भौतिक विज्ञानी एकल-अणु रासायनिक प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करने के करीब पहुंच रहे हैं – क्या यह फार्मास्युटिकल अनुसंधान के भविष्य को आकार दे सकता है'
बाथ विश्वविद्यालय के भौतिकविदों के नेतृत्व में वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम द्वारा किए गए अभूतपूर्व नैनोटेक्नोलॉजी अनुसंधान के कारण, परमाणु स्तर पर पदार्थ को नियंत्रित करना एक बड़ा कदम है।
इस प्रगति का मौलिक वैज्ञानिक समझ पर गहरा प्रभाव है। इसके महत्वपूर्ण व्यावहारिक अनुप्रयोग भी होने की संभावना है, जैसे कि शोधकर्ताओं द्वारा नई दवाएं विकसित करने के तरीके को बदलना।
दुनिया भर की अनुसंधान प्रयोगशालाओं में एकल-परिणाम एकल-अणु प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करना अब लगभग नियमित हो गया है। उदाहरण के लिए, एक दशक से भी पहले, प्रौद्योगिकी दिग्गज आईबीएम के शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत परमाणुओं में हेरफेर करने की अपनी क्षमता का प्रदर्शन किया था एक लड़का और उसका परमाणु दुनिया की सबसे छोटी फिल्म। फिल्म में, एक साथ बंधे दो परमाणुओं से बने एकल अणुओं को 100 मिलियन गुना बढ़ाया गया था और परमाणु पैमाने पर एक स्टॉप-मोशन कहानी बताने के लिए फ्रेम-दर-फ्रेम स्थित किया गया था।
हालाँकि, कई परिणामों वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर नियंत्रण हासिल करना मायावी बना हुआ है। यह मायने रखता है क्योंकि आम तौर पर रासायनिक प्रतिक्रिया के केवल कुछ परिणाम ही उपयोगी होते हैं।
उदाहरण के लिए, दवा संश्लेषण के दौरान, एक रासायनिक प्रक्रिया जिसके परिणामस्वरूप 'चक्रीकरण' होता है, वांछित चिकित्सीय यौगिक का उत्पादन करता है जबकि 'पोलीमराइजेशन', एक अन्य परिणाम, अवांछित उपोत्पादों की ओर ले जाता है।
वांछित परिणामों के पक्ष में प्रतिक्रियाओं को सटीक रूप से नियंत्रित करने और अवांछित उपोत्पादों को कम करने में सक्षम होने से फार्मास्युटिकल प्रक्रियाओं की दक्षता और स्थिरता में सुधार का वादा किया जाता है।
स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी
नया अध्ययन, आज प्रतिष्ठित जर्नल में प्रकाशित हुआ प्रकृति संचारपहली बार प्रदर्शित करने के लिए तैयार किया गया कि प्रतिस्पर्धी रासायनिक प्रतिक्रिया परिणामों को स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) के परमाणु रिज़ॉल्यूशन का उपयोग करके प्रभावित किया जा सकता है।
पारंपरिक सूक्ष्मदर्शी नमूनों को बड़ा करने के लिए प्रकाश और लेंस का उपयोग करते हैं, जिससे हम उन्हें नग्न आंखों या कैमरे से देख सकते हैं। हालाँकि, जब परमाणुओं और अणुओं की बात आती है, जो दृश्य प्रकाश की सबसे छोटी तरंग दैर्ध्य से भी छोटे होते हैं, तो पारंपरिक तरीके कम पड़ जाते हैं।
इन छोटे क्षेत्रों का पता लगाने के लिए, वैज्ञानिक एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप की ओर रुख करते हैं, जो एक रिकॉर्ड प्लेयर की तरह काम करता है।
एक टिप के साथ जो एक परमाणु के बराबर बारीक हो सकती है, स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप किसी सामग्री की सतह पर चलते हैं, प्रत्येक बिंदु को मैप करने के लिए विद्युत प्रवाह जैसे गुणों को मापते हैं। हालाँकि, रिकॉर्ड प्लेयर सुई की तरह टिप को सतह में दबाने के बजाय, टिप इसके ऊपर केवल एक परमाणु की चौड़ाई तक घूमती है।
जब किसी शक्ति स्रोत से जुड़ा होता है, तो इलेक्ट्रॉन सिरे से नीचे की ओर यात्रा करते हैं और परमाणु के आकार के अंतराल में एक क्वांटम छलांग लगाते हैं। टिप सतह के जितना करीब होगी, करंट उतना ही मजबूत होगा; यह जितना दूर होगा, धारा उतनी ही कमजोर होगी। टिप की दूरी और करंट के बीच यह अच्छी तरह से परिभाषित संबंध माइक्रोस्कोप को विद्युत प्रवाह की ताकत के आधार पर परमाणु या अणु की सतह को मापने और मैप करने की अनुमति देता है। जैसे ही टिप सतह पर घूमती है, यह सतह की एक सटीक, लाइन-दर-लाइन छवि बनाती है, जो पारंपरिक प्रकाश सूक्ष्मदर्शी के लिए अदृश्य विवरणों को प्रकट करती है।
एकल-अणु प्रतिक्रियाएँ
स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप की परमाणु परिशुद्धता का उपयोग करके, वैज्ञानिक एक अणु की सतह की मैपिंग से आगे बढ़ सकते हैं – वे एकल परमाणुओं और अणुओं दोनों को पुनर्स्थापित कर सकते हैं, और व्यक्तिगत अणुओं में विशिष्ट प्रतिक्रिया मार्गों की संभावना को प्रभावित और माप सकते हैं।
समझाते हुए, भौतिकी विभाग से अध्ययन का नेतृत्व करने वाली डॉ क्रिस्टीना रुसिमोवा ने कहा: “आमतौर पर, एसटीएम तकनीक का उपयोग व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं को पुनर्स्थापित करने के लिए किया जाता है, जिससे लक्षित रासायनिक इंटरैक्शन सक्षम हो जाते हैं, फिर भी प्रतिस्पर्धी परिणामों के साथ प्रतिक्रियाओं को निर्देशित करने की क्षमता एक चुनौती बनी हुई है। ये अलग-अलग परिणाम क्वांटम यांत्रिकी द्वारा नियंत्रित कुछ संभावनाओं के साथ होते हैं – बल्कि आणविक पासे को घुमाने की तरह।
“हमारे नवीनतम शोध से पता चलता है कि एसटीएम लक्षित ऊर्जा इंजेक्शन के माध्यम से चुनिंदा चार्ज राज्यों और विशिष्ट अनुनादों में हेरफेर करके प्रतिक्रिया परिणामों की संभावना को नियंत्रित कर सकता है।”
भौतिकी विभाग के वरिष्ठ व्याख्याता और अध्ययन के सह-लेखक डॉ. पीटर स्लोअन ने कहा: “हमने टोल्यूनि अणुओं में इलेक्ट्रॉनों को इंजेक्ट करने के लिए एसटीएम टिप का उपयोग किया, जिससे रासायनिक बंधन टूटने लगे और या तो पास की साइट पर स्थानांतरित हो गए, या अवशोषण.
“हमने पाया कि इन दो परिणामों का अनुपात इंजेक्ट किए गए इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा द्वारा नियंत्रित किया गया था। इस ऊर्जा निर्भरता ने हमें सटीक द्वारा निर्देशित एक मध्यवर्ती आणविक राज्य के लक्षित “हीटिंग” के माध्यम से प्रत्येक प्रतिक्रिया परिणाम की संभावना पर नियंत्रण प्राप्त करने की अनुमति दी ऊर्जा सीमाएँ और आणविक बाधाएँ।”
शोध प्रकाशन के पहले लेखक, भौतिकी के पीएचडी उम्मीदवार पीटर कीनन ने कहा: “यहां कुंजी परीक्षण प्रतिक्रियाओं के लिए समान प्रारंभिक स्थितियों को बनाए रखना था – सटीक इंजेक्शन साइट और उत्तेजना स्थिति से मेल खाना – और फिर पूरी तरह से ऊर्जा के आधार पर परिणामों को अलग करना इंजेक्ट किए गए इलेक्ट्रॉन.
“ऊर्जा इनपुट के प्रति एक अणु की प्रतिक्रिया के भीतर, अलग-अलग प्रतिक्रिया बाधाएं प्रतिक्रिया परिणाम संभावनाओं को संचालित करती हैं। केवल ऊर्जा इनपुट को बदलने से हमें, उच्च परिशुद्धता के साथ, प्रतिक्रिया परिणाम को दूसरे की तुलना में अधिक संभावित बनाने की अनुमति मिलती है – इस तरह से हम 'लोड' कर सकते हैं आणविक पासा''
जर्मनी में पॉट्सडैम विश्वविद्यालय के प्रोफेसर टिलमैन क्लैमरोथ ने कहा: “यह अध्ययन प्रायोगिक परिशुद्धता के साथ उन्नत सैद्धांतिक मॉडलिंग को जोड़ता है, जिससे आणविक ऊर्जा परिदृश्य के आधार पर प्रतिक्रियाओं की संभावनाओं की अग्रणी समझ बनती है। यह नैनो टेक्नोलॉजी में आगे बढ़ने का मार्ग प्रशस्त करता है।”
आगे देखते हुए, डॉ रुसिमोवा ने कहा: “बुनियादी और व्यावहारिक विज्ञान दोनों में अनुप्रयोगों के साथ, यह प्रगति पूरी तरह से प्रोग्राम करने योग्य आणविक प्रणालियों की दिशा में एक बड़े कदम का प्रतिनिधित्व करती है। हम उम्मीद करते हैं कि इस तरह की तकनीकें आणविक विनिर्माण में नई सीमाएं खोलेंगी, चिकित्सा में नवाचारों के द्वार खोलेंगी।” स्वच्छ ऊर्जा, और उससे भी आगे।”
शोध को रॉयल सोसाइटी और इंजीनियरिंग एंड फिजिकल साइंस रिसर्च काउंसिल (ईपीएसआरसी) द्वारा वित्त पोषित किया गया था।
