Ca-Doped BaCeO₃ Nanoperovskites for Enhanced Photocatalytic Degradation and Electrochemical Detection of Trimethoprim
सॉल-जेल विधि के माध्यम से संश्लेषित कैल्शियम-डोप्ड बेरियम सेरेट (Ca–BaCeO₃) नैनोपेरोवस्काइट्स, प्रभावी दोहरी-कार्यात्मक सामग्रियां हैं जो ट्राइमेथोप्रिम के उच्च-दक्षता वाले दृश्य-प्रकाश-संचालित क्षरण को प्राप्त करते हैं और उसी फार्मास्युटिकल प्रदूषक के लिए संवेदनशील इलेक्ट्रोकेमिकल पहचान क्षमता प्रदर्शित करते हैं।
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दुनिया तेजी से उन फार्मास्यूटिकल्स से भर रही है जिन्हें प्राकृतिक रूप से तोड़ना प्रकृति के लिए कठिन है। इन स्थायी प्रदूषकों के बीच ट्राइमेथोप्रिम (trimethoprim) शामिल है, जो मनुष्यों और जानवरों में संक्रमण के इलाज के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला एक सामान्य एंटीबायोटिक है। क्योंकि यह रासायनिक रूप से स्थिर है और प्राकृतिक क्षय का विरोध करता है, यह अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों से निकलकर नदियों और भूजल में जमा हो जाता है। हालांकि यह बहुत कम मात्रा में मौजूद होता है, लेकिन इसका निरंतर उत्सर्जन पारिस्थितिक तंत्र और सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए खतरा पैदा करता है, जिससे संभावित रूप से एंटीबायोटिक-प्रतिरोधी बैक्टीरिया पनप सकते हैं और जलीय जीवन को नुकसान पहुँच सकता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक दो अलग-अलग लेकिन पूरक रणनीतियों की ओर देखते हैं: प्रदूषक को नष्ट करना और उसकी उपस्थिति का पता लगाना। एक दृष्टिकोण प्रकाश का उपयोग करके ऐसी रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करता है जो जटिल अणुओं को हानिरहित पदार्थों में तोड़ देती हैं, जिसे फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) कहा जाता है। दूसरा तरीका संवेदनशील विद्युत सेंसरों पर निर्भर करता है जो यह मापते हैं कि घोल में दवा की सटीक मात्रा कितनी है। आदर्श रूप से, एक ही सामग्री दोनों कार्य कर सकती है, जो पर्यावरणीय निगरानी और सफाई के लिए एक सुव्यवस्थित समाधान प्रदान करती है।
हाल ही में एक अध्ययन में, मैसूर विश्वविद्यालय और भारत के संबद्ध संस्थानों के शोधकर्ताओं ने इस बात की खोज की कि क्या एक विशिष्ट प्रकार का इंजीनियर क्रिस्टल इस दोहरे उद्देश्य वाले उपकरण के रूप में कार्य कर सकता है। उन्होंने बेरियम सीरेट (barium cerate) नामक एक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो अपनी स्थिरता और उत्प्रेरक गुणों के लिए जाना जाने वाला एक क्रिस्टलीय संरचना है। इसे अधिक प्रभावी बनाने के लिए, उन्होंने क्रिस्टल लैटिस में कैल्शियम की एक छोटी मात्रा डाली, जिसे डोपिंग (doping) कहा जाता है। बड़े बेरियम परमाणुओं को छोटे कैल्शियम परमाणुओं के साथ बदलकर, टीम ने एक नया पदार्थ बनाया जिसकी आंतरिक संरचना संशोधित थी। उन्होंने इन कणों को सोल-जेल (sol-gel) विधि का उपयोग करके संश्लेषित किया, जो एक ऐसी तकनीक है जिसमें रसायनों को एक तरल घोल में मिलाया जाता है ताकि एक जेल बन सके, जिसे फिर सुखाया और गर्म किया जाता है ताकि एक महीन, छिद्रपूर्ण पाउडर बनाया जा सके। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह कैल्शियम-डोप्ड संस्करण मूल सामग्री की तुलना में सूर्य के प्रकाश में ट्राइमेथोप्रिम को तोड़ने और विद्युत संकेतों के माध्यम से दवा को पहचानने, दोनों में बेहतर प्रदर्शन कर सकता है।
टीम ने अपने नए पदार्थ की संरचना की पुष्टि करने से शुरुआत की। एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करते हुए, जो ठोस के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था को प्रकट करने वाली एक तकनीक है, उन्होंने सत्यापित किया कि कैल्शियम सफलतापूर्वक क्रिस्टल संरचना में प्रवेश कर गया है और इससे कोई अवांछित अशुद्धियाँ पैदा नहीं हुई हैं। विश्लेषण ने दिखाया कि कैल्शियम परमाणुओं ने बेरियम द्वारा घेरे गए स्थानों में खुद को समाहित कर लिया, जिससे क्रिस्टल लैटिस में मामूली संकुचन आया। यह संरचनात्मक परिवर्तन महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने सामग्री के भीतर सूक्ष्म दोष और ऑक्सीजन परमाणुओं की कमी पैदा की। ये दोष विद्युत आवेशों के लिए जाल (traps) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे उन्हें बहुत जल्दी एक-दूसरे को रद्द करने से रोका जा सके। शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के तहत भी सामग्री का परीक्षण किया, जिससे पता चला कि कण नैनोस्केल आकार के थे, लगभग बीस से तीस नैनोमीटर चौड़े, और उन्होंने छिद्रपूर्ण, फूल जैसी क्लस्टर्स बनाई थी। इस छिद्रपूर्ण आकार ने एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान किया, जिससे प्रदूषकों के जुड़ने और प्रतिक्रिया करने के लिए अधिक स्थान उपलब्ध हुआ।
जब शोधकर्ताओं ने सामग्री की प्रकाश अवशोषण क्षमता का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि कैल्शियम डोपिंग ने इसकी क्षमताओं को बदल दिया है। मूल बेरियम सीरेट और नया कैल्शियम-डोप्ड संस्करण दोनों ही दृश्य क्षेत्र (visible region) में प्रकाश को अवशोषित करने में सक्षम थे, जिसमें मूल सामग्री ने 560 एनएम (nm) के आसपास एक अवशोषण एज दिखाया था। हालांकि, कैल्शियम-डोप्ड संस्करण ने 525 एनएम के पास एक स्पष्ट अवशोषण विशेषता प्रदर्शित की, जो इसके व्यवहार में बदलाव का संकेत देती है। यह बदलाव इसलिए हुआ क्योंकि संरचनात्मक दोषों ने सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा अवरोध को कम कर दिया। 2.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट के ऑप्टिकल बैंड गैप के साथ, सामग्री सौर ऊर्जा के एक व्यापक स्पेक्ट्रम का उपयोग कर सकती थी। यह परिवर्तन इसे फोटोकैटलिस्ट के रूप में इसकी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी था। सूर्य के प्रकाश के संपर्क में आने पर, सामग्री इलेक्ट्रॉनों और "होल्स" (धनात्मक आवेशों) के जोड़े उत्पन्न करती थी जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित कर सकते थे।
क्षरण (degradation) प्रयोगों में, टीम ने कैल्शियम-डोप्ड पाउडर को ट्राइमेथोप्रिम युक्त पानी में रखा और मिश्रण को प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश के संपर्क में लाया। उन्होंने इष्टतम स्थितियाँ खोजने के लिए उत्प्रेरक की मात्रा, दवा की सांद्रता, तापमान और पानी की अम्लता जैसे चरों को व्यवस्थित रूप से समायोजित किया। उन्होंने पाया कि तटस्थ pH, 40 डिग्री सेल्सियस तापमान और उत्प्रेरक की एक विशिष्ट खुराक पर, सामग्री ने उल्लेखनीय परिणाम प्राप्त किए। 45 मिनट के भीतर, इसने घोल में मौजूद ट्राइमेथोप्रिम का लगभग 96 प्रतिशत हिस्सा तोड़ दिया। यह समझने के लिए कि यह कैसे हुआ, शोधकर्ताओं ने विभिन्न प्रकार के सक्रिय प्रजातियों को बेअसर करने वाले विशिष्ट रसायनों को जोड़ा। उन्होंने पाया कि सुपरऑक्साइड रेडिकल्स (superoxide radicals), जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन अणु हैं, ने एंटीबायोटिक को नष्ट करने में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका निभाई, इसके बाद हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स और धनात्मक आवेशों का स्थान रहा। कैल्शियम डोपिंग ने इन रेडिकल्स के उत्पादन को बढ़ाया क्योंकि इसने विद्युत आवेशों को लंबे समय तक अलग रखा, जिससे वे प्रदूषक पर अधिक प्रभावी ढंग से हमला कर सके। यह सामग्री टिकाऊ भी सिद्ध हुई, जिसने लगातार पांच चक्रों तक पुन: उपयोग किए जाने के बाद भी अपना उच्च प्रदर्शन बनाए रखा।
पानी को साफ करने के अलावा, टीम ने यह जांचा कि क्या वही सामग्री ट्राइमेथोप्रिम की उपस्थिति का पता लगाने में सक्षम है। उन्होंने एक कार्बन इलेक्ट्रोड को कैल्शियम-डोप्ड पाउडर से लेपित किया और उसे दवा युक्त घोल में रखा। जब उन्होंने एक विद्युत वोल्टेज लगाया, तो सामग्री ने ट्राइमेथोप्रिम अणुओं के ऑक्सीकरण की सुविधा प्रदान की, जिससे एक मापने योग्य विद्युत धारा उत्पन्न हुई। कैल्शियम-डोप्ड इलेक्ट्रोड ने अन-डोप्ड संस्करण की तुलना में बहुत अधिक मजबूती से प्रतिक्रिया की, जिससे बहुत कम सांद्रता पर भी एक स्पष्ट संकेत प्राप्त हुआ। सेंसर थोड़े क्षारीय वातावरण में सबसे अच्छा काम करता था, जहाँ रासायनिक प्रतिक्रिया सबसे कुशलता से आगे बढ़ती है। उपकरण ने एक रैखिक प्रतिक्रिया (linear response) दिखाई, जिसका अर्थ है कि जैसे-जैसे दवा की मात्रा बढ़ी, विद्युत संकेत भी लगातार बढ़ता गया, जिससे सटीक मात्रा का निर्धारण संभव हुआ। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि सेंसर 0.03 माइक्रोमोलर जितनी कम सांद्रता पर भी ट्राइमेथोप्रिम का पता लगा सकता है, जो पर्यावरणीय नमूनों की सूक्ष्म मात्रा की निगरानी के लिए पर्याप्त संवेदनशील स्तर है।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि बेरियम सीरेट में कैल्शियम का रणनीतिक समावेश एक बहुमुखी नैनोमटेरियल बनाता है जो दो तरीकों से फार्मास्युटिकल प्रदूषण को संबोधित करने में सक्षम है। क्रिस्टल संरचना को विशिष्ट दोष उत्पन्न करने के लिए इंजीनियर करके, शोधकर्ताओं ने सूर्य के प्रकाश को ग्रहण करने और विद्युत आवेशों को स्थानांतरित करने की सामग्री की क्षमता में सुधार किया। इस संवर्धन ने सामग्री को प्राकृतिक प्रकाश के तहत एंटीबायोटिक को नष्ट करने वाले एक शक्तिशाली एजेंट और उन्हें पहचानने वाले एक अत्यधिक संवेदनशील उपकरण, दोनों के रूप में कार्य करने की अनुमति दी। यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक साधारण ऑक्साइड की आंतरिक वास्तुकला को संशोधित करने से एक दोहरे-कार्यात्मक पदार्थ प्राप्त किया जा सकता है, जो स्थायी दवाओं से दूषित पानी की निगरानी और सफाई के लिए लागत प्रभावी समाधान विकसित करने की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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