A simple 2,4-dihydroxyacetophenone based fluorescent chemosensor for detection of copper(II) ion: An Experimental and DFT study

तांबा एक ऐसी धातु है जिसने मानव इतिहास को आकार दिया है, कांस्य युग के औजारों से लेकर आधुनिक शहरों की वायरिंग तक। यह जीवन के लिए आवश्यक है, शरीर को एंजाइमों को नियंत्रित करने और एक स्वस्थ तंत्रिका तंत्र बनाए रखने में मदद करता है, फिर भी जब यह पानी में उच्च स्तर पर मौजूद होता है तो खतरनाक हो जाता है। बहुत अधिक तांबा गंभीर स्वास्थ्य समस्याओं का कारण बन सकता है, जबकि बहुत कम होने से भी नुकसान हो सकता है। इस नाजुक संतुलन के कारण, वैज्ञानिक हमारे जल आपूर्ति में तांबे का पता लगाने के बेहतर तरीके खोजने के लिए लगातार प्रयास करते रहते हैं। धातु की इन सूक्ष्म मात्राओं को खोजने की पारंपरिक विधियों के लिए अक्सर महंगी मशीनों, जटिल प्रक्रियाओं और लंबे प्रतीक्षा समय की आवश्यकता होती है। इसने शोधकर्ताओं को सरल, तेज़ विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित किया है जिनका उपयोग भारी बजट के बिना सीधे क्षेत्र में या एक मानक प्रयोगशाला में किया जा सके।

एक आशाजनक दृष्टिकोण में प्रकाश का उपयोग शामिल है। कुछ रासायनिक यौगिक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelengths) के प्रकाश के संपर्क में आने पर चमकते हैं, जिसे फ्लोरेसेंस (fluorescence) नामक घटना कहा जाता है। यदि एक रासायनिक सेंसर को इस तरह डिजाइन किया जा सकता है कि वह विशिष्ट धातु आयनों के संपर्क में आने पर अपनी चमक बदल दे, तो यह पहचान के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बन जाता है। इस नए अध्ययन में, पाकिस्तान के मलाकांड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक 'बिस-शिफ बेस' (bis-Schiff base) नामक एक सामान्य रासायनिक संरचना पर आधारित यौगिक का उपयोग करके ऐसा ही सेंसर विकसित किया है। उन्होंने एक ऐसा अणु बनाया जो एक लाइट स्विच की तरह काम करता है, जो तांबे के आयनों के मिलने तक चमकता रहता है, और मिलते ही इसकी चमक बुझ जाती है। यह "टर्न-ऑफ" (turn-off) तंत्र एक स्पष्ट, दृश्य संकेत प्रदान करता है कि तांबा मौजूद है, जो जल गुणवत्ता की निगरानी के लिए एक लागत प्रभावी और विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने अपने सेंसर के रूप में कार्य करने के लिए एक विशिष्ट अणु, जो एक सरल कार्बनिक यौगिक से प्राप्त बिस-शिफ बेस है, का संश्लेषण किया। जब इस अणु को पानी और मेथनॉल के मिश्रण में घोला जाता है, तो यह पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश के नीचे एक विशिष्ट हल्के पीले रंग के साथ चमकता है। टीम ने परीक्षण किया कि यह सेंसर लेड, मरकरी और जिंक सहित विभिन्न धातु आयनों के संपर्क में आने पर कैसा व्यवहार करता है। लगभग हर मामले में, इसकी चमक अपरिवर्तित रही। हालांकि, जब तांबे के आयनों को पेश किया गया, तो इसकी चमक नाटकीय रूप से कम हो गई। यह सेंसर अत्यधिक विशिष्ट था, जिसने अन्य धातुओं को अनदेखा किया और केवल तांबे के प्रति प्रतिक्रिया दी। यह विशिष्टता अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि वास्तविक दुनिया के जल नमूनों में विभिन्न आयनों का मिश्रण होता है जो कम सटीक डिटेक्टरों को भ्रमित कर सकते हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि सेंसर वास्तविक परिस्थितियों में काम करे, टीम ने पानी की अम्लता, जिसे पीएच (pH) कहा जाता है, को समायोजित किया ताकि पहचान के लिए आदर्श वातावरण पाया जा सके। उन्होंने पाया कि सेंसर थोड़ा क्षारीय घोल, विशेष रूप से pH 8 पर सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है। अत्यधिक अम्लीय या तटस्थ स्थितियों में, अणु तांबे के साथ जुड़ने के लिए संघर्ष करता है, लेकिन थोड़े क्षारीय वातावरण में, यह परस्पर क्रिया मजबूत और तत्काल हो जाती है। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि सेंसर तब भी अच्छी तरह से काम करता है जब पानी में अन्य पदार्थ मौजूद हों, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह नल के पानी या नदी के पानी जैसे जटिल मिश्रणों में विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकता है। यह प्रतिक्रिया तेजी से हुई, और सेंसर समय के साथ स्थिर रहा, जिसका अर्थ है कि प्रयोग के दौरान परिणाम फीके नहीं पड़े या बदले नहीं।

इस नए सेंसर की संवेदनशीलता उल्लेखनीय है। टीम ने गणना की कि यह 0.02 माइक्रोग्राम प्रति मिलीलीटर जितनी कम सांद्रता पर भी तांबे का पता लगा सकता है। संवेदनशीलता का यह स्तर पेयजल के लिए स्वास्थ्य संगठनों द्वारा निर्धारित सुरक्षा सीमाओं से बहुत नीचे है, जिसका अर्थ है कि यह सेंसर स्वास्थ्य जोखिम बनने से बहुत पहले ही संदूषण को पकड़ सकता है। इन निष्कर्षों को सत्यापित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इस विधि को स्थानीय नल और तालाबों से एकत्र किए गए वास्तविक जल नमूनों पर लागू किया। उन्होंने इन नमूनों में तांबे की ज्ञात मात्रा डाली और मापा कि उनका सेंसर इसे कितनी अच्छी तरह खोज पाता है। परिणाम सुसंगत थे, जिसमें सेंसर ने जोड़े गए तांबे का 90 से 101 प्रतिशत सफलतापूर्वक रिकवर (recover) किया। यह उच्च रिकवरी दर बताती है कि यह विधि पर्यावरणीय निगरानी के व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त सटीक है।

यह समझने के लिए कि सेंसर आणविक स्तर पर वास्तव में कैसे काम करता है, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। इन डिजिटल मॉडलों ने टीम को यह देखने की अनुमति दी कि तांबे का परमाणु सेंसर अणु के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। सिमुलेशन से पता चला कि तांबा आयन सेंसर के उन विशिष्ट स्थानों पर मजबूती से बंध जाता है जहाँ नाइट्रोजन और ऑक्सीजन परमाणु स्थित होते हैं। यह बंधन प्रक्रिया अणु की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बदल देती है, जिससे प्रभावी रूप से इसकी चमक रुक जाती है। कंप्यूटर मॉडल ने यह भी दिखाया कि तांबे और सेंसर के बीच बना बंधन मजबूत और स्थिर है, जो प्रयोगात्मक अवलोकनों की पुष्टि करता है। भौतिक प्रयोगों को इन सैद्धांतिक अंतर्दृष्टियों के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने पहचान प्रक्रिया की एक पूर्ण तस्वीर बनाई।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह नया सेंसर पानी में तांबे का पता लगाने के लिए एक सरल, तेज़ और किफायती तरीका प्रदान करता है। कई अन्य विधियों के विपरीत, जिन्हें जटिल मशीनरी की आवश्यकता होती है या जो पानी में काम करने में संघर्ष करती हैं, यह सेंसर जलीय वातावरण में अच्छी तरह से कार्य करता है और एक स्पष्ट संकेत प्रदान करता है। इतनी कम मात्रा में तांबे का पता लगाने की क्षमता, अन्य धातुओं से हस्तक्षेप के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता के साथ मिलकर, इसे जल संसाधनों की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए एक मूल्यवान उपकरण बनाती है। जैसे-जैसे स्वच्छ जल की मांग बढ़ रही है, इस तरह के उपकरण हमारे पीने और उपयोग करने वाले पानी की गुणवत्ता की कड़ी निगरानी करने के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करते हैं।