Comparative Performance Analysis of 2D Materials Based Surface Plasmon Resonance Sensor for HST6 Gastric Cancer Cell Detection

चिकित्सा निदान की शांत दुनिया में, बीमारियों को और भी जल्दी, तेजी से और बिना किसी आक्रामक प्रक्रिया या गंदगी भरे रासायनिक रंगों की आवश्यकता के खोजने की एक निरंतर दौड़ लगी रहती है। इस दौड़ में एक शक्तिशाली उपकरण 'सरफेस प्लास्मोन रेजोनेंस' (surface plasmon resonance) नामक तकनीक है। कल्पना कीजिए कि प्रकाश की एक किरण धातु की एक पतली चादर से टकराती है; सही परिस्थितियों में, प्रकाश की ऊर्जा धातु की सतह पर मौजूद इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित हो जाती है, जिससे एक तरंग उत्पन्न होती है जो इंटरफ़ेस के साथ चलती है। यह तरंग अपने परिवेश के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होती है। यदि कोई सूक्ष्म अणु भी उस सतह पर उतरता है, तो वह तरंग के व्यवहार को बदल देता है, जिससे उस कोण में बदलाव आता है जिस पर प्रकाश परावर्तित होता है। वैज्ञानिकों ने प्रदूषकों से लेकर वायरस तक सब कुछ पहचानने के लिए लंबे समय से इस प्रभाव का उपयोग किया है, लेकिन उन्हें हमेशा एक समझौते का सामना करना पड़ा है: सेंसर को एक एकल कोशिका को पकड़ने के लिए पर्याप्त संवेदनशील बनाने का अर्थ अक्सर सिग्नल को इतना व्यापक बना देना था कि यह सटीक रूप से पहचानना कठिन हो जाता था कि वास्तव में क्या पाया गया है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियों के साथ प्रयोग करना शुरू कर दिया है—ऐसी सामग्रियां जो केवल कुछ परमाणुओं जितनी मोटी होती हैं, जैसे कागज की शीट। इन सामग्रियों में ग्राफीन और विभिन्न अन्य यौगिक शामिल हैं, जो प्रकाश के साथ अनूठे तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं और सेंसर के फोकस को तेज कर सकते हैं। भारत के भौतिकविदों और जीवविज्ञानियों की एक टीम ने हाल ही में यह निर्धारित करने के लिए प्रयास किया कि कौन सी अति-पतली सामग्री एक विशिष्ट, उच्च-जोखिम वाले कार्य के लिए सबसे अच्छी काम करेगी: HST6 गैस्ट्रिक कैंसर कोशिकाओं का पता लगाना। एक वर्चुअल सेंसर मॉडल बनाकर और पांच अलग-अलग उम्मीदवारों का परीक्षण करके, उन्होंने पाया कि एक विशेष सामग्री ने इस प्रकार की कैंसर कोशिकाओं की उल्लेखनीय सटीकता के साथ पहचान करने के लिए सबसे आशाजनक मार्ग प्रदान किया।

शोधकर्ताओं ने 'क्रेचमैन कॉन्फ़िगरेशन' (Kretschmann configuration) के रूप में जानी जाने वाली एक मानक डिजाइन पर आधारित एक सेंसर का विस्तृत डिजिटल मॉडल तैयार किया। इस सेटअप में, प्रकाश एक कांच के प्रिज्म से होकर गुजरता है और चांदी (सिल्वर) की एक पतली परत से टकराता है, जिसे फिर सिग्नल को बढ़ाने के लिए अन्य परतों की एक श्रृंखला से कोट किया जाता है। टीम का नवाचार अंतिम परत में था, जहाँ उन्होंने पांच अलग-अलग द्वि-आयामी सामग्रियों में से एक को रखा: ग्राफीन, मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड, टंगस्टन डाइसल्फाइड, हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड, या ब्लैक फॉस्फोरस। उन्होंने इस प्रारंभिक अध्ययन के लिए प्रयोगशाला में कोई भौतिक उपकरण नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने यह गणना करने के लिए परिष्कृत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया कि प्रत्येक सामग्री कैसे प्रतिक्रिया करेगी जब सेंसर के आसपास के तरल का अपवर्तनांक (refractive index) थोड़ा बदल जाता है, जो जैविक कोशिकाओं की उपस्थिति की नकल करता है।

टीम ने व्यवस्थित रूप से परीक्षण किया कि सर्वोत्तम परिणाम प्राप्त करने के लिए प्रत्येक सामग्री की कितनी परतों की आवश्यकता थी। उन्होंने पाया कि केवल अधिक परतें जोड़ने से हमेशा मदद नहीं मिलती है। उदाहरण के लिए, जबकि ग्राफीen की परतें जोड़ने से सेंसर परिवर्तन के प्रति अधिक संवेदनशील तो हुआ, लेकिन इसने सिग्नल कर्व को इतना चौड़ा और धुंधला बना दिया कि सेंसर सटीक रूपなく पता लगाने के क्षण को पहचानने में कम सटीक हो गया। अन्य सामग्रियों के साथ भी यही समस्या आई यदि बहुत अधिक परतों का उपयोग किया गया। शोधकर्ताओं को एक नाजुक संतुलन बनाना पड़ा, जिसमें उन्होंने चांदी की मोटाई, आसंजक (adhesive) परतों और द्वि-आयामी कोटिंग को तब तक समायोजित किया जब तक कि वे प्रत्येक उम्मीदवार के लिए "स्वीट स्पॉट" (सही बिंदु) तक नहीं पहुँच गए।

सभी पांच सामग्रियों के प्रदर्शन की तुलना करने के बाद, ब्लैक फॉस्फोरस इस विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए स्पष्ट विजेता के रूप में उभरा। जब सेंसर को आठ परतों वाले ब्लैक फॉस्फोरस से कोट किया गया, तो इसने 380.48 डिग्री प्रति रिफ्रैक्टिव इंडेक्स यूनिट की संवेदनशीलता प्राप्त की, जो अन्य सामग्रियों के अनुकूलित प्रदर्शन से कहीं अधिक थी। जबकि हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड नामक सामग्री ने सबसे तीक्ष्ण सिग्नल और उच्चतम समग्र गुणवत्ता स्कोर प्रदान किया, ब्लैक फॉस्फोरस ने उच्च संवेदनशीलता और मजबूत पहचान क्षमता का सबसे अच्छा संयोजन प्रदान किया। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह बताता है कि ब्लैक फॉस्फोरस के अद्वितीय ऑप्टिकल गुण इसे प्रकाश और पदार्थ के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करने की अनुमति देते हैं जो सूक्ष्म परिवर्तनों को नोटिस करने की सेंसर की क्षमता को बढ़ाता है।

इसके बाद शोधकर्ताओं ने इस सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाले डिजाइन को विशेष रूप से स्वस्थ पेट की कोशिकाओं और HST6 गैस्ट्रिक कैंसर कोशिकाओं के बीच अंतर करने के लिए तैयार किया। उन्होंने अपने वर्चुअल सेंसर में प्रत्येक परत की मोटाई को, सिल्वर बेस से लेकर ब्लैक फॉस्फोरस कोटिंग तक, इन कैंसर कोशिकाओं के विशिष्ट अपवर्तनांक के प्रति अपनी प्रतिक्रिया को अधिकतम करने के लिए समायोजित किया। परिणाम एक ऐसा सेंसर था जो 419.27 डिग्री प्रति रिफ्रैक्टिव इंडेक्स यूनिट की संवेदनशीलता के साथ स्वस्थ और कैंसर कोशिकाओं के बीच अंतर का पता लगा सकता था। सिग्नल विश्वसनीय होने के लिए पर्याप्त तीक्ष्ण बना रहा, जिसकी पहचान सटीकता ने पुष्टि की कि सेंसर दोनों प्रकार की कोशिकाओं को स्पष्ट रूप से अलग कर सकता है।

यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने कैंसर को ठीक कर दिया है या ऐसा उपकरण बना दिया है जो कल अस्पताल में उपयोग के लिए तैयार है। इसके बजाय, यह इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए एक महत्वपूर्ण रोडमैप प्रदान करता है। इन सामग्रियों के व्यवहार का अनुकरण करके, टीम ने दिखाया है कि ब्लैक फॉस्फोरस से बना सेंसर सैद्धांतिक रूप से उच्च सटीकता के साथ गैस्ट्रिक कैंसर कोशिकाओं का पता लगाने में सक्षम है। यह कार्य इस विचार को खारिज करता है कि किसी भी सामग्री की अधिक परतों को जोड़ने से सेंसर में सुधार होगा; वास्तव में, यह दिखाता है कि बहुत अधिक परतें प्रदर्शन को खराब कर सकती हैं। यह भी स्थापित करता है कि हालांकि विभिन्न सामग्रियों की अलग-अलग ताकत होती है, ब्लैक फॉस्फोरस इस प्रकार के कैंसर का पता लगाने के लिए सबसे उपयुक्त उम्मीदवार है। ये निष्कर्ष भविष्य के कार्यों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करते हैं, जो सुझाव देते हैं कि यदि इन विशिष्टताओं के अनुसार एक भौतिक सेंसर बनाया जाता है, तो यह प्रारंभिक कैंसर निदान के लिए एक शक्तिशाली, लेबल-मुक्त उपकरण बन सकता है।