Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında məhdud CSS dəstəyi var. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan render edəcəyik.
Bu yaxınlarda süni su nanostrukturlarından (EWNS) istifadə edərək nanotexnologiyaya əsaslanan kimyəvi maddələrsiz antimikrob platforma hazırlanmışdır. EWNS-lər yüksək səth yükünə malikdir və qida yolu ilə ötürülən patogenlər də daxil olmaqla bir sıra mikroorqanizmlərlə qarşılıqlı təsir göstərə və onları deaktiv edə bilən reaktiv oksigen növləri (ROS) ilə doymuşdur. Burada göstərildiyi kimi, sintez zamanı onların xüsusiyyətləri antibakterial potensialını daha da artırmaq üçün dəqiq tənzimlənə və optimallaşdırıla bilər. EWNS laboratoriya platforması sintez parametrlərini dəyişdirərək EWNS-in xüsusiyyətlərini dəqiq tənzimləmək üçün hazırlanmışdır. Müasir analitik metodlardan istifadə edərək EWNS xüsusiyyətlərinin (yük, ROS-un ölçüsü və tərkibi) xarakteristikası. Bundan əlavə, onlar Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum və Saccharomyces cerevisiae kimi qida yolu ilə ötürülən mikroorqanizmlərə qarşı mikrob inaktivasiya potensialına görə qiymətləndirilmişdir. Burada təqdim olunan nəticələr göstərir ki, EWNS-in xüsusiyyətləri sintez zamanı dəqiq tənzimlənə bilər və bu da inaktivasiya səmərəliliyində eksponensial artıma səbəb olur. Xüsusilə, səth yükü dörd dəfə artmış və reaktiv oksigen növləri artmışdır. Mikrobların təmizlənmə sürəti mikroblardan asılı idi və 40.000 #/cc EWNS aerozol dozasına 45 dəqiqə məruz qaldıqdan sonra 1.0 ilə 3.8 loq arasında dəyişdi.
Mikrob çirklənməsi patogenlərin və ya onların toksinlərinin qəbulundan qaynaqlanan qida mənşəli xəstəliklərin əsas səbəbidir. Təkcə ABŞ-da qida mənşəli xəstəliklər hər il təxminən 76 milyon xəstəliyə, 325.000 xəstəxanaya yerləşdirilməyə və 5000 ölümə səbəb olur1. Bundan əlavə, ABŞ Kənd Təsərrüfatı Nazirliyi (USDA) təxmin edir ki, təzə məhsulların istehlakının artması ABŞ-da qeydə alınan bütün qida mənşəli xəstəliklərin 48%-nin səbəbidir2. ABŞ-da qida mənşəli patogenlərin yaratdığı xəstəlik və ölümün dəyəri çox yüksəkdir və Xəstəliklərə Nəzarət və Profilaktika Mərkəzləri (CDC) tərəfindən ildə 15,6 milyard ABŞ dollarından çox qiymətləndirilir3.
Hazırda qida təhlükəsizliyini təmin etmək üçün kimyəvi4, radiasiya5 və termal6 antimikrob müdaxilələri əsasən istehsal zənciri boyunca (adətən məhsul yığımından sonra və/və ya qablaşdırma zamanı) davamlı olaraq deyil, məhdud kritik nəzarət nöqtələrində (KNN) həyata keçirilir. Beləliklə, onlar çarpaz çirklənməyə meyllidirlər. 7. Qida mənşəli xəstəliklərin və qida korlanmasının daha yaxşı idarə olunması üçün ətraf mühitə təsirini və xərcləri azaltmaqla yanaşı, potensial olaraq fermadan süfrəyə davamlılıqda tətbiq oluna bilən antimikrob müdaxilələri tələb olunur.
Bu yaxınlarda, süni su nanostrukturlarından (EWNS) istifadə edərək səth və havadakı bakteriyaları deaktiv edə bilən kimyəvi maddələrdən azad, nanotexnologiya əsaslı antimikrob platforma hazırlanmışdır. EWNS iki paralel prosesdən, elektrosprey və su ionlaşmasından istifadə edərək sintez edilmişdir (Şəkil 1a). Əvvəlki tədqiqatlar göstərmişdir ki, EWNS unikal fiziki və bioloji xüsusiyyətlərə malikdir8,9,10. EWNS-lər hər strukturda orta hesabla 10 elektrona və orta nanoskal ölçüsü 25 nm-dir (Şəkil 1b,c)8,9,10. Bundan əlavə, elektron spin rezonansı (ESR) göstərdi ki, EWNS-də əsasən hidroksil (OH•) və superoksid (O2-) radikallarından ibarət çoxlu miqdarda reaktiv oksigen növləri (ROS) var (Şəkil 1c)8. EVNS uzun müddət havada olur və havada asılı vəziyyətdə olan və səthdə mövcud olan mikroorqanizmlərlə toqquşaraq onların ROS yükünü təmin edə və mikroorqanizmlərin deaktivləşməsinə səbəb ola bilər (Şəkil 1d). Bu erkən tədqiqatlar həmçinin göstərdi ki, EWNS səthlərdə və havada mikobakteriyalar da daxil olmaqla müxtəlif qram-mənfi və qram-müsbət bakteriyalarla qarşılıqlı təsir göstərə və onları inaktivləşdirə bilir. Transmissiya elektron mikroskopiyası göstərdi ki, inaktivasiya hüceyrə membranının pozulmasından qaynaqlanır. Bundan əlavə, kəskin inhalyasiya tədqiqatları göstərdi ki, EWNS-in yüksək dozaları ağciyər zədələnməsinə və ya iltihaba səbəb olmur 8.
(a) Elektrosprey maye olan kapilyar boru ilə əks elektrod arasında yüksək gərginlik tətbiq edildikdə baş verir. (b) Yüksək təzyiqin tətbiqi iki fərqli hadisəyə səbəb olur: (i) suyun elektrospreyi və (ii) EWNS-də tutulan reaktiv oksigen növlərinin (ionlarının) əmələ gəlməsi. (c) EWNS-in unikal quruluşu. (d) Nanomiqyaslı təbiətinə görə EWNS yüksək dərəcədə hərəkətlidir və hava yolu ilə yayılan patogenlərlə qarşılıqlı təsir göstərə bilər.
EWNS antimikrob platformasının təzə qida səthindəki qida mənşəli mikroorqanizmləri deaktiv etmək qabiliyyəti də bu yaxınlarda nümayiş etdirilib. Həmçinin göstərilib ki, EWNS-in elektrik sahəsi ilə birlikdə səth yükü hədəf çatdırılmaya nail olmaq üçün istifadə edilə bilər. Bundan əlavə, təxminən 50.000 #/sm3 EWNS-də 90 dəqiqəlik məruz qalmadan sonra üzvi pomidorlar üçün ilkin nəticələr ümidverici idi və E. coli və Listeria 11 kimi müxtəlif qida mənşəli mikroorqanizmlər müşahidə edildi. Bundan əlavə, ilkin orqanoleptik testlər nəzarət pomidorları ilə müqayisədə heç bir sensor təsir göstərmədi. Bu ilkin inaktivasiya nəticələri qida təhlükəsizliyi tətbiqləri üçün hətta çox aşağı 50.000 #/sm3 EWNS dozalarında belə ümidverici olsa da, daha yüksək inaktivasiya potensialının infeksiya və korlanma riskini daha da azaltmaq üçün daha faydalı olacağı aydındır.
Burada tədqiqatımızı sintez parametrlərinin dəqiq tənzimlənməsinə və EWNS-in antibakterial potensialını artırmaq üçün fiziki-kimyəvi xüsusiyyətlərinin optimallaşdırılmasına imkan verən EWNS generasiya platformasının hazırlanmasına yönəldəcəyik. Xüsusilə, optimallaşdırma onların səth yükünün (hədəflənmiş çatdırılmanı yaxşılaşdırmaq üçün) və ROS tərkibinin (inaktivasiya səmərəliliyini artırmaq üçün) artırılmasına yönəlmişdir. Müasir analitik metodlardan istifadə edərək optimallaşdırılmış fiziki-kimyəvi xüsusiyyətlərini (ölçüsü, yükü və ROS tərkibi) xarakterizə edin və E. kimi ümumi qida mikroorqanizmlərindən istifadə edin.
EVNS, yüksək təmizlikli suyun (18 MΩ sm–1) eyni vaxtda elektropüskürtmə və ionlaşması ilə sintez edilmişdir. Elektrik nebulayzeri 12, adətən mayelərin atomlaşdırılması və nəzarət edilən ölçülü polimer və keramika hissəciklərinin 13 və liflərin 14 sintezi üçün istifadə olunur.
Əvvəlki nəşrlərin 8, 9, 10, 11-ci səhifələrində ətraflı təsvir edildiyi kimi, tipik bir təcrübədə metal kapilyar və torpaqlanmış əks elektrod arasında yüksək gərginlik tətbiq edilmişdir. Bu proses zamanı iki fərqli fenomen baş verir: i) elektrosprey və ii) suyun ionlaşması. İki elektrod arasında güclü elektrik sahəsi kondensasiya olunmuş suyun səthində mənfi yüklərin toplanmasına səbəb olur və nəticədə Teylor konuslarının əmələ gəlməsinə səbəb olur. Nəticədə, Reyli nəzəriyyəsində olduğu kimi, daha kiçik hissəciklərə parçalanmağa davam edən yüksək yüklü su damcıları əmələ gəlir16. Eyni zamanda, güclü elektrik sahələri bəzi su molekullarının parçalanmasına və elektronları qoparmasına (ionlaşmasına) səbəb olur ki, bu da çox miqdarda reaktiv oksigen növünün (ROS) əmələ gəlməsinə səbəb olur17. Eyni zamanda yaranan ROS18 EWNS-də kapsullaşdırılıb (Şəkil 1c).
Şəkil 2a-da bu tədqiqatda EWNS sintezində hazırlanmış və istifadə edilən EWNS generasiya sistemi göstərilir. Qapalı şüşədə saxlanılan təmizlənmiş su, Teflon boru (daxili diametri 2 mm) vasitəsilə 30G paslanmayan polad iynəyə (metal kapilyar) verilir. Suyun axını, Şəkil 2b-də göstərildiyi kimi, şüşənin içindəki hava təzyiqi ilə idarə olunur. İynə Teflon konsolu üzərində quraşdırılıb və əks elektroddan müəyyən bir məsafədə əl ilə tənzimlənə bilər. Əks elektrod, nümunə götürmək üçün mərkəzində dəliyi olan cilalanmış alüminium diskdir. Əks elektrodun altında nümunə götürmə portu vasitəsilə eksperimental qurğunun qalan hissəsinə qoşulmuş alüminium nümunə götürmə hunisi yerləşir (Şəkil 2b). Nümunə götürənin işini poza biləcək yük yığılmasının qarşısını almaq üçün bütün nümunə götürən komponentlər elektriklə torpaqlanmışdır.
(a) Mühəndisləşdirilmiş Su Nanostrukturu Yaratma Sistemi (EWNS). (b) Ən vacib parametrləri göstərən nümunə götürənin və elektrospreyin en kəsiyi. (c) Bakteriyaların inaktivləşdirilməsi üçün eksperimental qurğu.
Yuxarıda təsvir edilən EWNS generasiya sistemi, EWNS xüsusiyyətlərinin dəqiq tənzimlənməsini asanlaşdırmaq üçün əsas iş parametrlərini dəyişdirməyə qadirdir. EWNS xüsusiyyətlərini dəqiq tənzimləmək üçün tətbiq olunan gərginliyi (V), iynə ilə əks elektrod arasındakı məsafəni (L) və kapilyardan keçən su axınını (φ) tənzimləyin. Müxtəlif kombinasiyaları təmsil etmək üçün istifadə olunan simvol: [V (kV), L (sm)]. Müəyyən bir dəstin [V, L] sabit Teylor konusunu əldə etmək üçün su axınını tənzimləyin. Bu tədqiqatın məqsədləri üçün əks elektrodun (D) dəlik diametri 0,5 düym (1,29 sm) olaraq saxlanıldı.
Məhdud həndəsə və asimmetriya səbəbindən elektrik sahəsinin gücü ilkin prinsiplərdən hesablana bilməz. Bunun əvəzinə, elektrik sahəsini hesablamaq üçün QuickField™ proqram təminatından (Svendborg, Danimarka)19 istifadə edilmişdir. Elektrik sahəsi vahid deyil, buna görə də kapilyarın ucundakı elektrik sahəsinin dəyəri müxtəlif konfiqurasiyalar üçün istinad dəyəri kimi istifadə edilmişdir.
Tədqiqat zamanı iynə ilə əks elektrod arasındakı gərginlik və məsafənin bir neçə kombinasiyası Teylor konusunun əmələ gəlməsi, Teylor konusunun stabilliyi, EWNS istehsal stabilliyi və təkrarlanma qabiliyyəti baxımından qiymətləndirilmişdir. Müxtəlif kombinasiyalar Əlavə Cədvəl S1-də göstərilmişdir.
EWNS generasiya sisteminin çıxışı hissəcik sayının konsentrasiyasını ölçmək üçün birbaşa Skaner Mobillik Hissəcik Ölçüsü Analizatoruna (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN), eləcə də aerozol cərəyanları üçün Aerosol Faraday Elektrometrinə (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN) qoşulmuşdur. Həm SMPS, həm də 0,5 L/dəq axın sürətində nümunə götürülmüş aerozol elektrometri (ümumi nümunə axını 1 L/dəq) 120 saniyə ərzində ölçülmüşdür. Ölçmə 30 dəfə təkrarlanır. Cari ölçmələrə əsasən, ümumi aerozol yükü hesablanır və seçilmiş EWNS hissəciklərinin müəyyən ümumi sayı üçün orta EWNS yükü təxmin edilir. EWNS-in orta dəyəri (1) tənliyindən istifadə etməklə hesablana bilər:
burada IEl ölçülmüş cərəyan, NSMPS SMPS ilə ölçülmüş rəqəmsal konsentrasiya və φEl ​​isə hər elektrometrə düşən axın sürətidir.
Nisbi rütubət (NR) səth yükünə təsir etdiyindən, təcrübə zamanı temperatur və (NR) müvafiq olaraq 21°C və 45%-də sabit saxlanılmışdır.
EWNS-in ölçüsünü və ömrünü ölçmək üçün atom qüvvəsi mikroskopiyası (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) və AC260T zondu (Olympus, Tokio, Yaponiya) istifadə edilmişdir. AFM skanlama tezliyi 1 Hz, skanlama sahəsi 5 μm × 5 μm və 256 skanlama xətti idi. Bütün şəkillər Asylum proqram təminatından istifadə edərək 1-ci dərəcəli təsvir uyğunlaşdırılmasına məruz qaldı (maska ​​diapazonu 100 nm, eşik 100 pm).
Sınaq qıfı çıxarıldı və mika səthi hissəciklərin yığılmasının və mika səthində nizamsız damcıların əmələ gəlməsinin qarşısını almaq üçün əks elektroddan 2,0 sm məsafədə 120 saniyə orta hesabla yerləşdirildi. EWNS birbaşa təzə kəsilmiş mika səthinə (Ted Pella, Redding, CA) püskürdüldü. AFM püskürtməsindən dərhal sonra mika səthinin təsviri. Təzə kəsilmiş dəyişdirilməmiş mika səthinin təmas bucağı 0°-yə yaxındır, buna görə də EVNS mika səthində günbəz şəklində paylanmışdır. Yayılan damcıların diametri (a) və hündürlüyü (h) birbaşa AFM topoqrafiyasından ölçüldü və əvvəllər təsdiqlənmiş metodumuzdan istifadə edərək EWNS günbəzli diffuziya həcmini hesablamaq üçün istifadə edildi. Gəmidəki EWNS-lərin eyni həcmdə olduğunu fərz etsək, ekvivalent diametr (2) tənliyindən istifadə edərək hesablana bilər:
Əvvəllər hazırlanmış metodumuza əsasən, EWNS-də qısamüddətli radikal aralıq maddələrin mövcudluğunu aşkar etmək üçün elektron spin rezonans (ESR) spin tələsindən istifadə edilmişdir. Aerozollar 235 mM DEPMPO(5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirrolin-N-oksid) (Oxis International Inc.) məhlulu olan 650 μm Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) vasitəsilə qabarcıqlanmışdır. Bütün ESR ölçmələri Bruker EMX spektrometri (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ABŞ) və düz panelli element istifadə edilərək aparılmışdır. Məlumatların toplanması və təhlili üçün Acquisit proqram təminatı (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, ABŞ) istifadə edilmişdir. ROS-un xüsusiyyətlərinin təyini yalnız bir sıra iş şəraiti [-6.5 kV, 4.0 sm] üçün aparılmışdır. EWNS konsentrasiyaları zərbə qüvvəsindəki EWNS itkiləri nəzərə alındıqdan sonra SMPS istifadə edilərək ölçülmüşdür.
Ozon səviyyələri 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 istifadə edilərək izlənildi.
Bütün EWNS xüsusiyyətləri üçün orta dəyər ölçmə dəyəri, standart sapma isə ölçmə xətası kimi istifadə olunur. Optimallaşdırılmış EWNS atributlarının dəyərlərini baza EWNS-in müvafiq dəyərləri ilə müqayisə etmək üçün T-testləri aparılmışdır.
Şəkil 2c, səthdə EWNS-in hədəf çatdırılması üçün istifadə edilə bilən əvvəllər hazırlanmış və xarakterizə edilmiş elektrostatik çöküntü (EPES) "çəkmə" sistemini göstərir. EPES, güclü elektrik sahəsinin təsiri altında birbaşa hədəfin səthinə "yönəldilə" bilən EVNS yüklərindən istifadə edir. EPES sisteminin təfərrüatları Pyrgiotakis və digərləri tərəfindən son nəşrdə təqdim olunur. 11. Beləliklə, EPES, konik ucları olan 3D çaplı PVC kameradan ibarətdir və mərkəzində 15,24 sm aralıda iki paralel paslanmayan poladdan (304 paslanmayan polad, güzgü ilə örtülmüş) metal lövhədən ibarətdir. Lövhələr xarici yüksək gərginlikli mənbəyə (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) qoşulmuşdur, alt lövhə həmişə müsbət gərginliyə, üst lövhə isə həmişə yerə (üzən torpaq) qoşulmuşdur. Kamera divarları hissəcik itkisinin qarşısını almaq üçün elektriklə torpaqlanmış alüminium folqa ilə örtülmüşdür. Kamera, yüksək gərginlikli müdaxilənin qarşısını almaq üçün sınaq səthlərinin alt metal lövhədən yuxarı qaldırılan plastik dayaqlara yerləşdirilməsinə imkan verən möhürlənmiş ön yükləmə qapısına malikdir.
EPES-də EWNS-in çökmə səmərəliliyi, Əlavə Şəkil S111-də ətraflı şəkildə təsvir edilmiş əvvəllər hazırlanmış protokola əsasən hesablanmışdır.
İdarəetmə kamerası olaraq, ikinci silindrik axın kamerası EPES sisteminə ardıcıl olaraq qoşulmuşdur və burada EWNS-i təmizləmək üçün ara HEPA filtrindən istifadə edilmişdir. Şəkil 2c-də göstərildiyi kimi, EWNS aerozolu iki daxili kameradan vurulmuşdur. İdarəetmə otağı ilə EPES arasındakı filtr qalan EWNS-i təmizləyir və nəticədə temperatur (T), nisbi rütubət (RH) və ozon səviyyələri eyni olur.
Qida ilə ötürülən vacib mikroorqanizmlərin E. coli (ATCC #27325), nəcis indikatoru, Salmonella enterica (ATCC #53647), qida ilə ötürülən patogen, Listeria zərərsiz (ATCC #33090), patogen Listeria monocytogenes üçün surroqat, ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098)-dən əldə edilən, korlanma mayasının əvəzedicisi və daha davamlı inaktivləşdirilmiş bakteriya Mycobacterium paralucky (ATCC #19686) kimi təzə qidaları çirkləndirdiyi aşkar edilmişdir.
Yerli bazardan təsadüfi qutularda üzvi üzüm pomidorları alın və istifadəyə qədər (3 günə qədər) 4°C-də soyuducuda saxlayın. Təcrübə pomidorlarının hamısı eyni ölçüdə, təxminən 1/2 düym diametrdə idi.
Kultura, peyvənd, məruz qalma və koloniya sayı protokolları əvvəlki nəşrimizdə və Əlavə Məlumatlarda ətraflı şəkildə ətraflı şəkildə verilmişdir. EWNS-in effektivliyi peyvənd edilmiş pomidorları 40.000 #/sm3-ə 45 dəqiqə məruz qoymaqla qiymətləndirilmişdir. Qısaca desək, sağ qalan mikroorqanizmləri t = 0 dəqiqəlik vaxtda qiymətləndirmək üçün üç pomidor istifadə edilmişdir. Üç pomidor EPES-ə yerləşdirilərək 40.000 #/sm3-də EWNS-ə məruz qalmışdır (EWNS məruz qalmış pomidorlar) və qalan üçü nəzarət kamerasına (nəzarət pomidorları) yerləşdirilmişdir. Hər iki qrupda pomidorların əlavə emalı aparılmamışdır. EWNS-in təsirini qiymətləndirmək üçün EWNS-ə məruz qalan pomidorlar və nəzarət pomidorları 45 dəqiqədən sonra çıxarılmışdır.
Hər təcrübə üç nüsxədə aparılmışdır. Məlumatların təhlili Əlavə Məlumatlarda təsvir edilən protokola uyğun olaraq aparılmışdır.
İnaktivasiya mexanizmləri məruz qalmış EWNS nümunələrinin (40.000 #/sm3 EWNS aerozol konsentrasiyasında 45 dəqiqə) və şüalanmamış zərərsiz bakteriyalar E. coli, Salmonella enterica və Lactobacillus nümunələrinin çöküntüsü ilə qiymətləndirilmişdir. Hissəciklər otaq temperaturunda 2 saat ərzində 0,1 M natrium kakodilat buferində (pH 7,4) 2,5% qlutaraldehid, 1,25% paraformaldehid və 0,03% pikrik turşusunda fiksasiya edilmişdir. Yuyunduqdan sonra, 2 saat ərzində 1% osmium tetroksid (OsO4)/1,5% kalium ferrosianid (KFeCN6) ilə fiksasiyadan sonra 3 dəfə suda yuyun və 1 saat ərzində 1% uranil asetatda inkubasiya edin, sonra iki dəfə suda yuyun, sonra 10 dəqiqə ərzində 50%, 70%, 90%, 100% spirtdə susuzlaşdırın. Nümunələr daha sonra 1 saat propilen oksidinə yerləşdirildi və 1:1 nisbətində propilen oksidi və TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) qarışığı ilə hopduruldu. Nümunələr TAAB Epon-a yerləşdirildi və 60°C-də 48 saat polimerləşdirildi. Bərkimiş dənəvər qətran kəsildi və AMT 2k CCD kamerası (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massaçusets, ABŞ) ilə təchiz olunmuş ənənəvi ötürücü elektron mikroskopu JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Yaponiya) istifadə edilərək TEM vasitəsilə vizuallaşdırıldı.
Bütün təcrübələr üçqat nüsxədə aparılmışdır. Hər zaman nöqtəsi üçün bakterial yuma üçqat nüsxədə aparılmışdır və nəticədə hər nöqtədə ümumilikdə doqquz məlumat nöqtəsi əldə edilmişdir ki, bunların ortalaması həmin mikroorqanizm üçün bakteriya konsentrasiyası kimi istifadə edilmişdir. Standart sapma ölçmə xətası kimi istifadə edilmişdir. Bütün xallar sayılır.
Bakteriyaların konsentrasiyasının t = 0 dəq ilə müqayisədə azalmasının loqarifmi aşağıdakı düsturla hesablanmışdır:
burada C0, 0 vaxtında (yəni səth quruduqdan sonra, lakin kameraya yerləşdirilməzdən əvvəl) nəzarət nümunəsindəki bakteriyaların konsentrasiyasıdır və Cn, n dəqiqəlik məruz qalmadan sonra səthdəki bakteriyaların konsentrasiyasıdır.
45 dəqiqəlik məruz qalma zamanı bakteriyaların təbii parçalanmasını nəzərə almaq üçün 45 dəqiqədən sonra nəzarət qrupu ilə müqayisədə loqarifmik azalma da aşağıdakı kimi hesablanmışdır:
burada Cn, n vaxtında nəzarət nümunəsindəki bakteriyaların konsentrasiyası, Cn-Nəzarət isə n vaxtında nəzarət nümunəsindəki bakteriyaların konsentrasiyasıdır. Məlumatlar nəzarət nümunəsi ilə müqayisədə logarifmik azalma kimi təqdim olunur (EWNS təsiri yoxdur).
Tədqiqat zamanı iynə ilə əks elektrod arasındakı gərginlik və məsafənin bir neçə kombinasiyası Teylor konusunun əmələ gəlməsi, Teylor konusunun stabilliyi, EWNS istehsal stabilliyi və təkrarlana bilmə baxımından qiymətləndirilmişdir. Müxtəlif kombinasiyalar Əlavə Cədvəl S1-də göstərilmişdir. Hərtərəfli tədqiqat üçün sabit və təkrarlana bilən xüsusiyyətlər göstərən iki hal (Teylor konus, EWNS generasiyası və zamanla stabillik) seçilmişdir. Şəkil 3-də hər iki halda ROS-un yükü, ölçüsü və tərkibi üçün nəticələr göstərilir. Nəticələr həmçinin Cədvəl 1-də ümumiləşdirilmişdir. Məlumat üçün, həm Şəkil 3, həm də Cədvəl 1 əvvəllər sintez edilmiş optimallaşdırılmamış EWNS8, 9, 10, 11 (əsas xətt-EWNS) xüsusiyyətlərini əhatə edir. İki quyruqlu t-testdən istifadə edərək statistik əhəmiyyət hesablamaları Əlavə Cədvəl S2-də yenidən dərc edilmişdir. Bundan əlavə, əlavə məlumatlara əks elektrod nümunə götürmə dəliyinin diametrinin (D) və torpaq elektrodu ilə ucu arasındakı məsafənin (L) təsirinin tədqiqatları daxildir (Əlavə Şəkillər S2 və S3).
(ac) AFM ilə ölçülən ölçü paylanması. (df) Səth yükü xarakteristikası. (g) EPR-in ROS xarakteristikası.
Həmçinin qeyd etmək vacibdir ki, yuxarıda göstərilən bütün şərtlər üçün ölçülmüş ionlaşma cərəyanı 2 ilə 6 μA arasında, gərginlik isə -3.8 ilə -6.5 kV arasında idi və bu da bu tək EWNS generasiya kontakt modulu üçün 50 mVt-dan az enerji istehlakına səbəb oldu. EWNS yüksək təzyiq altında sintez olunsa da, ozon səviyyələri çox aşağı idi və heç vaxt 60 ppb-dən çox olmamışdı.
Əlavə Şəkil S4 müvafiq olaraq [-6.5 kV, 4.0 sm] və [-3.8 kV, 0.5 sm] ssenariləri üçün simulyasiya edilmiş elektrik sahələrini göstərir. [-6.5 kV, 4.0 sm] və [-3.8 kV, 0.5 sm] ssenariləri üçün sahə hesablamaları müvafiq olaraq 2 × 105 V/m və 4.7 × 105 V/m-dir. Bu gözlənilir, çünki ikinci halda gərginlik-məsafə nisbəti daha yüksəkdir.
Şəkil 3a,b-də AFM8 ilə ölçülən EWNS diametri göstərilir. Hesablanmış orta EWNS diametrləri müvafiq olaraq [-6.5 kV, 4.0 sm] və [-3.8 kV, 0.5 sm] sxemləri üçün 27 nm və 19 nm idi. [-6.5 kV, 4.0 sm] və [-3.8 kV, 0.5 sm] ssenariləri üçün paylanmaların həndəsi standart sapmaları müvafiq olaraq 1.41 və 1.45-dir ki, bu da dar ölçülü paylanmanı göstərir. Həm orta ölçü, həm də həndəsi standart sapma müvafiq olaraq 25 nm və 1.41-də baza EWNS-ə çox yaxındır. Şəkil 3c-də eyni şərtlər altında eyni metodla ölçülən baza EWNS-in ölçü paylanması göstərilir.
Şəkil 3d,e-də yük xarakteristikasının nəticələri göstərilir. Məlumatlar konsentrasiyanın (#/sm3) və cərəyanın (I) eyni vaxtda 30 ölçməsinin orta ölçmələridir. Təhlil göstərir ki, EWNS-də orta yük müvafiq olaraq [-6.5 kV, 4.0 sm] və [-3.8 kV, 0.5 sm] üçün 22 ± 6 e- və 44 ± 6 e- təşkil edir. Onların baza EWNS-lərlə müqayisədə (10 ± 2 e-) səth yükləri xeyli yüksəkdir, [-6.5 kV, 4.0 sm] ssenarisindən iki dəfə və [-3.8 kV, 0.5 sm] ssenarisindən dörd dəfə çoxdur. Şəkil 3f-də baza EWNS üçün yük məlumatları göstərilir.
EWNS ədədinin konsentrasiya xəritələrindən (Əlavə Şəkillər S5 və S6) görünür ki, [-6.5 kV, 4.0 sm] ssenarisində [-3.8 kV, 0.5 sm] ssenarisindən xeyli çox hissəcik var. Həmçinin qeyd etmək lazımdır ki, EWNS ədədinin konsentrasiyası 4 saata qədər izlənilib (Əlavə Şəkillər S5 və S6), burada EWNS generasiya stabilliyi hər iki halda eyni səviyyədə hissəcik sayı konsentrasiyasını göstərib.
Şəkil 3g-də optimallaşdırılmış EWNS nəzarətinin (fon) [-6.5 kV, 4.0 sm] çıxılmasından sonra EPR spektri göstərilir. ROS spektrləri də əvvəllər dərc olunmuş bir əsərdə Baza-EWNS ssenarisi ilə müqayisə edilmişdir. Spin tələləri ilə reaksiya verən EWNS-lərin sayı 7.5 × 104 EWNS/s olaraq hesablanmışdır ki, bu da əvvəllər dərc olunmuş Baza-EWNS8-ə bənzəyir. EPR spektrləri iki növ ROS-un mövcudluğunu açıq şəkildə göstərdi, bunlardan O2- dominant növ, OH• isə daha az bol idi. Bundan əlavə, pik intensivliklərinin birbaşa müqayisəsi optimallaşdırılmış EWNS-lərin baza EWNS-lə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə yüksək ROS tərkibinə malik olduğunu göstərdi.
Şəkil 4-də EPES-də EWNS-in çökmə səmərəliliyi göstərilir. Məlumatlar həmçinin Cədvəl I-də ümumiləşdirilir və orijinal EWNS məlumatları ilə müqayisə edilir. EWNS-in hər iki halında çökmə hətta 3.0 kV aşağı gərginlikdə belə 100%-ə yaxındır. Tipik olaraq, səth yükünün dəyişməsindən asılı olmayaraq 3.0 kV 100% çökmə üçün kifayətdir. Eyni şərtlər altında, Baseline-EWNS-in çökmə səmərəliliyi onların daha aşağı yükü (hər EWNS-də orta hesabla 10 elektron) səbəbindən yalnız 56% təşkil etmişdir.
Şəkil 5-də və cədvəl 2-də optimal rejimdə [-6.5 kV, 4.0 sm] 45 dəqiqə ərzində təxminən 40.000 #/sm3 EWNS-ə məruz qaldıqdan sonra pomidorların səthinə vurulan mikroorqanizmlərin inaktivasiya dəyəri ümumiləşdirilir. Vurulan E. coli və Lactobacillus innocuous bakteriyaları 45 dəqiqəlik məruz qalma müddətində 3.8 loq əhəmiyyətli dərəcədə azalma göstərmişdir. Eyni şərtlər altında S. enterica-da 2.2 loq azalma, S. cerevisiae və M. parafortutum-da isə 1.0 loq azalma müşahidə edilmişdir.
Elektron mikroqraflar (Şəkil 6) EWNS-in zərərsiz Escherichia coli, Streptococcus və Lactobacillus hüceyrələrində yaratdığı fiziki dəyişiklikləri təsvir edir və bu dəyişikliklər onların inaktivləşməsinə səbəb olur. Nəzarət bakteriyalarının hüceyrə membranları bütöv, məruz qalan bakteriyaların isə xarici membranları zədələnmişdi.
Nəzarət və məruz qalan bakteriyaların elektron mikroskopik görüntüləməsi membran zədələnməsini aşkar etdi.
Optimallaşdırılmış EWNS-lərin fiziki-kimyəvi xüsusiyyətləri haqqında məlumatlar ümumilikdə göstərir ki, EWNS-lərin xüsusiyyətləri (səth yükü və ROS tərkibi) əvvəllər dərc edilmiş EWNS baza məlumatları ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşıb8,9,10,11. Digər tərəfdən, onların ölçüsü əvvəllər bildirilən nəticələrə çox oxşar olan nanometr diapazonunda qalıb və bu da onların uzun müddət havada qalmasına imkan verib. Müşahidə olunan polidisperslik EWNS-lərin ölçüsünü, Reyli effektinin təsadüfiliyini və potensial koalessensiyanı müəyyən edən səth yük dəyişiklikləri ilə izah edilə bilər. Lakin, Nielsen və digərləri tərəfindən ətraflı şəkildə izah edildiyi kimi. 22, yüksək səth yükü su damlasının səth enerjisini/gərginliyini effektiv şəkildə artıraraq buxarlanmanı azaldır. Əvvəlki nəşrimizdə8 bu nəzəriyyə mikrodamcılar 22 və EWNS üçün eksperimental olaraq təsdiqlənib. Əlavə iş vaxtı ərzində yük itkisi də ölçüyə təsir göstərə və müşahidə olunan ölçü paylanmasına töhfə verə bilər.
Bundan əlavə, hər struktur üzrə yük vəziyyətdən asılı olaraq təxminən 22-44 e- təşkil edir ki, bu da hər struktur üzrə orta yükü 10 ± 2 elektron olan əsas EWNS-lə müqayisədə xeyli yüksəkdir. Lakin qeyd etmək lazımdır ki, bu, EWNS-in orta yüküdür. Seto və digərləri. Göstərilib ki, yük qeyri-bərabərdir və loqarifmik normal paylanmaya uyğundur21. Əvvəlki işimizlə müqayisədə səth yükünün ikiqat artırılması EPES sistemində çökmə səmərəliliyini demək olar ki, 100%-ə qədər ikiqat artırır11.