नैनोसेंसर

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नैनोसेंसर नैनोपैमाना उपकरण हैं जो भौतिक मात्राओं को मापते हैं और इन्हें उन संकेतों में परिवर्तित करते हैं जिनका पता लगाया जा सकता है और उनका विश्लेषण किया जा सकता है। नैनोसेंसर बनाने के लिए आज कई विधियां प्रस्तावित हैं; इनमें अधोशीर्ष लिथोग्राफी, ऊर्ध्‍वगामी समन्वायोजन, ऊर्ध्‍वगामी समन्वायोजन और आणविक स्व-समन्वायोजन सम्मिलित हैं।[1] बाजार में विभिन्न प्रकार के नैनोसेंसर हैं और विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए विकसित किए जा रहे हैं, विशेष रूप से रक्षा, पर्यावरण और स्वास्थ्य देखभाल उद्योगों में है। ये संवेदक एक ही मूल कार्यप्रवाह साझा करते हैं: एक विश्लेषण का चयनात्मक बंधन, जैव तत्व के साथ नैनोसेंसर के अन्योन्यक्रिया से संकेत संतति, और उपयोगी मापीय में संकेत के प्रक्रमण।

विशेषताएं

नैनो पदार्थ आधारित संवेदक में पारंपरिक पदार्थ से बने संवेदक की तुलना में संवेदनशीलता और विशिष्टता में कई लाभ होते हैं, क्योंकि नैनो पदार्थ में नैनो पदार्थ की विशेषताएं स्थित नहीं होती हैं जो नैनोपैमाना पर उत्पन्न होती हैं।[2] नैनोसेंसरों की विशिष्टता बढ़ सकती है क्योंकि वे प्राकृतिक जैविक प्रक्रियाओं के समान पैमाने पर कार्य करते हैं, रासायनिक और जैविक अणुओं के साथ कार्यात्मककरण की अनुमति देते हैं, मान्यता घटनाओं के साथ जो पता लगाने योग्य भौतिक परिवर्तन का कारण बनते हैं। नैनो पदार्थ के उच्च सतह-से-मात्रा अनुपात के साथ-साथ नैनो पदार्थ के उपन्यास भौतिक गुणों से संवेदनशीलता में वृद्धि का पता लगाने के लिए आधार के रूप में उपयोग किया जा सकता है, जिसमें नैनो फोटोनिक्स भी सम्मिलित है। नैनोसेंसर को मूल प्रसंस्करण क्षमता को नैनोसेंसर में जोड़ने के लिए नैनोसेंसर को संभावित रूप से नैनो इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ एकीकृत किया जा सकता है।[3]: 4–10 

उनकी संवेदनशीलता और विशिष्टता के अतिरिक्त, नैनोसेंसर लागत और प्रतिक्रिया समय में महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करते हैं, जिससे वे उच्च-साद्यांत अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो जाते हैं। क्रोमैटोग्राफी और स्पेक्ट्रोमिकी जैसे पारंपरिक पता लगाने की विधियों की तुलना में नैनोसेंसर वास्तविक समय की देख रेख प्रदान करते हैं। इन पारंपरिक विधियों से परिणाम प्राप्त करने में कई दिनों से लेकर सप्ताहों तक का समय लग सकता है और प्रायः पूंजी लागत में निवेश के साथ-साथ प्रतिदर्श तैयार करने के लिए समय की आवश्यकता होती है।[4][5][6][7]

बल्क या पतली फिल्म तलीय उपकरणों की तुलना में नैनोसेंसर में उपयोग के लिए नैनोतार और अतिसूक्ष्म परिनालिका जैसे एक-आयामी नैनो पदार्थ ठीक रूप से अनुकूल हैं। वे संकेत संचारित करने के लिए पारक्रमित्र और तार दोनों के रूप में कार्य कर सकते हैं। उनका उच्च सतह क्षेत्र एक विश्लेषण के बंधन में बड़े संकेत परिवर्तन का कारण बन सकता है। उनका छोटा आकार एक छोटे उपकरण में व्यक्तिगत रूप से पता करने योग्य संवेदक इकाइयों के व्यापक बहुसंकेतन को सक्षम कर सकता है। विश्लेष्य पर प्रतिदीप्त या रेडियोधर्मी लेबल की आवश्यकता नहीं होने के अर्थ में उनका संचालन भी लेबल मुक्त है।[3]: 12–26  जिंक ऑक्साइड नैनो तार का उपयोग गैस संवेदन अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है, यह देखते हुए कि यह परिवेशी परिस्थितियों में गैस की कम सांद्रता के प्रति उच्च संवेदनशीलता प्रदर्शित करता है और इसे कम लागत के साथ सरलता से बनाया जा सकता है।[8]

नैनोसेंसर के लिए कई आक्षेप हैं, जिनमें बहाव और दूषण से बचना, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य अंशांकन विधियों का विकास करना, एक उचित विश्लेषण एकाग्रता प्राप्त करने के लिए पूर्वसंकेंद्रण और पृथक्करण विधियों को लागू करना जो संतृप्ति से बचा जाता है, और एक विश्वसनीय निर्माण योग्य विधि से संवेदक पैकेज के अन्य तत्वों के साथ नैनोसेंसर को एकीकृत करना।[3]: 4–10  क्योंकि नैनोसेंसर एक अपेक्षाकृत नवीन तकनीक है, नैनो विष विज्ञान के संबंध में कई अनुत्तरित प्रश्न हैं, जो वर्तमान में जैविक प्रणालियों में उनके अनुप्रयोग को सीमित करते हैं।

नैनोसेंसर के लिए संभावित अनुप्रयोगों में औषधि, दूषित पदार्थों और रोगजनकों का पता लगाना और निर्माण प्रक्रियाओं और परिवहन प्रणालियों की देख रेख करना सम्मिलित है।[3]: 4–10  भौतिक गुणों (मात्रा, एकाग्रता, विस्थापन (सदिश) और वेग, गुरुत्वाकर्षण बल, विद्युत क्षेत्र, और चुंबकीय क्षेत्र बल, दबाव, या तापमान) में परिवर्तन को मापने के द्वारा नैनोसेंसर आणविक स्तर पर कुछ कोशिकाओं के बीच अंतर करने और शरीर में विशिष्ट स्थानों पर औषधि देने या विकास की देख रेख करने में सक्षम हो सकते हैं।[9] संकेत पारक्रमण का प्रकार नैनोसेंसर के लिए प्रमुख वर्गीकरण प्रणाली को परिभाषित करता है। कुछ मुख्य प्रकार के नैनोसेंसर पठन दर्श में प्रकाशिक, यांत्रिक, कंपनिक या विद्युत चुम्बकीय सम्मिलित हैं।[10]

वर्गीकरण के एक उदाहरण के रूप में, आणविक रूप से अंकित पॉलिमर (एमआईपी) का उपयोग करने वाले नैनोसेंसर को तीन श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है, जो विद्युत रासायनिक, दाब वैद्युत संवेदक या स्पेक्ट्रोमिकी संवेदक हैं। विद्युत रासायनिक संवेदक संवेदन पदार्थ के विद्युत रासायनिक गुणों में बदलाव लाते हैं, जिसमें आवेश का घनत्व , चालकता ( विद्युत् अपघट्य) और विद्युतीय संभाव्यता सम्मिलित हैं। दाब वैद्युत संवेदक या तो यांत्रिक बल को विद्युत बल में परिवर्तित करते हैं या इसके विपरीत। यह बल तब एक संकेत में पारक्रमित्र होता है। एमआईपी स्पेक्ट्रमी संवेदक को तीन उपश्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है, जो कि रासायनिक संदीप्ति संवेदक, सतह प्लासमॉन अनुनाद संवेदक और रोशनी संवेदक हैं। जैसा कि नाम से ही पता चलता है, ये संवेदक रासायनिक संदीप्ति, प्रतिध्वनि और प्रतिदीप्ति के रूप में प्रकाश आधारित संकेत उत्पन्न करते हैं। जैसा कि उदाहरणों द्वारा वर्णित किया गया है, संवेदक किस प्रकार के परिवर्तन का पता लगाता है और किस प्रकार का संकेत देता है यह संवेदक के प्रकार पर निर्भर करता है[11]

एक सामान्य नैनोसेंसर कार्यप्रवाह का अवलोकन।

संचालन के तंत्र

ऐसे कई तंत्र हैं जिनके द्वारा एक मान्यता घटना पारक्रमित्र को मापने योग्य संकेत में बदल सकती है; आम तौर पर, ये चुनिंदा बाध्य विश्लेषण का पता लगाने के लिए नैनोमटेरियल संवेदनशीलता और अन्य अद्वितीय गुणों का लाभ उठाते हैं।

विद्युत रासायनिक नैनोसेंसर एक विश्लेषण के बंधन पर नैनो पदार्थ में विद्युत प्रतिरोध और चालन परिवर्तन का पता लगाने पर आधारित होते हैं, जो बिखरने या आवेश वाहकों की कमी या संचय में परिवर्तन के कारण होता है। एक संभावना नैनो तारों जैसे कार्बन अतिसूक्ष्म परिनालिका क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर, प्रवाहकीय पॉलिमर, या धातु ऑक्साइड नैनो तारों को क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर में गेट के रूप में उपयोग करने की है, हालांकि 2009 तक उन्हें वास्तविक दुनिया की स्थितियों में प्रदर्शित नहीं किया गया था।[3]: 12–26  रासायनिक नैनोसेंसर में एक रासायनिक पहचान प्रणाली (रिसेप्टर) और एक फिजियोकेमिकल पारक्रमित्र होता है, जिसमें रिसेप्टर विद्युत संकेतों का उत्पादन करने के लिए विश्लेषण के साथ संपर्क करता है।[12] एक मामले में,[13] रिसेप्टर के साथ विश्लेषण की अन्योन्यक्रिया पर, नैनोपोरस पारक्रमित्र में प्रतिबाधा में बदलाव आया था जिसे संवेदक संकेत के रूप में निर्धारित किया गया था। अन्य उदाहरणों में विद्युत चुम्बकीय या प्लास्मोनिक्स नैनोसेंसर, स्पेक्ट्रमी नैनोसेंसर जैसे सतह-वर्धित रमन स्पेक्ट्रोमिकी, मैग्नेटोइलेक्ट्रॉनिक या स्पिंट्रोनिक्स नैनोसेंसर और यांत्रिक नैनोसेंसर सम्मिलित हैं।[3]: 12–26 

जैविक नैनोसेंसर में बायो-रिसेप्टर और पारक्रमित्र होते हैं। उच्च संवेदनशीलता और माप की सापेक्ष सरलता के कारण पसंद की पारगमन विधि वर्तमान में प्रतिदीप्ति है।[14][15] निम्नलिखित विधियों का उपयोग करके माप प्राप्त किया जा सकता है: सक्रिय नैनोकणों को सेल के भीतर सक्रिय प्रोटीन से बांधना, संकेतक प्रोटीन का उत्पादन करने के लिए साइट-निर्देशित उत्परिवर्तन का उपयोग करना, वास्तविक समय माप की अनुमति देना, या अटैचमेंट साइट्स के साथ नैनो पदार्थ (जैसे नैनोफाइबर) बनाना बायो-रिसेप्टर्स के लिए[14]भले ही विद्युत रासायनिक नैनोसेंसर का उपयोग intracellular गुणों को मापने के लिए किया जा सकता है, वे आमतौर पर जैविक माप के लिए कम चयनात्मक होते हैं, क्योंकि उनमें जैव-रिसेप्टर्स (जैसे एंटीबॉडी, डीएनए) की उच्च विशिष्टता का अभाव होता है।[16][14]

नैदानिक ​​रूप से प्रासंगिक नमूनों की सांद्रता को निर्धारित करने के लिए फोटोनिक्स उपकरणों का उपयोग नैनोसेंसर के रूप में भी किया जा सकता है। इन सेंसरों के संचालन का एक सिद्धांत एक हाइड्रोजेल फिल्म वॉल्यूम के रासायनिक मॉडुलन पर आधारित है जिसमें फाइबर ब्रैग झंझरी सम्मिलित है। जैसे ही रासायनिक उत्तेजना पर हाइड्रोजेल सूज जाता है या सिकुड़ जाता है, ब्रैग झंझरी रंग बदल देती है और विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को अलग कर देती है। विवर्तित प्रकाश को लक्ष्य विश्लेषण की सांद्रता के साथ सहसंबद्ध किया जा सकता है।[17] एक अन्य प्रकार का नैनोसेंसर वह है जो वर्णमिति आधार के माध्यम से कार्य करता है। यहां, विश्लेषण की उपस्थिति एक दृश्य रंग परिवर्तन होने के लिए एक रासायनिक प्रतिक्रिया या रूपात्मक परिवर्तन का कारण बनती है। ऐसा ही एक अनुप्रयोग यह है कि भारी धातुओं का पता लगाने के लिए सोने के नैनोकणों का उपयोग किया जा सकता है।[18] वर्णमिति परिवर्तन द्वारा कई हानिकारक गैसों का भी पता लगाया जा सकता है, जैसे व्यावसायिक रूप से उपलब्ध / ड्रेजर-ट्यूब/सैंपलिंग-ट्यूब-एंड-सिस्टम ड्रेगर ट्यूब। ये भारी, लैब-स्केल सिस्टम के लिए एक विकल्प प्रदान करते हैं, क्योंकि इन्हें पॉइंट-ऑफ-सैंपल उपकरणों के लिए उपयोग करने के लिए छोटा किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, कई रसायनों को पर्यावरण संरक्षण एजेंसी द्वारा विनियमित किया जाता है और यह सुनिश्चित करने के लिए व्यापक परीक्षण की आवश्यकता होती है कि संदूषण का स्तर उचित सीमा के भीतर है। वर्णमिति नैनोसेंसर कई संदूषकों के ऑन-साइट निर्धारण के लिए एक विधि प्रदान करते हैं।[19][20][21]


उत्पादन की विधि

निर्मित नैनोसेंसर की विशेषताओं को निर्धारित करने में उत्पादन पद्धति एक केंद्रीय भूमिका निभाती है जिसमें नैनोकणों की सतह को नियंत्रित करके नैनोसेंसर का कार्य किया जा सकता है। नैनोसेंसर के निर्माण में दो मुख्य दृष्टिकोण हैं: अधोशीर्ष विधियाँ, जो बड़े पैमाने पर उत्पन्न पैटर्न से शुरू होती हैं, और फिर सूक्ष्म स्तर तक कम हो जाती हैं। ऊर्ध्‍वगामी विधियां परमाणुओं या अणुओं से शुरू होती हैं जो नैनोस्ट्रक्चर तक बनते हैं।

ऊपर से नीचे की विधि

लिथोग्राफी

इसमें कुछ पदार्थ के एक बड़े ब्लॉक के साथ शुरुआत करना और वांछित रूप को तराशना सम्मिलित है। ये नक्काशीदार उपकरण, विशेष रूप से विशिष्ट एमईएमएस संवेदक पीढ़ियों में उपयोग किए जाने वाले माइक्रोसेंसर के रूप में उपयोग किए जाते हैं, आमतौर पर केवल सूक्ष्म पैमाने के आकार तक पहुंचते हैं, लेकिन इनमें से सबसे हाल ही में नैनोसाइज्ड घटकों को सम्मिलित करना शुरू कर दिया है।[1]सबसे आम विधि में से एक को इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी कहा जाता है। हालांकि बहुत महंगा है, यह तकनीक प्रभावी रूप से दो आयामी सतह पर गोलाकार या दीर्घवृत्ताकार भूखंडों का वितरण करती है। एक अन्य विधि इलेक्ट्रोडपोजिशन है, जिसमें लघु उपकरणों का उत्पादन करने के लिए प्रवाहकीय तत्वों की आवश्यकता होती है।[22]


फाइबर खींच रहा है

नैनो-आकार के पैमाने प्राप्त करने के लिए, इस विधि में गर्म होने पर फाइबर के प्रमुख धुरी को फैलाने के लिए एक तनाव उपकरण का उपयोग करना सम्मिलित है। प्रकाशिक-फाइबर-आधारित नैनोसेंसर विकसित करने के लिए प्रकाशिक फाइबर में इस विधि का विशेष रूप से उपयोग किया जाता है।[16]


रासायनिक नक़्क़ाशी

रासायनिक नक़्क़ाशी के दो अलग-अलग प्रकार बताए गए हैं। टर्नर विधि में, हाइड्रोफ्लुओरिक अम्ल और एक कार्बनिक overlayer के बीच मेनिस्कस में रखे जाने पर एक फाइबर को एक बिंदु पर उकेरा जाता है। इस तकनीक को बड़े टेपर कोणों के साथ तंतुओं का उत्पादन करने के लिए दिखाया गया है (इस प्रकार फाइबर की नोक तक पहुंचने वाली रोशनी बढ़ जाती है) और पुलिंग विधि के बराबर टिप व्यास। दूसरी विधि ट्यूब नक़्क़ाशी है, जिसमें हाइड्रोजिन फ्लोराइड के एकल-घटक समाधान के साथ एक प्रकाशिक फाइबर की नक़्क़ाशी सम्मिलित है। कार्बनिक क्लैडिंग (फाइबर ऑप्टिक्स) से घिरे एक सिलिका फाइबर को पॉलिश किया जाता है और हाइड्रोफ्लोरिक एसिड के एक कंटेनर में एक छोर रखा जाता है। इसके बाद एसिड आवरण को नष्ट किए बिना फाइबर की नोक को खोदना शुरू कर देता है। जैसे ही सिलिका फाइबर उकेरा जाता है, पॉलिमर क्लैडिंग एक दीवार के रूप में कार्य करता है, हाइड्रोफ्लोरिक एसिड में माइक्रोक्यूरेंट्स बनाता है, जो केशिका क्रिया के साथ मिलकर फाइबर को बड़े, चिकने टेपर्स के साथ शंकु के आकार में खोदने का कारण बनता है। यह विधि टर्नर विधि की तुलना में पर्यावरणीय मापदंडों के प्रति बहुत कम संवेदनशीलता दिखाती है।[16]


ऊर्ध्‍वगामी विधि

इस प्रकार की विधियों में संवेदक को छोटे घटकों, आमतौर पर व्यक्तिगत परमाणुओं या अणुओं से जोड़ना सम्मिलित होता है। यह परमाणुओं को विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित करके किया जाता है, जिसे परमाणु बल माइक्रोस्कोपी के उपयोग के माध्यम से प्रयोगशाला परीक्षणों में प्राप्त किया गया है, लेकिन अभी भी बड़े पैमाने पर हासिल करना मुश्किल है और आर्थिक रूप से व्यवहार्य नहीं है।

स्व-समन्वायोजन

"ग्रोइंग" के रूप में भी जाना जाता है, इस विधि में प्रायः घटकों का एक पहले से ही पूरा सेट सम्मिलित होता है जो स्वचालित रूप से एक तैयार उत्पाद में खुद को इकट्ठा कर लेता है। एक प्रयोगशाला में एक वांछित संवेदक के लिए इस प्रभाव को सटीक रूप से पुन: पेश करने में सक्षम होने का अर्थ यह होगा कि वैज्ञानिक प्रत्येक संवेदक को मैन्युअल रूप से इकट्ठा करने के बजाय बहुत से अणुओं को बहुत कम या बिना किसी बाहरी प्रभाव के खुद को इकट्ठा करने की अनुमति देकर नैनोसेंसर का निर्माण अधिक तेज़ी से और संभावित रूप से कहीं अधिक सस्ते में कर सकते हैं। .

यद्यपि पारंपरिक निर्माण तकनीक कुशल साबित हुई है, उत्पादन पद्धति में और सुधार से लागत में कमी और प्रदर्शन में वृद्धि हो सकती है। वर्तमान उत्पादन विधियों के साथ आक्षेपों में असमान वितरण, आकार और नैनोकणों का आकार सम्मिलित है, जो सभी प्रदर्शन में सीमा का कारण बनते हैं। 2006 में, बर्लिन में शोधकर्ताओं ने नैनोस्फीयर लिथोग्राफी (एनएसएल) के साथ निर्मित एक उपन्यास डायग्नोस्टिक नैनोसेंसर के अपने आविष्कार का पेटेंट कराया, जो नैनोकणों के आकार और आकार पर सटीक नियंत्रण की अनुमति देता है और नैनो द्वीप बनाता है। धात्विक नैनोइसलैंड्स ने संकेत पारक्रमण में वृद्धि की और इस प्रकार संवेदक की संवेदनशीलता में वृद्धि हुई। परिणामों ने यह भी दिखाया कि डायग्नोस्टिक नैनोसेंसर की संवेदनशीलता और विशिष्टता नैनोकणों के आकार पर निर्भर करती है, जो कि नैनोकणों के आकार को कम करने से संवेदनशीलता बढ़ जाती है।[22]


अनुप्रयोग

1999 में जॉर्जिया तकनीकी संस्थान के शोधकर्ताओं द्वारा सिंथेटिक नैनोसेंसर के पहले कार्यकाजी उदाहरणों में से एक का निर्माण किया गया था।[23] इसमें कार्बन अतिसूक्ष्म परिनालिका के अंत में एक कण को ​​​​जोड़ना और कण के साथ और उसके बिना अतिसूक्ष्म परिनालिका के प्रतिध्वनि को मापना सम्मिलित था। दो आवृत्तियों के बीच विसंगति ने शोधकर्ताओं को संलग्न कण के द्रव्यमान को मापने की अनुमति दी।[1]

तब से, अनुसंधान की बढ़ती मात्रा नैनोसेंसरों में चली गई है, जिससे कई अनुप्रयोगों के लिए आधुनिक नैनोसेंसर विकसित किए गए हैं। वर्तमान में, बाजार में नैनोसेंसर के अनुप्रयोगों में सम्मिलित हैं: स्वास्थ्य सेवा, रक्षा और सैन्य, और अन्य जैसे कि भोजन, पर्यावरण और कृषि।[24]

नैनोसेंसर के वर्तमान उद्योग अनुप्रयोगों का संक्षिप्त विवरण।[citation needed]

रक्षा और सैन्य

समग्र रूप से नैनो विज्ञान के रक्षा और सैन्य क्षेत्र में कई संभावित अनुप्रयोग हैं- जिनमें रासायनिक पहचान, परिशोधन और फोरेंसिक सम्मिलित हैं। रक्षा अनुप्रयोगों के विकास में कुछ नैनोसेंसरों में विस्फोटक या जहरीली गैसों का पता लगाने के लिए नैनोसेंसर सम्मिलित हैं। इस प्रकार के नैनोसेंसर इस सिद्धांत पर कार्य करते हैं कि गैस के अणुओं को उनके द्रव्यमान के आधार पर अलग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, दाब वैद्युत सेंसर। यदि डिटेक्टर की सतह पर एक गैस अणु का अधिशोषण होता है, तो क्रिस्टल की अनुनाद आवृत्ति में परिवर्तन होता है और इसे विद्युत गुणों में परिवर्तन के रूप में मापा जा सकता है। इसके अतिरिक्त, तनाव नापने का यंत्र के रूप में उपयोग किए जाने वाले क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर, जहरीली गैसों का पता लगा सकते हैं यदि उनके गेट को उनके प्रति संवेदनशील बनाया जाए।[25] एक समान अनुप्रयोग में, नैनोसेंसर का उपयोग सैन्य और कानून प्रवर्तन कपड़ों और गियर में किया जा सकता है। नेवी रिसर्च लेबोरेटरी के इंस्टीट्यूट फॉर नैनोसाइंस ने नैनोफोटोनिक्स में आवेदन और जैविक पदार्थ की पहचान के लिए क्वांटम डॉट्स का अध्ययन किया है। पॉलिमर और अन्य रिसेप्टर अणुओं के साथ स्तरित नैनोकणों को जहरीली गैसों जैसे विश्लेषणों द्वारा संपर्क किए जाने पर रंग बदल जाएगा।[25]यह उपयोगकर्ता को सचेत करता है कि वे खतरे में हैं। अन्य परियोजनाओं में उपयोगकर्ता के स्वास्थ्य और विटल्स के बारे में जानकारी रिले करने के लिए बॉयोमेट्रिक्स संवेदक के साथ कपड़े एम्बेड करना सम्मिलित है,[25]जो युद्ध में सैनिकों की देख रेख के लिए उपयोगी होगा।

आश्चर्यजनक रूप से, रक्षा और सैन्य उपयोग के लिए नैनोसेंसर बनाने में कुछ सबसे चुनौतीपूर्ण पहलू तकनीकी के बजाय राजनीतिक प्रकृति के हैं। कई अलग-अलग सरकारी एजेंसियों को बजट आवंटित करने और जानकारी साझा करने और परीक्षण में प्रगति के लिए मिलकर कार्य करना चाहिए; इतने बड़े और जटिल संस्थानों के साथ यह मुश्किल हो सकता है। इसके अतिरिक्त, वीजा और आप्रवास स्थिति विदेशी शोधकर्ताओं के लिए एक मुद्दा बन सकती है - क्योंकि विषय वस्तु बहुत संवेदनशील है, कभी-कभी सरकारी मंजूरी की आवश्यकता हो सकती है।[26] अंत में, संवेदक उद्योग में नैनोसेंसर परीक्षण या अनुप्रयोगों पर वर्तमान में ठीक रूप से परिभाषित या स्पष्ट नियम नहीं हैं, जो कार्यान्वयन की कठिनाई में योगदान देता है।

भोजन और पर्यावरण

नैनोसेंसर खाद्य प्रसंस्करण, कृषि, वायु और जल गुणवत्ता देख रेख, ​​और पैकेजिंग और परिवहन सहित खाद्य और पर्यावरण क्षेत्रों के भीतर विभिन्न उप-क्षेत्रों में सुधार कर सकते हैं। उनकी संवेदनशीलता, साथ ही साथ उनकी ट्यूनेबिलिटी और परिणामी बाध्यकारी चयनात्मकता के कारण, नैनोसेंसर बहुत प्रभावी हैं और इन्हें विभिन्न प्रकार के पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। नैनोसेंसर के ऐसे अनुप्रयोग कई प्रकार के पर्यावरण प्रदूषकों के सुविधाजनक, तीव्र और अति संवेदनशील मूल्यांकन में मदद करते हैं।[27] रासायनिक संवेदक भोजन के नमूने से गंध का विश्लेषण करने और वायुमंडलीय गैसों का पता लगाने के लिए उपयोगी होते हैं। इलेक्ट्रॉनिक नाक को 1988 में पारंपरिक संवेदक का उपयोग करके खाद्य नमूनों की गुणवत्ता और ताजगी निर्धारित करने के लिए विकसित किया गया था, लेकिन हाल ही में नैनो पदार्थ के साथ संवेदन फिल्म में सुधार किया गया है। एक प्रतिदर्श एक कक्ष में रखा जाता है जहां वाष्पशील यौगिक गैस चरण में केंद्रित हो जाते हैं, जिससे गैस को कक्ष के माध्यम से सुगंध को संवेदक तक ले जाने के लिए पंप किया जाता है जो इसके अद्वितीय फिंगरप्रिंट को मापता है। नैनो पदार्थ का उच्च सतह क्षेत्र से आयतन अनुपात विश्लेष्य के साथ अधिक अन्योन्यक्रिया की अनुमति देता है और नैनोसेंसर का तेज प्रतिक्रिया समय हस्तक्षेप करने वाली प्रतिक्रियाओं को अलग करने में सक्षम बनाता है।[28] गैसीय अणुओं के विभिन्न गुणों का पता लगाने के लिए कैमिरेज़िस्टर #कार्बन अतिसूक्ष्म परिनालिका का उपयोग करके रासायनिक संवेदक भी बनाए गए हैं। कई कार्बन अतिसूक्ष्म परिनालिका आधारित संवेदक उनकी संवेदनशीलता का लाभ उठाते हुए क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के रूप में डिजाइन किए गए हैं। इन अतिसूक्ष्म परिनालिका की विद्युत चालकता आवेश ट्रांसफर और अन्य अणुओं द्वारा रासायनिक डोपिंग के कारण बदल जाएगी, जिससे उनका पता लगाया जा सकेगा। उनकी चयनात्मकता को बढ़ाने के लिए, इनमें से कई में एक प्रणाली सम्मिलित होती है जिसके द्वारा नैनोसेंसर को दूसरे अणु के लिए एक विशिष्ट पॉकेट बनाने के लिए बनाया जाता है। कार्बन अतिसूक्ष्म परिनालिका का उपयोग गैसीय अणुओं के आयनीकरण को समझने के लिए किया गया है जबकि टाइटेनियम से बने अतिसूक्ष्म परिनालिका को आणविक स्तर पर हाइड्रोजन की वायुमंडलीय सांद्रता का पता लगाने के लिए नियोजित किया गया है।[29][30] इनमें से कुछ को फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर के रूप में डिजाइन किया गया है, जबकि अन्य प्रकाशिक संवेदन क्षमताओं का लाभ उठाते हैं। वर्णक्रमीय बदलाव या प्रतिदीप्ति मॉडुलन के माध्यम से चयनात्मक विश्लेषण बंधन का पता लगाया जाता है।[31] इसी प्रकार, फ्लड एट अल। दिखाया है कि सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान होस्ट-गेस्ट केमिस्ट्री रमन स्पेक्ट्रोमिकी का उपयोग करके मात्रात्मक संवेदन प्रदान करती है[32] साथ ही सतह संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोमिकी ।[33] क्वांटम डॉट्स और सोने के नैनोकण सहित अन्य प्रकार के नैनोसेंसर वर्तमान में पर्यावरण में प्रदूषकों और विषाक्त पदार्थों का पता लगाने के लिए विकसित किए जा रहे हैं। ये नैनोपैमाना पर उत्पन्न होने वाले स्थानीयकृत सतह समतल (एलएसपीआर) का लाभ उठाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप तरंग दैर्ध्य विशिष्ट अवशोषण होता है।[34] यह एलएसपीआर स्पेक्ट्रम विशेष रूप से संवेदनशील है, और नैनोकणों के आकार और पर्यावरण पर इसकी निर्भरता का उपयोग प्रकाशिक संवेदक डिजाइन करने के लिए विभिन्न विधियों से किया जा सकता है। एलएसपीआर स्पेक्ट्रम शिफ्ट का लाभ उठाने के लिए जो तब होता है जब अणु नैनोपार्टिकल से जुड़ते हैं, उनकी सतहों को यह निर्धारित करने के लिए क्रियाशील किया जा सकता है कि कौन से अणु बंधेंगे और प्रतिक्रिया को ट्रिगर करेंगे।[35] पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के लिए, क्वांटम डॉट सतहों को एंटीबॉडी के साथ संशोधित किया जा सकता है जो विशेष रूप से सूक्ष्मजीवों या अन्य प्रदूषकों से जुड़ते हैं। स्पेक्ट्रोमिकी का उपयोग तब इस स्पेक्ट्रम बदलाव को देखने और इसकी मात्रा निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है, जिससे अणुओं के क्रम में संभावित रूप से सटीक पता लगाया जा सकता है।[35]इसी प्रकार, प्रतिदीप्त सेमीकंडक्टिंग नैनोसेंसर प्रकाशिक डिटेक्शन हासिल करने के लिए फोर्स्टर रेजोनेंस एनर्जी ट्रांसफर (FRET) का लाभ उठा सकते हैं। क्वांटम डॉट्स को दाताओं के रूप में उपयोग किया जा सकता है, और स्वीकर्ता अणुओं के पास स्थित होने पर इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना ऊर्जा को स्थानांतरित कर देगा, इस प्रकार उनकी प्रतिदीप्ति खो जाएगी। इन क्वांटम डॉट्स को यह निर्धारित करने के लिए क्रियाशील किया जा सकता है कि कौन से अणु बंधेंगे, जिस पर प्रतिदीप्ति को बहाल किया जाएगा। सोने के नैनोपार्टिकल-आधारित प्रकाशिक संवेदक का उपयोग भारी धातुओं का सटीक पता लगाने के लिए किया जा सकता है; उदाहरण के लिए, पारा का स्तर 0.49 नैनोमीटर जितना कम होता है। यह संवेदन मोडैलिटी FRET का लाभ उठाती है, जिसमें धातुओं की उपस्थिति क्वांटम डॉट्स और गोल्ड नैनोकणों के बीच परस्पर क्रिया को रोकती है, और FRET प्रतिक्रिया को बुझाती है।[36] एक और संभावित कार्यान्वयन आयन संवेदन प्राप्त करने के लिए एलएसपीआर स्पेक्ट्रम के आकार की निर्भरता का लाभ उठाता है। एक अध्ययन में, लियू एट अल। Pb के साथ क्रियाशील सोने के नैनोकण2+ लीड संवेदक उत्पन्न करने के लिए संवेदनशील एंजाइम। आम तौर पर, सोने के नैनोकण एक दूसरे के पास आने पर एकत्र हो जाते हैं, और आकार में परिवर्तन के परिणामस्वरूप रंग में परिवर्तन होता है। एंजाइम और Pb के बीच सहभागिता2+ आयन इस एकत्रीकरण को रोकेंगे, और इस प्रकार आयनों की उपस्थिति का पता लगाया जा सकता है।

भोजन और पर्यावरण में नैनोसेंसर का उपयोग करने से जुड़ी मुख्य चुनौती उनसे संबंधित विषाक्तता और पर्यावरण पर समग्र प्रभाव का निर्धारण करना है। वर्तमान में, इस बारे में अपर्याप्त ज्ञान है कि नैनोसेंसर के कार्यान्वयन से दीर्घावधि में मिट्टी, पौधों और मनुष्यों पर क्या प्रभाव पड़ेगा। यह पूर्ण रूप से संबोधित करना मुश्किल है क्योंकि नैनोपार्टिकल विषाक्तता कण के प्रकार, आकार और खुराक के साथ-साथ पीएच, तापमान और आर्द्रता सहित पर्यावरणीय चर पर बहुत अधिक निर्भर करती है। संभावित जोखिम को कम करने के लिए, हरित नैनोप्रौद्योगिकी की दिशा में एक समग्र प्रयास के हिस्से के रूप में सुरक्षित, गैर-विषाक्त नैनो पदार्थ के निर्माण के लिए अनुसंधान किया जा रहा है।[37]


हेल्थकेयर

नैदानिक ​​​​चिकित्सा के लिए नैनोसेंसर में काफी संभावनाएं हैं, जो लक्षणों पर निर्भरता के बिना बीमारी की शुरुआती पहचान को सक्षम बनाता है। संवेदक इनपुट और प्रतिक्रिया की देख रेख की अनुमति देने के लिए डेटा संचारित करते समय आदर्श नैनोसेंसर कार्यान्वयन शरीर में प्रतिरक्षा कोशिकाओं की प्रतिक्रिया का अनुकरण करने के लिए नैदानिक ​​​​और प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया कार्यात्मककरणओं दोनों को सम्मिलित करते हैं। हालांकि, यह मॉडल एक दीर्घकालिक लक्ष्य बना हुआ है, और अनुसंधान वर्तमान में नैनोसेंसर की तत्काल नैदानिक ​​क्षमताओं पर केंद्रित है। बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर के साथ संश्लेषित नैनोसेंसर का इंट्रासेल्युलर कार्यान्वयन संकेतों को प्रेरित करता है जो वास्तविक समय की देख रेख को सक्षम बनाता है और इस प्रकार औषधि वितरण और उपचार में उन्नति का मार्ग प्रशस्त करता है।[38] इन नैनोसेंसर के एक उदाहरण में शरीर के भीतर ट्यूमर को उजागर करने के लिए संवेदक के रूप में कैडमियम सेलेनाइड क्वांटम डॉट्स के प्रतिदीप्ति गुणों का उपयोग करना सम्मिलित है। हालांकि, कैडमियम सेलेनाइड डॉट्स का नकारात्मक पक्ष यह है कि वे शरीर के लिए अत्यधिक विषैले होते हैं। नतीजतन, शोधकर्ता कुछ फ्लोरोसेंस गुणों को बरकरार रखते हुए एक अलग, कम जहरीली पदार्थ से बने वैकल्पिक बिंदुओं को विकसित करने पर कार्य कर रहे हैं। विशेष रूप से, वे जिंक सल्फाइड क्वांटम डॉट्स के विशेष लाभों की जांच कर रहे हैं, हालांकि वे कैडमियम सेलेनाइड के रूप में काफी प्रतिदीप्त नहीं हैं, मैंगनीज और विभिन्न लैंथेनाइड तत्वों सहित अन्य धातुओं के साथ संवर्धित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, ये नए क्वांटम डॉट्स तब अधिक प्रतिदीप्त हो जाते हैं जब वे अपने लक्षित कोशिकाओं से जुड़ते हैं।[31]

नैनोसेंसर के एक अन्य अनुप्रयोग में अंग स्वास्थ्य की देख रेख के लिए IV लाइनों में सिलिकॉन नैनो तारों का उपयोग करना सम्मिलित है। नैनो तार ट्रेस बायोमार्कर का पता लगाने के लिए संवेदनशील होते हैं जो रक्त के माध्यम से IV लाइन में फैलते हैं जो गुर्दे या अंग की विफलता की देख रेख कर सकते हैं। ये नैनो तार निरंतर बायोमार्कर माप की अनुमति देंगे, जो एलिसा जैसे पारंपरिक बायोमार्कर क्वांटिफिकेशन एसेज़ पर अस्थायी संवेदनशीलता के संदर्भ में कुछ लाभ प्रदान करता है।[39] अंग प्रत्यारोपण में संदूषण का पता लगाने के लिए नैनोसेंसर का भी उपयोग किया जा सकता है। नैनोसेंसर को इम्प्लांट में एम्बेड किया गया है और एक चिकित्सक या स्वास्थ्य सेवा प्रदाता को भेजे गए इलेक्ट्रिक संकेत के माध्यम से इम्प्लांट के आसपास की कोशिकाओं में संदूषण का पता लगाता है। नैनोसेंसर यह पता लगा सकता है कि कोशिकाएं स्वस्थ हैं, भड़काऊ हैं या बैक्टीरिया से दूषित हैं।[40] हालांकि, इम्प्लांट के दीर्घकालिक उपयोग के भीतर एक मुख्य दोष पाया जाता है, जहां ऊतक संवेदकों के शीर्ष पर बढ़ते हैं, जिससे उनकी संपीड़ित करने की क्षमता सीमित हो जाती है। यह विद्युत आवेशों के उत्पादन को बाधित करता है, इस प्रकार इन नैनोसेंसरों के जीवनकाल को छोटा करता है, क्योंकि वे दाब वैद्युत प्रभाव का उपयोग आत्म-शक्ति के लिए करते हैं।

इसी प्रकार वायुमंडलीय प्रदूषकों को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले नैनोसेंसर का उपयोग सांस में वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (वीओसी) का पता लगाकर कई प्रकार के कैंसर का शीघ्र निदान करने के लिए किया जाता है, क्योंकि ट्यूमर की वृद्धि कोशिका झिल्ली के लिपिड पेरोक्सिडेशन से जुड़ी होती है।[41] कैंसर से संबंधित एक अन्य अनुप्रयोग, हालांकि अभी भी चूहों की जांच के चरण में है, फेफड़ों के कैंसर का पता लगाने के लिए गतिविधि-आधारित संवेदक के रूप में पेप्टाइड | पेप्टाइड-लेपित नैनोकणों का उपयोग होता है। रोगों का पता लगाने के लिए नैनोकणों के उपयोग के दो मुख्य लाभ यह है कि यह प्रारंभिक अवस्था में पहचान की अनुमति देता है, क्योंकि यह मिलीमीटर के क्रम में ट्यूमर का पता लगा सकता है। यह लागत प्रभावी, उपयोग में सरल, पोर्टेबल और गैर-इनवेसिव डायग्नोस्टिक टूल भी प्रदान करता है।[41][42] नैनोसेंसर प्रौद्योगिकी में उन्नति की दिशा में एक हालिया प्रयास ने आणविक छाप को नियोजित किया है, जो आणविक मान्यता में एक रिसेप्टर के रूप में कार्य करने वाले बहुलक मैट्रिक्स को संश्लेषित करने के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीक है। एनजाइम |एंजाइम-सब्सट्रेट लॉक और की मॉडल के अनुरूप, मॉलिक्यूलर इंप्रिनटिंग कार्यात्मक मोनोमर्स के साथ टेम्पलेट अणुओं का उपयोग करता है ताकि इसके लक्ष्य टेम्पलेट अणुओं के अनुरूप विशिष्ट आकार के साथ पॉलीमर मैट्रिसेस का निर्माण किया जा सके, इस प्रकार मेट्रिसेस की चयनात्मकता और आत्मीयता में वृद्धि होती है। इस तकनीक ने नैनोसेंसरों को रासायनिक प्रजातियों का पता लगाने में सक्षम बनाया है। जैव प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में, आणविक रूप से अंकित पॉलिमर (एमआईपी) संश्लेषित रिसेप्टर्स हैं, जिन्होंने प्राकृतिक एंटीबॉडी के लिए आशाजनक, लागत प्रभावी विकल्प दिखाए हैं, जिसमें वे उच्च चयनात्मकता और आत्मीयता के लिए इंजीनियर हैं। उदाहरण के लिए, गैर-प्रवाहकीय विशेषता रहे नैनो-कोटिंग (पीपीएन कोटिंग) के साथ नैनोटिप्स युक्त एमआई संवेदक के साथ एक प्रयोग ने पैपिलोमाविरिडे का चयनात्मक पता लगाया और इस प्रकार मानव पेपिलोमावायरस, अन्य मानव रोगजनकों और विषाक्त पदार्थों का पता लगाने और निदान में इन नैनोसेंसरों के संभावित उपयोग का प्रदर्शन किया।[11] जैसा कि ऊपर दिखाया गया है, आणविक छाप तकनीक वाले नैनोसेंसर चुनिंदा रूप से अल्ट्रासेंसिटिव रासायनिक प्रजातियों का पता लगाने में सक्षम हैं, जिसमें बहुलक मैट्रिसेस को कृत्रिम रूप से संशोधित करके, आणविक छाप आत्मीयता और चयनात्मकता को बढ़ाता है।[11]यद्यपि आणविक रूप से अंकित पॉलिमर नैनोसेंसर की चयनात्मक आणविक पहचान में लाभ प्रदान करते हैं, तकनीक अपेक्षाकृत हाल ही में है और अभी भी क्षीणन संकेतों, पहचान प्रणालियों में प्रभावी पारक्रमित्र की कमी और कुशल पहचान की कमी वाली सतहों जैसी आक्षेप बनी हुई हैं। अत्यधिक प्रभावी नैनोसेंसर के विकास के लिए आणविक रूप से अंकित पॉलिमर के क्षेत्र में आगे की जांच और अनुसंधान महत्वपूर्ण है।[43] नैनोसेंसर के साथ स्मार्ट स्वास्थ्य देखभाल विकसित करने के लिए, नैनोसेंसर का एक नेटवर्क, जिसे प्रायः नैनोनेटवर्क कहा जाता है, को व्यक्तिगत नैनोसेंसर के आकार और शक्ति की सीमाओं को दूर करने के लिए स्थापित करने की आवश्यकता होती है।[44] नैनोनेटवर्क न केवल वर्तमाना आक्षेपों को कम करता है बल्कि कई सुधार भी प्रदान करता है। नैनोसेंसर का सेल-लेवल रेजोल्यूशन उपचार को साइड इफेक्ट को खत्म करने में सक्षम करेगा, रोगियों की स्थितियों की निरंतर देख रेख और रिपोर्टिंग को सक्षम करेगा।

नैनोनेटवर्क्स को आगे के अध्ययन की आवश्यकता है कि नैनोसेंसर पारंपरिक संवेदक से अलग हैं। संवेदक नेटवर्क का सबसे आम तंत्र विद्युत चुम्बकीय संचार के माध्यम से होता है। हालाँकि, वर्तमान प्रतिमान नैनो उपकरणों पर उनकी कम रेंज और शक्ति के कारण लागू नहीं होता है। शास्त्रीय विद्युत चुम्बकीय टेलीमेट्री के विकल्प के रूप में प्रकाशिक संकेत प्रक्रमण पारक्रमण का सुझाव दिया गया है और इसमें मानव शरीर में देख रेख अनुप्रयोग हैं। अन्य सुझाए गए तंत्रों में बायोइंस्पायर्ड आणविक संचार, आणविक संचार में वायर्ड और वायरलेस सक्रिय परिवहन, फोर्स्टर ऊर्जा हस्तांतरण, और बहुत कुछ सम्मिलित हैं। एक कुशल नैनो नेटवर्क बनाना महत्वपूर्ण है ताकि इसे चिकित्सा प्रत्यारोपण, शरीर क्षेत्र नेटवर्क (बीएएन), चीजों की इंटरनेट (आईओएनटी), औषधि वितरण और अन्य क्षेत्रों में लागू किया जा सके।[45] एक कुशल नैनोनेटवर्क के साथ, बायो इम्प्लांटेबल नैनोडेविसेस मैक्रोस्केल इम्प्लांट्स की तुलना में उच्च सटीकता, रिज़ॉल्यूशन और सुरक्षा प्रदान कर सकते हैं। बॉडी एरिया नेटवर्क (बीएएन) संवेदक और एक्चुएटर्स को किसी भी बीमारी का बेहतर अनुमान लगाने के लिए मानव शरीर से भौतिक और शारीरिक डेटा एकत्र करने में सक्षम बनाता है, जिससे उपचार की सुविधा होगी। BAN के संभावित अनुप्रयोगों में हृदय रोग की देख रेख, ​​इंसुलिन प्रबंधन, कृत्रिम दृष्टि और श्रवण, और हार्मोन थेरेपी प्रबंधन सम्मिलित हैं। इंटरनेट ऑफ बायो-नैनो थिंग्स नैनो उपकरणों के नेटवर्क को संदर्भित करता है जिसे इंटरनेट द्वारा एक्सेस किया जा सकता है। IoBNT के विकास ने नए उपचार और नैदानिक ​​तकनीकों का मार्ग प्रशस्त किया है।[46] नैनोनेटवर्क औषधिओं के स्थानीयकरण और परिसंचरण समय को बढ़ाकर औषधि वितरण में भी मदद कर सकते हैं।[44]

उपरोक्त अनुप्रयोगों के साथ वर्तमाना आक्षेपों में नैनो इम्प्लांट्स की बायोकम्पैटिबिलिटी, पावर और मेमोरी स्टोरेज की कमी के कारण होने वाली भौतिक सीमाएं और IoBNT के ट्रांसमीटर और रिसीवर डिजाइन की बायो कम्पैटिबिलिटी सम्मिलित हैं। नैनोनेटवर्क अवधारणा में सुधार के लिए कई क्षेत्र हैं: इनमें विकासशील नैनोमशीन, प्रोटोकॉल स्टैक मुद्दे, बिजली प्रावधान तकनीक और बहुत कुछ सम्मिलित हैं।[44]

नैनोसेंसर के प्रतिकूल प्रभावों के साथ-साथ नैनोसेंसर के संभावित साइटोटोक्सिक प्रभावों के अपर्याप्त ज्ञान के कारण चिकित्सा उद्योग में उपयोग किए जाने वाले नैनोसेंसर के मानकों के विकास के लिए अभी भी कड़े नियम हैं।[47] इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन, नैनो तार और कार्बन अतिसूक्ष्म परिनालिका जैसे कच्चे माल की उच्च लागत हो सकती है, जो कार्यान्वयन के लिए स्केल-अप की आवश्यकता वाले नैनोसेंसर के व्यावसायीकरण और निर्माण को रोकते हैं। लागत की कमी को कम करने के लिए, शोधकर्ता अधिक लागत प्रभावी पदार्थ से बने नैनोसेंसर के निर्माण पर विचार कर रहे हैं।[24]उनके छोटे आकार और विभिन्न संश्लेषण तकनीकों के प्रति संवेदनशीलता के कारण, नैनोसेंसर के पुनरुत्पादन के निर्माण के लिए उच्च स्तर की सटीकता की आवश्यकता होती है, जो दूर करने के लिए अतिरिक्त तकनीकी आक्षेपों का निर्माण करती है।

यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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