Sorry, you need to enable JavaScript to visit this website.

अति-संवेदी गॅलियम नाइट्राइड जैवसंवेदकासाठी सुधारित संगणकीय प्रतिमान

Read time: १ मिनिट
Improved Model for High-sensitivity Gallium Nitride Biosensors

Photo by PhotoMIX Company from Pexels.

विद्युतरासायनिक जैवसंवेदक अनेक पदार्थांच्या रेणूंमधून एक विशिष्ट रेणूंची संहति किती आहे ते मोजतात. हे संवेदक आपण मोजू इच्छितो त्या रेणूंच्या संहतीच्या प्रमाणात विद्युत धारा प्रवाही करतात. प्राथमिक टप्प्यांमध्ये कर्करोगाचे निदान करणे, प्रदूषणाची पातळी तपासणे, दूषित अन्न ओळखणे असे त्यांचे अनेक उपयोग आहेत. अतिघन इलेक्ट्रॉनिक सर्किट तयार करण्यासाठी गॅलियम नाइट्राइड (GaN किंवा गॅन) तुलनेने नवीन असलेली सामग्री आहे. विद्युत चलित वाहनांतील नियंत्रण सर्किट करण्यासाठी ह्या सामग्रीला पसंती असल्यामुळे गॅन तंत्रज्ञानाच्या वाढीला चालना मिळली आहे. गॅन ट्रान्सिस्टर बळकट असतात, उच्च विद्युतदाबापुढे टिकून राहतात व वेगाने स्थिती बदलू शकतात, त्यामुळे ते उच्च शक्ती आणि उच्च-वारंवारिता असलेल्या सर्किटमध्ये वापरण्यासाठी योग्य असतात. ह्याच गुणधर्मांमुळे ते विद्युतभारात झालेले छोटेसे बदल देखील टिपू शकतात, म्हणूनच विद्युतरासायनिक जैवसंवेदक तयार करण्यासाठीसुद्धा योग्य असतात.

गॅन ट्रान्सिस्टरची उत्पादन प्रक्रिया खर्चिक व क्लिष्ट असते. सदर प्रक्रिया अजून नवीन आहे आणि अजून त्यात सुधारणा होत ती विकसित होत आहे. गॅन जैवसंवेदक तयार करण्याची प्रक्रिया चुकत माकत सुधारणे खर्चिक असते. गणितीय प्रतिमाने उपयोगात आणल्यास हे टळू शकते परंतु गॅन जैवसंवेदकांसाठी अचूक प्रतिमाने अद्याप उपलब्ध नाहीत. भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधकांनी पुर्वी उपलब्ध असलेल्या प्रतिमानांपेक्षा अधिक अचूक असलेले गॅन जैवसंवेदकाचे प्रतिमान (मॉडेल) तयार केले आहे. ह्या प्रतिमानात त्यांनी ट्रान्सिस्टर व द्रावणात असलेले विश्लेष्य (म्हणजे जो जैवरेणू आपल्याला ओळखायचा आहे तो) यांच्या आंतरपृष्ठावरील विद्युतभाराचा प्रभाव लक्षात घेतला आहे, जो पुर्वीच्या प्रतिमानांमध्ये लक्षात घेतलेला नाही. त्यांच्या संशोधनाबद्दलचा लेख आयईईई सेन्सर्स लेटर्स ह्या कालिकात प्रकाशित करण्यात आला आहे.  

गॅन जैवसंवेदक जैव - उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रान्सिस्टर (जैव- एचईएमटी) ह्या तीन अग्र असलेल्या नॅनो-उपकरणावर आधारित आहे. सोअर्स (उद्गम) व ड्रेन (निर्गम) हे त्याच्या दोन अग्रांमध्ये अर्धवाहकाची बनलेली वाहिका असते, ज्यातून विद्युतप्रवाह वाहतो. तिसरा अग्र गेट (कारण हे फाटकासारखे काम करते), वाहिकेतून जाणाऱ्या विद्युतप्रवाहाचे नियंत्रण करायला उपयोगी असते. गेट वर जैवरेणू ओळखू शकणाऱ्या पदार्थाचा (संसूचक) पातळ थर दिलेला असतो, व थर दिलेले गेट विश्लेष्य-द्रावणाच्या संपर्कात येते.   विश्लेष्य व संसूचकाच्या आंतरक्रितेमुळे गेटपाशी विद्युतभार निर्माण होतो, ज्यामुळे गेटवरील विद्युतभार बदलतो व त्यामुळे वाहिकेतील विद्युतप्रवाहाची महत्ता बदलते. हा बदल द्रावणातील विश्लेष्याच्या संहतिच्या प्रमाणात असतो त्यामुळे विद्युतप्रवाहात झालेला बदल मोजल्याने विश्लेष्याची संहति किंवा पातळी समजते. “जैव- एचईएमटी मुळे विश्लेष्याच्या पातळीत झालेले सूक्ष्म बदल समजणे शक्य होते, व (रोगाची) पूर्वसूचना देणारे संसूचक बनवणे शक्य होते,” असे ह्या अभ्यासातील एक संशोधक, प्रा. सिद्धर्थ टल्लूर म्हणतात.

गेट व विश्लेष्याच्या आंतरपृष्ठावर विद्युत प्रभाराचा दुहेरी पातळ तर तयार होतो. पुर्वीची प्रतिमाने ह्या थराचे वर्णन पराविद्युत असे करतात. पराविद्युत हा विद्युतअवरोधक, किंवा विद्युतप्रवाह वाहू न शकणारा असतो व ह्यावर विद्युतभार जमा होऊ शकतो. प्रत्यक्षात प्रभाराचा दुहेरी थर विद्युत प्रभार साठवल्याप्रमाणे असतो म्हणजेच कपॅसिटर सारखा असतो. “दुहेरी थरातील प्रभाराचा परिणाम ट्रान्सिस्टरमधून वाहणाऱ्या विद्युतप्रवाहावर होत असतो. जर हा परिणाम लक्षात घेतला नाही तर विशलेष्याच्या पातळीचे अनुमान चुकीचे येऊ शकते,” असे प्रा. टल्लूर सांगतात. अपूर्ण प्रतिमानावर अवलंबून संरचित केलेले उपकरण विशलेष्याच्या पातळीतील सूक्ष्म बदल अपेक्षेप्रमाणे टिपू शकणार नाही. “अचूक प्रतिमान उपलब्ध झाल्यास रचनाकारांना उपकरणाचे प्राचलांमध्ये लहानमोठे बदल करून अगदी विनिर्देशित केल्याप्रमाणे उपकरण उत्पादन करणे शक्य होते. ह्यामुळे उपकरण विकसित करायचा खर्च कमी होतो व नवीन तंत्रज्ञान वापरात आणणे सोपे जाते,” असे प्रा टल्लूर पुढे नमूद करतात.

संशोधकांनी तयार केलेल्या प्रतिमानात त्यांनी जैवसंवेदकांचे भौतिक व विद्युत गुणधर्म, विश्लेष्याची संहती व गेट व्होल्टता लक्षात घेऊन उपकरणातून जाणारा विद्युत प्रवाह गणिताने काढण्यासाठी एक पदावली मांडली. सिलिकॉन उपकरणांसाठी वापरतात त्यासारख्याच पद्धतीचा उपयोग त्यांनी केला. हे समीकरण तयार करताना त्यांनी आंतरपृष्ठावरील विद्युत प्रभारही लक्षात घेतला. प्रतिमानाचे प्रात्यक्षिक देण्याकरता संशोधकांनी त्याचा उपयोग प्रोस्टेट स्पेसिफिक अँटिजेन (प्रोस्टेट कॅन्सर झालेला असल्यास ह्याची रक्तातील पातळी वाढते) नावाचा रेणू ओळखू शकणाऱ्या उपकरणाची कामगिरी वर्तवण्यासाठी केला. ह्या रेणूच्या बदलणाऱ्या प्रमाणानुसार गेटची व्होल्टता बदलते, त्या व्होल्टतेच्या किंमतींसाठी संशोधकांनी उपकरणातून जाणाऱ्या विद्युतधारेची किंमत काढली. 

संशोधकांनी त्यांचे प्रतिमान विधिग्राह्य करण्यासाठी, प्रतिमान वापरून काढलेल्या विद्युतधारेच्या किंमतीची तुलना आंतरपृष्ठावर विद्युत प्रभार लक्षात घेणऱ्या संगणकीय प्रतिमानाने काढलेल्या विद्युतधारेच्या किंमतीशी केली. संगणकीय प्रतिमान स्वतंत्रपणे जैवसंवेदकाच्या गुणधर्मांचे विश्लेषण करून उपकरणातून जाणऱ्या विद्युतधारेच्या किंमतीचे गणन करते. संशोधकांचे विश्लेषणात्मक प्रतिमान वापरून काढलेल्या किंमती संगणकीय प्रतिमान वापरून काढलेल्या किंमतींशी उत्तम प्रकारे जुळतात असे दिसले. 

आपण मोजू इच्छित रेणूच्या संहतीत ठराविक बदल झाल्यास विद्युत धारा किती बदलते ह्याचे मोजमाप म्हणजे संवेदिता. संशोधकांनी त्यांच्या प्रतिमानाचा उपयोग जैवसंवेदकाची संवेदिता काढण्यासाठी केला. संवेदिता अधिक म्हणजे जैवसंवेदक संहतीत झालेले छोटेसे बदलसुद्ध टिपू शकतो. त्यांच्या असे निदर्शनास आले की त्यांचे प्रतिमान वापरून काढलेली संवेदितेची किंमत पुर्वीच्या, आंतरपृष्ठीय विद्युत भार लाक्षात न घेणाऱ्या प्रतिमानांनी काढलेलल्या किंमतीपेक्षा २० % कमी आहे. काही इतर संशोधकांनी ह्यापुर्वी संशोधकांच्या उपकरणासमान असलेल्या संचासाठी प्रयोगांतून संवेदिता मोजली होती. संशोधकांनी ह्याची तुलना स्वत:चे प्रतिमान वापरून काढलेल्या संवेदितेच्या किंमतीशी केली. त्यांच्या पद्धतीने काढलेली संवेदितेच्या किंमतीत व प्रयोगांतून मोजलेल्या संवेदितेच्या किंमतीत १०% चा फरक  त्यांना आढळला.

“केवळ एक समीकरण वापरून रचनाकारांना उपकरणाची कामगिरी सुधारता येईल असे एक साधे विश्लेषणात्मक सूत्रिकरण आम्ही घेऊन आलो आहोत. रचनाकारांना उपकरणांची ईष्टतम रचना करण्यासाठी आता खर्चिक संगणकीय तंत्र वापरण्याची गरज नाही,” असे प्रा. टल्लूर म्हणतात.

संशोधक सांगतात की सदर प्रतिमान इतर प्रकारचे कॅन्सर व अगदी सुरुवातीच्या अवस्थेत विशिष्ट बायोमार्करच्या आधारे ओळखता येऊ शकतील अश्या काही इतर रोगांचे निदान करण्यासाठी विस्तारित करणे शक्य आहे. गॅलियम नाइट्राइड उपकरणे उच्च तापमान किंवा अत्यंत क्षारक अश्या प्रतिकूल परिस्थितींमध्येही काम करू शकतात. त्यामुळे भक्कम, विश्वसनीय, उच्च संवेदिता असलेले व दीर्घकाळ टिकणारे पर्यावरणीय संवेदक, उदाहरणार्थ पाण्याचा दर्जा मोजणारे किंवा कृषीक्षेत्रातील संवेदक तयार करण्यासाठी ही उपकरणे एक सबळ पर्याय आहेत.  “वेगवेगळ्या औद्योगिक क्षेत्रांमध्ये  गॅलियम नाइट्राइड चिपचा उपयोग वाढतो आहे, त्यामुळे गॅलियम नाइट्राइड वर आधारित जैवसंवेदकांच्या अनुप्रयोगांची कक्षा पुढील काही वर्षांत नक्कीच वाढेल,” अशी आशा प्रा. टल्लूर व्यक्त करतात.