CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy
यह शोध पत्र एक 350 nm CMOS-आधारित ASIC प्रस्तुत करता है जो चार अलग-अलग नमूनों या नाभिकों से संकेतों को एक साथ प्राप्त करने और उन्हें मल्टीप्लेक्स करने के माध्यम से लागत प्रभावी, उच्च-थ्रूपुट NMR स्पेक्ट्रोस्कोपी को सक्षम बनाता है, जो सिग्नल एवरेजिंग के माध्यम से प्रभावी ढंग से कम किए गए प्रबंधनीय सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात क्षरण के साथ सफल मल्टी-न्यूक्लियस डिटेक्शन का प्रदर्शन करता है।
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रासायनिक विश्लेषण अक्सर समय के विरुद्ध एक दौड़ जैसा महसूस होता है, खासकर जब वैज्ञानिकों को सैकड़ों या हजारों अलग-अलग नमूनों की संरचना को समझने की आवश्यकता होती है। इस काम के लिए सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस (NMR) है, जो एक ऐसी तकनीक है जो अणुओं की सटीक संरचना को प्रकट करने के लिए मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों और रेडियो तरंगों का उपयोग करती है। यह एक सौम्य विधि है जो नमूने को नष्ट नहीं करती है, जिससे शोधकर्ता यह देख पाते हैं कि परमाणु कैसे व्यवस्थित हैं और वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। हालांकि, इस तकनीक का पारंपरिक उपयोग धीमा है। मानक मशीनें एक बार में एक ही नमूने को देखने के लिए डिज़ाइन की गई हैं, और भले ही वे कई नमूनों को देख सकें, लेकिन उन सभी को एक साथ सुनने के लिए आवश्यक उपकरण भारी, महंगे और केबलों के जाल से उलझे हुए होते हैं। यह बाधा वैज्ञानिकों की नई दवाओं की स्क्रीनिंग करने या जटिल जैविक मिश्रणों का अध्ययन करने की गति को सीमित करती है, जिससे डेटा की गुणवत्ता से समझौता किए बिना प्रक्रिया को तेज करने का एक तरीका खोजने की तत्काल आवश्यकता पैदा होती है।
जर्मनी के कार्ल्सरूहे इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है, जिसमें समानांतर पहचान (parallel detection) के लिए आवश्यक जटिल इलेक्ट्रॉनिक्स को एक छोटे से कंप्यूटर चिप में सिकोड़ दिया गया है। उनका कार्य 'मल्टीप्लेक्सिंग' नामक एक विधि पर केंद्रित है, जो कई रेडियो संकेतों को एक ही तार के माध्यम से एक ही समय में बिना एक-दूसरे के हस्तक्षेप के यात्रा करने की अनुमति देता है। इस विचार का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने मानक सिलिकॉन निर्माण तकनीक का उपयोग करके एक कस्टम चिप बनाई, जिसका माप केवल 3 मिलीमीटर द्वारा 4 मिलीमीटर है। यह छोटा उपकरण रेडियो तरंगों के लिए एक ट्रैफिक कंट्रोलर के रूप में कार्य करता है, जो चार अलग-अलग नमूना डिटेक्टरों से संकेतों को लेता है और उन्हें विश्लेषण के लिए कंप्यूटर पर भेजे जाने वाले एक एकल स्ट्रीम में संयोजित करता है। ऐसा करके, उन्होंने चार अलग-अलग रिसीवर पोर्ट और उन भारी केबल बंडलों की आवश्यकता को समाप्त कर दिया जो आमतौर पर उन्हें जोड़ते हैं, जिससे हार्डवेयर की जटिलता और लागत में चार गुना कमी आई।
शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि क्या उनका सिस्टम वास्तविक दुनिया की स्थितियों को संभाल सकता है, अपने सिस्टम का दो अलग-अलग परिदृश्यों में परीक्षण किया। पहले प्रयोग में, उन्होंने एक विशेष प्रोब का उपयोग किया जिसमें चार अलग-अलग डिटेक्टर थे, जिनमें से प्रत्येक में एक अलग तरल नमूना था। दो डिटेक्टर हाइड्रोजन परमाणुओं को सुनने के लिए ट्यून किए गए थे, जबकि अन्य दो फ्लोरीन परमाणुओं को सुनते थे। उन्होंने इस प्रोब को एक शक्तिशाली चुंबक के भीतर रखा और नमूनों को सिस्टम के माध्यम से चलाया। उनके नए चिप के बिना, मशीन को कंप्यूटर तक डेटा भेजने के लिए चार अलग-अलग केबलों की आवश्यकता होती। इसके बजाय, चिप ने सभी चार संकेतों को एक ही केबल में संयोजित कर दिया। परिणाम दर्शाते हैं कि सिस्टम ने उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम किया। कंप्यूटर संकेतों को फिर से अलग करने और सभी चार नमूनों के लिए स्पष्ट स्पेक्ट्रा उत्पन्न करने में सक्षम था। हालांकि कुछ चैनलों के लिए सिग्नल की स्पष्टता में थोड़ी गिरावट आई, जो लगभग 8 प्रतिशत से 32 प्रतिशत के बीच थी, शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल माप को दोहराने और परिणामों का औसत निकालने से गुणवत्ता को बहाल किया जा सकता है। जब उन्होंने 32 स्कैन का औसत निकाला, तो सिग्नल की गुणवत्ता में पांच गुना से अधिक सुधार हुआ, जो इस तरह की प्रक्रिया के लिए अपेक्षित सैद्धांतिक सीमा के करीब पहुंच गया।
अपने डिज़ाइन की लचीलेपन को और अधिक सिद्ध करने के लिए, टीम ने एक अलग प्रोब का उपयोग करके दूसरा प्रयोग किया जिसमें एक ही नमूना था लेकिन इसमें हाइड्रोजन और कार्बन जैसे विभिन्न प्रकार के परमाणुओं के लिए ट्यून किए गए दो कॉइल थे। इस सेटअप ने उन्हें यह परीक्षण करने की अनुमति दी कि क्या चिप एक ही समय में विभिन्न तत्वों के संकेतों को संभाल सकती है। उन्होंने इसे थोड़े छोटे चुंबक में चलाया और फिर से दो संकेतों को एक केबल में संयक्त किया। परिणामों ने पुष्टि की कि चिप सफलतापूर्वक विभिन्न परमाणु नाभिकों के संकेतों को प्रबंधित कर सकती है, भले ही वे बहुत अलग आवृत्तियों पर कंपन करते हों। सिग्नल की गुणवत्ता उच्च बनी रही, जिसमें हाइड्रोजन सिग्नल के लिए स्पष्टता की बहुत मामूली कमी और कार्बन सिग्नल के लिए लगभग नगण्य कमी देखी गई। 16 स्कैन का औसत निकालकर, उन्होंने फिर से सिग्नल की शक्ति को लगभग पूरी तरह से बहाल कर दिया, जो दर्शाता है कि सिस्टम दीर्घकालिक प्रयोगों के लिए पर्याप्त स्थिर है।
इस नई पद्धति का सबसे महत्वपूर्ण लाभ यह है कि यह समय कैसे बचाती है। पारंपरिक सेटअप में, यदि कोई वैज्ञानिक चार अलग-अलग नमोंों पर 32 माप चलाना चाहता है, तो उसे मशीन के एक नमूने को समाप्त करने, फिर दूसरे को, और इसी तरह प्रक्रिया को चार बार दोहराने के लिए इंतजार करना होगा। मल्टीप्लेक्स्ड सिस्टम के साथ, सभी चार नमूनों को उन 32 चक्रों के दौरान एक ही समय में मापा जाता है। इसका मतलब है कि प्रयोग के लिए आवश्यक कुल समय चार गुना कम हो जाता है, जो दवा खोज जैसे उच्च-थ्रूपुट कार्यों के लिए एक बड़ी उपलब्धि है। शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि उनका सिस्टम जटिल पल्स अनुक्रमों (pulse sequences) को संभाल सकता है, जैसे कि यह मापने के लिए उपयोग किए जाते हैं कि सिग्नल को अपनी विश्राम अवस्था में लौटने में कितना समय लगता है, बिना स्थिरता खोए। उन्होंने यह भी दिखाया कि वे चैनलों के बीच किसी भी मामूली हस्तक्षेप को साफ करने के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग कर सकते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि एक नमूने का डेटा दूसरे के डेटा में न मिले।
इस कार्य की सफलता यह सुझाव देती है कि न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी का भविष्य बहुत छोटे स्थानों में पैक किए गए अधिक सघन डिटेक्टर एरेज़ में शामिल हो सकता है। चूंकि चिप बहुत छोटी है और इसमें कई कार्य एकीकृत हैं, इसलिए इसे नमूने के बहुत करीब रखा जा सकता है, जिससे उस सिग्नल के नुकसान को कम किया जा जा सकता है जो आमतौर पर लंबे तारों के माध्यम से बिजली के यात्रा करने पर होता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनकी वर्तमान चिप एक मानक निर्माण प्रक्रिया से बनाई गई थी, भविष्य के संस्करणों को और भी छोटे फीचर्स के साथ बनाया जा सकता है, जिससे एक ही डिवाइस पर और भी अधिक चैनल पैक किए जा सकेंगे। यह अंततः ऐसे स्पेक्ट्रोमीटर की ओर ले जा सकता है जो एक साथ दर्जनों नमूनों का विश्लेषण कर सकें, जिससे वैज्ञानिक बड़े पैमाने पर रासायनिक स्क्रीनिंग के प्रति अपना दृष्टिकोण बदल सकेंगे। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि पारंपरिक भारी, बहु-केबल प्रणालियों की सीमाओं को दरकिनार करना संभव है, जो तेज़, अधिक कुशल और अधिक किफायती रासायनिक विश्लेषण के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है।
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