Waste-Derived Green Synthesis of Mn-Doped ZnO Nanoparticles using Bos indicus Cow Dung Extract for Antimicrobial and Anticancer Applications

तकनीकी सारांश: बॉस इंडिकस (Bos indicus) गाय के गोबर के अर्क का उपयोग करके Mn-डोपेड ZnO नैनोकणों का अपशिष्ट-व्युत्पन्न हरित संश्लेषण

समस्या विवरण
नैनोमटेरियल्स का संश्लेषण अक्सर उन भौतिक या रासायनिक विधियों पर निर्भर करता है जो पर्यावरण के लिए हानिकारक, महंगी या विषाक्त हो सकती हैं। हालांकि जैविक (हरित) संश्लेषण एक पर्यावरण के अनुकूल विकल्प प्रदान करता है, लेकिन कार्यात्मक नैनोमटेरियल्स बनाने के लिए प्रचुर, नवीकरणीय अपशिष्ट संसाधनों का उपयोग करने की आवश्यकता है। इसके अलावा, शुद्ध जिंक ऑक्साइड (ZnO) नैनोकण, हालांकि बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक हैं, लेकिन वे एक विस्तृत बैंड गैप और प्रतिबंधित दृश्य-प्रकाश अवशोषण जैसी सीमाओं से जूझते हैं। ZnO को मैंगनीज (Mn) जैसे संक्रमण धातुओं के साथ डोपिंग करना उनके गुणों को अनुकूलित करने की एक ज्ञात रणनीति है, लेकिन सत्यापित रोगाणुरोधी और कैंसररोधी प्रभावकारिता वाले Mn-डोपेड ZnO के लिए एक सतत, अपशिष्ट-व्युत्पन्न संश्लेषण मार्ग का विकास अभी भी अन्वेषण का क्षेत्र बना हुआ है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में बॉस इंडिकस (भारतीय गाय) के गोबर के जलीय अर्क का उपयोग अपचायक (reducing) और स्थिरीकरण एजेंट (stabilizing agent) दोनों के रूप में करते हुए एक हरित संश्लेषण दृष्टिकोण अपनाया गया।

• संश्लेषण: शुद्ध ZnO और Mn-डोपेड ZnO नैनोकणों को जिंक नाइट्रेट हेक्साहाइड्रेट (और डोपिंग के लिए मैंगनीज क्लोराइड टेट्राहाइड्रेट) को गाय के गोबर के अर्क के साथ प्रतिक्रिया कराकर संश्लेषित किया गया। प्रतिक्रिया को नियंत्रित pH (8–12), तापमान (60–90°C) और मंथन (stirring) स्थितियों के तहत किया गया, जिसके बाद 500°C पर कैल्सीनेशन (calcination) किया गया।
• विशेषण (Characterization): संश्लेषित नैनोमटेरियल्स का व्यवस्थित रूप से निम्नलिखित माध्यमों से लक्षण वर्णन किया गया:
  • क्रिस्टल संरचना और क्रिस्टलाइट आकार के लिए पाउडर एक्स-रे विवर्तन (XRD)।
  • ऑप्टिकल गुणों और बैंड गैप निर्धारण के लिए UV-विज़िबल डिफ्यूज रिफ्लेक्टेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (DRS)।
  • आकृति विज्ञान (morphology) और कण आकार के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM)।
  • तत्व संरचना और ऑक्सीकरण अवस्थाओं के लिए एनर्जी-डिस्पर्सिव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) और एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS)।
• जैविक मूल्यांकन:
  • रोगाणुरोधी गतिविधि: डिस्क डिफ्यूजन विधि का उपयोग करके ग्राम-नेगेटिव (Escherichia coli) और ग्राम-पॉजिटिव (Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis) बैक्टीरिया के विरुद्ध मूल्यांकन किया गया।
  • कैंसररोधी गतिविधि: कोशिका व्यवहार्यता और IC50 मान निर्धारित करने के लिए MCF-7 मानव स्तन कैंसर सेल लाइन के विरुद्ध MTT परख (assay) का उपयोग करके मूल्यांकन किया गया।

मुख्य परिणाम

• संरचनात्मक और ऑप्टिकल गुण: XRD विश्लेषण ने दोनों शुद्ध और Mn-डोपेड नमूनों के लिए हेक्सागोनल वर्टज़ाइट (wurtzite) संरचना की पुष्टि की, जिसमें कोई माध्यमिक चरण (secondary phases) नहीं पाया गया। Mn डोपिंग के परिणामस्वरूप क्रिस्टलाइट आकार में कमी आई (शुद्ध ZnO के 66.84 nm से Mn-डोपेड ZnO के 37.67 nm तक), और विवर्तन शिखर (diffraction peaks) में मामूली विस्तार देखा गया। UV-Vis DRS ने Mn के समावेश पर अवशोषण किनारे (absorption edge) में एक ब्लू शिफ्ट दिखाया, जिससे ऑप्टिकल बैंड गैप 3.10 eV (शुद्ध ZnO) से बढ़कर 3.20 eV (Mn-डोपेड ZnO) हो गया, जिसका श्रेय sp–d एक्सचेंज इंटरैक्शन को दिया जाता है।
• आकृति विज्ञान और संरचना: SEM और TEM विश्लेषणों ने संकेत दिया कि शुद्ध ZnO में अर्ध-गोलाकार, पुंजित (agglomerated) कण (औसत लगभग 46.81 nm) थे, जबकि Mn-डोपेड ZnO ने संशोधित आकृति विज्ञान प्रदर्शित किया जिसमें छड़ जैसी (rod-like) और सुई जैसी (needle-shaped) संरचनाएं और कम औसत कण आकार (लगभग 34.27 nm) देखा गया। EDS और XPS ने ZnO लैटिस में Mn²⁺ आयनों के सफल समावेश की पुष्टि की, जिसमें Mn +2 ऑक्सीकरण अवस्था में मौजूद है। गाय के गोबर के अर्क से प्राप्त ट्रेस तत्व (C, K) पाए गए, जो कैपिंग एजेंट के रूप में कार्य करते हैं।
• रोगाणुरोधी गतिविधि: नैनोकणों ने सांद्रता-निर्भर जीवाणुरोधी गतिविधि प्रदर्शित की। Mn-डोपेड ZnO ने शुद्ध ZnO की तुलना में, विशेष रूप से S. aureus और E. coli के विरुद्ध, बेहतर अवरोध क्षेत्र (inhibition zones) दिखाए। यह तंत्र ROS (रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज) के उत्पादन और Zn²⁺ तथा Mn²⁺ आयनों द्वारा जीवाणु कोशिका झिल्ली के व्यवधान के कारण है।
• कैंसररोधी गतिविधि: शुद्ध और Mn-डोपेड दोनों ZnO नैनोकणों ने MCF-7 कोशिकाओं पर खुराक-निर्भर तरीके से साइटोटॉक्सिक प्रभाव प्रदर्शित किया। शुद्ध ZnO नैनोकणों ने 107.5 μg/mL का IC50 मान दिखाया, जबकि Mn-डोपेड ZnO ने 219.56 μg/mL का IC50 दिखाया। अध्ययन नोट करता है कि इस विशिष्ट सेल लाइन के विरुद्ध शुद्ध ZnO ने अपने डोप्ड वेरिएंट की तुलना में थोड़ी अधिक साइटोटॉक्सिक क्षमता प्रदर्शित की।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि बॉस इंडिकस गाय के गोबर के अर्क का उपयोग Mn-डोपेड ZnO नैनोकणों के संश्लेषण के लिए एक सतत, लागत प्रभावी और पर्यावरण के अनुकूल मार्ग प्रदान करता है, जो चक्रीय जैव अर्थव्यवस्था (circular bioeconomy) के सिद्धांतों के अनुरूप है। अध्ययन दर्शाता है कि इस हरित संश्लेषण विधि ने सफलतापूर्वक नियंत्रित आकार और संशोधित इलेक्ट्रॉनिक गुणों वाले नैनोमटेरियल्स का उत्पादन किया है।

लेखक तर्क देते हैं कि संश्लेषित नैनोकणों में महत्वपूर्ण बायोमेडिकल अनुप्रयोगों, विशेष रूप से रोगजनक बैक्टीरिया के विरुद्ध रोगाणुरोधी एजेंटों और कैंसर चिकित्सा के उम्मीदवारों के रूप में बड़ी क्षमता है। जबकि Mn-डोपेड वेरिएंट ने बेहतर जीवाणुरोथी प्रदर्शन दिखाया, अध्ययन विनम्रतापूर्वक रिपोर्ट करता है कि शुद्ध ZnO ने इस विशिष्ट प्रयोगात्मक सेटअप में MCF-7 स्तन कैंसर सेल लाइन के विरुद्ध थोड़ी उच्च प्रभावकारिता बनाए रखी। कार्य इस निष्कर्ष के साथ समाप्त होता है कि ये बायो-सिंथेसाइज्ड नैनोकण बायोमेडिकल क्षेत्रों के लिए आशाजनक "स्मार्ट और उत्साहजनक एजेंट" हैं, हालांकि लेखक स्वीकार करते हैं कि उनकी चिकित्सीय क्षमता को पूरी तरह से स्थापित करने के लिए आगे के यांत्रिक (mechanistic) और इन विवो (in vivo) अध्ययनों की आवश्यकता है।