Bimodal optical nanosensor based on upconversion fluorescence resonance energy transfer and gold nanoparticle interactions for high sensitivity and colorimetric evaluation of ractopamine in pork

खाद्य सुरक्षा की दुनिया में, रासायनिक अवशेषों का अदृश्य खतरा उपभोक्ताओं और नियामकों दोनों के लिए एक निरंतर चिंता का विषय है। इन रसायनों में, रैक्टोपैमाइन (ractopamine) नामक एक सिंथेटिक पदार्थ ने विशेष ध्यान आकर्षित किया है। मूल रूप से मनुष्यों में अस्थमा के इलाज के लिए विकसित किया गया, इसका उपयोग कुछ पशुपालकों द्वारा जानवरों को तेजी से लीन मांस (lean meat) उगाने के लिए अवैध रूप से किया गया है। हालांकि यह अभ्यास उत्पादन को बढ़ाता है, लेकिन यह रसायन हमारे द्वारा खाए जाने वाले मांस में लंबे समय तक बना रह सकता है, जिससे उन लोगों में दिल की धड़कन बढ़ना, कंपन और अन्य गंभीर स्वास्थ्य समस्याएं हो सकती हैं जो इसका सेवन करते हैं। इन अवशेषों का पता लगाना कठिन है क्योंकि यह रसायन स्थिर है और पकाने के दौरान भी जीवित रहता है, और पारंपरिक परीक्षण विधियों के लिए अक्सर महंगी मशीनों और जटिल प्रयोगशाला प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है जो बाजार या फार्म पर त्वरित जांच के लिए बहुत धीमी होती हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने नैनोटेक्नोलॉजी की ओर रुख किया है, विशेष रूपकर उन सूक्ष्म कणों का उपयोग किया है जो किसी विशिष्ट लक्ष्य के संपर्क में आने पर चमक सकते हैं या रंग बदल सकते हैं। इस तरह की एक तकनीक में अपकन्वर्जन नैनोकणों (upconversion nanoparticles) का उपयोग शामिल है, जो विशेष क्रिस्टल हैं जो अदृश्य प्रकाश को अवशोषित करते हैं और दृश्य रंगों के साथ चमकते हैं, और गोल्ड नैनोकण (gold nanoparticles) हैं, जो धातु के छोटे गोले हैं जो आपस में गुच्छे बनाने पर रंग बदलते हैं। इन दोनों प्रकार के कणों को मिलाकर, शोधकर्ता एक ऐसा सेंसर बना सकते हैं जो एक अत्यधिक संवेदनशील रासायनिक आंख की तरह कार्य करता है, जो दृश्य संकेत और सटीक माप दोनों के साथ खतरनाक अवशेषों का पता लगाने में सक्षम है।

चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने रैक्टोपैमाइन का पता लगाने के लिए इन सिद्धांतों का उपयोग करके एक नया ड्यूल-मोड सेंसर विकसित किया है जो उल्लेखनीय गति और सटीकता के साथ सुअर के मांस (pork) में काम करता है। यह प्रक्रिया सेंसर के दो मुख्य घटकों के निर्माण के साथ शुरू होती है। सबसे पहले, वैज्ञानिकों ने एक विधि का उपयोग करके अपकन्वर्जन नैनोकणों का संश्लेषण किया जिसमें एक सीलबंद कंटेनर में दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं (rare-earth metals) के मिश्रण को गर्म करना शामिल है। इन कणों को एक पॉलीमर के साथ कोट किया गया था ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि वे पानी में स्वतंत्र रूप से तैर सकें और एक सकारात्मक विद्युत आवेश ले सकें। इसके बाद, उन्होंने एक हरित, पर्यावरण के अनुकूल दृष्टिकोण का उपयोग करके गोल्ड नैनोकणों का निर्माण किया। कठोर रसायनों के बजाय, उन्होंने ऑयल चेस्टनट (oil chestnuts) के छिलकों से प्राकृतिक यौगिकों को निकाला ताकि सोने के घोल को छोटे, लाल रंग के गोलों में बदला जा सके। इन सोने के गोलों को फिर एल-सिस्टीन (L-cysteine) नामक एक विशिष्ट अमीनो एसिड के साथ संशोधित किया गया था, जो एक आणविक हुक की तरह कार्य करता है, जो रैक्टोपैमाइन अणुओं को पकड़ने के लिए तैयार रहता है।

यह सेंसर इन दोनों प्रकार के कणों को एक साथ लाकर काम करता है। चूंकि अपकन्वर्जन कण धनात्मक रूप से आवेशित होते हैं और गोल्ड कण ऋणात्मक रूप से आवेशित होते हैं, वे स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे से चिपक जाते हैं, जिससे एक करीबी साझेदारी बनती है। जब यह साझेदारी बनती है, तो गोल्ड कण स्पंज की तरह कार्य करते हैं, जो अपकन्वर्जन कणों से प्रकाश ऊर्जा को सोख लेते हैं और उन्हें चमकने से रोक देते हैं। यह अवस्था सेंसर का "ऑफ" स्विच है। हालांकि, जब रैक्टोपैमाइन मौजूद होता है, तो यह गोल्ड कणों की ओर दौड़ता है और एल-सिस्टीन हुक्स के साथ मजबूती से बंध जाता है। यह बंधन इतना मजबूत है कि यह गोल्ड कणों को उनके अपकन्वर्जन साथियों से दूर खींच लेता है और गोल्ड कणों को एक-दूसरे के साथ गुच्छे बनाने के लिए प्रेरित करता है। यह अलगाव साझेदारी को तोड़ देता है, जिससे अपकन्वर्जन कण फिर से चमकने लगते हैं, जबकि गोल्ड कणों का गुच्छा बनना तरल के रंग को लाल से नीले में बदल देता है।

शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का परीक्षण किया और पाया कि यह अविश्वसनीय रूप से प्रभावी है। एक रंग-आधारित मोड में, जहाँ एक व्यक्ति केवल तरल को देख सकता है, सेंसर 0.5 माइक्रोमोल प्रति लीटर जितनी कम रैक्टोपैमाइन सांद्रता का पता लगा सकता है, जिसमें रासायनिक मात्रा बढ़ने के साथ रंग स्पष्ट रूप से लाल से नीले में बदल जाता है। और भी अधिक संवेदनशीलता के लिए, टीम ने फ्लोरेसेंस मोड का उपयोग किया जो अपकन्वर्जन कणों की चमक को मापता है। इस पद्धति ने बहुत अधिक सटीक प्रदर्शन किया, जो 0.05 माइक्रोमोल प्रति लीटर जैसे निम्न स्तर पर भी रैक्टोपैमाइन का पता लगाने में सक्षम है। यह सेंसर अत्यधिक चयनात्मक भी है, जिसका अर्थ है कि यह भोजन में पाए जाने वाले अन्य सामान्य पदार्थों, जैसे कि विभिन्न अमीनो एसिड, शर्करा और यहाँ तक कि अन्य समान दवाओं को भी अनदेखा करता है, और केवल रैक्टोपैमाइन पर ध्यान केंद्रित करता है। इसकी वास्तविक दुनिया की उपयोगिता को सिद्ध करने के लिए, टीम ने वास्तविक सुअर के मांस के नमूनों पर परीक्षण किया जिनमें ज्ञात मात्रा में रसायन मिलाया गया था। सेंसर ने रैक्टोपैमाइन की सफलतापूर्वक पहचान की और उच्च सटीकता के साथ मात्रा की गणना की, जो विशेषज्ञों द्वारा उपयोग किए जाने वाले मानक प्रयोगशाला परीक्षणों के परिणामों से मेल खाती है।

इस सफलता के पीछे का विज्ञान इस बात पर निर्भर करता है कि रैक्टोपैमाइन अणु सेंसर के साथ किस विशिष्ट तरीके से परस्पर क्रिया करता है। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन और रासायनिक विश्लेषण के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि रैक्टोपैमाइन अणु एक पुल (bridge) के रूप में कार्य करता है। इसके दो अलग-अलग सिरे हैं जो एक ही समय में दो अलग-अलग गोल्ड कणों को पकड़ सकते हैं, प्रभावी रूप से उन्हें क्रॉस-लिंक करते हैं और गुच्छे बनाने के लिए प्रेरित करते हैं जो रंग परिवर्तन को ट्रिगर करता है। यह ब्रिजिंग क्रिया रैक्टोपैमाइन के विशिष्ट आकार और रासायनिक संरचना के कारण अद्वितीय है, जो यह स्पष्ट करता है कि सेंसर अन्य समान दवाओं के प्रति प्रतिक्रिया क्यों नहीं करता है। अध्ययन ने सिग्नल परिवर्तनों के अन्य संभावित कारणों, जैसे कि सरल रासायनिक हस्तक्षेप या यादृच्छिक गुच्छा बनने, को भी खारिज कर दिया, जिससे पुष्टि हुई कि पहचान इस विशिष्ट आणविक हैंडशेक (molecular handshake) द्वारा संचालित है। एक सरल दृश्य जांच को अत्यधिक संवेदनशील प्रकाश-आधारित माप के साथ जोड़कर, यह नया सेंसर हानिकारक अवशेषों से मुक्त होने के लिए हमारे भोजन की सुरक्षा सुनिश्चित करने हेतु एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करता है, जो खाद्य सुरक्षा की निगरानी के लिए एक तेज़, विश्वसनीय और सुलभ तरीका प्रदान करता है।