An integrated photonic crystal and magnetic bead aggregation technique to enhancement fluorescence on magnetic bead surface for low bead number detection

आधुनिक चिकित्सा के शांत कोनों में, रक्त के विशाल महासागर में बीमारी के एक एकल अणु को खोजने की क्षमता, बीमारी को जल्दी पकड़ने और उसे बहुत देर से खोजने के बीच का अंतर है। दशकों से, वैज्ञानिक इम्युनोअसे (immunoassay) नामक एक विधि पर भरोसा करते आए हैं, जो अनिवार्य रूप से एक खोज और पकड़ने का खेल है। वे सूक्ष्म, विशिष्ट कणों का उपयोग करते हैं जो विशिष्ट प्रोटीनों के लिए चुंबक की तरह कार्य करते हैं, जैसे कि वे प्रोटीन जो शरीर द्वारा संक्रमण या कैंसर से लड़ने के दौरान छोड़े जाते हैं। एक बार जब ये कण लक्षित प्रोटीन को पकड़ लेते हैं, तो उन्हें एक चमकते हुए रसायन के साथ टैग किया जाता है जो सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे चमक उठता है, जिससे प्रोटीन की उपस्थिति का पता चलता है। हालाँकि, जब बीमारी के प्रोटीन की मात्रा अविश्वसनीय रूप से कम होती है—इतनी कम कि यह पिकोग्राम, या एक ग्राम के खरबवें हिस्से की सीमा में मौजूद होती है—तो वह चमक अक्सर देखने के लिए बहुत धुंधली होती है, जिससे परीक्षण बीमारी के शुरुआती संकेतों को देखने में अंधा रह जाता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग उपकरणों की ओर रुख किया है: कणों को एक घने समूह में इकट्ठा करने के लिए चुंबकीय बल, और एक विशेष सतह जो उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को प्रवर्धित (amplify) कर सकती है।

नेशनल चियाओ टंग यूनिवर्सिटी, ताइवान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन दोनों दृष्टिकोणों को एक एकल, एकीकृत प्रणाली में संयोजित किया है जिसे अदृश्य को देखने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उनका कार्य माउस इंटरल्यूकिन-1 बीटा (mouse interleukin-1 beta) का पता लगाने पर केंद्रित है, जो एक प्रोटीन है जो सूजन के मार्कर के रूप में कार्य करता है, और इसके लिए उन्होंने एक तकनीक का उपयोग किया है जिसे वे PCMAFLUID कहते हैं। यह विधि एक चुंबकीय बीड एग्रीगेशन (magnetic bead aggregation) तकनीक और एक फोटोनिक क्रिस्टल सतह को एक साथ लाती है। चुंबकीय बीड्स सूक्ष्म गोले हैं, जिनका व्यास छह माइक्रोमीटर है, जो एंटीबॉडी के साथ लेपित होते हैं जो लक्षित प्रोटीन को पकड़ते हैं। जब इन बीड्स वाले तरल के पास एक चुंबक रखा जाता है, तो यह उन्हें एक घने ढेर में खींच लेता है, जिससे सिग्नल केंद्रित हो जाता है। प्रणाली का दूसरा भाग एक फोटोनिक क्रिस्टल है, जो सूक्ष्म खांचों वाली एक सतह है। यह पैटर्न विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelengths) के साथ प्रतिध्वनित होने के लिए इंजीनियर किया गया है, ठीक वैसे ही जैसे एक गिटार का तार एक विशिष्ट स्वर पर कंपन करता है। जब बीड्स को चमकाने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्रकाश इस पैटर्न वाली सतह से टकराता है, तो सतह प्रकाश को प्रवर्धित कर देती है, जिससे बीड्स सामान्य कांच की स्लाइड की तुलना में बहुत अधिक चमकते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि कौन सा सेटअप बेहतर काम करता है, इस प्रणाली का परीक्षण करने के लिए दो अलग-अलग सेटअप बनाए। पहले सेटअप में, उन्होंने एक मानक कांच की स्लाइड का उपयोग किया, जो एक नियंत्रण (control) के रूप में कार्य करती थी। दूसरे में, उन्होंने फोटोनिक क्रिस्टल सतह से बनी स्लाइड का उपयोग किया। उन्होंने विभिन्न सांद्रता (concentrations) वाले नमूनों को पेश किया, जिसमें उच्च स्तर से लेकर बीमारी के शुरुआती चरणों में पाए जाने वाले अत्यंत निम्न स्तर तक शामिल थे। इसके बाद उन्होंने एक कस्टम-निर्मित सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करके चुंबकीय बीड्स को स्लाइड की सतह पर खींचा और परिणामी चमक को मापा। परिणामों ने दिखाया कि केवल चुंबक के साथ बीड्स को इकट्ठा करने से महत्वपूर्ण अंतर आया। मानक कांच की स्लाइड पर, बीड्स को एक साथ खींचने से बिखरे हुए होने की तुलना में सिग्नल की चमक लगभग सात से नौ गुना बढ़ गई। इसने पुष्टि की कि बीड्स को केंद्रित करने से सूक्ष्मदर्शी उन्हें अधिक स्पष्ट रूप से देख पाता है।

हालाँकि, वास्तविक सफलता तब आई जब उन्होंने कांच की स्लाइड की तुलना फोटोनिक क्रिस्टल सतह से की। जब बीड्स को फोटोनिक क्रिस्टल पर इकट्ठा किया गया, तो प्रवर्धन प्रभाव कहीं अधिक नाटकीय था। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबकीय खिंचाव और प्रकाश-प्रवर्धक सतह के संयोजन ने उन्हें 0.0001 पिकोग्राम प्रति मिलीलीटर जितनी कम सांद्रता पर प्रोटीन का पता लगाने में सक्षम बनाया। इसके विपरीत, मानक कांच की स्लाइड पर, प्रोटीन का सिग्नल 0.01 पिकोग्राम प्रति मिलीलीटर के स्तर पर गिरने के बाद अनिवार्य रूप से गायब हो गया। इसका अर्थ है कि नई तकनीक प्रोटीन का पता लगाने में मानक विधि की तुलना में सौ गुना कम स्तर तक सक्षम है। जब टीम ने पता लगाने योग्य सीमाओं पर सिग्नल की शक्ति का विश्लेषण किया, तो उन्होंने गणना की कि फोटोनिक क्रिस्टल तकनीक ने कांच की स्लाइड के अकेले होने की तुलना में फ्लोरोसेंट सिग्नल को हज़ार गुना से अधिक बढ़ा दिया।

यह समझने के लिए कि यह वास्तव में कितना शक्तिशाली था, शोधकर्ताओं ने एक एकल चुंबकीय बीड पर ज़ूम किया। उन्होंने कांच की स्लाइड पर एक बीड से आने वाले प्रकाश को मापा और कांच की तुलना में फोटोनिक क्रिस्टल पर एक बीड के प्रकाश की तुलना की। विशेष सतह पर मौजूद बीड कांच वाले बीड की तुलना में ग्यारह गुना अधिक चमकदार था। इससे सिद्ध हुआ कि यह वृद्धि केवल एक स्थान पर अधिक बीड्स होने का परिणाम नहीं थी, बल्कि सतह स्वयं प्रत्येक व्यक्तिगत बीड को अधिक तीव्रता से चमका रही थी। अध्ययन में यह भी नोट किया गया कि जबकि चुंबकीय एकत्रीकरण (aggregation) ने सभी स्तरों पर मदद की, लेकिन फोटोंिक क्रिस्टल सबसे कम सांद्रता को देखने के लिए आवश्यक था। क्रिस्टल के बिना, प्रोटीन की सबसे सूक्ष्म मात्रा से मिलने वाला सिग्नल बैकग्राउंड शोर में खो गया था।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि चुंबकीय बीड एकत्रीकरण को फोटोनिक क्रिस्टल सतह के साथ एकीकृत करके, उन्होंने सफलतापूर्वक एक ऐसा उपकरण बनाया है जो पहचान की सीमाओं को पहले की तुलना में कहीं आगे तक ले जा सकता है। यह तकनीक केवल मौजूदा सिग्नल को तेज़ नहीं करती है; यह परीक्षण की संवेदनशीलता को मौलिक रूप से बदल देती है, जिससे बीमारी के मार्करों का उन स्तरों पर पता लगाना संभव हो जाता है जो पहले पता लगाने योग्य नहीं थे। हालांकि यह अध्ययन माउस प्रोटीन का उपयोग करके किया गया था, लेखक सुझाव देते हैं कि इस दृष्टिकोण को मानव रोग बायोमार्कर और कैंसर मार्कर के शुरुआती चरणों का पता लगाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। सबसे मंद चमक को दृश्यमान बनाकर, यह विधि बीमारियों के बढ़ने से पहले ही उनका निदान करने का एक नया मार्ग प्रदान करती है, जिससे एक सूक्ष्म सिग्नल को एक स्पष्ट, मापने योग्य उत्तर में बदला जा सकता है।