Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn rendro'r wefan heb arddulliau a JavaScript.
Yn ddiweddar, datblygwyd platfform gwrthficrobaidd di-gemegau yn seiliedig ar nanotechnoleg gan ddefnyddio nanostrwythurau dŵr artiffisial (EWNS). Mae gan EWNS wefr arwyneb uchel ac maent wedi'u dirlawn â rhywogaethau ocsigen adweithiol (ROS) a all ryngweithio â nifer o ficro-organebau a'u hanactifadu, gan gynnwys pathogenau a gludir gan fwyd. Yma dangosir y gellir mireinio a optimeiddio eu priodweddau yn ystod synthesis i wella eu potensial gwrthfacteria ymhellach. Dyluniwyd platfform labordy EWNS i fireinio priodweddau EWNS trwy newid y paramedrau synthesis. Nodweddu priodweddau EWNS (gwefr, maint a chynnwys ROS) gan ddefnyddio dulliau dadansoddol modern. Yn ogystal, cawsant eu gwerthuso am eu potensial anactifadu microbaidd yn erbyn micro-organebau a gludir gan fwyd fel Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum a Saccharomyces cerevisiae. Mae'r canlyniadau a gyflwynir yma yn dangos y gellir mireinio priodweddau EWNS yn ystod synthesis, gan arwain at gynnydd esbonyddol mewn effeithlonrwydd anactifadu. Yn benodol, cynyddodd y gwefr arwyneb gan ffactor o bedwar a chynyddodd y rhywogaethau ocsigen adweithiol. Roedd y gyfradd tynnu microbaidd yn ddibynnol ar ficrobaidd ac yn amrywio o 1.0 i 3.8 log ar ôl amlygiad o 45 munud i ddos ​​aerosol o 40,000 #/cc EWNS.
Halogiad microbaidd yw prif achos salwch a gludir gan fwyd a achosir gan lyncu pathogenau neu eu tocsinau. Yn yr Unol Daleithiau yn unig, mae salwch a gludir gan fwyd yn achosi tua 76 miliwn o salwch, 325,000 o dderbyniadau i'r ysbyty, a 5,000 o farwolaethau bob blwyddyn1. Yn ogystal, mae Adran Amaethyddiaeth yr Unol Daleithiau (USDA) yn amcangyfrif bod cynnydd mewn defnydd o gynnyrch ffres yn gyfrifol am 48% o'r holl salwch a gludir gan fwyd a adroddir yn yr Unol Daleithiau2. Mae cost clefydau a marwolaethau a achosir gan bathogenau a gludir gan fwyd yn yr Unol Daleithiau yn uchel iawn, wedi'i amcangyfrif gan y Canolfannau Rheoli ac Atal Clefydau (CDC) yn fwy na US$15.6 biliwn y flwyddyn3.
Ar hyn o bryd, mae ymyriadau gwrthficrobaidd cemegol4, ymbelydredd5 a thermol6 i sicrhau diogelwch bwyd yn cael eu cynnal yn bennaf mewn pwyntiau rheoli critigol cyfyngedig (CCPs) ar hyd y gadwyn gynhyrchu (fel arfer ar ôl cynaeafu a/neu yn ystod pecynnu) yn hytrach nag yn barhaus. Felly, maent yn dueddol o groeshalogi. 7. Mae rheolaeth well ar salwch a gludir gan fwyd a difetha bwyd yn gofyn am ymyriadau gwrthficrobaidd y gellir eu cymhwyso ar draws y continwwm o'r fferm i'r bwrdd gan leihau effaith a chostau amgylcheddol.
Yn ddiweddar, datblygwyd platfform gwrthficrobaidd sy'n seiliedig ar nanotechnoleg ac sy'n rhydd o gemegau, a all ddadactifadu bacteria arwyneb ac yn yr awyr gan ddefnyddio nanostrwythurau dŵr artiffisial (EWNS). Syntheseiddiwyd EWNS gan ddefnyddio dau broses gyfochrog, electrochwistrellu ac ïoneiddio dŵr (Ffig. 1a). Mae astudiaethau blaenorol wedi dangos bod gan EWNS set unigryw o briodweddau ffisegol a biolegol8,9,10. Mae gan EWNS gyfartaledd o 10 electron fesul strwythur a maint nanosgâl cyfartalog o 25 nm (Ffig. 1b,c)8,9,10. Yn ogystal, dangosodd cyseiniant sbin electron (ESR) fod EWNS yn cynnwys llawer iawn o rywogaethau ocsigen adweithiol (ROS), yn bennaf radicalau hydroxyl (OH•) a superocsid (O2-) (Ffig. 1c)8. Mae EVNS yn yr awyr am amser hir a gall wrthdaro â micro-organebau sydd wedi'u hatal yn yr awyr ac sy'n bresennol ar yr wyneb, gan gyflwyno eu llwyth tâl ROS ac achosi dadactifadu micro-organebau (Ffig. 1d). Dangosodd yr astudiaethau cynnar hyn hefyd y gall EWNS ryngweithio â gwahanol facteria gram-negatif a gram-bositif, gan gynnwys mycobacteria, ar arwynebau ac yn yr awyr, a'u hanactifadu. Dangosodd microsgopeg electron trosglwyddo fod yr anactifadu wedi'i achosi gan amhariad ar y bilen gell. Yn ogystal, mae astudiaethau anadlu acíwt wedi dangos nad yw dosau uchel o EWNS yn achosi niwed i'r ysgyfaint na llid 8.
(a) Mae electrochwistrellu yn digwydd pan roddir foltedd uchel rhwng tiwb capilari sy'n cynnwys hylif ac electrod gwrth. (b) Mae rhoi pwysedd uchel yn arwain at ddau ffenomen wahanol: (i) electrochwistrellu dŵr a (ii) ffurfio rhywogaethau ocsigen adweithiol (ïonau) sydd wedi'u dal yn yr EWNS. (c) Strwythur unigryw EWNS. (d) Oherwydd eu natur nanosgâl, mae EWNS yn symudol iawn a gallant ryngweithio â phathogenau yn yr awyr.
Yn ddiweddar hefyd, dangoswyd gallu platfform gwrthficrobaidd EWNS i ddadactifadu micro-organebau a gludir gan fwyd ar wyneb bwyd ffres. Dangoswyd hefyd y gellir defnyddio gwefr arwyneb EWNS ar y cyd â maes trydanol i gyflawni danfoniad wedi'i dargedu. Ar ben hynny, roedd canlyniadau rhagarweiniol ar gyfer tomatos organig ar ôl amlygiad 90 munud i EWNS o tua 50,000 #/cm3 yn galonogol, gyda gwahanol ficro-organebau a gludir gan fwyd fel E. coli a Listeria 11 wedi'u harsylwi. Yn ogystal, ni ddangosodd profion organoleptig rhagarweiniol unrhyw effeithiau synhwyraidd o'i gymharu â thomatos rheoli. Er bod y canlyniadau anactifadu cychwynnol hyn yn galonogol ar gyfer cymwysiadau diogelwch bwyd hyd yn oed ar ddosau EWNS isel iawn o 50,000 #/cc. gweler, mae'n amlwg y byddai potensial anactifadu uwch yn fwy buddiol i leihau ymhellach y risg o haint a difetha.
Yma, byddwn yn canolbwyntio ein hymchwil ar ddatblygu platfform cynhyrchu EWNS i alluogi mireinio paramedrau synthesis ac optimeiddio priodweddau ffisegemegol EWNS i wella eu potensial gwrthfacteria. Yn benodol, mae optimeiddio wedi canolbwyntio ar gynyddu eu gwefr arwyneb (i wella eu danfoniad wedi'i dargedu) a'u cynnwys ROS (i wella effeithlonrwydd anactifadu). Nodweddu priodweddau ffisegemegol wedi'u optimeiddio (maint, gwefr a chynnwys ROS) gan ddefnyddio dulliau dadansoddol modern a defnyddio micro-organebau bwyd cyffredin fel E. .
Syntheseiddiwyd EVNS trwy electro-chwistrellu ac ïoneiddio dŵr purdeb uchel (18 MΩ cm–1) ar yr un pryd. Defnyddir y nebiwlydd trydan 12 fel arfer ar gyfer atomeiddio hylifau a synthesis gronynnau polymer a cherameg 13 a ffibrau 14 o faint rheoledig.
Fel y manylwyd mewn cyhoeddiadau blaenorol 8, 9, 10, 11, mewn arbrawf nodweddiadol, cymhwyswyd foltedd uchel rhwng capilari metel ac electrod gwrth-ddaearol. Yn ystod y broses hon, mae dau ffenomen wahanol yn digwydd: i) electrochwistrellu a ii) ïoneiddio dŵr. Mae maes trydan cryf rhwng y ddau electrod yn achosi i wefrau negatif gronni ar wyneb y dŵr cyddwys, gan arwain at ffurfio conau Taylor. O ganlyniad, mae diferion dŵr â gwefr uchel yn cael eu ffurfio, sy'n parhau i dorri'n ronynnau llai, fel yn theori Rayleigh16. Ar yr un pryd, mae meysydd trydan cryf yn achosi i rai moleciwlau dŵr hollti a stripio electronau (ïoneiddio), sy'n arwain at ffurfio llawer iawn o rywogaethau ocsigen adweithiol (ROS)17. Cafodd ROS18 a gynhyrchwyd ar yr un pryd ei gapsiwleiddio yn EWNS (Ffig. 1c).
Mae ffig. 2a yn dangos y system gynhyrchu EWNS a ddatblygwyd a'i defnyddio yn y synthesis EWNS yn yr astudiaeth hon. Cafodd dŵr wedi'i buro a oedd wedi'i storio mewn potel gaeedig ei fwydo trwy diwb Teflon (diamedr mewnol 2 mm) i nodwydd dur di-staen 30G (capilari metel). Rheolir llif y dŵr gan y pwysau aer y tu mewn i'r botel, fel y dangosir yn Ffigur 2b. Mae'r nodwydd wedi'i gosod ar gonsol Teflon a gellir ei haddasu â llaw i bellter penodol o'r electrod gwrth. Mae'r electrod gwrth yn ddisg alwminiwm wedi'i sgleinio gyda thwll yn y canol ar gyfer samplu. O dan yr electrod gwrth mae twndis samplu alwminiwm, sydd wedi'i gysylltu â gweddill y gosodiad arbrofol trwy borthladd samplu (Ffig. 2b). Er mwyn osgoi cronni gwefr a allai amharu ar weithrediad y samplwr, mae holl gydrannau'r samplwr wedi'u seilio'n drydanol.
(a) System Gynhyrchu Nanostrwythur Dŵr Peirianyddol (EWNS). (b) Trawstoriad o'r samplwr a'r electrochwistrell, yn dangos y paramedrau pwysicaf. (c) Gosodiad arbrofol ar gyfer anactifadu bacteria.
Mae'r system gynhyrchu EWNS a ddisgrifiwyd uchod yn gallu newid paramedrau gweithredu allweddol i hwyluso mireinio priodweddau'r EWNS. Addaswch y foltedd cymhwysol (V), y pellter rhwng y nodwydd a'r electrod gwrth (L), a llif y dŵr (φ) trwy'r capilar i fireinio nodweddion yr EWNS. Symbol a ddefnyddir i gynrychioli gwahanol gyfuniadau: [V (kV), L (cm)]. Addaswch lif y dŵr i gael côn Taylor sefydlog o set benodol [V, L]. At ddibenion yr astudiaeth hon, cadwyd diamedr agorfa'r electrod gwrth (D) ar 0.5 modfedd (1.29 cm).
Oherwydd y geometreg gyfyngedig a'r anghymesuredd, ni ellir cyfrifo cryfder y maes trydan o egwyddorion cyntaf. Yn lle hynny, defnyddiwyd y feddalwedd QuickField™ (Svendborg, Denmarc)19 i gyfrifo'r maes trydan. Nid yw'r maes trydan yn unffurf, felly defnyddiwyd gwerth y maes trydan ar flaen y capilar fel gwerth cyfeirio ar gyfer gwahanol gyfluniadau.
Yn ystod yr astudiaeth, gwerthuswyd sawl cyfuniad o foltedd a phellter rhwng y nodwydd a'r electrod gwrth o ran ffurfio côn Taylor, sefydlogrwydd côn Taylor, sefydlogrwydd cynhyrchu EWNS, ac atgynhyrchadwyedd. Dangosir gwahanol gyfuniadau yn Nhabl Atodol S1.
Cysylltwyd allbwn y system gynhyrchu EWNS yn uniongyrchol â Dadansoddwr Maint Gronynnau Symudedd Sganio (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) ar gyfer mesur crynodiad nifer y gronynnau, yn ogystal ag Electromedr Aerosol Faraday (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) ar gyfer ceryntau aerosol a fesurwyd fel y disgrifiwyd yn ein cyhoeddiad blaenorol. Samplwyd yr SMPS a'r electromedr aerosol ar gyfradd llif o 0.5 L/mun (cyfanswm llif y sampl 1 L/mun). Mesurwyd crynodiad nifer y gronynnau a llif yr aerosol am 120 eiliad. Ailadroddir y mesuriad 30 gwaith. Yn seiliedig ar fesuriadau cerrynt, cyfrifir cyfanswm y gwefr aerosol ac amcangyfrifir y gwefr EWNS gyfartalog ar gyfer cyfanswm penodol o ronynnau EWNS a ddewiswyd. Gellir cyfrifo cost gyfartalog EWNS gan ddefnyddio Hafaliad (1):
lle mae IEl yn cynrychioli'r cerrynt a fesurir, NSMPS yw'r crynodiad digidol a fesurir gyda'r SMPS, a φEl yw'r gyfradd llif fesul electromedr.
Gan fod lleithder cymharol (RH) yn effeithio ar wefr arwyneb, cadwyd tymheredd a (RH) yn gyson yn ystod yr arbrawf ar 21°C a 45%, yn y drefn honno.
Defnyddiwyd microsgopeg grym atomig (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) a chwiliedydd AC260T (Olympus, Tokyo, Japan) i fesur maint a hyd oes yr EWNS. Roedd amledd sganio'r AFM yn 1 Hz, roedd yr ardal sganio yn 5 μm × 5 μm, a 256 o linellau sgan. Cafodd pob delwedd ei halinio o'r radd gyntaf gan ddefnyddio meddalwedd Asylum (ystod masg 100 nm, trothwy 100 pm).
Tynnwyd y twndis prawf a gosodwyd wyneb y mica bellter o 2.0 cm o'r electrod gwrth am amser cyfartalog o 120 eiliad i osgoi crynhoi gronynnau a ffurfio diferion afreolaidd ar wyneb y mica. Chwistrellwyd EWNS yn uniongyrchol ar wyneb mica newydd ei dorri (Ted Pella, Redding, CA). Delwedd o wyneb y mica yn syth ar ôl chwistrellu AFM. Mae ongl gyswllt wyneb mica newydd ei dorri heb ei addasu yn agos at 0°, felly mae EVNS wedi'i ddosbarthu ar wyneb y mica ar ffurf cromen. Mesurwyd diamedr (a) ac uchder (h) y diferion tryledu yn uniongyrchol o dopograffeg yr AFM a'u defnyddio i gyfrifo cyfaint tryledu cromennog EWNS gan ddefnyddio ein dull a ddilyswyd yn flaenorol. Gan dybio bod gan yr EWNS ar fwrdd yr un gyfaint, gellir cyfrifo'r diamedr cyfatebol gan ddefnyddio Hafaliad (2):
Yn seiliedig ar ein dull a ddatblygwyd yn flaenorol, defnyddiwyd trap sbin cyseiniant sbin electron (ESR) i ganfod presenoldeb canolradd radical byrhoedlog yn EWNS. Cafodd aerosolau eu swigod trwy chwistrellwr Midget 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) yn cynnwys hydoddiant 235 mM o DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Perfformiwyd yr holl fesuriadau ESR gan ddefnyddio sbectromedr Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, UDA) a chell panel gwastad. Defnyddiwyd y feddalwedd Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, UDA) i gasglu a dadansoddi'r data. Dim ond ar gyfer set o amodau gweithredu [-6.5 kV, 4.0 cm] y penderfynwyd nodweddion yr ROS. Mesurwyd crynodiadau EWNS gan ddefnyddio'r SMPS ar ôl ystyried colledion EWNS yn yr effaithydd.
Monitrwyd lefelau osôn gan ddefnyddio Monitor Osôn Dual Beam™ 205 (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Ar gyfer pob priodwedd EWNS, defnyddir y gwerth cymedrig fel y gwerth mesur, a defnyddir y gwyriad safonol fel y gwall mesur. Perfformiwyd profion-T i gymharu gwerthoedd y priodoleddau EWNS wedi'u optimeiddio â gwerthoedd cyfatebol yr EWNS sylfaenol.
Mae Ffigur 2c yn dangos system "tynnu" gwaddodiad electrostatig (EPES) a ddatblygwyd a nodweddwyd yn flaenorol y gellir ei defnyddio ar gyfer cyflwyno EWNS wedi'i dargedu ar yr wyneb. Mae EPES yn defnyddio gwefrau EVNS y gellir eu "harwain" yn uniongyrchol i wyneb y targed o dan ddylanwad maes trydan cryf. Cyflwynir manylion y system EPES mewn cyhoeddiad diweddar gan Pyrgiotakis et al. 11 . Felly, mae EPES yn cynnwys siambr PVC wedi'i hargraffu 3D gyda phennau taprog ac mae'n cynnwys dau blât metel dur di-staen cyfochrog (dur di-staen 304, wedi'i orchuddio â drych) yn y canol 15.24 cm ar wahân. Roedd y byrddau wedi'u cysylltu â ffynhonnell foltedd uchel allanol (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), roedd y plât gwaelod bob amser wedi'i gysylltu â foltedd positif, ac roedd y plât uchaf bob amser wedi'i gysylltu â'r ddaear (tir arnofiol). Mae waliau'r siambr wedi'u gorchuddio â ffoil alwminiwm, sydd wedi'i seilio'n drydanol i atal colli gronynnau. Mae gan y siambr ddrws llwytho blaen wedi'i selio sy'n caniatáu i arwynebau prawf gael eu gosod ar stondinau plastig sy'n eu codi uwchben y plât metel gwaelod i osgoi ymyrraeth foltedd uchel.
Cyfrifwyd effeithlonrwydd dyddodiad EWNS yn EPES yn ôl protocol a ddatblygwyd yn flaenorol a nodir yn Ffigur Atodol S111.
Fel siambr reoli, cysylltwyd ail siambr llif silindrog mewn cyfres â'r system EPES, lle defnyddiwyd hidlydd HEPA canolradd i gael gwared ar EWNS. Fel y dangosir yn Ffigur 2c, pwmpiwyd yr aerosol EWNS trwy ddwy siambr adeiledig. Mae'r hidlydd rhwng yr ystafell reoli a'r EPES yn cael gwared ar unrhyw EWNS sy'n weddill gan arwain at yr un tymheredd (T), lleithder cymharol (RH) a lefelau osôn.
Canfuwyd bod micro-organebau pwysig a gludir gan fwyd yn halogi bwydydd ffres fel E. coli (ATCC #27325), dangosydd fecal, Salmonella enterica (ATCC #53647), pathogen a gludir gan fwyd, Listeria harmless (ATCC #33090), dirprwy ar gyfer Listeria monocytogenes pathogenig, sy'n deillio o ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), amnewidyn ar gyfer burum difetha, a bacteriwm anactifedig mwy gwrthiannol, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Prynwch focsys ar hap o domatos grawnwin organig o'ch marchnad leol a'u rhoi yn yr oergell ar 4°C tan eu defnyddio (hyd at 3 diwrnod). Roedd y tomatos arbrofol i gyd yr un maint, tua 1/2 modfedd mewn diamedr.
Mae'r protocolau diwylliant, brechu, amlygiad, a chyfrif cytrefi wedi'u manylu yn ein cyhoeddiad blaenorol ac wedi'u manylu yn y Data Atodol. Gwerthuswyd effeithiolrwydd EWNS trwy amlygu tomatos wedi'u brechu i 40,000 #/cm3 am 45 munud. Yn gryno, defnyddiwyd tri thomato i werthuso'r micro-organebau sy'n goroesi ar amser t = 0 munud. Gosodwyd tri thomato mewn EPES a'u hamlygu i EWNS ar 40,000 #/cc (tomatos a amlygwyd i EWNS) a gosodwyd y tri sy'n weddill yn y siambr reoli (tomatos rheoli). Ni chynhaliwyd prosesu ychwanegol o domatos yn y ddau grŵp. Tynnwyd tomatos a amlygwyd i EWNS a thomatos rheoli ar ôl 45 munud i werthuso effaith EWNS.
Cynhaliwyd pob arbrawf mewn tair copi. Perfformiwyd dadansoddiad data yn unol â'r protocol a ddisgrifir yn y Data Atodol.
Aseswyd mecanweithiau anactifadu trwy waddodi samplau EWNS agored (45 munud ar grynodiad aerosol EWNS o 40,000 #/cm3) a samplau heb eu harbelydru o facteria diniwed E. coli, Salmonella enterica a Lactobacillus. Cafodd y gronynnau eu trwsio mewn 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde a 0.03% asid picrig mewn byffer sodiwm cacodylate 0.1 M (pH 7.4) am 2 awr ar dymheredd ystafell. Ar ôl golchi, trwsio ôl-gysylltwch ag 1% osmiwm tetrocsid (OsO4)/1.5% potasiwm fferrocyanid (KFeCN6) am 2 awr, golchwch 3 gwaith mewn dŵr a deorwch mewn 1% wranyl asetat am 1 awr, yna golchwch ddwywaith mewn dŵr, yna dadhydradu am 10 munud mewn 50%, 70%, 90%, 100% alcohol. Yna gosodwyd y samplau mewn propylen ocsid am 1 awr a'u trwytho â chymysgedd 1:1 o propylen ocsid a TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Mewnosodwyd y samplau mewn TAAB Epon a'u polymeru ar 60°C am 48 awr. Torrwyd y resin gronynnog wedi'i halltu a'i ddelweddu gan TEM gan ddefnyddio microsgop electron trawsyrru confensiynol JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan) wedi'i gyfarparu â chamera CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, UDA).
Cynhaliwyd yr holl arbrawf mewn tri chopi. Ar gyfer pob pwynt amser, hauwyd golchiadau bacteriol mewn tri chopi, gan arwain at gyfanswm o naw pwynt data fesul pwynt, a defnyddiwyd y cyfartaledd ohonynt fel crynodiad y bacteria ar gyfer y micro-organeb benodol honno. Defnyddiwyd y gwyriad safonol fel y gwall mesur. Mae pob pwynt yn cyfrif.
Cyfrifwyd logarithm y gostyngiad yng nghrynodiad y bacteria o'i gymharu â t = 0 munud gan ddefnyddio'r fformiwla ganlynol:
lle mae C0 yn grynodiad y bacteria yn y sampl rheoli ar amser 0 (h.y. ar ôl i'r wyneb sychu ond cyn ei roi yn y siambr) a Cn yw crynodiad y bacteria ar yr wyneb ar ôl n munud o amlygiad.
Er mwyn ystyried dirywiad naturiol bacteria yn ystod yr amlygiad 45 munud, cyfrifwyd y gostyngiad log o'i gymharu â'r rheolydd ar ôl 45 munud fel a ganlyn hefyd:
lle mae Cn yn grynodiad y bacteria yn y sampl rheoli ar amser n a Cn-Rheoli yw crynodiad y bacteria rheoli ar amser n. Cyflwynir data fel gostyngiad log o'i gymharu â'r rheolaeth (dim amlygiad i EWNS).
Yn ystod yr astudiaeth, gwerthuswyd sawl cyfuniad o foltedd a phellter rhwng y nodwydd a'r electrod gwrth o ran ffurfio côn Taylor, sefydlogrwydd côn Taylor, sefydlogrwydd cynhyrchu EWNS, ac atgynhyrchedd. Dangosir gwahanol gyfuniadau yn Nhabl Atodol S1. Dewiswyd dau achos yn dangos priodweddau sefydlog ac atgynhyrchadwy (côn Taylor, cynhyrchu EWNS, a sefydlogrwydd dros amser) ar gyfer astudiaeth gynhwysfawr. Ar ffig. Mae Ffigur 3 yn dangos y canlyniadau ar gyfer gwefr, maint a chynnwys ROS yn y ddau achos. Crynhoir y canlyniadau hefyd yn Nhabl 1. Er gwybodaeth, mae Ffigur 3 a Thabl 1 yn cynnwys priodweddau'r EWNS8, 9, 10, 11 a syntheseiddiwyd yn flaenorol heb ei optimeiddio (sylfaen-EWNS). Ailgyhoeddwyd cyfrifiadau arwyddocâd ystadegol gan ddefnyddio prawf-t dwy-gynffon yn Nhabl Atodol S2. Yn ogystal, mae data ychwanegol yn cynnwys astudiaethau o effaith diamedr twll samplu electrod gwrth (D) a'r pellter rhwng yr electrod daear a'r domen (L) (Ffigurau Atodol S2 ac S3).
(ac) Dosbarthiad maint wedi'i fesur gan AFM. (df) Nodwedd gwefr arwyneb. (g) Nodweddiad ROS yr EPR.
Mae hefyd yn bwysig nodi, ar gyfer yr holl amodau uchod, fod y cerrynt ïoneiddio a fesurwyd rhwng 2 a 6 μA a'r foltedd rhwng -3.8 a -6.5 kV, gan arwain at ddefnydd pŵer o lai na 50 mW ar gyfer y modiwl cyswllt cynhyrchu EWNS sengl hwn. Er bod EWNS wedi'i syntheseiddio o dan bwysau uchel, roedd lefelau osôn yn isel iawn, heb fod byth yn fwy na 60 ppb.
Mae Ffigur Atodol S4 yn dangos y meysydd trydanol wedi'u efelychu ar gyfer y senarios [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm], yn y drefn honno. Ar gyfer y senarios [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm], y cyfrifiadau maes yw 2 × 105 V/m a 4.7 × 105 V/m, yn y drefn honno. Mae hyn yn ddisgwyliedig, gan fod y gymhareb foltedd-pellter yn llawer uwch yn yr ail achos.
Ar ffig. 3a,b mae'n dangos diamedr yr EWNS wedi'i fesur gyda'r AFM8. Roedd diamedrau cyfartalog yr EWNS a gyfrifwyd yn 27 nm ac 19 nm ar gyfer y cynlluniau [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm], yn y drefn honno. Ar gyfer y senarios [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm], mae gwyriadau safonol geometrig y dosraniadau yn 1.41 ac 1.45, yn y drefn honno, sy'n dangos dosraniad maint cul. Mae'r maint cymedrig a'r gwyriad safonol geometrig ill dau yn agos iawn at yr EWNS sylfaenol, sef 25 nm ac 1.41, yn y drefn honno. Ar ffig. 3c mae'n dangos dosraniad maint yr EWNS sylfaenol wedi'i fesur gan ddefnyddio'r un dull o dan yr un amodau.
Ar ffig. 3d, mae e yn dangos canlyniadau nodweddu gwefr. Mae'r data yn fesuriadau cyfartalog o 30 mesuriad ar yr un pryd o grynodiad (#/cm3) a cherrynt (I). Mae'r dadansoddiad yn dangos bod y gwefr gyfartalog ar yr EWNS yn 22 ± 6 e- a 44 ± 6 e- ar gyfer [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm], yn y drefn honno. Mae ganddynt wefrau arwyneb sylweddol uwch o'i gymharu ag EWNS sylfaenol (10 ± 2 e-), ddwywaith yn fwy na'r senario [-6.5 kV, 4.0 cm] a phedair gwaith yn fwy na'r [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Mae Ffigur 3f yn dangos y data gwefr ar gyfer EWNS Sylfaenol.
O fapiau crynodiad y rhif EWNS (Ffigurau Atodol S5 ac S6), gellir gweld bod gan y senario [-6.5 kV, 4.0 cm] lawer mwy o ronynnau na'r senario [-3.8 kV, 0.5 cm]. Mae hefyd yn werth nodi bod crynodiad y rhif EWNS wedi'i fonitro hyd at 4 awr (Ffigurau Atodol S5 ac S6), lle dangosodd sefydlogrwydd cynhyrchu EWNS yr un lefelau o grynodiad nifer gronynnau yn y ddau achos.
Ar ffig. 3g mae'n dangos y sbectrwm EPR ar ôl tynnu'r rheolaeth EWNS wedi'i optimeiddio (cefndir) ar [-6.5 kV, 4.0 cm]. Cymharwyd y sbectrwm ROS hefyd â'r senario Sylfaen-EWNS mewn gwaith a gyhoeddwyd yn flaenorol. Cyfrifwyd bod nifer yr EWNS yn adweithio â thrapiau sbin yn 7.5 × 104 EWNS/s, sy'n debyg i'r Sylfaen-EWNS8 a gyhoeddwyd yn flaenorol. Dangosodd y sbectrwm EPR bresenoldeb dau fath o ROS yn glir, gydag O2- yn rhywogaeth amlwg ac OH• yn llai niferus. Yn ogystal, dangosodd cymhariaeth uniongyrchol o'r dwysterau brig fod gan yr EWNS wedi'i optimeiddio gynnwys ROS sylweddol uwch o'i gymharu â'r EWNS sylfaenol.
Mae ffig. 4 yn dangos effeithlonrwydd dyddodiad EWNS mewn EPES. Mae'r data hefyd wedi'i grynhoi yn Nhabl I ac wedi'i gymharu â data gwreiddiol EWNS. Ar gyfer y ddau achos o EUNS, mae'r dyddodiad yn agos at 100% hyd yn oed ar foltedd isel o 3.0 kV. Yn nodweddiadol, mae 3.0 kV yn ddigonol ar gyfer dyddodiad 100%, waeth beth fo'r newid gwefr arwyneb. O dan yr un amodau, dim ond 56% oedd effeithlonrwydd dyddodiad Baseline-EWNS oherwydd eu gwefr is (cyfartaledd o 10 electron fesul EWNS).
Ar ffig. 5 ac yn nhabl. 2 mae crynodeb o werth anactifadu micro-organebau a frechwyd ar wyneb tomatos ar ôl dod i gysylltiad â thua 40,000 #/cm3 EWNS am 45 munud ar y modd gorau posibl [-6.5 kV, 4.0 cm]. Dangosodd E. coli a Lactobacillus innocuous a frechwyd ostyngiad sylweddol o 3.8 log yn ystod yr amlygiad 45 munud. O dan yr un amodau, cafodd S. enterica ostyngiad o 2.2-log, tra cafodd S. cerevisiae ac M. parafortutum ostyngiad o 1.0-log.
Mae'r micrograffau electron (Ffigur 6) yn darlunio'r newidiadau ffisegol a achosir gan EWNS ar gelloedd diniwed Escherichia coli, Streptococcus, a Lactobacillus gan arwain at eu hanactifadu. Roedd gan y bacteria rheoli bilenni celloedd cyfan, tra bod y bacteria agored wedi difrodi pilenni allanol.
Datgelodd delweddu microsgop electron o facteria rheolydd a bacteria agored ddifrod i'r bilen.
Mae'r data ar briodweddau ffisegemegol yr EWNS wedi'u optimeiddio yn dangos gyda'i gilydd fod priodweddau (gwefr arwyneb a chynnwys ROS) yr EWNS wedi gwella'n sylweddol o'i gymharu â data sylfaenol EWNS a gyhoeddwyd yn flaenorol8,9,10,11. Ar y llaw arall, arhosodd eu maint yn yr ystod nanometr, yn debyg iawn i'r canlyniadau a adroddwyd yn flaenorol, gan ganiatáu iddynt aros yn yr awyr am gyfnodau hir o amser. Gellir esbonio'r polydispersity a welwyd gan newidiadau gwefr arwyneb sy'n pennu maint EWNS, hap-deb effaith Rayleigh, a chyfuno posibl. Fodd bynnag, fel y manylwyd gan Nielsen et al.22, mae gwefr arwyneb uchel yn lleihau anweddiad trwy gynyddu egni/tensiwn arwyneb y diferyn dŵr yn effeithiol. Yn ein cyhoeddiad blaenorol8 cadarnhawyd y ddamcaniaeth hon yn arbrofol ar gyfer microdiferynnau22 ac EWNS. Gall colli gwefr yn ystod goramser hefyd effeithio ar y maint a chyfrannu at y dosbarthiad maint a welwyd.
Yn ogystal, mae'r gwefr fesul strwythur tua 22-44 e-, yn dibynnu ar y sefyllfa, sy'n sylweddol uwch o'i gymharu â'r EWNS sylfaenol, sydd â gwefr gyfartalog o 10 ± 2 electron fesul strwythur. Fodd bynnag, dylid nodi mai dyma wefr gyfartalog EWNS. Seto et al. Dangoswyd bod y gwefr yn anghymhenol ac yn dilyn dosraniad log-normal21. O'i gymharu â'n gwaith blaenorol, mae dyblu'r gwefr arwyneb yn dyblu effeithlonrwydd y dyddodiad yn y system EPES i bron i 100%11.