High Sensitivity Hemoglobin Biosensing Using a Plus Shaped Gold Metasurface Refractive Index Sensor

एक अस्पताल की प्रयोगशाला की शांत गूँज में, रक्त की एक बूंद अक्सर एक ऐसी कहानी बताती है जिसे डॉक्टर तुरंत सुनना चाहते हैं। उस कहानी के सबसे महत्वपूर्ण पात्रों में से एक हीमोग्लोबिन है, जो लाल रक्त कोशिकाओं में मौजूद वह प्रोटीन है जो ऑक्सीजन ले जाता है। जब इसका स्तर बहुत कम हो जाता है, तो यह एनीमिया का संकेत देता है; जब इसमें अन्य तरीकों से उतार-चढ़ाव होता है, तो यह हृदय या फेफड़ों की समस्याओं की ओर इशारा कर सकता है। पारंपरिक रूप से, इस प्रोटीन को मापने के लिए एक नमूने को लैब में एक बड़ी मशीन में भेजना आवश्यक होता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो सटीक तो है लेकिन धीमी है और भारी उपकरणों पर निर्भर है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस स्तर को बिना किसी रासायनिक टैग या लेबल के, केवल रक्त के साथ प्रकाश की अंतःक्रिया के माध्यम से तुरंत मापने का तरीका खोजते रहे हैं। इस खोज ने शोधकर्ताओं को मेटासरफेस की दुनिया को एक्सप्लोर करने के लिए प्रेरित किया है, जो सूक्ष्म आकृतियों के साथ पैटर्न वाली सामग्री की अत्यंत पतली परतें होती हैं। इन संरचनाओं को प्रकाश को छोटे स्थानों में फँसाने और केंद्रित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे पास में मौजूद किसी भी अणु के साथ तीव्र अंतःक्रिया उत्पन्न होती है। यह देखकर कि जब प्रकाश किसी विशिष्ट पदार्थ को छूता है तो वह कैसे बदलता है, शोधकर्ता उल्लेखनीय सटीकता के साथ उस पदार्थ की उपस्थिति और सांद्रता का पता लगा सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ऐसे सेंसर के लिए एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है, जो हीमोग्लोबिन का पता लगाने के लिए प्लस (+) के आकार की सोने की सतह का उपयोग करता है। उनके आविष्कार का मूल एक कंप्यूटर मॉडल पर निर्मित एक स्तरित संरचना है। सबसे नीचे जर्मेनियम एंटीमनी टेल्यूरियम नामक एक विशेष सामग्री से बनी एक आधार परत है, जो दो अलग-अलग भौतिक अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकती है: एक जो अव्यवस्थित (disordered) है और दूसरी जो व्यवस्थित (ordered) है। इसके ऊपर सोने की एक पतकी परत है, जिसे प्लस के आकार के रेसोनेटर्स के ग्रिड में पैटर्न किया गया है। अंत में, एक ठोस सोने की परत सबसे नीचे एक दर्पण के रूप में कार्य करती है ताकि प्रकाश नीचे से गुजर न सके। शोधकर्ताओं ने सिम्युलेशन के माध्यम से यह जांचा कि यह संरचना मानव रक्त में पाए जाने वाले विभिन्न सांद्रता के हीमोग्लोबिन के संपर्क में आने पर कैसा व्यवहार करेगी। उन्होंने पाया कि सेंसर प्लस आकृतियों के छोटे अंतराल और कोनों में प्रकाश को फँसाकर काम करता है, जिससे ऊर्जा के तीव्र क्षेत्र बनते हैं जहाँ हीमोग्लोबिन के अणुओं को प्रकाश द्वारा "महसूस" किया जा सके।

अध्ययन से पता चला कि सेंसर का प्रदर्शन काफी हद तक इसके नीचे की सामग्री की अवस्था और परतों की सटीक मोटाई पर निर्भर करता है। जब आधार सामग्री अपनी क्रिस्टलीय, व्यवस्थित अवस्था में होती है, तो सेंसर अव्यवस्थित, अनाकार (amorphous) अवस्था की तुलना में काफी अधिक संवेदनशील हो जाता है। सिमुलेशन में, क्रिस्टलीय संस्करण ने अपवर्तनांक (refractive index) की प्रति इकाई 766.67 नैनोमीटर प्रति यूनिट की संवेदनशीलता के साथ रक्त के गुणों में परिवर्तन का पता लगाया, जबकि अनाकार संस्करण 700 नैनोमीटर तक पहुँचा। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि सेंसर सबसे अच्छा काम करता है जब आधार परत 0.6 माइक्रोमीटर मोटी हो और सोने की पैटर्न वाली परत 0.3 माइक्रोमीटर मोटी हो। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि सेंसर प्रकाश के विभिन्न कोणों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है और पाया कि यह डिज़ाइन सुदृढ़ बना रहता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जैसे-जैसे हीमोग्लोबिन की सांद्रता बढ़ी, प्रकाश का विशिष्ट रंग जिसे सेंसर अवशोषित करता है, एक अनुमानित तरीके से बदल गया, जो 0.902 माइक्रोमीटर से 0.968 माइक्रोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) की ओर बढ़ गया। यह बदलाव एक स्पष्ट संकेत के रूप में कार्य करता है कि सेंसर प्रोटीन का पता लगा रहा है।

शोधकर्ताओं ने अपने डिज़ाइन की तुलना पहले से प्रकाशित अन्य सेंसरों से की। जबकि कुछ पुराने डिज़ाइन परिवर्तनों का पता लगा सकते थे, नए प्लस-आकार के गोल्ड मेटासरफेस ने सांद्रता के छोटे अंतर को पहचानने की अपनी क्षमता में एक स्पष्ट लाभ दिखाया। टीम ने उल्लेख किया कि यह सेंसर फ्लोरोसेंट रंगों या अन्य मार्करों के साथ अणुओं को लेबल किए बिना हीमोग्लोबिन के विभिन्न स्तरों के बीच अंतर करने में सक्षम है। इलेक्ट्रिक फील्ड सिमुलेशन ने पुष्टि की कि प्रकाश प्लस आकृतियों के किनारों और कोनों पर तीव्रता से केंद्रित होता है, जिससे "हॉट स्पॉट्स" बनते हैं जहाँ रक्त के साथ अंतःक्रिया सबसे मजबूत होती है। ऊर्जा का यह संकेंद्रण सेंसर को वातावरण में उन सूक्ष्म परिवर्तनों को पकड़ने की अनुमति देता है जिन्हें कम केंद्रित डिज़ाइन मिस कर सकते हैं। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि सोने और स्विच करने योग्य आधार सामग्री का यह विशिष्ट संयोजन कॉम्पैक्ट, उच्च-गति वाले चिकित्सा उपकरणों के निर्माण की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है। यह कार्य सुझाव देता है कि ऐसे सेंसर को अंततः पॉइंट-ऑफ-केयर डायग्नोस्टिक्स के उपकरण के रूप में विकसित किया जा सकता है, जो जटिल प्रयोगशाला विश्लेषण की शक्ति को एक डॉक्टर के कार्यालय या क्लिनिक के आकार तक ले आता है, बशर्ते कि डिज़ाइन को वास्तविक दुनिया में सफलतापूर्वक बनाया और परीक्षण किया जाए।