A new membrane electrode that is fast, selective and sensitive to low amounts of nitrate

नाइट्रेट एक सरल रासायनिक यौगिक है जो प्राकृतिक रूप से पृथ्वी, जल और हमारे द्वारा खाए जाने वाले पौधों में पाया जाता है। यह कृषि में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, फसलों को बढ़ने में मदद करता है, और अक्सर प्रोसेस्ड मीट (प्रसंस्कृत मांस) के रंग और स्वाद को बनाए रखने के लिए इसमें मिलाया जाता है। हालाँकि, जब नाइट्रेट का स्तर बहुत अधिक हो जाता है, तो इसके परिणाम गंभीर हो सकते हैं। जलमार्गों में, अत्यधिक नाइट्रेट एक 'सुपर-फर्टिलाइजर' की तरह कार्य करता है, जो शैवाल (algae) की विस्फोटक वृद्धि को प्रेरित करता है, जिससे ऑक्सीजन कम हो जाती है और मछलियाँ मरने लगती हैं। मानव शरीर में, नाइट्रेट का उच्च स्तर अन्य यौगिकों में बदल सकता है जो गंभीर स्वास्थ्य जोखिमों से जुड़े होते हैं। इन खतरों के कारण, हमारे पीने के पानी और भोजन में नाइट्रेट की निगरानी करना सार्वजनिक स्वास्थ्य और पर्यावरणीय सुरक्षा के लिए एक महत्वपूर्ण कार्य है। वर्तमान में, वैज्ञानिक इन स्तरों को मापने के लिए परिष्कृत प्रयोगशाला उपकरणों पर निर्भर करते हैं, लेकिन ये मशीनें महंगी हैं, इनके लिए जटिल नमूना तैयारी की आवश्यकता होती है, और इनका उपयोग सीधे क्षेत्र (फील्ड) में नहीं किया जा सकता है। इससे वहीं पर, जहाँ नाइट्रेट मौजूद है, उसे खोजने के लिए एक सरल, तेज़ और अधिक किफायती तरीके की आवश्यकता पैदा होती है।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, तुर्की के गाजी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस समस्या को हल करने के लिए डिज़ाइन किया गया एक नया उपकरण विकसित किया है: एक विशेष सेंसर जो नाइट्रेट की सूक्ष्म मात्रा का तेजी से और सटीक रूप से पता लगा सकता है। यह उपकरण एक प्रकार का आयन-चयनात्मक इलेक्ट्रोड (ion-selective electrode) है, जो काफी हद तक एक अत्यंत संवेदनशील जीभ की तरह कार्य करता है जो मिश्रण में मौजूद अन्य सभी चीजों को अनदेखा करते हुए एक विशिष्ट रसायन का स्वाद ले सकती है। शोधकर्ताओं ने इस सेंसर को प्लास्टिक, एक नरम करने वाले एजेंट (softening agent) और एक विशेष रसायन के मिश्रण से बनी एक पतली, लचीली झिल्ली (membrane) का उपयोग करके बनाया है जो नाइट्रेट आयनों को आकर्षित करता है। इन सामग्रियों के अनुपातों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने एक ऐसा सेंसर बनाया जो नाइट्रेट की उपस्थिति में लगभग तुरंत प्रतिक्रिया देता है, जिससे एक विद्युत संकेत उत्पन्न होता है जिसे मापा जा सकता है और सांद्रता मान (concentration value) में परिवर्तित किया जा सकता है।

टीम ने यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह वास्तविक दुनिया की स्थितियों में काम करे, अपने नए सेंसर का व्यापक परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि सेंसर उल्लेखनीय रूप से संवेदनशील था, जो दो-दशांश मिलियन मोल प्रति लीटर जितने कम स्तर पर भी नाइट्रेट का पता लगाने में सक्षम था। जब किसी घोल में नाइट्रेट की सांद्रता दस गुना बढ़ गई, तो सेंसर के विद्युत संकेत में लगभग 57 मिलीवोल्ट का परिवर्तन हुआ, जो एक सुसंगत और अनुमानित प्रतिक्रिया है जो ऐसे उपकरण के लिए सैद्धांतिक अपेक्षाओं से मेल खाती है। व्यावहारिक उपयोग के लिए सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि सेंसर अम्लता (acidity) के विभिन्न स्तरों पर विश्वसनीय रूप से काम करता है, जो pH 1 से 8 के बीच के घोलों में सही ढंग से कार्य करता है। इसका अर्थ है कि इसे नमूने को पहले से समायोजित किए बिना, अम्लीय औद्योगिक अपवाह (industrial runoff) से लेकर तटस्थ पेयजल तक में उपयोग किया जा सकता है। यह उपकरण अविश्वसनीय रूप से तेज़ भी साबित हुआ, जो केवल 20 सेकंड में अपना रीडिंग स्थिर कर देता है, जो उन मौजूदा तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है जिनमें लंबी प्रतीक्षा अवधि की आवश्यकता होती है।

यह सिद्ध करने के लिए कि सेंसर अन्य रसायनों से आसानी से भ्रमित नहीं होता है, शोधकर्ताओं ने सोडियम, पोटेशियम, क्लोराइड और सल्फेट सहित विभिन्न सामान्य आयनों के विरुद्ध इसका परीक्षण किया। परिणामों ने दिखाया कि सेंसर नाइट्रेट पर केंद्रित रहा, और इन अन्य पदार्थों की उपस्थिति में भी उन्हें अनदेखा कर दिया। इस उच्च स्तर की चयनात्मकता (selectivity) अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि नदी का पानी या सॉसेज जैसे वास्तविक नमूने जटिल मिश्रण होते हैं जहाँ कई अलग-अलग रसायन एक साथ मौजूद होते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने सेंसर को प्रयोगशाला से बाहर निकालकर फील्ड में परखा, जिसमें उन्होंने एक सॉसेज के नमूने और अंकारा के पेयजल के नमूने का परीक्षण किया। उन्होंने अपने नए सेंसर के परिणामों की तुलना दृश्य प्रकाश स्पेक्ट्रोस्कोपी (visible light spectroscopy) का उपयोग करने वाली एक मानक प्रयोगशाला विधि से की, जो यह मापती है कि कोई नमूना कितना प्रकाश अवशोषित करता है। दोनों विधियों से प्राप्त संख्याएँ लगभग समान थीं, जिसमें सेंसर ने सॉसेज में 0.36 मिलीग्राम प्रति लीटर और पानी में 1.52 मिलीग्राम प्रति लीटर मापा, जो बहुत कम त्रुटि सीमा के भीतर प्रयोगशाला के परिणामों से मेल खाता है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह नई मेम्ब्रेन इलेक्ट्रोड पारंपरिक, महंगी प्रयोगशाला विश्लेषण का एक व्यावहारिक विकल्प है। यह बनाने में आसान है, इसके लिए किसी जटिल नमूना तैयारी की आवश्यकता नहीं है, और यह घंटों के बजाय सेकंडों में परिणाम देता है। हालाँकि शोधकर्ता उल्लेख करते हैं कि सेंसर का परीक्षण विशिष्ट नमूनों पर किया गया था, डेटा बताता है कि यह विविध वातावरणों में नाइट्रेट के विश्लेषण के लिए पर्याप्त मजबूत है। एक ऐसा उपकरण प्रदान करके जो संवेदनशील और चयनात्मक दोनों है, यह कार्य नाइट्रेट के स्तर की अधिक बार और सुलभ निगरानी का मार्ग प्रशस्त करता है, जिससे उच्च लागत या लंबे प्रतीक्षा समय के बोझ के बिना जल गुणवत्ता और खाद्य सुरक्षा को सुरक्षित करने में मदद मिल सकती है।