Surface Directed Flows and Fluidic diodes: Transforming lateral flow assays into multistep diagnostics devices

एक नैदानिक परीक्षण की कल्पना करें जो एक छोटे, आत्मनिर्भर नदी तंत्र की तरह काम करता है। दशकों से, घर पर या दूरदराज के क्लीनिकों में बीमारियों की जांच करने का सबसे आम तरीका 'लैट्रल फ्लो एसे' (lateral flow assay) रहा है, जो वह परिचित पट्टी है जो वायरस या हार्मोन का पता चलते ही रंग बदल लेती है। ये उपकरण अपनी सादगी के चमत्कार हैं: एक छोर पर तरल की एक बूंद डाली जाती है, और वह स्वाभाविक रूप से एक छिद्रयुक्त कागज झिल्ली (porous paper membrane) के माध्यम से सोख ली जाती है, जो परीक्षण रेखा तक पहुँचने तक अपने साथ रसायनों को भी ले जाती है। इस प्रक्रिया के लिए किसी बैटरी, पंप या प्रशिक्षण की आवश्यकता नहीं होती है। हालाँकि, यही सादगी एक सीमा भी है। क्योंकि तरल एक ही निरंतर प्रवाह में चलता है, डिवाइस एक समय में केवल एक ही चरण पूरा कर सकता है। यह आसानी से नमूना देने, प्रतिक्रिया के लिए प्रतीक्षा करने और फिर सिग्नल को बढ़ाने के लिए दूसरा रसायन पेश करने में सक्षम नहीं है। अधिक संवेदनशील परिणाम प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को अक्सर जटिल, बहु-चरणीय प्रक्रियाओं को करने की आवश्यकता होती है जिन्हें एक साधारण पट्टी में स्वचालित करना कठिन होता है।

नार्दर्न इलिनॉय यूनिवर्सिटी और यूनिवर्सिटी ऑफ नेवाडा के शोधकर्ताओं ने बिना जटिलता बढ़ाए इस बाधा को दूर करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक बहुत छोटा, निष्क्रिय घटक विकसित किया है जिसे एक मानक परीक्षण पट्टी के बीच में डाला जा सकता है, जिसे 'फ्लुइडिक डायोड' (fluidic diode) कहा जाता है। ठीक वैसे ही जैसे एक इलेक्ट्रिकल डायोड करंट को केवल एक दिशा में बहने देता है, यह नया उपकरण तरल को कागज के माध्यम से आगे तो बहने देता है, लेकिन इसे पीछे की ओर बहने से रोकता है। इन डायोडों को एक क्रम में व्यवस्थित करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जहाँ विभिन्न तरल पदार्थों को एक के बाद एक, एक सटीक क्रम में पहुँचाया जा सकता है, और यह सब एक ही छोटी पट्टी के भीतर संभव है। यह नवाचार एक सरल, एकल-चरण वाले परीक्षण को एक परिष्कृत, बहु-चरणीय नैदानिक उपकरण में बदल देता है, जो मूल पट्टी की तरह ही उपयोग करने और बनाने में आसान बना रहता है।

इस आविष्कार का मूल आधार सामग्रियों का एक चतुर संयोजन है जो भौतिक दीवारों के बजाय सतह के तनाव (surface tension) का उपयोग करके तरल का मार्गदर्शन करता है। एक पारंपरिक माइक्रोफ्लुइडिक डिवाइस में, तरल को रोकने के लिए प्लास्टिक या कांच में चैनल उकेरे जाते हैं। यहाँ, शोधकर्ताओं ने दो पेपर पैड के बीच एक पुल बनाया है, जिसमें एक पतली प्लास्टिक शीट का उपयोग किया गया है, जिससे कागज और प्लास्टिक के बीच हवा का एक सूक्ष्म, अदृश्य अंतराल रह जाता है। जब तरल पहले पैड में प्रवेश करता है, तो उसे पानी और प्लास्टिक की सतहों के बीच प्राकृतिक आकर्षण द्वारा इस अंतराल के पार खींचा जाता है, जिससे वह सुचारू रूप से अगले पैड में प्रवाहित होता है। हालाँकि, यदि कोई दूसरे पैड से तरल को पीछे धकेलने की कोशिश करता है, तो डिवाइस की ज्यामिति बदल जाती है। तरल एक तीखे किनारे और एक हाइड्रोफोबिक (hydrophobic), यानी पानी को दूर भगाने वाली सतह से टकराता है जो एक 'स्टॉप साइन' की तरह कार्य करती है। तरल उस किनारे पर रुक जाता है और विपरीत दिशा में इस अंतराल को पार नहीं कर पाता। यह एकतरफा व्यवहार पूरी तरह से निष्क्रिय है; इसके लिए किसी चलते हुए पुर्जे, बिजली या बाहरी नियंत्रण की आवश्यकता नहीं है।

यह अवधारणा काम करती है या नहीं, इसे सिद्ध करने के लिए टीम ने विभिन्न तरल मिश्रणों के साथ व्यक्तिगत डायोड का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि जब तरल को शुरुआती पैड पर लगाया गया, तो वह हवा के अंतराल को पार कर तीन सेकंड से भी कम समय में अगले पैड तक पहुँच गया। जब उन्होंने तरल को पीछे धकेलने की कोशिश की, तो वह वहीं रुका रहा, जिसे स्टॉप-वाल्व की ज्यामिति ने दबाव के बावजूद मजबूती से थामे रखा। डिवाइस चिकित्सा परीक्षणों में पाए जाने वाले सामान्य एडिटिव्स, जैसे कि सर्फेक्टेंट्स (surfactants) को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत साबित हुआ, जो तरल को समान रूप से फैलने में मदद करने के लिए उपयोग किए जाने वाले रसायन हैं। इन एडिटिव्स के साथ भी, तरल तेजी से आगे बढ़ा लेकिन पीछे की ओर नहीं बढ़ा, जिससे पुष्टि हुई कि डायोड वास्तविक परिस्थितियों में विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकता है।

इस तकनीक की असली शक्ति तब सामने आई जब शोधकर्ताओं ने कई डायोड को एक श्रृंखला में जोड़ा। उन्हें आपस में जोड़कर, उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई जहाँ तरल एक खंड से दूसरे खंड में एक सख्त अनुक्रम में जा सकता था। इन कैस्केडेड असेंबली में, अलग-अलग रंग के तरल पदार्थ अलग-अलग समय पर पेश किए गए। पहला तरल आगे बढ़ा, फिर रुक गया, और दूसरे तरल के डाले जाने की प्रतीक्षा करने लगा। फिर दूसरा तरल आगे बढ़ा, जिसने पहले वाले को बिना मिश्रित किए आगे धकेल दिया। इसने प्रदर्शित किया कि यह डिवाइस अभिकर्मकों (reagents) को एक विशिष्ट क्रम में वितरित कर सकता है, जो एक क्षमता है जो जटिल विनिर्माण या उपयोगकर्ता हस्तक्षेप के बिना एक मानक पेपर स्ट्रिप में पहले असंभव थी।

शोधकर्ताओं ने इस तकनीक को SARS-CoV-2 के परीक्षण के लिए लागू किया, जो COVID-19 का कारण बनने वाला वायरस है। उन्होंने एक परीक्षण पट्टी बनाई जहाँ नमूना और पहचान के रसायन सही समय तक अलग रखे गए। पहले, रोगी का नमूना लगाया गया और वह टेस्ट लाइन तक पहुँचा। फिर, डिटेक्शन केमिकल वाला दूसरा तरल डाला गया, जो डायोड के माध्यम से प्रवाहित हुआ और नमूने के साथ प्रतिक्रिया की। इस दो-चरणीय प्रक्रिया ने टेस्ट को एक मानक स्ट्रिप की तुलना में अधिक जटिल बाइंडिंग रिएक्शन करने की अनुमति दी। परिणाम आश्चर्यजनक थे: नए दो-चरणीय टेस्ट ने पारंपरिक टेस्ट की तुलना में, जो बिल्कुल समान रसायनों का उपयोग करता है, ढाई गुना अधिक मजबूत सिग्नल उत्पन्न किया। मजबूत सिग्नल यह सुझाव देता है कि यह विधि वायरस का पता निचले स्तरों पर भी लगा सकती है, जिससे यह परीक्षण अधिक संवेदनशील बन जाता है।

शायद इस खोज का सबसे महत्वपूर्ण पहलू यह है कि इसे बनाना कितना आसान है। फ्लुइडिक डायोड के लिए महंगी मशीनरी या सटीक इंजीनियरिंग की आवश्यकता नहीं है। क्योंकि तरल का मार्गदर्शन सामग्रियों के सतही गुणों द्वारा किया जाता है न कि उकेरे गए चैनलों द्वारा, इसलिए इन घटकों को वर्तमान टेस्ट स्ट्रिप्स की तरह ही समतल परतों में असेंबल किया जा सकता है। इन परतों को उन्हीं उच्च-गति वाली मशीनों का उपयोग करके व्यक्तिगत पट्टियों में काटा जा सकता है जिनका कारखाने पहले से ही उपयोग करते हैं। इसका अर्थ है कि इस तकनीक को मौजूदा विनिर्माण बुनियादी ढांचे को फिर से बनाए बिना बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए तैयार किया जा सकता है। एक साधारण पेपर स्ट्रिप को जटिल, समयबद्ध प्रतिक्रियाओं में सक्षम डिवाइस में बदलकर, यह कार्य अधिक शक्तिशाली नैदानिक उपकरणों की ओर एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है जो किफायती और सुलभ बने रहते हैं।