High-Sensitivity Multi-Band Graphene Terahertz Absorber and Its Applications in Multi-Channel Biosensing

प्रकाश की अदृश्य दुनिया में, माइक्रोवेव जो हमारे भोजन को गर्म करते हैं और इन्फ्रारेड जो हमारी त्वचा को गर्माहट देते हैं, के बीच एक विशाल क्षेत्र मौजूद है। यह टेराहर्ट्ज़ (terahertz) बैंड है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ प्रकाश एक अनूठे तरीके से व्यवहार करता है: यह कपड़ों और कागज के माध्यम से सुरक्षित रूप से गुजर जाता है लेकिन पानी और कई जैविक ऊतकों (biological tissues) पर रुक जाता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इस बैंड के भीतर विभिन्न अणु विशिष्ट आवृत्तियों (frequencies) पर कंपन करते हैं, जो एक विशिष्ट "फिंगरप्रिंट" बनाता है जो वैज्ञानिकों को पदार्थों को उन्हें छुए बिना या हानिकारक विकिरण का उपयोग किए बिना पहचानने की अनुमति देता है। दशकों से, शोधकर्ता इस क्षमता का लाभ उठाने के लिए प्रयासरत रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे ऐसे सेंसर बना सकें जो केवल यह विश्लेषण करके कि ये अणु टेराहर्ट्ज़ तरंगों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, बीमारियों या विषाक्त पदार्थों का पता लगा सकें। हालाँकि, एक बड़ी बाधा बनी हुई है: अधिकांश मौजूदा सेंसर एक समय में केवल एक या दो विशिष्ट "सुरों" को ही सुन सकते हैं, जिससे एक साथ कई अलग-अलग पदार्थों का पता लगाना कठिन हो जाता है, और वे अक्सर संघर्ष करते हैं जब प्रकाश का कोण बदल जाता है या जब लक्ष्य एक जटिल मिश्रण होता है।

इन सीमाओं को दूर करने के लिए, हारबिन इंजीनियरिंग यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का सेंसर डिजाइन किया है जो एक मल्टी-ट्यून्ड रेडियो की तरह कार्य करता है, जो एक साथ तीन अलग-अलग आवृत्तियों को उल्लेखनीय सटीकता के साथ सुनने में सक्षम है। यह उपकरण एक सरल लेकिन चतुर वास्तुकला पर निर्मित है: धातु और प्लास्टिक की परतों के बीच ग्राफीन नामक एक विशेष कार्बन सामग्री की एक पतली परत स्थित है। धातु की परत को चार नेस्टेड (nested), दस-पक्षीय छल्लों के साथ पैटर्न किया गया है जो रेज़ोनेटर के रूप में कार्य करते हैं, जो टेराहर्ट्ज़ तरंगों को फँसाते हैं और उन्हें विशिष्ट बिंदुओं पर तीव्रता से कंपन करने के लिए मजबूर करते हैं। ग्राफीन की परत, जो केवल एक परमाणु जितनी मोटी है, एक ट्यूनेबल कंट्रोल पैनल के रूप में कार्य करती है; एक छोटा विद्युत वोल्टेज लागू करके, वैज्ञानिक सेंसर के भौतिक आकार को बदले बिना इसकी अनुनाद आवृत्तियों (resonance frequencies) को बदल सकते हैं। यह डिज़ाइन इस उपकरण को 1 से 8 टेराहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में संचालित करने की अनुमति देता है, जबकि यह तब भी स्थिर रहता है जब प्रकाश इस पर तीखे कोणों से टकराता है।

शोधकर्ताओं ने इस सेंसर के व्यवहार का अनुकरण (simulate) किया ताकि यह देख सकें कि यह वास्तविक दुनिया के परिदृश्यों में कैसा प्रदर्शन करेगा। उन्होंने पाया कि यह उपकरण 2.68, 4.22 और 6.22 टेराहर्ट्ज़ पर अवशोषण (absorption) के तीन स्पष्ट शिखर (peaks) बनाता है। ये शिखर केवल यादृच्छिक उतार-चढ़ाव नहीं हैं; वे सेंसर के ऊपर रखी गई सामग्री के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं। जब शोधकर्ताओं ने उपकरण पर विभिन्न जैविक नमूनों को रखने का अनुकरण किया, तो शिखर अनुमानित तरीकों से स्थानांतरित हुए। उदाहरण के लिए, जब उन्होंने हीमोग्लोबिन की विभिन्न सांद्रता वाले रक्त नमूनों का मॉडल बनाया, तो सेंसर यह अंतर कर सका कि अनुनाद आवृत्तियाँ कितनी स्थानांतरित हुईं। इसी तरह, उपकरण इथेनॉल और एथिल एसीटेट जैसे सामान्य फार्मास्युटिकल सॉल्वैंट्स के बीच अंतर कर सका, उन्हें उनके अद्वितीय स्पेक्ट्रल हस्ताक्षरों द्वारा पहचाना। एक साथ कई पदार्थों का पता लगाने की यह क्षमता बताती है कि इस सेंसर का उपयोग नमूनों को रंगों या रसायनों के साथ लेबल किए बिना रक्त के स्वास्थ्य की निगरानी करने या दवाओं की शुद्धता की जांच करने के लिए किया जा सकता है।

रक्त और चिकित्सा से परे, अध्ययन ने खतरनाक पदार्थों, जैसे कि खतरनाक बैक्टीरिया और कीटनाशक अवशेषों का पता लगाने की सेंसर की क्षमता का अन्वेषण किया। अपने सिमुलेशन में, उपकरण ने स्टैफिलोकोकस एपिडर्मिडिस और साल्मोनेला टाइफिमोरियम जैसे विशिष्ट रोगजनकों के साथ-साथ विभिन्न कीटनाशक यौगिकों की पहचान करने की क्षमता प्रदर्शित की, यह देखते हुए कि उनकी उपस्थिति सेंसर की प्रतिक्रिया को कैसे बदलती है। परिणामों ने दिखाया कि सेंसर तब भी अपनी सटीकता बनाए रखता है जब प्रकाश 70 डिग्री तक के कोणों पर टकराता है, एक ऐसी विशेषता जो इसे व्यावहारिक उपयोग के लिए मजबूत बनाती है जहाँ सटीक संरेखण (alignment) सुनिश्चित करना कठिन होता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह उपकरण किसी सामग्री के घनत्व में सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने में सक्षम उच्च स्तर की संवेदनशीलता प्राप्त करता है, जबकि साथ ही एक सिग्नल की तीक्ष्णता भी बनाए रखता है जो सटीक माप की अनुमति देता है।

जो इस कार्य को अलग बनाता है वह इसकी जटिलता और प्रदर्शन के बीच का संतुलन है। जबकि अन्य सेंसर एकल कार्य के लिए अत्यधिक सटीकता प्रदान कर सकते हैं, वे अक्सर अधिक कार्य करने के लिए या स्थितियां बदलने पर विफल हो जाते हैं। यह नया डिज़ाइन, ट्यूनेबल ग्राफीन को मल्टी-रिंग मेटल संरचना के साथ एकीकृत करके, बहुमुखी और स्थिर दोनों होने का प्रबंधन करता है। सिमुलेशन संकेत देते हैं कि यह अपवर्तनांक (refractive index) के सूक्ष्म अंतरों के बीच अंतर कर सकता है, जो एक गुण है जो यह बताता है कि प्रकाश किसी सामग्री से गुजरते समय कैसे धीमा हो जाता है, जो विभिन्न जैविक ऊतकों की पहचान करने के लिए महत्वपूर्ण है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह उपकरण उच्च आवृत्तियों पर विशेष रूप से प्रभावी है, जहाँ सामग्री के साथ संपर्क सबसे तीव्र होता है। एक ही उपकरण द्वारा कई डिटेक्शन चैनलों को एक साथ संभालने की क्षमता सिद्ध करके, यह अध्ययन अधिक उन्नत, लेबल-मुक्त नैदानिक उपकरणों की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है जो एक दिन डॉक्टरों को बीमारियों या संदूषकों को तेजी से और सटीक रूप से पहचानने में मदद कर सकते हैं।

इस तकनीक का आगे का रास्ता कंप्यूटर मॉडल से भौतिक प्रोटोटाइप की ओर बढ़ने पर निर्भर करता है, लेकिन इस शोध द्वारा रखी गई सैद्धांतिक नींव ठोस है। टीम ने प्रदर्शित किया है कि धातु के छल्लों की ज्यामिति को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके और ग्राफीन के विद्युत गुणों को ट्यून करके, एक ऐसा सेंसर बनाना संभव है जो अत्यधिक संवेदनशील और हस्तक्षेप के प्रति प्रतिरोधी दोनों हो। यह दृष्टिकोण एक ऐसे उपकरण बनाने की दीर्घकालिक चुनौती को संबोधित करता है जो न केवल सटीक है बल्कि वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त लचीला भी है। जैसे-जैसे यह तकनीक परिपक्व होती है, ऐसे सेंसर 'पॉइंट-ऑफ-केयर' डायग्नोस्टिक्स के अभिन्न अंग बन सकते हैं, जो वर्तमान में आवश्यक समय के एक अंश में जटिल जैविक नमूनों का विश्लेषण करने का एक तरीका प्रदान करते हैं, और यह पूरी प्रक्रिया को सुरक्षित और गैर-आक्रामक (non-invasive) रखते हुए किया जाता है। यह कार्य टेराहर्ट्ज़ प्रकाश के अद्वितीय गुणों को मानव स्वास्थ्य की रक्षा के लिए एक व्यावहारिक उपकरण में बदलने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।