شكرًا لزيارتكم موقع Nature.com. إصدار المتصفح الذي تستخدمونه يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). في هذه الأثناء، ولضمان استمرار الدعم، سنُقدّم الموقع بدون أنماط أو JavaScript.
تم مؤخرًا تطوير منصة مضادة للميكروبات خالية من المواد الكيميائية تعتمد على تقنية النانو باستخدام هياكل نانوية مائية اصطناعية (EWNS). تتميز EWNS بشحنة سطحية عالية وهي مشبعة بأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي يمكنها التفاعل مع عدد من الكائنات الحية الدقيقة وتعطيلها، بما في ذلك مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء. هنا يظهر أنه يمكن ضبط خصائصها أثناء التخليق وتحسينها لتعزيز قدرتها المضادة للبكتيريا بشكل أكبر. تم تصميم منصة مختبر EWNS لضبط خصائص EWNS عن طريق تغيير معايير التخليق. توصيف خصائص EWNS (الشحنة والحجم ومحتوى ROS) باستخدام طرق تحليلية حديثة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم قدرتها على تعطيل الميكروبات ضد الكائنات الحية الدقيقة المنقولة بالغذاء مثل الإشريكية القولونية والسالمونيلا المعوية والليستيريا الحميدة والمتفطرة الباراوكسيدنتوم وخميرة الخباز. تُظهر النتائج المعروضة هنا إمكانية ضبط خصائص EWNS بدقة أثناء عملية التخليق، مما يؤدي إلى زيادة هائلة في كفاءة التعطيل. وتحديدًا، ازدادت الشحنة السطحية بمقدار أربعة أضعاف، وزادت أنواع الأكسجين التفاعلية. كان معدل الإزالة الميكروبية معتمدًا على الميكروبات، وتراوح بين 1.0 و3.8 لوغاريتم بعد 45 دقيقة من التعرض لجرعة رذاذ مقدارها 40,000 #/cc من EWNS.
يُعدّ التلوث الميكروبي السبب الرئيسي للأمراض المنقولة بالغذاء الناتجة عن تناول مسببات الأمراض أو سمومها. في الولايات المتحدة وحدها، تُسبب الأمراض المنقولة بالغذاء حوالي 76 مليون حالة مرض، و325 ألف حالة دخول إلى المستشفى، و5 آلاف حالة وفاة سنويًا.1 بالإضافة إلى ذلك، تُقدّر وزارة الزراعة الأمريكية (USDA) أن زيادة استهلاك المنتجات الطازجة مسؤولة عن 48% من جميع الأمراض المنقولة بالغذاء المُبلّغ عنها في الولايات المتحدة.2 وتُعدّ تكلفة الأمراض والوفيات الناجمة عن مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء في الولايات المتحدة مرتفعة للغاية، حيث تُقدّرها مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) بأكثر من 15.6 مليار دولار أمريكي سنويًا.3
حاليًا، تُنفَّذ التدخلات الكيميائية4 والإشعاعية5 والحرارية6 المضادة للميكروبات لضمان سلامة الأغذية في الغالب عند نقاط تحكم حرجة محدودة على طول سلسلة الإنتاج (عادةً بعد الحصاد و/أو أثناء التعبئة) بدلاً من تنفيذها بشكل مستمر. وبالتالي، فهي عرضة للتلوث المتبادل. 7. يتطلب تحسين السيطرة على الأمراض المنقولة بالغذاء وتلف الأغذية تدخلات مضادة للميكروبات يمكن تطبيقها على نطاق واسع من المزرعة إلى المائدة مع تقليل التأثير البيئي والتكاليف.
طُوِّرت مؤخرًا منصة مضادة للميكروبات، خالية من المواد الكيميائية، قائمة على تقنية النانو، قادرة على تعطيل البكتيريا المحمولة جوًا وعلى السطح باستخدام هياكل نانوية مائية اصطناعية (EWNS). صُنعت هذه الهياكل باستخدام عمليتين متوازيتين، هما الرش الكهربائي وتأين الماء (الشكل 1أ). أظهرت دراسات سابقة أن هذه الهياكل تتميز بمجموعة فريدة من الخصائص الفيزيائية والبيولوجية8،9،10. تحتوي كل بنية منها على متوسط ​​10 إلكترونات، ويبلغ متوسط ​​حجمها النانوي 25 نانومترًا (الشكل 1ب، ج)8،9،10. بالإضافة إلى ذلك، أظهر الرنين المغزلي للإلكترون (ESR) أن هذه الهياكل تحتوي على كمية كبيرة من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، وخاصةً جذور الهيدروكسيل (OH•) والأكسيد الفائق (O2-) (الشكل 1ج)8. تبقى هذه الأنواع في الهواء لفترة طويلة، ويمكن أن تصطدم بالكائنات الدقيقة العالقة في الهواء والموجودة على السطح، ناقلةً حمولتها من أنواع الأكسجين التفاعلية، ومسببةً تعطيلها (الشكل 1د). أظهرت هذه الدراسات المبكرة أيضًا أن EWNS قادر على التفاعل مع أنواع مختلفة من البكتيريا سالبة الجرام وموجبة الجرام، بما في ذلك المتفطرات، وتعطيلها على الأسطح وفي الهواء. وأظهر المجهر الإلكتروني النافذ أن هذا التعطيل ناتج عن تمزق غشاء الخلية. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت دراسات الاستنشاق الحاد أن الجرعات العالية من EWNS لا تسبب تلفًا أو التهابًا في الرئة 8.
(أ) يحدث الرش الكهربائي عندما يتم تطبيق جهد عالي بين أنبوب شعري يحتوي على سائل وقطب كهربائي مضاد. (ب) يؤدي تطبيق الضغط العالي إلى ظاهرتين مختلفتين: (أ) الرش الكهربائي للماء و (ب) تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية (الأيونات) المحاصرة في EWNS. (ج) البنية الفريدة لـ EWNS. (د) نظرًا لطبيعتها النانوية، فإن EWNS شديدة الحركة ويمكنها التفاعل مع مسببات الأمراض المحمولة جوًا.
وقد ثبتت مؤخرًا قدرة منصة EWNS المضادة للميكروبات على تعطيل الكائنات الحية الدقيقة المنقولة بالغذاء على سطح الطعام الطازج. كما ثبت أنه يمكن استخدام الشحنة السطحية لـ EWNS مع المجال الكهربائي لتحقيق توصيل مستهدف. علاوة على ذلك، كانت النتائج الأولية للطماطم العضوية بعد التعرض لمدة 90 دقيقة لـ EWNS بحوالي 50,000 #/سم3 مشجعة، مع ملاحظة العديد من الكائنات الحية الدقيقة المنقولة بالغذاء مثل الإشريكية القولونية والليستيريا 11. بالإضافة إلى ذلك، لم تُظهر الاختبارات الحسية الأولية أي آثار حسية مقارنة بالطماطم الضابطة. على الرغم من أن نتائج التعطيل الأولية هذه مشجعة لتطبيقات سلامة الأغذية حتى عند جرعات EWNS منخفضة جدًا تبلغ 50,000 #/سم3، فمن الواضح أن إمكانية التعطيل الأعلى ستكون أكثر فائدة لتقليل خطر العدوى والتلف بشكل أكبر.
سنركز هنا بحثنا على تطوير منصة توليد EWNS لتمكين ضبط معايير التركيب وتحسين خصائصها الفيزيائية والكيميائية لتعزيز قدرتها المضادة للبكتيريا. ركز التحسين تحديدًا على زيادة شحنتها السطحية (لتحسين التوصيل المستهدف) ومحتوى ROS (لتحسين كفاءة التعطيل). سيتم توصيف الخصائص الفيزيائية والكيميائية المُحسّنة (الحجم والشحنة ومحتوى ROS) باستخدام أساليب تحليلية حديثة، واستخدام الكائنات الدقيقة الغذائية الشائعة مثل E.
تم تصنيع EVNS عن طريق الرش الكهربائي والتأين المتزامنين لماء عالي النقاء (18 MΩ/cm⁻). يُستخدم البخاخ الكهربائي 12 عادةً لذرّ السوائل وتصنيع جزيئات البوليمر والسيراميك 13 والألياف 14 ذات الحجم المتحكم فيه.
كما هو موضح بالتفصيل في المنشورات السابقة 8، 9، 10، 11، في تجربة نموذجية، طُبِّق جهد عالي بين أنبوب شعري معدني وقطب كهربائي مضاد مؤرض. خلال هذه العملية، تحدث ظاهرتان مختلفتان: 1) الرش الكهربائي و2) تأين الماء. يتسبب المجال الكهربائي القوي بين القطبين في تراكم الشحنات السالبة على سطح الماء المكثف، مما يؤدي إلى تكوين مخاريط تايلور. ونتيجة لذلك، تتشكل قطرات ماء مشحونة بشدة، والتي تستمر في التفكك إلى جزيئات أصغر، كما هو الحال في نظرية رايلي16. في الوقت نفسه، تتسبب المجالات الكهربائية القوية في انقسام بعض جزيئات الماء وتجريدها من الإلكترونات (التأين)، مما يؤدي إلى تكوين كمية كبيرة من أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)17. تم تغليف ROS18 المولدة في نفس الوقت في EWNS (الشكل 1ج).
يوضح الشكل 2أ نظام توليد EWNS المُطور والمُستخدم في تخليق EWNS في هذه الدراسة. تم تغذية الماء المُنقى المُخزن في زجاجة مُغلقة عبر أنبوب تفلون (قطره الداخلي 2 مم) إلى إبرة من الفولاذ المقاوم للصدأ 30G (أنبوب شعري معدني). يتم التحكم في تدفق الماء عن طريق ضغط الهواء داخل الزجاجة، كما هو موضح في الشكل 2ب. تم تثبيت الإبرة على لوحة تحكم تفلون ويمكن ضبطها يدويًا على مسافة مُعينة من القطب المُضاد. القطب المُضاد عبارة عن قرص من الألومنيوم المُصقول به ثقب في المنتصف لأخذ العينات. يوجد أسفل القطب المُضاد قمع أخذ عينات من الألومنيوم، وهو مُتصل ببقية الجهاز التجريبي عبر منفذ أخذ عينات (الشكل 2ب). لتجنب تراكم الشحنات الذي قد يُعطل عمل جهاز أخذ العينات، تم تأريض جميع مُكونات جهاز أخذ العينات كهربائيًا.
(أ) نظام توليد البنية النانوية للمياه المهندسة (EWNS). (ب) مقطع عرضي للعينة والرش الكهربائي، يوضح أهم المعلمات. (ج) الإعداد التجريبي لتعطيل البكتيريا.
نظام توليد EWNS الموصوف أعلاه قادر على تغيير معلمات التشغيل الرئيسية لتسهيل الضبط الدقيق لخصائص EWNS. اضبط الجهد المطبق (فولت)، والمسافة بين الإبرة والقطب المضاد (لتر)، وتدفق الماء (φ) عبر الأنبوب الشعري لضبط خصائص EWNS بدقة. الرمز المستخدم لتمثيل التركيبات المختلفة: [فولت (كيلوفولت)، لتر (سم)]. اضبط تدفق الماء للحصول على مخروط تايلور مستقر لمجموعة معينة [فولت، لتر]. لأغراض هذه الدراسة، تم الحفاظ على قطر فتحة القطب المضاد (D) عند 0.5 بوصة (1.29 سم).
بسبب محدودية الهندسة وعدم التماثل، لا يمكن حساب شدة المجال الكهربائي من المبادئ الأولية. بدلاً من ذلك، استُخدم برنامج QuickField™ (سفينبورغ، الدنمارك)19 لحساب المجال الكهربائي. وبما أن المجال الكهربائي غير منتظم، فقد استُخدمت قيمة المجال الكهربائي عند طرف الأنبوب الشعري كقيمة مرجعية لمختلف التكوينات.
خلال الدراسة، تم تقييم عدة توليفات للجهد والمسافة بين الإبرة والقطب المضاد من حيث تكوين مخروط تايلور، واستقراره، واستقرار إنتاج EWNS، وإمكانية إعادة الإنتاج. وتوضح الجدول التكميلي S1 توليفات مختلفة.
تم توصيل مخرج نظام توليد EWNS مباشرةً بجهاز تحليل حجم الجسيمات بالمسح والحركة (SMPS، الطراز 3936، TSI، شوريفيو، مينيسوتا) لقياس تركيز عدد الجسيمات، بالإضافة إلى جهاز قياس كهربائي فاراداي للهباء الجوي (TSI، الطراز 3068B، شوريفيو، مينيسوتا). تم قياس تيارات الهباء الجوي كما هو موضح في منشورنا السابق. تم أخذ عينات من كل من SMPS ومقياس كهربائي الهباء الجوي بمعدل تدفق 0.5 لتر/دقيقة (إجمالي تدفق العينة 1 لتر/دقيقة). تم قياس تركيز عدد الجسيمات وتدفق الهباء الجوي لمدة 120 ثانية. تم تكرار القياس 30 مرة. بناءً على قياسات التيار، يتم حساب إجمالي شحنة الهباء الجوي وتقدير متوسط ​​شحنة EWNS لعدد إجمالي معين من جسيمات EWNS المختارة. يمكن حساب متوسط ​​تكلفة EWNS باستخدام المعادلة (1):
حيث IEl هو التيار المقاس، وNSMPS هو التركيز الرقمي المقاس باستخدام SMPS، وφEl هو معدل التدفق لكل مقياس كهربائي.
نظرًا لأن الرطوبة النسبية تؤثر على الشحنة السطحية، فقد تم الحفاظ على درجة الحرارة والرطوبة النسبية ثابتة أثناء التجربة عند 21 درجة مئوية و45٪ على التوالي.
استُخدمت مجهر القوة الذرية (AFM)، وجهاز Asylum MFP-3D (مركز أبحاث Asylum، سانتا باربرا، كاليفورنيا)، ومسبار AC260T (أوليمبوس، طوكيو، اليابان) لقياس حجم وعمر EWNS. كان تردد مسح AFM 1 هرتز، ومساحة المسح 5 ميكرومتر × 5 ميكرومتر، و256 خط مسح. خضعت جميع الصور لمحاذاة الصور من الدرجة الأولى باستخدام برنامج Asylum (نطاق القناع 100 نانومتر، الحد الأقصى 100 بيكومتر).
أُزيل قمع الاختبار ووُضع سطح الميكا على مسافة 2.0 سم من القطب المضاد لمدة زمنية متوسطة قدرها 120 ثانية لتجنب تكتل الجسيمات وتكوين قطرات غير منتظمة على سطح الميكا. رُشّ EWNS مباشرةً على سطح الميكا المقطوعة حديثًا (تيد بيلا، ريدينغ، كاليفورنيا). صورة لسطح الميكا مباشرةً بعد رشّ AFM. زاوية تلامس سطح الميكا المقطوعة حديثًا وغير المعدلة قريبة من 0 درجة، لذا يتوزع EVNS على سطح الميكا على شكل قبة. قُيس قطر (أ) وارتفاع (ح) القطرات المنتشرة مباشرةً من تضاريس AFM، واستُخدما لحساب حجم انتشار EWNS المقبب باستخدام طريقتنا المُعتمدة سابقًا. بافتراض أن حجم EWNS المدمج متساوٍ، يُمكن حساب القطر المُكافئ باستخدام المعادلة (2):
بناءً على طريقتنا المُطوّرة سابقًا، استُخدمت مصيدة رنين إلكتروني مغزلي (ESR) للكشف عن وجود وسطاء جذريين قصيري العمر في EWNS. تم ضخّ الهباء الجوي عبر مرشّ ميدجيت سعة 650 ميكرومتر (Ace Glass، فينلاند، نيوجيرسي) يحتوي على محلول 235 ملي مولار من DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.، بورتلاند، أوريغون). أُجريت جميع قياسات ESR باستخدام مطياف Bruker EMX (Bruker Instruments Inc.، بيليريكا، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) وخلية مسطحة. استُخدم برنامج Acquisit (Bruker Instruments Inc.، بيليريكا، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) لجمع البيانات وتحليلها. تم تحديد خصائص أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) فقط لمجموعة من ظروف التشغيل [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم]. تم قياس تركيزات EWNS باستخدام SMPS بعد احتساب خسائر EWNS في الجسم المصطدم.
تم مراقبة مستويات الأوزون باستخدام جهاز مراقبة الأوزون ثنائي الشعاع 205™ (2B Technologies، بولدر، كولورادو)8,9,10.
لجميع خصائص EWNS، استُخدمت القيمة المتوسطة كقيمة قياس، والانحراف المعياري كخطأ قياس. أُجريت اختبارات T لمقارنة قيم سمات EWNS المُحسّنة بالقيم المقابلة لها في EWNS الأساسي.
يوضح الشكل 2 ج نظام "سحب" للترسيب الكهروستاتيكي (EPES) تم تطويره وتوصيفه مسبقًا والذي يمكن استخدامه لتوصيل EWNS المستهدف إلى السطح. يستخدم EPES شحنات EVNS التي يمكن "توجيهها" مباشرة إلى سطح الهدف تحت تأثير مجال كهربائي قوي. تم تقديم تفاصيل نظام EPES في منشور حديث لـ Pyrgiotakis et al. 11. وبالتالي، يتكون EPES من غرفة PVC مطبوعة ثلاثية الأبعاد ذات أطراف مدببة وتحتوي على لوحين معدنيين متوازيين من الفولاذ المقاوم للصدأ (الفولاذ المقاوم للصدأ 304، مطلي بالمرآة) في المنتصف بمسافة 15.24 سم بينهما. تم توصيل الألواح بمصدر جهد عالي خارجي (Bertran 205B-10R، Spellman، Hauppauge، NY)، وكانت اللوحة السفلية متصلة دائمًا بجهد موجب، وكانت اللوحة العلوية متصلة دائمًا بالأرض (أرض عائمة). جدران الغرفة مغطاة بورق ألومنيوم مؤرض كهربائيًا لمنع فقدان الجسيمات. تحتوي الغرفة على باب تحميل أمامي مغلق يسمح بوضع أسطح الاختبار على حوامل بلاستيكية ترفعها فوق اللوحة المعدنية السفلية لتجنب تداخل الجهد العالي.
تم حساب كفاءة ترسيب EWNS في EPES وفقًا لبروتوكول تم تطويره مسبقًا ومفصل في الشكل التكميلي S111.
كغرفة تحكم، وُصلت غرفة تدفق أسطوانية ثانية على التوالي بنظام EPES، حيث استُخدم مرشح HEPA وسيط لإزالة جزيئات الغبار العالقة (EWNS). كما هو موضح في الشكل 2ج، تم ضخ رذاذ EWNS عبر حجرتين مدمجتين. يزيل المرشح الموجود بين غرفة التحكم ونظام EPES أي جزيئات غبار عالقة متبقية، مما يؤدي إلى نفس درجة الحرارة (T) والرطوبة النسبية (RH) ومستويات الأوزون.
تم العثور على كائنات دقيقة مهمة منقولة بالغذاء تلوث الأطعمة الطازجة مثل الإشريكية القولونية (ATCC #27325)، ومؤشر البراز، والسالمونيلا المعوية (ATCC #53647)، وممرض منقول بالغذاء، والليستيريا غير المؤذية (ATCC #33090)، وهو بديل للليستيريا المستوحدة المسببة للأمراض، والمشتقة من ATCC (ماناساس، فيرجينيا) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098)، وهو بديل لخميرة التلف، وبكتيريا معطلة أكثر مقاومة، Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
اشترِ صناديق عشوائية من طماطم العنب العضوية من السوق المحلي، واحفظها في الثلاجة على درجة حرارة ٤ درجات مئوية حتى الاستخدام (لمدة تصل إلى ٣ أيام). كانت جميع الطماطم التجريبية بنفس الحجم، قطرها حوالي نصف بوصة.
تم تفصيل بروتوكولات الزراعة والتلقيح والتعرض وعدّ المستعمرات في منشورنا السابق، كما هو موضح في البيانات التكميلية. تم تقييم فعالية نظام EWNS بتعريض الطماطم الملقحة لـ 40,000 #/سم3 لمدة 45 دقيقة. باختصار، استُخدمت ثلاث حبات طماطم لتقييم الكائنات الحية الدقيقة الباقية عند زمن t = 0 دقيقة. وُضعت ثلاث حبات طماطم في EPES وتعرضت لـ EWNS بتركيز 40,000 #/سم3 (طماطم مُعرضة لـ EWNS)، ووُضعت الثلاث المتبقية في حجرة التحكم (طماطم المجموعة الضابطة). لم تُجرَ أي معالجة إضافية للطماطم في كلا المجموعتين. أُزيلت الطماطم المعرضة لـ EWNS وطماطم المجموعة الضابطة بعد 45 دقيقة لتقييم تأثير EWNS.
أُجريت كل تجربة على ثلاث نسخ. حُلّلت البيانات وفقًا للبروتوكول الموضح في البيانات التكميلية.
تم تقييم آليات التعطيل عن طريق ترسيب عينات EWNS المكشوفة (45 دقيقة بتركيز 40,000 #/سم3 من رذاذ EWNS) وعينات غير مشعة من بكتيريا غير ضارة مثل الإشريكية القولونية والسالمونيلا المعوية والعصية اللبنية. ثُبّتت الجسيمات في 2.5% غلوتارالدهيد، و1.25% بارافورمالدهيد، و0.03% حمض بيكريك في محلول منظم من كاكوديلات الصوديوم بتركيز 0.1 مولار (درجة حموضة 7.4) لمدة ساعتين في درجة حرارة الغرفة. بعد الغسيل، ثبّتت العينات باستخدام رباعي أكسيد الأوزميوم 1% (OsO4)/فيروسيانيد البوتاسيوم 1.5% (KFeCN6) لمدة ساعتين، ثم اغسلها ثلاث مرات في الماء، وحُضّنت في أسيتات اليورانيل 1% لمدة ساعة، ثم اغسلتها مرتين في الماء، ثم جفت لمدة 10 دقائق في كحول بتركيزات 50%، 70%، 90%، و100%. ثم وُضعت العينات في أكسيد البروبيلين لمدة ساعة، ثم شُرّبت بمزيج 1:1 من أكسيد البروبيلين وإيبون TAAP (شركة ماريفاك كندا، سانت لوران، كاليفورنيا). ثُمّ غُرست العينات في إبون TAAB، وبلمرت عند درجة حرارة 60 درجة مئوية لمدة 48 ساعة. تم قطع الراتنج الحبيبي المعالج وتصويره بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ التقليدي JEOL 1200EX (JEOL، طوكيو، اليابان) المزود بكاميرا CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
أُجريت جميع التجارب ثلاث مرات. لكل نقطة زمنية، وُضعت عينات من الغسل البكتيري ثلاث مرات، مما أسفر عن تسع نقاط بيانات لكل نقطة، استُخدم متوسطها لتركيز البكتيريا في تلك الكائنات الدقيقة. واستُخدم الانحراف المعياري كخطأ القياس. جميع النقاط تُحتسب.
تم حساب لوغاريتم الانخفاض في تركيز البكتيريا مقارنة بـ t = 0 دقيقة باستخدام الصيغة التالية:
حيث أن C0 هو تركيز البكتيريا في العينة الضابطة في الوقت 0 (أي بعد أن يجف السطح ولكن قبل وضعها في الحجرة) و Cn هو تركيز البكتيريا على السطح بعد n دقيقة من التعرض.
ولمراعاة التحلل الطبيعي للبكتيريا أثناء التعرض لمدة 45 دقيقة، تم حساب الانخفاض اللوغاريتمي مقارنة بالضوابط بعد 45 دقيقة أيضًا على النحو التالي:
حيث Cn هو تركيز البكتيريا في عينة الضبط عند الوقت n، وCn-Control هو تركيز بكتيريا الضبط عند الوقت n. تُعرض البيانات كاختزال لوغاريتمي مقارنةً بعينة الضبط (بدون التعرض لـ EWNS).
خلال الدراسة، تم تقييم عدة تركيبات للجهد والمسافة بين الإبرة والقطب المضاد من حيث تكوين مخروط تايلور، واستقرار مخروط تايلور، واستقرار إنتاج EWNS، وقابلية التكرار. تظهر التركيبات المختلفة في الجدول التكميلي S1. تم اختيار حالتين تُظهران خصائص مستقرة وقابلة للتكرار (مخروط تايلور، وتوليد EWNS، والاستقرار بمرور الوقت) للدراسة الشاملة. في الشكل 3، يوضح الشكل نتائج الشحنة والحجم ومحتوى ROS في كلتا الحالتين. كما تم تلخيص النتائج في الجدول 1. كمرجع، يتضمن كل من الشكل 3 والجدول 1 خصائص EWNS غير المُحسّنة التي تم تصنيعها سابقًا8، 9، 10، 11 (خط الأساس-EWNS). أعيد نشر حسابات الدلالة الإحصائية باستخدام اختبار t ثنائي الذيل في الجدول التكميلي S2. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن البيانات الإضافية دراسات حول تأثير قطر ثقب أخذ العينات من القطب المضاد (D) والمسافة بين القطب الأرضي والطرف (L) (الأشكال التكميلية S2 وS3).
(ac) توزيع الحجم المقاس بواسطة AFM. (df) خصائص الشحنة السطحية. (g) خصائص ROS لمفاعل EPR.
من المهم أيضًا ملاحظة أنه في جميع الظروف المذكورة أعلاه، تراوح تيار التأين المُقاس بين 2 و6 ميكرو أمبير، وتراوح الجهد بين -3.8 و-6.5 كيلو فولت، مما أدى إلى استهلاك طاقة أقل من 50 ميلي واط لوحدة التلامس الوحيدة من جيل EWNS. على الرغم من تصنيع EWNS تحت ضغط عالٍ، إلا أن مستويات الأوزون كانت منخفضة جدًا، ولم تتجاوز 60 جزءًا في المليار.
يوضح الشكل التكميلي S4 المجالات الكهربائية المُحاكية لسيناريوهي [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] على التوالي. في سيناريوهي [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم]، تبلغ قيم حسابات المجال 2 × 105 فولت/متر و4.7 × 105 فولت/متر على التوالي. وهذا متوقع، لأن نسبة الجهد إلى المسافة في الحالة الثانية أعلى بكثير.
يوضح الشكلان 3أ، ب قطر شبكة الألياف البصرية المستقطبة (EWNS) المُقاس باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM8). بلغ متوسط ​​أقطار شبكة الألياف البصرية المستقطبة (EWNS) المحسوبة 27 نانومتر و19 نانومترًا لخطي [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] على التوالي. أما في خطي [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم]، فإن الانحرافات المعيارية الهندسية للتوزيعات هي 1.41 و1.45 على التوالي، مما يشير إلى توزيع ضيق للحجم. ويقترب كل من متوسط ​​الحجم والانحراف المعياري الهندسي من خط الأساس لشبكة الألياف البصرية المستقطبة (EWNS)، عند 25 نانومتر و1.41 على التوالي. يوضح الشكل 3ج توزيع حجم شبكة الألياف البصرية المستقطبة (EWNS) الأساسية المُقاسة باستخدام نفس الطريقة وفي نفس الظروف.
يوضح الشكل 3د، هـ نتائج توصيف الشحنة. البيانات عبارة عن متوسط ​​قياسات لـ 30 قياسًا متزامنًا للتركيز (عدد/سم3) والتيار (I). يُظهر التحليل أن متوسط ​​الشحنة على EWNS هو 22 ± 6 e- و44 ± 6 e- عند [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] و[-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم] على التوالي. تتمتع هذه الشبكات بشحنات سطحية أعلى بكثير مقارنةً بخط الأساس EWNS (10 ± 2 e-)، أي ضعفي ما هو عليه في سيناريو [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] وأربعة أضعاف ما هو عليه في سيناريو [-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم]. يوضح الشكل 3و بيانات الشحنة لخط الأساس EWNS.
من خرائط تركيز رقم EWNS (الشكلان التكميليان S5 وS6)، يتضح أن سيناريو [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم] يحتوي على جسيمات أكثر بكثير من سيناريو [-3.8 كيلو فولت، 0.5 سم]. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن تركيز رقم EWNS رُصد لمدة تصل إلى 4 ساعات (الشكلان التكميليان S5 وS6)، حيث أظهر استقرار توليد EWNS نفس مستويات تركيز عدد الجسيمات في كلتا الحالتين.
يوضح الشكل 3ز طيف EPR بعد طرح قيمة التحكم EWNS المُحسّن (الخلفية) عند [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم]. قُورنت أطياف ROS أيضًا مع سيناريو Baseline-EWNS في دراسة نُشرت سابقًا. حُسب عدد EWNS المتفاعل مع مصائد الدوران ليكون 7.5 × 104 EWNS/s، وهو ما يُشابه Baseline-EWNS8 المنشور سابقًا. أظهرت أطياف EPR بوضوح وجود نوعين من ROS، حيث يُعد O2- النوع السائد، بينما يُعد OH• أقل وفرة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت المقارنة المباشرة لشدات الذروة أن EWNS المُحسّن يحتوي على محتوى ROS أعلى بكثير مقارنةً بسيناريو EWNS الأساسي.
يوضح الشكل 4 كفاءة ترسيب EWNS في EPES. كما تم تلخيص البيانات في الجدول 1 ومقارنتها ببيانات EWNS الأصلية. في كلتا حالتي EUNS، يقترب الترسيب من 100% حتى عند جهد منخفض يبلغ 3.0 كيلو فولت. عادةً، يكفي 3.0 كيلو فولت لترسيب 100%، بغض النظر عن تغير الشحنة السطحية. في نفس الظروف، بلغت كفاءة ترسيب Baseline-EWNS 56% فقط نظرًا لانخفاض شحنتها (بمتوسط ​​10 إلكترونات لكل EWNS).
في الشكل 5 والجدول 2، يُلخص قيمة تعطيل الكائنات الدقيقة المُلقحة على سطح الطماطم بعد تعرضها لحوالي 40,000 #/سم3 من EWNS لمدة 45 دقيقة في الوضع الأمثل [-6.5 كيلو فولت، 4.0 سم]. أظهرت بكتيريا الإشريكية القولونية والعصية اللبنية غير الضارة المُلقحة انخفاضًا ملحوظًا قدره 3.8 لوغاريتم خلال فترة التعرض التي استمرت 45 دقيقة. في ظل الظروف نفسها، انخفض عدد بكتيريا S. enterica بمقدار 2.2 لوغاريتم، بينما انخفض عدد بكتيريا S. cerevisiae وM. parafortutum بمقدار 1.0 لوغاريتم.
تُظهر صور المجهر الإلكتروني (الشكل 6) التغيرات الفيزيائية التي يُحدثها EWNS على خلايا الإشريكية القولونية والعقديات واللاكتوباسيلوس غير الضارة، مما يؤدي إلى تعطيلها. كانت أغشية الخلايا في البكتيريا الضابطة سليمة، بينما كانت أغشية البكتيريا المُعرّضة للتلف خارجية.
أظهر التصوير المجهري الإلكتروني للبكتيريا المعرضة للخطر والضبابية تلفًا في الغشاء.
تُظهر البيانات المتعلقة بالخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ EWNS المُحسّنة مجتمعةً أن خصائصها (الشحنة السطحية ومحتوى ROS) قد تحسنت بشكل ملحوظ مقارنةً ببيانات EWNS الأساسية المنشورة سابقًا8،9،10،11. من ناحية أخرى، ظل حجمها في نطاق النانومتر، وهو ما يُشبه إلى حد كبير النتائج المُبلغ عنها سابقًا، مما يسمح لها بالبقاء في الهواء لفترات طويلة من الزمن. يمكن تفسير تعدد التشتت المُلاحظ من خلال تغيرات الشحنة السطحية التي تُحدد حجم EWNS، وعشوائية تأثير رايلي، والاندماج المُحتمل. ومع ذلك، وكما أوضح نيلسن وآخرون22، فإن الشحنة السطحية العالية تُقلل من التبخر عن طريق زيادة طاقة/توتر سطح قطرة الماء بشكل فعال. في منشورنا السابق8، تم تأكيد هذه النظرية تجريبيًا للقطرات الدقيقة22 وEWNS. يمكن أن يؤثر فقدان الشحنة أثناء العمل الإضافي أيضًا على الحجم ويُساهم في توزيع الحجم المُلاحظ.
بالإضافة إلى ذلك، تتراوح شحنة كل بنية بين 22 و44 إلكترون-، حسب الحالة، وهي أعلى بكثير مقارنةً بـ EWNS الأساسية، التي يبلغ متوسط ​​شحنتها 10 ± 2 إلكترون لكل بنية. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذه هي متوسط ​​شحنة EWNS. سيتو وآخرون. وقد تبين أن الشحنة غير متجانسة وتتبع توزيعًا لوغاريتميًا طبيعيًا21. وبالمقارنة مع عملنا السابق، فإن مضاعفة شحنة السطح تُضاعف كفاءة الترسيب في نظام EPES إلى ما يقرب من 100%11.