A recognition-enhanced colorimetric sensor based on molecularly imprinted CoFe LDH nanozymes for detection of enrofloxacin in real water samples

पानी हमारे ग्रह का जीवन रक्त है, लेकिन यह एक ऐसा स्थान भी है जहाँ हमारे द्वारा उपयोग किए जाने वाले रसायन जमा हो सकते हैं। ऐसा ही एक रसायन एनरोफ्लोक्सासिन (enrofloxacin) है, जो पशुधन और जलीय कृषि में संक्रमण के इलाज के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला एक शक्तिशाली एंटीबायोटिक है। हालांकि यह जानवरों को स्वस्थ रखने में मदद करता है, लेकिन यह दवा अक्सर खाद और अपशिष्ट जल के माध्यम से नदियों और झीलों में पहुँच जाती है। चूंकि यह बहुत धीरे-धीरे टूटता है, इसलिए यह पर्यावरण में जमा हो सकता है, जिससे पारिस्थितिकी तंत्र को नुकसान पहुँच सकता है और यह खाद्य श्रृंखला में प्रवेश कर सकता है। इन अवशेषों का पता लगाना जल गुणवत्ता की सुरक्षा के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन वर्तमान विधियाँ अक्सर धीमी, महंगी होती हैं और उनके लिए जटिल प्रयोगशाला उपकरणों की आवश्यकता होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इसे जल्दी पहचानने का एक सरल तरीका खोज रहे हैं, आदर्श रूप से एक ऐसी विधि जो उपस्थिति दर्शाने के लिए रंग बदल सके, बिल्कुल लिटमस टेस्ट की तरह, लेकिन जिसमें हजारों अन्य रसायनों में से एक विशिष्ट रसायन को अलग करने की क्षमता हो।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो वैज्ञानिक विचारों के चतुर संयोजन की ओर रुख किया है: नैनोजाइम (nanozymes) और आणविक छाप (molecular imprinting)। एक नैनोजाइम एक छोटा, मानव-निर्मित कण होता है जो प्राकृतिक एंजाइम की तरह कार्य करता है, जिससे रासायनिक प्रतिक्रियाएं तेज होती हैं। इस मामले में, वैज्ञानिकों ने कोबाल्ट और आयरन से बनी एक सामग्री का उपयोग किया जो एक प्राकृतिक उत्प्रेरक (catalyst) की तरह व्यवहार करती है, जो हाइड्रोजन पेरोक्साइड के साथ मिलने पर एक स्पष्ट तरल को नीला बना देती है। हालांकि, ये नैनोजाइम आमतौर पर बहुत अधिक प्रतिक्रियाशील होते; वे लक्षित प्रदूषक और अन्य समान दिखने वाले रसायनों के बीच अंतर नहीं कर पाते हैं। यहीं पर आणविक छाप काम आता है। कल्पना कीजिए कि किसी विशिष्ट वस्तु का सांचा लिया जाता है, उस वस्तु को हटा दिया जाता है, और पीछे एक ऐसा खांचा छोड़ दिया जाता है जो उस वस्तु में पूरी तरह फिट बैठता है। एक पॉलीमर कोटिंग में इन सूक्ष्म, आकार-विशिष्ट छिद्रों को बनाकर, वैज्ञानिक एक ऐसा सेंसर बना सकते हैं जो केवल लक्षित अणु को पकड़ता है और बाकी सबको अनदेखा कर देता है।

हाल ही में एक अध्ययन में, हेनान पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी और जियांगसू यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन अवधारणाओं को मिलाकर एनरोफ्लोक्सासिन के लिए एक नया सेंसर बनाया। उन्होंने कोबाल्ट-आयरन लेयर्ड डबल हाइड्रॉक्साइड के छोटे, गोलाकार कण उगाने से शुरुआत की, जो प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने की क्षमता के लिए जानी जाने वाली सामग्री है। फिर उन्होंने इन कणों को चिटोसन (chitosan) की एक पतली परत से ढका, जो समुद्री जीवों से प्राप्त एक प्राकृतिक पॉलीमर है, और इसे ग्लूटारल्डिहाइड के साथ क्रॉस-लिंक किया। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने कोटिंग प्रक्रिया के दौरान मिश्रण में एनरोफ्लोक्सासिन मिलाया। जैसे ही कणों के चारों ओर पॉलीमर बना, एनरोफ्लोक्सासिन के अणुओं ने एक टेम्पलेट के रूप में कार्य किया, जिससे कोटिंग में विशिष्ट पॉकेट या खांचे बने जो दवा के आकार और आकार से मेल खाते थे। एक बार जब कोटिंग ठोस हो गई, तो शोधकर्ताओं ने एनरोफ्लोक्सासिन को धोकर निकाल दिया, जिससे नैनोजाइम की सतह पर खाली, पूरी तरह से आकार के छेद रह गए।

पता लगाने की प्रक्रिया एक भौतिक अवरोध (physical blockage) पर निर्भर करती है। एनरोफ्लोक्सासिन की अनुपस्थिति में, सेंसर के खाली खांचे खुले दरवाजे की तरह कार्य करते हैं, जिससे हाइड्रोजन पेरोक्साइड को कोटिंग के माध्यम से सक्रिय कोबाल्ट-आयरन कोर तक पहुँचने की अनुमति मिलती है। वहां, कोर एक ऐसी प्रतिक्रिया शुरू करता है जिससे टीएमबी (TMB) नामक एक स्पष्ट रसायन गहरे नीले रंग का हो जाता है। हालांकि, जब पानी में एनरोफ्लोक्सासिन मौजूद होता है, तो वह उन विशिष्ट खांचों में फिसल जाता है, जो ताले में चाबी की तरह सटीक रूप से फिट बैठता है। यह क्रिया दरवाजे को भौतिक रूप से अवरुद्ध कर देती है, जिससे हाइड्रोजन पेरोक्साइड को कोर तक पहुँचने से रोका जा जाता है। परिणामस्वरूप, नीला रंग विकसित नहीं होता है, या बहुत हल्का विकसित होता है। पानी में जितना अधिक एनरोफ्लोक्सासिन होगा, उतने ही अधिक खांचे भर जाएंगे, और नीला रंग उतना ही कम दिखाई देगा। रंग की तीव्रता में यह परिवर्तन नमूने में मौजूद दवा की मात्रा का सीधा, दृश्य माप प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने इस सेंसर का कठोर सटीकता के साथ परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि यह 0.03 माइक्रोमोल जितनी कम सांद्रता में भी एनरोफ्लोक्सासिन का पता लगा सकता है, और इसकी रैखिक प्रतिक्रिया (linear response) 0.19 से 50 माइक्रोमोल तक है। इसका मतलब है कि सेंसर दवा की बहुत कम मात्रा को पहचानने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है और उच्च सांद्रता होने पर भी सटीक रूप से काम करता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि सेंसर केवल किसी भी रसायन पर प्रतिक्रिया नहीं दे रहा है, उन्होंने अन्य एंटीबायोटिक्स और समान अणुओं के विरुद्ध इसका परीक्षण किया। सेंसर अन्य समान दिखने वाले अणुओं के प्रति अप्रतिक्रियाशील रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि आणविक छाप ने सामग्री को सफलतापूर्वक केवल एनरोफ्लोक्सासिन को पहचानने के लिए प्रशिक्षित किया है। अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि सेंसर भौतिक रूप से प्रतिक्रिया पथ को बाधित करके काम करता है, न कि उत्प्रेरक को रासायनिक रूप से नष्ट करके या उसके स्वभाव को बदलकर।

अंत में, टीम ने सेंसर को लैब से निकालकर वास्तविक दुनिया में उतारा। उन्होंने यांग्त्ज़ी और येलो रिवर सिस्टम के साथ-साथ पशुपालन फार्मों और अस्पतालों से पानी के नमूने एकत्र किए। हर मामले में, सेंसर ने एनरोफ्लोक्सासिन की मात्रा को सटीक रूप से मापा, जिसमें रिकवरी दर 98.6% और 104% के बीच थी। जटिल, गंदे पानी के नमूनों में सटीकता का यह उच्च स्तर बताता है कि यह विधि क्षेत्र में उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है। सेंसर पुन: प्रयोज्य (reusable) भी है; खांचों से एनरोफ्लोक्सासिन को धोकर निकाला जा सकता है, जिससे सामग्री को दवा का पता लगाने की अपनी क्षमता खोए बिना फिर से उपयोग किया जा सकता है। यह कार्य जल गुणवत्ता की निगरानी के लिए एक आशाजनक, लागत प्रभावी उपकरण प्रदान करता है, जो महंगी मशीनरी या अत्यधिक विशिष्ट प्रशिक्षण की आवश्यकता के बिना एंटीबायोटिक प्रदूषण पर कड़ी नज़र रखने का एक तरीका प्रदान करता है।