैज्ञानिकों ने कंप्यूटर सिमुलेशन (एक विधि जिसे डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी या DFT कहा जाता है) का उपयोग किया। उन्होंने स्पंज और दवा का एक डिजिटल मॉडल बनाया और देखा कि वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। कंप्यूटर ने उन्हें बताया कि दवा केवल टकराकर वापस नहीं गई; इसने एक ऐसा बंधन बनाया जो ऊर्जा के दृष्टिकोण से अनुकूल था, जिसमें अधिशोषण ऊर्जा (adsorption energy) -0.6069 eV थी। यह नकारात्मक संख्या का अर्थ है कि दवा और स्पong के बीच का आलिंगन आरामदायक और स्थिर है। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि दवा हाइड्रोजन बॉन्ड (जैसे छोटे वेल्क्रो हुक), विद्युत आकर्षण, और शायद कुछ समन्वय (coordination) के माध्यम से जुड़ी हुई है जहाँ दवा के परमाणु स्पंज के धातु परमाणुओं को छूते हैं। कंप्यूटर ने यह भी दिखाया कि जब दवा जुड़ी, तो स्पंज की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में थोड़ा बदलाव आया, जिससे यह थोड़ा "नरम" और अधिक प्रतिक्रियाशील हो गया।
हालाँकि, लेखक अपने परिणामों को लेकर बहुत सावधान हैं। वे स्पष्ट रूप से कहते हैं कि जबकि यह स्पंज लैब में पानी के एक साधारण कप में अच्छी तरह काम करता है, उन्होंने अभी तक यह साबित नहीं किया है कि यह वास्तविक, गंदे अपशिष्ट जल (wastewater) में काम करेगा। उन्होंने यह भी नहीं दिखाया है कि क्या वे स्पंज से दवा को धोकर इसे पुन: उपयोग कर सकते हैं, या क्या स्पंज स्थिर रहता है और पानी में जहरीली धातुएं वापस नहीं छोड़ता है। यह अध्ययन एक ठोस "प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट" है: यह दिखाता है कि यह सौंफ से बना, चिटोसन-लेपित चुंबकीय स्पंज नियंत्रित परिस्थितियों में प्रभावी रूप से सिप्रोफ्लोक्सासिन को पकड़ सकता है, और यह एक अच्छी समझ देता है कि वह आणविक हाथ मिलाना (molecular handshake) कैसा होता है जो इसे संभव बनाता है। लेकिन इससे पहले कि इस स्पंज का उपयोग हमारे नदियों को साफ करने के लिए किया जा सके, शोधकर्ता कहते हैं कि इसकी स्थायता, इसके पुनर्चक्रण की क्षमता और वास्तविक दुनिया की गंदगी में इसके प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए और काम करने की आवश्यकता है।
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