شكرًا لك على زيارة Nature.com.إصدار المتصفح الذي تستخدمه لديه دعم محدود لـ CSS.للحصول على أفضل تجربة ، نوصي باستخدام مستعرض محدث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer).في غضون ذلك ، لضمان استمرار الدعم ، سنعرض الموقع بدون أنماط وجافا سكريبت.
عرض دائري يعرض ثلاث شرائح في نفس الوقت.استخدم الزرين السابق والتالي للتنقل عبر ثلاث شرائح في وقت واحد ، أو استخدم أزرار شريط التمرير في النهاية للتنقل عبر ثلاث شرائح في المرة الواحدة.
في الآونة الأخيرة ، تم تطوير منصة مضادة للميكروبات خالية من المواد الكيميائية تعتمد على تقنية النانو باستخدام الهياكل النانوية للمياه الاصطناعية (EWNS).تمتلك EWNS شحنة سطحية عالية وهي مشبعة بأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) التي يمكن أن تتفاعل مع عدد من الكائنات الحية الدقيقة وتعطلها ، بما في ذلك مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء.يتضح هنا أن خصائصها أثناء التوليف يمكن صقلها وتحسينها لزيادة تعزيز إمكاناتها المضادة للبكتيريا.تم تصميم منصة مختبر EWNS لضبط خصائص EWNS عن طريق تغيير معلمات التوليف.توصيف خصائص EWNS (شحنة وحجم ومحتوى ROS) باستخدام الأساليب التحليلية الحديثة.بالإضافة إلى ذلك ، تم تقييمهم لإمكانية تثبيط الميكروبات ضد الكائنات الحية الدقيقة المنقولة بالغذاء مثل الإشريكية القولونية ، السالمونيلا المعوية ، الليستريا الحميدة ، المتفطرة باراكيدنتوم والسكاروميسيس سيريفيسيا.توضح النتائج المقدمة هنا أنه يمكن ضبط خصائص EWNS أثناء التركيب ، مما يؤدي إلى زيادة هائلة في كفاءة التعطيل.على وجه الخصوص ، زادت الشحنة السطحية بمقدار أربعة أضعاف وزادت أنواع الأكسجين التفاعلية.كان معدل إزالة الميكروبات يعتمد على الميكروبات وتراوحت من 1.0 إلى 3.8 سجل بعد 45 دقيقة من التعرض لجرعة الهباء الجوي من 40.000 # / سم مكعب EWNS.
التلوث الجرثومي هو السبب الرئيسي للأمراض المنقولة عن طريق الأغذية الناجمة عن ابتلاع مسببات الأمراض أو سمومها.في الولايات المتحدة وحدها ، تسبب الأمراض المنقولة بالغذاء حوالي 76 مليون مرض ، و 325000 حالة دخول إلى المستشفيات ، و 5000 حالة وفاة كل عام 1.بالإضافة إلى ذلك ، تقدر وزارة الزراعة الأمريكية (USDA) أن زيادة استهلاك المنتجات الطازجة مسؤولة عن 48٪ من جميع الأمراض التي تنتقل عن طريق الأغذية المبلغ عنها في الولايات المتحدة 2.تكلفة المرض والوفاة التي تسببها مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء في الولايات المتحدة مرتفعة للغاية ، حيث تقدرها مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) بأكثر من 15.6 مليار دولار أمريكي سنويًا 3.
في الوقت الحالي ، يتم تنفيذ التدخلات الكيميائية 4 والإشعاعية والحرارية 6 المضادة للميكروبات لضمان سلامة الأغذية في الغالب في نقاط مراقبة حرجة محدودة (CCPs) على طول سلسلة الإنتاج (عادةً بعد الحصاد و / أو أثناء التعبئة) بدلاً من الاستمرار.وبالتالي ، فهي عرضة للتلوث المتبادل.7. يتطلب تحسين السيطرة على الأمراض التي تنقلها الأغذية وفساد الأغذية تدخلات مضادة للميكروبات يمكن تطبيقها عبر سلسلة متصلة من المزرعة إلى المائدة مع تقليل الآثار البيئية والتكاليف.
في الآونة الأخيرة ، تم تطوير منصة مضادة للميكروبات خالية من المواد الكيميائية تعتمد على تقنية النانو يمكنها تعطيل البكتيريا السطحية والجوية باستخدام الهياكل النانوية للمياه الاصطناعية (EWNS).تم تصنيع EWNS باستخدام عمليتين متوازيتين ، الرش الكهربائي وتأين الماء (الشكل 1 أ).أظهرت الدراسات السابقة أن EWNS لديها مجموعة فريدة من الخصائص الفيزيائية والبيولوجية.تمتلك EWNS في المتوسط ​​10 إلكترونات لكل بنية ومتوسط ​​حجم النانو 25 نانومتر (الشكل 1 ب ، ج) 8،9،10.بالإضافة إلى ذلك ، أظهر الرنين المغزلي للإلكترون (ESR) أن EWNS يحتوي على كمية كبيرة من أنواع الأكسجين التفاعلي (ROS) ، وبشكل أساسي جذور الهيدروكسيل (OH •) والأكسيد الفائق (O2-) (الشكل 1 ج).يبقى EVNS في الهواء لفترة طويلة ويمكن أن يصطدم بالكائنات الدقيقة المعلقة في الهواء والموجودة على السطح ، مما يؤدي إلى حمل حمولة ROS وتسبب في تعطيل الكائنات الحية الدقيقة (الشكل 1 د).أظهرت هذه الدراسات المبكرة أيضًا أن EWNS يمكن أن تتفاعل مع العديد من البكتيريا سالبة الجرام وإيجابية الجرام وتعطيلها ، بما في ذلك البكتيريا الفطرية ، على الأسطح وفي الهواء.أظهر الفحص المجهري الإلكتروني للإرسال أن سبب التعطيل هو تمزق غشاء الخلية.بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت دراسات الاستنشاق الحاد أن الجرعات العالية من EWNS لا تسبب تلفًا في الرئة أو التهابًا 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: (1) رش الماء بالكهرباء و (2) تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية (الأيونات) المحاصرة في EWNS.(ج) الهيكل الفريد لـ EWNS.(د) بسبب طبيعتها النانوية ، فإن EWNS شديدة الحركة ويمكن أن تتفاعل مع مسببات الأمراض المحمولة جواً.
كما تم مؤخرًا إثبات قدرة منصة EWNS المضادة للميكروبات على تعطيل الكائنات الحية الدقيقة التي تنتقل عن طريق الأغذية على سطح الأغذية الطازجة.وقد ثبت أيضًا أنه يمكن استخدام الشحنة السطحية لـ EWNS جنبًا إلى جنب مع مجال كهربائي لتحقيق التسليم المستهدف.علاوة على ذلك ، كانت النتائج الأولية للطماطم العضوية بعد التعرض لمدة 90 دقيقة في EWNS بحوالي 50000 # / سم 3 مشجعة ، مع ملاحظة العديد من الكائنات الحية الدقيقة المنقولة بالغذاء مثل E. coli و Listeria 11.بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الاختبارات الحسية الأولية عدم وجود تأثيرات حسية مقارنة بالطماطم الضابطة.على الرغم من أن نتائج التعطيل الأولية هذه مشجعة لتطبيقات سلامة الأغذية حتى في جرعات EWNS منخفضة جدًا تبلغ 50000 # / سم مكعب.انظر ، من الواضح أن إمكانية التعطيل الأعلى ستكون أكثر فائدة لزيادة تقليل مخاطر العدوى والفساد.
هنا ، سنركز بحثنا على تطوير منصة توليد EWNS لتمكين الضبط الدقيق لمعايير التوليف وتحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ EWNS لتعزيز إمكاناتها المضادة للبكتيريا.على وجه الخصوص ، ركز التحسين على زيادة شحنتها السطحية (لتحسين التسليم المستهدف) ومحتوى ROS (لتحسين كفاءة التعطيل).وصف الخصائص الفيزيائية والكيميائية المُحسَّنة (الحجم والشحنة ومحتوى ROS) باستخدام الأساليب التحليلية الحديثة واستخدام الكائنات الدقيقة الغذائية الشائعة مثل E..
تم تصنيع EVNS عن طريق الرش الكهربائي والتأين المتزامن للمياه عالية النقاء (18 MΩ cm -1).يتم استخدام البخاخات الكهربائية 12 بشكل نموذجي لترذيذ السوائل وتخليق جزيئات البوليمر والسيراميك 13 والألياف 14 ذات الحجم المتحكم فيه.
كما هو مفصل في المنشورات السابقة 8 ، 9 ، 10 ، 11 ، في تجربة نموذجية ، تم تطبيق جهد عالي بين شعري معدني وإلكترود عداد مؤرض.خلال هذه العملية ، تحدث ظاهرتان مختلفتان: 1) الرش الكهربائي و 2) تأين الماء.يتسبب المجال الكهربائي القوي بين القطبين في تراكم الشحنات السالبة على سطح الماء المكثف ، مما يؤدي إلى تكوين أقماع تايلور.نتيجة لذلك ، تتشكل قطرات الماء المشحونة للغاية ، والتي تستمر في التفتت إلى جسيمات أصغر ، كما في نظرية رايلي.في الوقت نفسه ، تتسبب الحقول 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 ROS الذي تم إنشاؤه في نفس الوقت في EWNS (الشكل 1 ج).
على التين.يوضح الشكل 2 أ نظام توليد EWNS الذي تم تطويره واستخدامه في توليف EWNS في هذه الدراسة.تم تغذية المياه النقية المخزنة في زجاجة مغلقة من خلال أنبوب تفلون (قطره الداخلي 2 مم) في إبرة فولاذية مقاومة للصدأ سعة 30 جم (شعري معدني).يتم التحكم في تدفق المياه عن طريق ضغط الهواء داخل الزجاجة ، كما هو موضح في الشكل 2 ب.يتم تثبيت الإبرة على وحدة تحكم من التفلون ويمكن ضبطها يدويًا على مسافة معينة من قطب العداد.قطب العداد عبارة عن قرص من الألومنيوم المصقول به فتحة في المنتصف لأخذ العينات.يوجد أسفل قطب العداد قمع لأخذ عينات الألومنيوم ، وهو متصل ببقية الإعداد التجريبي عبر منفذ أخذ العينات (الشكل 2 ب).لتجنب تراكم الشحن الذي قد يؤدي إلى تعطيل عمل جهاز أخذ العينات ، يتم تأريض جميع مكونات جهاز أخذ العينات كهربائيًا.
(أ) نظام توليد البنية النانوية للمياه المهندسة (EWNS).(ب) المقطع العرضي لأخذ العينات والرش الكهربائي ، مع إظهار أهم المعلمات.(ج) الإعداد التجريبي لتعطيل البكتيريا.
نظام توليد EWNS الموصوف أعلاه قادر على تغيير معلمات التشغيل الرئيسية لتسهيل ضبط خصائص EWNS.اضبط الجهد المطبق (V) ، والمسافة بين الإبرة وقطب العداد (L) ، وتدفق المياه (φ) عبر الشعيرات الدموية لضبط خصائص EWNS.رمز يستخدم لتمثيل مجموعات مختلفة: [V (kV)، L (cm)].اضبط تدفق المياه للحصول على مخروط تايلور مستقر لمجموعة معينة [V ، L].لأغراض هذه الدراسة ، تم الاحتفاظ بقطر فتحة قطب العداد (D) عند 0.5 بوصة (1.29 سم).
بسبب الهندسة المحدودة وعدم التناسق ، لا يمكن حساب شدة المجال الكهربائي من المبادئ الأولى.بدلاً من ذلك ، تم استخدام برنامج QuickField ™ (Svendborg ، الدنمارك) 19 لحساب المجال الكهربائي.المجال الكهربائي غير منتظم ، لذلك تم استخدام قيمة المجال الكهربائي عند طرف الشعيرات الدموية كقيمة مرجعية للتكوينات المختلفة.
أثناء الدراسة ، تم تقييم عدة مجموعات من الجهد والمسافة بين الإبرة والقطب الكهربي المضاد من حيث تكوين مخروط تايلور ، واستقرار مخروط تايلور ، واستقرار إنتاج EWNS ، وإمكانية التكاثر.يتم عرض مجموعات مختلفة في الجدول التكميلي S1.
تم توصيل مخرجات نظام توليد EWNS مباشرة بمحلل حجم جسيمات التنقل بالمسح الضوئي (SMPS ، موديل 3936 ، TSI ، Shoreview ، MN) لقياس تركيز رقم الجسيمات ، وكذلك بمقياس الهباء الجوي فاراداي (TSI ، موديل 3068B ، Shoreview ، MN).) لتيارات الهباء الجوي كما هو موضح في منشورنا السابق.تم أخذ عينات كل من SMPS ومقياس الهباء الجوي بمعدل تدفق قدره 0.5 لتر / دقيقة (إجمالي تدفق العينة 1 لتر / دقيقة).تم قياس تركيز عدد الجسيمات وتدفق الهباء الجوي لمدة 120 ثانية.يتم تكرار القياس 30 مرة.بناءً على القياسات الحالية ، يتم حساب إجمالي شحنة الهباء الجوي ويتم تقدير متوسط ​​شحنة EWNS لعدد إجمالي معين من جسيمات EWNS المحددة.يمكن حساب متوسط ​​تكلفة EWNS باستخدام المعادلة (1):
حيث IEl هو التيار المقاس ، NSMPS هو التركيز الرقمي المقاس باستخدام SMPS ، و El هو معدل التدفق لكل مقياس كهربي.
نظرًا لأن الرطوبة النسبية (RH) تؤثر على الشحن السطحي ، فقد تم الحفاظ على درجة الحرارة و (RH) ثابتة أثناء التجربة عند 21 درجة مئوية و 45٪ على التوالي.
تم استخدام مجهر القوة الذرية (AFM) و Asylum MFP-3D (Asylum Research ، سانتا باربرا ، كاليفورنيا) ومسبار AC260T (أوليمبوس ، طوكيو ، اليابان) لقياس حجم وعمر EWNS.كان تردد مسح AFM 1 هرتز ، وكانت منطقة المسح 5 ميكرومتر × 5 ميكرومتر ، و 256 خط مسح.خضعت جميع الصور لمحاذاة الصورة من الدرجة الأولى باستخدام برنامج اللجوء (نطاق القناع 100 نانومتر ، عتبة 100 م).
تمت إزالة قمع الاختبار ووضع سطح الميكا على مسافة 2.0 سم من القطب الكهربائي المضاد لمدة متوسطها 120 ثانية لتجنب تكتل الجسيمات وتشكيل قطرات غير منتظمة على سطح الميكا.تم رش EWNS مباشرة على سطح الميكا المقطوعة حديثًا (Ted Pella ، Redding ، CA).صورة لسطح الميكا مباشرة بعد رشاش AFM.زاوية التلامس لسطح الميكا المقطوعة حديثًا غير المعدلة قريبة من 0 درجة ، لذلك يتم توزيع EVNS على سطح الميكا في شكل قبة.تم قياس القطر (أ) والارتفاع (ح) للقطرات المنتشرة مباشرة من تضاريس AFM واستخدمت لحساب حجم انتشار EWNS المقبب باستخدام طريقتنا التي تم التحقق من صحتها مسبقًا.بافتراض أن EWNS على متن الطائرة لها نفس الحجم ، يمكن حساب القطر المكافئ باستخدام المعادلة (2):
بناءً على طريقتنا التي تم تطويرها مسبقًا ، تم استخدام مصيدة تدور بالرنين المغزلي للإلكترون (ESR) لاكتشاف وجود وسيطة جذرية قصيرة العمر في EWNS.تم فقاعات الهباء الجوي من خلال سبارغر قزم 650 ميكرومتر (Ace Glass ، Vineland ، NJ) يحتوي على محلول 235 ملي مولار من DEPMPO (5- (داي ثوكسيفوسفوريل) -5-ميثيل -1- بيرولين- N- أوكسيد) (Oxis International Inc.).بورتلاند ، أوريغون).تم إجراء جميع قياسات ESR باستخدام مطياف Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية) وخلية لوحة مسطحة.تم استخدام برنامج Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية) لجمع البيانات وتحليلها.تم تحديد خصائص ROS فقط لمجموعة من ظروف التشغيل [-6.5 كيلو فولت ، 4.0 سم].تم قياس تركيزات EWNS باستخدام SMPS بعد حساب خسائر EWNS في المصادم.
تمت مراقبة مستويات الأوزون باستخدام 205 Dual Beam Ozone Monitor ™ (2B Technologies، Boulder، Co) 8،9،10.
لجميع خصائص EWNS ، يتم استخدام القيمة المتوسطة كقيمة قياس ، ويتم استخدام الانحراف المعياري كخطأ في القياس.تم إجراء اختبارات T لمقارنة قيم سمات EWNS المحسّنة مع القيم المقابلة لـ EWNS الأساسي.
يوضح الشكل 2 ج نظام "سحب" مطور ومميز مسبقًا للترسيب الكهروستاتيكي (EPES) والذي يمكن استخدامه للتسليم المستهدف لـ EWNS على السطح.يستخدم EPES شحنات EVNS التي يمكن "توجيهها" مباشرة إلى سطح الهدف تحت تأثير مجال كهربائي قوي.تم عرض تفاصيل نظام EPES في منشور حديث بواسطة Pyrgiotakis et al.11.وهكذا ، تتكون EPES من حجرة PVC مطبوعة ثلاثية الأبعاد بنهايات مدببة وتحتوي على لوحين من الفولاذ المقاوم للصدأ (304 من الفولاذ المقاوم للصدأ ، مطلي بالمرآة) في المنتصف بفاصل 15.24 سم.تم توصيل الألواح بمصدر خارجي عالي الجهد (Bertran 205B-10R ، Spellman ، Hauppauge ، NY) ، كانت اللوحة السفلية متصلة دائمًا بالجهد الإيجابي ، وكانت اللوحة العلوية متصلة دائمًا بالأرض (الأرض العائمة).جدران الحجرة مغطاة برقائق الألمنيوم ، والتي يتم تأريضها كهربائياً لمنع فقدان الجسيمات.تحتوي الحجرة 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 مفصل في الشكل التكميلي S111.
كغرفة تحكم ، تم توصيل غرفة تدفق أسطوانية ثانية في سلسلة بنظام EPES ، حيث تم استخدام مرشح HEPA وسيط لإزالة EWNS.كما هو مبين في الشكل 2 ج ، تم ضخ الهباء الجوي EWNS من خلال غرفتين مدمجتين.يقوم المرشح بين غرفة التحكم و EPES بإزالة أي بقايا EWNS مما يؤدي إلى نفس درجة الحرارة (T) والرطوبة النسبية (RH) ومستويات الأوزون.
تم العثور على الكائنات الحية الدقيقة الهامة المنقولة عن طريق الغذاء لتلوث الأطعمة الطازجة مثل الإشريكية القولونية (ATCC # 27325) ، مؤشر البراز ، السالمونيلا المعوية (ATCC # 53647) ، مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء ، الليستريا غير المؤذية (ATCC # 33090) ، بديل لليستريا مونوسيتوجينيس الممرضة ، مشتق من ATCC (Manassasomy، cerisev # 98). شرقًا ، وهي بكتيريا معطلة أكثر مقاومة ، Mycobacterium paralucky (ATCC # 19686).
اشترِ علبًا عشوائية من طماطم العنب العضوية من السوق المحلي وقم بتبريدها في 4 درجات مئوية حتى الاستخدام (حتى 3 أيام).كانت الطماطم التجريبية كلها بنفس الحجم ، وقطرها حوالي 1/2 بوصة.
تم تفصيل بروتوكولات الثقافة والتلقيح والتعرض وعدد المستعمرات في منشورنا السابق ومفصلة في البيانات التكميلية.تم تقييم فعالية EWNS عن طريق تعريض الطماطم الملقحة إلى 40000 # / سم 3 لمدة 45 دقيقة.باختصار ، تم استخدام ثلاث طماطم لتقييم الكائنات الحية الدقيقة الباقية في الوقت t = 0 دقيقة.تم وضع ثلاث طماطم في EPES وتعرضت لـ EWNS عند 40000 # / سم مكعب (طماطم مكشوفة لـ EWNS) وتم وضع الثلاثة المتبقية في غرفة التحكم (طماطم التحكم).لم يتم إجراء معالجة إضافية للطماطم في كلا المجموعتين.تمت إزالة الطماطم المعرضة لـ EWNS والطماطم الضابطة بعد 45 دقيقة لتقييم تأثير EWNS.
ونفذت كل تجربة في ثلاث نسخ.تم إجراء تحليل البيانات وفقًا للبروتوكول الموضح في البيانات التكميلية.
تم تقييم آليات التثبيط عن طريق ترسيب عينات EWNS المكشوفة (45 دقيقة بتركيز هباء EWNS 40.000 # / سم 3) والعينات غير المشععة من البكتيريا غير الضارة E. coli و Salmonella enterica و Lactobacillus.تم تثبيت الجسيمات في 2.5٪ جلوتارالدهيد ، 1.25٪ بارافورمالدهيد و 0.03٪ حمض بيكريك في محلول كاكوديلات الصوديوم 0.1 مولار (pH 7.4) لمدة ساعتين عند درجة حرارة الغرفة.بعد الغسيل ، قم بالتثبيت اللاحق باستخدام 1٪ رابع أكسيد الأوزميوم (OsO4) / 1.5٪ فيروسيانيد البوتاسيوم (KFeCN6) لمدة ساعتين ، اغسل 3 مرات في الماء واحتضان 1٪ يورانيل أسيتات لمدة ساعة واحدة ، ثم اغسل مرتين في الماء ، ثم جفف لمدة 10 دقائق في 50٪ ، 70٪ ، 90٪ ، 100٪ كحول.تم وضع العينات بعد ذلك في أكسيد البروبيلين لمدة ساعة وتشريبها بمزيج 1: 1 من أكسيد البروبيلين و TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent ، CA).تم دمج العينات في TAAB Epon وبلمرة عند 60 درجة مئوية لمدة 48 ساعة.تم قطع الراتينج الحبيبي المعالج وتصوره بواسطة TEM باستخدام مجهر إلكتروني تقليدي للإرسال JEOL 1200EX (JEOL ، طوكيو ، اليابان) مزود بكاميرا AMT 2k CCD (تقنيات الفحص المجهري المتقدمة ، Corp. ، Woburn ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية).
أجريت جميع التجارب في ثلاث نسخ.لكل نقطة زمنية ، تم بذر الغسل البكتيري في ثلاث نسخ ، مما أدى إلى إجمالي تسع نقاط بيانات لكل نقطة ، تم استخدام متوسطها كتركيز بكتيري لذلك الكائن الدقيق المحدد.تم استخدام الانحراف المعياري كخطأ في القياس.كل النقاط تحتسب.
تم حساب لوغاريتم الانخفاض في تركيز البكتيريا مقارنة بـ t = 0 min باستخدام الصيغة التالية:
حيث C0 هو تركيز البكتيريا في عينة التحكم في الوقت 0 (أي بعد أن يجف السطح ولكن قبل وضعه في الحجرة) و Cn هو تركيز البكتيريا على السطح بعد n دقيقة من التعرض.
لحساب التدهور الطبيعي للبكتيريا أثناء التعرض لمدة 45 دقيقة ، تم أيضًا حساب تقليل اللوغاريتمات مقارنةً بالتحكم بعد 45 دقيقة على النحو التالي:
حيث Cn هو تركيز البكتيريا في عينة التحكم في الوقت n و Cn-Control هو تركيز بكتيريا التحكم في الوقت n.يتم تقديم البيانات كتخفيض في السجل مقارنةً بالتحكم (عدم التعرض لـ EWNS).
أثناء الدراسة ، تم تقييم عدة مجموعات من الجهد والمسافة بين الإبرة والقطب الكهربي المضاد من حيث تكوين مخروط تايلور ، واستقرار مخروط تايلور ، واستقرار إنتاج EWNS ، وإمكانية التكاثر.يتم عرض مجموعات مختلفة في الجدول التكميلي S1.تم اختيار حالتين تظهران خصائص مستقرة وقابلة للتكرار (مخروط تايلور ، وتوليد EWNS ، والاستقرار بمرور الوقت) لدراسة شاملة.على التين.يوضح الشكل 3 نتائج الشحن والحجم والمحتوى لـ ROS في كلتا الحالتين.النتائج موضحة أيضًا في الجدول 1. كمرجع ، يتضمن كل من الشكل 3 والجدول 1 خصائص EWNS 8 و 9 و 10 و 11 (خط الأساس- EWNS).يتم إعادة نشر حسابات الأهمية الإحصائية باستخدام اختبار t ثنائي الذيل في الجدول التكميلي S2.بالإضافة إلى ذلك ، تتضمن البيانات الإضافية دراسات حول تأثير قطر ثقب أخذ عينات القطب الكهربائي (D) والمسافة بين القطب الأرضي والطرف (L) (الشكلان التكميليان S2 و S3).
(ج) توزيع الحجم المقاس بواسطة AFM.(د) خاصية الشحنة السطحية.(ز) توصيف ROS لـ EPR.
من المهم أيضًا ملاحظة أنه بالنسبة لجميع الظروف المذكورة أعلاه ، كان تيار التأين المقاس بين 2 و 6 μA والجهد بين -3.8 و -6.5 كيلو فولت ، مما أدى إلى استهلاك طاقة أقل من 50 ميجاوات لوحدة التلامس الخاصة بتوليد EWNS.على الرغم من تصنيع EWNS تحت ضغط عالٍ ، إلا أن مستويات الأوزون كانت منخفضة جدًا ، ولم تتجاوز أبدًا 60 جزءًا في البليون.
يوضح الشكل التكميلي S4 المجالات الكهربائية المحاكاة لسيناريوهات [-6.5 كيلو فولت ، 4.0 سم] و [-3.8 كيلو فولت ، 0.5 سم] ، على التوالي.بالنسبة للسيناريوهات [-6.5 kV، 4.0 cm] و [-3.8 kV، 0.5 cm] ، تكون حسابات المجال 2 × 105 V / m و 4.7 × 105 V / m ، على التوالي.هذا متوقع ، لأنه في الحالة الثانية تكون نسبة الجهد والمسافة أعلى من ذلك بكثير.
على التين.يوضح الشكل 3 أ ، ب قطر EWNS المقاس باستخدام AFM8.كان متوسط ​​أقطار EWNS المحسوبة 27 نانومتر و 19 نانومتر للمخططات [-6.5 كيلو فولت ، 4.0 سم] و [-3.8 كيلو فولت ، 0.5 سم] ، على التوالي.بالنسبة للسيناريوهات [-6.5 kV، 4.0 cm] و [-3.8 kV، 0.5 cm] ، فإن الانحرافات المعيارية الهندسية للتوزيعات هي 1.41 و 1.45 على التوالي ، مما يشير إلى توزيع ضيق الحجم.كل من متوسط ​​الحجم والانحراف المعياري الهندسي قريبان جدًا من خط EWNS الأساسي ، عند 25 نانومتر و 1.41 ، على التوالي.على التين.يوضح الشكل 3 ج توزيع حجم EWNS الأساسي المقاس باستخدام نفس الطريقة تحت نفس الظروف.
على التين.يُظهر 3d ، e نتائج توصيف الشحنة.البيانات عبارة عن قياسات متوسطة لـ 30 قياسًا متزامنًا للتركيز (# / سم 3) والتيار (I).يُظهر التحليل أن متوسط ​​الشحنة على EWNS هو 22 ± 6 e- و 44 ± 6 e- لـ [-6.5 كيلو فولت ، 4.0 سم] و [-3.8 كيلو فولت ، 0.5 سم] ، على التوالي.لديهم شحنة سطحية أعلى بكثير مقارنة بخط الأساس EWNS (10 ± 2 e-) ، مرتين أكبر من سيناريو [-6.5 kV، 4.0 cm] وأربع مرات أكبر من [-3 .8 kV، 0.5 cm].يوضح الشكل 3f الشحنة.بيانات خط الأساس- EWNS.
من خرائط التركيز الخاصة برقم EWNS (الأشكال التكميلية S5 و S6) ، يمكن ملاحظة 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 أنه تمت مراقبة تركيز رقم EWNS لمدة تصل إلى 4 ساعات (الشكلان التكميليان S5 و S6) ، حيث أظهر استقرار توليد EWNS نفس مستويات تركيز رقم الجسيمات في كلتا الحالتين.
على التين.يوضح الشكل 3g طيف EPR بعد طرح عنصر تحكم EWNS المحسن (الخلفية) عند [-6.5 كيلو فولت ، 4.0 سم].تمت مقارنة أطياف ROS أيضًا مع سيناريو Baseline-EWNS في عمل تم نشره مسبقًا.تم حساب عدد EWNS الذي يتفاعل مع مصائد الدوران ليكون 7.5 × 104 EWNS / s ، وهو مشابه لـ Baseline-EWNS8 المنشور سابقًا.أظهر أطياف EPR بوضوح وجود نوعين من أنواع الأكسجين التفاعلية ، مع كون O2 هو النوع السائد و OH أقل وفرة.بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت مقارنة مباشرة لشدة الذروة أن EWNS المحسّن كان يحتوي على محتوى ROS أعلى بشكل ملحوظ مقارنةً بخط الأساس EWNS.
على التين.يوضح الشكل 4 كفاءة ترسيب EWNS في EPES.تم تلخيص البيانات أيضًا في الجدول الأول ومقارنتها ببيانات EWNS الأصلية.في كلتا الحالتين من EUNS ، يكون الترسيب قريبًا من 100 ٪ حتى عند جهد منخفض يبلغ 3.0 كيلو فولت.عادةً ما يكون 3.0 كيلو فولت كافيًا للترسيب بنسبة 100٪ ، بغض النظر عن تغير شحنة السطح.في ظل نفس الظروف ، كانت كفاءة ترسيب Baseline-EWNS 56 ٪ فقط بسبب انخفاض شحنتها (متوسط ​​10 إلكترونات لكل EWNS).
على التين.5 والجدول.2 يلخص قيمة تعطيل الكائنات الحية الدقيقة الملقحة على سطح الطماطم بعد التعرض لحوالي 40.000 # / cm3 EWNS لمدة 45 دقيقة في الوضع الأمثل [-6.5 كيلو فولت ، 4.0 سم].تم تلقيح E. ​​coli و Lactobacillus غير ضار أظهر انخفاضًا ملحوظًا قدره 3.8 جذوعًا خلال التعرض لمدة 45 دقيقة.في ظل نفس الظروف ، انخفض S. enterica بمقدار 2.2 لوغاريتم ، بينما انخفض S. cerevisiae و M. parafortutum بمقدار 1.0 لوغاريتمات.
تصور الصور المجهرية الإلكترونية (الشكل 6) التغيرات الجسدية التي يسببها EWNS على خلايا Escherichia coli و Streptococcus و Lactobacillus غير المؤذية مما يؤدي إلى تعطيلها.تحتوي البكتيريا الضابطة على أغشية خلوية سليمة ، بينما تسببت البكتيريا المكشوفة في إتلاف الأغشية الخارجية.
كشف التصوير المجهري الإلكتروني للمراقبة والبكتيريا المكشوفة عن تلف الغشاء.
تُظهر البيانات المتعلقة بالخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ EWNS المُحسَّنة بشكل جماعي أن الخصائص (شحنة السطح ومحتوى ROS) الخاصة بـ EWNS قد تحسنت بشكل كبير مقارنة ببيانات خط الأساس EWNS المنشورة سابقًا.من ناحية أخرى ، ظل حجمها في نطاق النانومتر ، وهو مشابه جدًا للنتائج التي تم الإبلاغ عنها سابقًا ، مما يسمح لها بالبقاء في الهواء لفترات طويلة من الزمن.يمكن تفسير التشتت المتعدد الملحوظ من خلال تغيرات الشحنة السطحية التي تحدد حجم EWNS ، وعشوائية تأثير رايلي ، والاندماج المحتمل.ومع ذلك ، كما هو مفصل بواسطة Nielsen et al.في الشكل 22 ، تقلل الشحنة السطحية العالية من التبخر عن طريق زيادة الطاقة السطحية / توتر قطرة الماء بشكل فعال.في منشورنا السابق ، تم تأكيد هذه النظرية بشكل تجريبي لـ microdroplets 22 و EWNS.يمكن أن يؤثر فقدان الشحن أثناء العمل الإضافي أيضًا على الحجم والمساهمة في توزيع الحجم الملحوظ.