CVD Multilayer Boron Nitride-encapsulated graphene Solution-Gated Field-Effect Transistors for wearable and implantable biosensors
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध, निम्न-गुणवत्ता वाले मल्टीलेयर हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड के साथ ग्राफीन सॉल्यूशन-गेटेड फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर को एनकैप्सुलेट करना प्रभावी रूप से स्थिरता और गतिशीलता की सीमाओं को दूर करता है, जिससे पहनने योग्य और प्रत्यारोपित बायोसेंसर्स के लिए उच्च-प्रदर्शन वाली न्यूरल रिकॉर्डिंग सक्षम होती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ मानव शरीर की निगरानी भारी तारों और कठोर सेंसरों द्वारा नहीं, बल्कि उन कोमल, लचीली परतों द्वारा की जा सकती है जो त्वचा से लिपटी रहती हैं या मस्तिष्क के साथ धीरे से बैठ जाती हैं। यह पहनने योग्य (wearable) और प्रत्यारोपित (implantable) बायोसेंसर्स का वादा है, ऐसे उपकरण जिन्हें शरीर की विद्युत फुसफुसाहट को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जैसे कि हृदय की धड़कन की लय से लेकर न्यूरॉन्स के जटिल फायरिंग तक। इसे संभव बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक उल्लेखनीय सामग्री की ओर रुख किया है: ग्राफीन। यह कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत है, जो इतनी पतली है कि यह अनिवार्य रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) है, फिर भी यह अविश्वसनीय गति और संवेदनशीलता के साथ बिजली का संचालन करती है। क्योंकि यह बहुत लचीली और जैव-अनुकूल (biocompatible) है, इसे शरीर के साथ चलने वाले उपकरणों में एकीकृत किया जा सकता है, जिससे जीवित ऊतकों द्वारा अस्वीकार किए जाने का जोखिम कम हो जाता है। हालाँकि, इसमें एक पेच है। जब ग्राफीन को सीधे शरीर के नमकीन तरल पदार्थों में रखा जाता है, तो इसका प्रदर्शन गिर जाता है। तरल वातावरण विद्युत हस्तक्षेप पैदा करता है और ऐसे जाल बनाता है जो इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को धीमा कर देते हैं, जिससे सेंसर सैद्धांतिक रूप से होने की तुलना में कम संवेदनशील और अधिक शोर वाला हो जाता है।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को लंबे समय से संदेह था कि ग्राफीन को एक सुरक्षात्मक आवरण में लपेटने से इसके उच्च प्रदर्शन को बहाल किया जा सकता है। आदर्श आवरण एक सामग्री है जिसे हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड कहा जाता है, जो एक शुद्ध, अदृश्य ढाल की तरह कार्य करता है, ग्राफीन को साफ रखता है और इलेक्ट्रॉनों को बिना किसी बाधा के तेजी से गुजरने देता है। समस्या यह है कि इस ढाल के उच्चतम गुणवत्ता वाले संस्करणों को बड़े आकार में बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन और महंगा है। यह इन सेंसरों की सैद्धांतिक क्षमता और लैब में वास्तव में बनाए जा सकने वाले उपकरणों के बीच एक अंतर छोड़ देता है। प्रश्न यह बना हुआ था: क्या इस सुरक्षात्मक सामग्री का अधिक सुलभ, निम्न-गुणवत्ता वाला संस्करण भी कोई अंतर पैदा कर सकता है?
शोधकर्ताओं ने एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध, बहु-परतीय बोरान नाइट्राइड का परीक्षण करके इसका उत्तर देने का प्रयास किया, जो प्राप्त करने में आसान है। उन्होंने दो प्रकार के सेंसर बनाए: एक जहाँ ग्राफीन को तरल के संपर्क में छोड़ दिया गया था, और दूसरा जहाँ ग्राफीन को इस वाणिज्यिक बोरान नाइट्राइड की परतों के बीच सैंडविच किया गया था। उन्होंने इन उपकरणों का परीक्षण कठोर सिलिकॉन वेफर्स और लचीली प्लास्टिक फिल्मों दोनों पर किया, जो एक वास्तविक चिकित्सा प्रत्यारोपण की स्थितियों की नकल करते हैं। परिणाम स्पष्ट और उत्साहजनक थे। यहाँ तक कि निम्न-गुणवत्ता वाली, व्यावसायिक रूप से प्राप्त सामग्री के साथ भी, एनकैप्सुलेटेड (encapsulated) सेंसर खुले हुए सेंसरों की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करते थे। संरक्षित ग्राफीन के माध्यम से बहने वाला विद्युत संकेत अधिक मजबूत था, और बैकग्राउंड स्टैटिक शोर काफी कम था। व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ है कि सेंसर बहुत सूक्ष्म विद्युत संकेतों का पता लगा सकते हैं, जो मस्तिष्क कोशिकाओं की सूक्ष्म गतिविधि को सुनने के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है।
शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए गहराई से जांच की कि ऐसा क्यों हुआ। उन्होंने पाया कि सुरक्षात्मक परत ने दो महत्वपूर्ण कार्य किए। पहला, इसने ग्राफी de ग्राफीन और सिग्नल को पढ़ने वाले धातु के तारों के बीच संबंध में सुधार किया, जिससे संपर्क बिंदुओं पर प्रतिरोध कम हो गया। दूसरा, और शायद अधिक महत्वपूर्ण, इसने ग्राफीन को तरल के अराजक विद्युत वातावरण से सुरक्षित रखा, जिससे इलेक्ट्रॉन अधिक स्वतंत्र रूप से घूम सके। इसके परिणामस्वरूप सामग्री की वोल्टेज परिवर्तनों के प्रति प्रतिक्रिया करने की गति में मापने योग्य वृद्धि हुई। जब टीम ने गणना की कि इलेक्ट्रॉन कितनी तेजी से चलते हैं, तो उन्होंने पाया कि संरक्षित ग्राफीन असुरक्षित संस्करण की तुलना में काफी अधिक गतिशील था, जिससे पुष्टि हुई कि ढाल अपना काम कर रही थी, भले ही वह उपलब्ध उच्चतम शुद्धता की सामग्री न हो।
टीम केवल कठोर टेस्ट बोर्ड तक ही सीमित नहीं रही। टीम ने इन सेंसरों को लचीली पॉलीइमाइड फिल्मों पर भी बनाया, जो नरम चिकित्सा प्रत्यारोपण में उपयोग की जाने वाली सामग्री है। यहाँ, सुरक्षात्मक परत स्वयं निर्माण प्रक्रिया के लिए एक जीवन रक्षक साबित हुई। लचीले सबस्ट्रेट्स (substrates) पर, केवल लगभग 40 प्रतिशत असुरक्षित सेंसर ही निर्माण प्रक्रिया में जीवित रहे और सही ढंग से काम कर पाए। इसके विपरीत, बोरान नाइट्राइड ढाल वाले 75 प्रतिशत सेंसर कार्यात्मक रहे। यह सुझाव देता है कि एनकैप्सुलेशन न केवल विद्युत प्रदर्शन में सुधार करता है, बल्कि उपकरणों को बनाने के लिए अधिक मजबूत और विश्वसनीय भी बनाता है।
अंत में, टीम ने परीक्षण किया कि क्या ये बेहतर सेंसर वास्तव में मस्तिष्क के विद्युत संकेतों को सुन सकते हैं। उन्होंने एक कृत्रिम सिग्नल लागू किया जो न्यूरॉन फायरिंग के तीखे स्पाइक्स (spikes) की नकल करता था, जिसका आयाम 150 माइक्रोवोल्ट जितना छोटा था। बोरान नाइट्राइड ढाल वाले सेंसरों ने इन नन्हे स्पाइक्स को सफलतापूर्वक पहचान लिया, और उन्हें बैकग्राउंड शोर से स्पष्ट रूप से अलग किया। एक विशिष्ट सेंसर, जिसमें उच्चतम संवेदनशीलता थी, बार-बार इन सबसे छोटे संकेतों को भी पकड़ सका। इस प्रदर्शन ने सिद्ध किया कि यह तकनीक लैब बेंच से निकलकर वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों की ओर बढ़ने के लिए तैयार है, जो मस्तिष्क की गतिविधि को उस स्पष्टता के साथ रिकॉर्ड करने में सक्षम है जो पहले वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध सामग्रियों के साथ कठिन थी।
हालाँकि इस अध्ययन में सुरक्षात्मक सामग्री के निम्न-गुणवत्ता वाले संस्करण का उपयोग किया गया था, लेकिन इसके परिणाम संकेत देते हैं कि आगे का मार्ग आशाजनक है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि यहाँ तक कि उच्च शुद्धता वाली सामग्रियों का उपयोग करने से प्रदर्शन में और वृद्धि हो सकती है, और सुरक्षात्मक परत ऑक्सीकरण को रोककर शरीर के भीतर सेंसरों को लंबे समय तक टिके रहने में भी मदद कर सकती है। फिलहाल के लिए, यह कार्य पुष्टि करता है कि हमें अगली पीढ़ी के न्यूरल सेंसर बनाने के लिए पूर्ण, प्रयोगशाला-ग्रेड सामग्रियों की आवश्यकता नहीं है। सुलभ, वाणिज्यिक सामग्रियों का उपयोग करके ग्राफीन को सुरक्षित करने के साथ, वैज्ञानिकों ने ऐसे पहनने योग्य और प्रत्यारोपित उपकरण बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है जो मानव शरीर को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हैं, फिर भी इसके भीतर की यात्रा में जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं।
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