Fabrication and Comparative Evaluation of PVA-Ninhydrin and PVA-Nano ZnO-Ninhydrin Composite films as Colourimetric Sensors for Soil Fertility Assessment

हमारे पैरों के नीचे की भूमि का स्वास्थ्य मिट्टी और उसके भीतर उगने वाले पौधों के बीच एक मौन संवाद है। एक किसान या माली के लिए, यह जानना कि क्या वह मिट्टी फसल का समर्थन करने के लिए पर्याप्त समृद्ध है, अस्तित्व और स्थिरता का मामला है। इस उर्वरता के केंद्र में नाइट्रोजन निहित है, जो एक महत्वपूर्ण पोषक तत्व है जिसे पौधे अपने आप नहीं बना सकते। यह प्रोटीन का निर्माण खंड और विकास का इंजन है, जो पशु खाद या सड़ते हुए पौधों के कचरे जैसे जैविक पदार्थों में प्रचुर मात्रा में पाया जाता है। पारंपरिक रूप से, इस पोषक तत्व को मापना प्रयोगशालाओं के लिए आरक्षित एक कार्य रहा है, जिसमें नमूनों को संसाधित करने के लिए जटिल मशीनरी और कुशल तकनीशियनों की आवश्यकता होती है। यह उन लोगों के लिए एक बाधा उत्पन्न करता है जिन्हें इसकी सबसे अधिक आवश्यकता है: वे लोग जो सीधे धरती के साथ काम कर रहे हैं। चुनौती, फिर, अदृश्य को देखने का एक तरीका खोजने की है, नाइट्रोजन की रासायनिक उपस्थिति को कुछ ऐसा बनाने की, जिसे एक व्यक्ति अपनी आँखों से सीधे खेत में देख सके।

शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए एक क्लासिक रासायनिक प्रतिक्रिया का सहारा लिया है। एक प्रसिद्ध पदार्थ है जिसे निन्हिड्रिन (ninhydrin) कहा जाता है, जिसका उपयोग लंबे समय से अमीनो एसिड, जो प्रोटीन की मौलिक इकाइयाँ हैं, की उपस्थिति का पता लगाने के लिए किया जाता रहा है। जब यह पदार्थ किसी अमीनो एसिड से मिलता है, तो यह एक परिवर्तन से गुजरता है, जिससे यह गहरा, जीवंत बैंगनी रंग हो जाता है। यह रंग परिवर्तन एक विश्वसनीय संकेत है कि नाइट्रोजन युक्त यौगिक मौजूद हैं। हालाँकि, खेत के वातावरण में तरल निन्हिड्रिन का उपयोग करना अव्यवस्थित और प्रबंधित करना कठिन है। इस उपकरण को रोजमर्रा के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाने के लिए, वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस रासायनिक अभिकर्मक (reagent) को एक ठोस, लचीली शीट के भीतर फँसाने का प्रयास किया। उनका लक्ष्य एक ऐसा सेंसर बनाना था जिसे छुआ जा सके, ले जाया जा सके और मिट्टी के विरुद्ध दबाया जा सके, और रंग के प्रकट होने का इंतजार किया जा सके जो उर्वरता के संकेत के रूप में दिखे।

वैज्ञानिकों ने इन संवेदी फिल्मों के दो अलग-अलग प्रकार बनाने से शुरुआत की। पहला एक सीधा मिश्रण था जिसमें पॉलीविनाइल अल्कोहल, एक सामान्य और सुरक्षित प्लास्टिक जिसका उपयोग अक्सर गोंद और पैकेजिंग में किया जाता है, और निन्हिड्रिन अभिकर्मक शामिल था। उन्होंने गर्म पानी में प्लास्टिक को घोला, उसमें रसायन मिलाया, और उस तरल को एक पतली, पारदर्शी शीट के रूप में सूखने दिया। यह फिल्म एक सरल, प्रत्यक्ष डिटेक्टर होने के लिए डिज़ाइन की गई थी। लेकिन शोधकर्ता यह भी जानना चाहते थे कि क्या वे सेंसर को और भी बेहतर बना सकते हैं। उन्हें संदेह था कि जिंक ऑक्साइड के सूक्ष्म कण जोड़ने से, जो मजबूती और बैक्टीरिया से लड़ने की क्षमता के लिए जाना जाता है, फिल्म की स्थायित्व और प्रदर्शन में सुधार हो सकता है। इसका परीक्षण करने के लिए, उन्होंने इन सूक्ष्म कणों को संश्लेषित किया और प्लास्टिक के घोल में मिलाने से पहले उसमें निन्हिड्र्रिन मिला दिया, जिससे एक दूसरी, अधिक जटिल फिल्म तैयार हुई।

एक बार फिल्में बन जाने के बाद, टीम को यह समझने की आवश्यकता थी कि वे किसके साथ काम कर रहे हैं। उन्होंने सामग्रियों की व्यवस्था को देखने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और विभिन्न प्रकाश-आधारित उपकरणों के तहत इन शीट्स का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि सरल फिल्म चिकनी और स्पष्ट थी, जबकि जिंक कणों वाली फिल्म थोड़ी धुंधली थी और उसकी सतह खुरदरी थी, जो प्रकाश को बिखेरने वाले नन्हे कणों का एक स्वाभाविक परिणाम था। इन दृश्य अंतरों के बावजूद, दोनों फिल्में अच्छी तरह से जुड़ी हुई थीं। शोधकर्ताओं ने फिर यह परीक्षण किया कि वे गर्मी और तनाव के तहत कैसा व्यवहार करती हैं। परिणामों ने दिखाया कि जिंक कणों वाली फिल्म काफी अधिक मजबूत थी। यह टूटने से पहले उच्च तापमान को सहन कर सकती थी और साधारण संस्करण की तुलना में इसे खींचना या फाड़ना बहुत कठिन था। इसके अलावा, जिंक युक्त फिल्म ने सामान्य बैक्टीरिया के विकास को रोकने की बेहतर क्षमता दिखाई, जो कि गंदगी वाले, जैविक वातावरण में उपयोग किए जाने वाले उपकरण के लिए एक उपयोगी गुण है।

हालाँकि, असली परीक्षा यह थी कि क्या ये फिल्में वास्तव में मिट्टी को पढ़ सकती हैं। शोधकर्ताओं ने सेंसर के जवाब को देखने के लिए चार अलग-अलग प्रकार की मिट्टी एकत्र की। उन्होंने मुर्गी की खाद से समृद्ध मिट्टी, गाय के गोबर से मिश्रित मिट्टी, काली मिट्टी के रूप में जानी जाने वाली एक गहरी, प्राकृतिक रूप से समृद्ध मिट्टी, और एक मानक, बिना संशोधित मिट्टी ली। उन्होंने दोनों प्रकार की फिल्मों के छोटे टुकड़ों को सीधे इन विभिन्न मिट्टियों पर रखा और एक दिन के दौरान क्या होता है, इसका अवलोकन किया।

परिणाम स्पष्ट और सुसंगत थे। फिल्मों ने मिट्टी में मौजूद नाइट्रोजन के प्रति प्रतिक्रिया करते हुए बैंगनी रंग अपनाया, जिससे पुष्टि हुई कि सेंसर काम कर रहे हैं। इस रंग परिवर्तन की गति और तीव्रता मिट्टी की गुणवत्ता की कहानी बताती थी। मुर्गी की खाद से उपचारित मिट्टी, जो नाइट्रोजन में बहुत समृद्ध है, ने फिल्मों को सबसे तेजी से, मात्र कुछ ही घंटों के भीतर बैंगनी कर दिया। गाय के गोबर वाली मिट्टी उसके ठीक पीछे थी, जिसने भी जल्दी बैंगनी रंग अपनाया। काली मिट्टी ने रंग विकसित करने में मध्यम समय लिया, जबकि साधारण, बिना संशोधित मिट्टी ने सबसे धीमी प्रतिक्रिया दी, जिसमें केवल हल्का या विलंबित रंग परिवर्तन देखा गया। यह पैटर्न प्रत्येक नमूने की ज्ञात उर्वरता से पूरी तरह मेल खाता था, जिससे सिद्ध हुआ कि फिल्में केवल रंग बदलकर समृद्ध और कम उर्वर मिट्टी के बीच अंतर कर सकती हैं।

दोनों प्रकार की फिल्मों की तुलना करते समय, एक सूक्ष्म अंतर सामने आया। बिना जिंक कणों वाली सरल फिल्म ने थोड़ा तेजी से प्रतिक्रिया की, और जिंक कणों वाली अपने सुदृढ़ समकक्ष की तुलना में अधिक तेज़ी से बैंगनी हुई। जिंक कणों वाली फिल्म ने रंग दिखाने में थोड़ा अधिक समय लिया, संभवतः इसलिए क्योंकि अतिरिक्त कणों ने प्लास्टिक की संरचना को सघन बना दिया, जिससे मिट्टी के रसायनों की फिल्म के भीतर गति धीमी हो गई। हालाँकि, इस मामूली देरी के साथ एक महत्वपूर्ण लाभ भी जुड़ा था। जिंक-सुदृढ़ फिल्म कहीं अधिक टिकाऊ, गर्मी के प्रति प्रतिरोधी और बैक्टीरिया के विकास को रोकने में बेहतर थी। जबकि सरल फिल्म त्वरित प्रतिक्रिया देने वाली थी, सुदृढ़ फिल्म लंबे समय तक चलने के लिए बनाई गई थी, जो क्षेत्र के कार्यों की कठोरता के लिए एक अधिक मजबूत उपकरण प्रदान करती थी।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि दोनों प्रकार की फिल्में मिट्टी के स्वास्थ्य की त्वरित, दृश्य जांच के लिए प्रभावी उपकरण हैं। वे महंगी मशीनरी के बिना उर्वरता का आकलन करने का एक तरीका प्रदान करती हैं, एक जटिल रासायनिक प्रक्रिया को एक सरल रंग परिवर्तन में बदल देती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि जिंक ऑक्साइड के जुड़ने से प्रतिक्रिया थोड़ी धीमी हो गई, लेकिन इसने एक ऐसा सेंसर बनाया जो अधिक मजबूत, स्थिर और पर्यावरण के प्रति प्रतिरोधी था। यह सुझाव देता है कि कृषि में व्यावहारिक, दीर्घकालिक उपयोग के लिए, सुदृढ़ फिल्म बेहतर विकल्प हो सकती है, जो किसानों को उनकी भूमि की जरूरतों को समझने और अपनी फसलों का अधिक स्थायी रूप से प्रबंधन करने के लिए एक विश्वसनीय, कम लागत वाला तरीका प्रदान करती है।