Diolch am ymweld â Nature.com. Rydych chi'n defnyddio fersiwn porwr gyda chefnogaeth 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 ogystal, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn dangos y 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 yn gyfoethog mewn 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. Perfformiwyd nodweddu priodweddau EWNS (gwefr, maint, a chynnwys ROS) gan ddefnyddio dulliau dadansoddol modern. Yn ogystal, brechwyd micro-organebau bwyd fel Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, a Saccharomyces cerevisiae ar wyneb tomatos grawnwin organig i werthuso eu potensial anactifadu microbaidd. 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 cynnwys ROS. Roedd y gyfradd tynnu microbaidd yn ddibynnol ar ficrobau ac yn amrywio o 1.0 i 3.8 log ar ôl 45 munud o amlygiad i ddos ​​aerosol o 40,000 #/cm3 EWNS.
Halogiad microbaidd yw prif achos salwch a gludir gan fwyd a achosir gan lyncu pathogenau neu eu tocsinau. Mae salwch a gludir gan fwyd yn cyfrif am tua 76 miliwn o salwch, 325,000 o dderbyniadau i'r ysbyty, a 5,000 o farwolaethau bob blwyddyn yn yr Unol Daleithiau yn unig1. Yn ogystal, mae Adran Amaethyddiaeth yr Unol Daleithiau (USDA) yn amcangyfrif bod cynnydd mewn defnydd o gynnyrch ffres yn gyfrifol am 48 y cant o'r holl salwch a gludir gan fwyd a adroddir yn yr Unol Daleithiau2. Mae cost salwch a marwolaeth o 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 gweithredu'n bennaf mewn pwyntiau rheoli critigol cyfyngedig (CCPs) yn y gadwyn gynhyrchu (fel arfer ar ôl cynaeafu a/neu yn ystod pecynnu) yn hytrach na'u gweithredu'n barhaus yn y fath fodd fel bod cynnyrch ffres yn destun croeshalogi 7. Mae angen ymyriadau gwrthficrobaidd i reoli salwch a gludir gan fwyd a difetha bwyd yn well ac mae ganddynt y potensial i'w cymhwyso ar draws y continwwm o'r fferm i'r bwrdd. Llai o effaith a chost.
Yn ddiweddar, datblygwyd platfform gwrthficrobaidd di-gemegau sy'n seiliedig ar nanotechnoleg i ddadactifadu bacteria ar arwynebau ac yn yr awyr gan ddefnyddio nanostrwythurau dŵr artiffisial (EWNS). Ar gyfer synthesis EVNS, defnyddiwyd dau broses gyfochrog: electrochwistrellu ac ïoneiddio dŵr (Ffig. 1a). Dangoswyd yn flaenorol bod gan EWNS set unigryw o briodweddau ffisegol a biolegol8,9,10. Mae gan EWNS gyfartaledd o 10 electron fesul strwythur a maint nanometr 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. Arhosodd EWNS yn yr awyr am amser hir a gallent wrthdaro â microbau a oedd wedi'u hatal yn yr awyr ac yn bresennol ar arwynebau, gan gyflwyno eu llwyth tâl ROS ac achosi dadactifadu microbaidd (Ffig. 1d). Dangosodd yr astudiaethau cynharach hyn hefyd y gall EWNS ryngweithio â gwahanol facteria gram-negatif a gram-bositif o bwys i iechyd y cyhoedd a'u hanactifadu, gan gynnwys mycobacteria, ar arwynebau ac yn yr awyr8,9. 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 llid8.
(a) Mae electrochwistrellu yn digwydd pan roddir foltedd uchel rhwng capilar sy'n cynnwys hylif ac electrod gwrth. (b) Mae rhoi foltedd uchel yn arwain at ddau ffenomen wahanol: (i) electrochwistrellu dŵr a (ii) cynhyrchu rhywogaethau ocsigen adweithiol (ïonau) sydd wedi'u dal yn yr EWNS. (c) Strwythur unigryw EWNS. (d) Mae EWNS yn symudol iawn oherwydd eu natur nanosgâl 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 wyneb EWNS ar y cyd â maes trydan ar gyfer danfoniad wedi'i dargedu. Yn bwysicach fyth, gwelwyd canlyniad cychwynnol addawol o ostyngiad o tua 1.4 log mewn gweithgaredd tomato organig yn erbyn amrywiol ficro-organebau bwyd fel E. coli a Listeria o fewn 90 munud o amlygiad i EWNS ar grynodiad o tua 50,000#/cm311. Yn ogystal, ni ddangosodd profion gwerthuso organoleptig rhagarweiniol unrhyw effaith organoleptig o'i gymharu â'r tomato rheoli. Er bod y canlyniadau dadactifadu cychwynnol hyn yn addo diogelwch bwyd hyd yn oed ar ddosau EWNS isel iawn o 50,000#/cc. gweler, mae'n amlwg y byddai potensial dadactifadu 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 fireinio'r 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. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae ac M. parafortuitum.
Cafodd EVNS ei syntheseiddio trwy electrochwistrellu ac ïoneiddio dŵr purdeb uchel (18 MΩ cm–1) ar yr un pryd. Defnyddir yr atomizer trydan 12 fel arfer i atomeiddio hylifau a gronynnau polymer a cherameg synthetig 13 a ffibrau 14 o faint rheoledig.
Fel y manylwyd mewn cyhoeddiadau blaenorol 8, 9, 10, 11, mewn arbrawf nodweddiadol, rhoddir foltedd uchel rhwng capilari metel ac electrod gwrth-ddaearol. Yn ystod y broses hon, mae dau ffenomen wahanol yn digwydd: 1) electrochwistrellu a 2) 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, ffurfir diferion dŵr â gwefr uchel, sy'n parhau i dorri'n ronynnau llai, yn ôl damcaniaeth Rayleigh16. Ar yr un pryd, mae maes trydan cryf yn achosi i rai o'r moleciwlau dŵr hollti a stripio electronau (ïoneiddio), a thrwy hynny gynhyrchu llawer iawn o rywogaethau ocsigen adweithiol (ROS)17. Cafodd pecynnau ROS18 a gynhyrchwyd ar yr un pryd eu capsiwleiddio mewn 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). Fel y dangosir yn Ffigur 2b, mae llif y dŵr yn cael ei reoli gan y pwysau aer y tu mewn i'r botel. Mae'r nodwydd ynghlwm wrth gonsol Teflon y gellir ei addasu 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). Mae holl gydrannau'r samplwr wedi'u seilio'n drydanol i osgoi cronni gwefr a allai ddiraddio samplu gronynnau.
(a) System Gynhyrchu Nanostrwythur Dŵr Peirianyddol (EWNS). (b) Trawstoriad o'r samplwr a'r uned electrochwistrellu 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. Defnyddir y symbolau [V (kV), L (cm)] i ddynodi gwahanol gyfuniadau. Addaswch lif y dŵr i gael côn Taylor sefydlog o set benodol [V, L]. At ddibenion yr astudiaeth hon, gosodwyd 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 Mesurydd Gronynnau Symudedd Sganio (SMPS, model 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) i fesur crynodiad nifer y gronynnau ac fe'i defnyddiwyd gydag electromedr aerosol Faraday (TSI, model 3068B, Shoreview, UDA). MN) i fesur llifau aerosol, fel y disgrifiwyd yn ein cyhoeddiad blaenorol9. Samplodd yr SMPS a'r electromedr aerosol ar gyfradd llif o 0.5 L/mun (cyfanswm llif y sampl 1 L/mun). Mesurwyd crynodiadau gronynnau a fflycsau aerosol am 120 eiliad. Ailadroddwch y mesuriad 30 gwaith. Cyfrifir cyfanswm y gwefr aerosol o fesuriadau cyfredol, ac amcangyfrifir y gwefr EWNS gyfartalog o gyfanswm nifer y gronynnau EWNS a samplwyd. Gellir cyfrifo cost gyfartalog EWNS gan ddefnyddio Hafaliad (1):
lle mae IEl yn cynrychioli'r cerrynt a fesurir, NSMPS yw'r crynodiad rhif a fesurir gyda'r SMPS, a φEl yw'r gyfradd llif i'r electromedr.
Gan fod lleithder cymharol (RH) yn effeithio ar wefr arwyneb, cadwyd y tymheredd a'r (RH) yn gyson ar 21°C a 45%, yn y drefn honno, yn ystod yr arbrawf.
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. Cyfradd sgan yr AFM yw 1 Hz ac mae ardal y sgan yn 5 µm × 5 µm gyda 256 o linellau sgan. Cafodd pob delwedd ei halinio o'r radd flaenaf gan ddefnyddio meddalwedd Asylum (masg gydag ystod o 100 nm a throthwy o 100 pm).
Tynnwch y twndis samplu a gosodwch wyneb y mica bellter o 2.0 cm o'r electrod gwrth am gyfnod cyfartalog o 120 eiliad i osgoi cyfuno gronynnau a ffurfio diferion afreolaidd ar wyneb y mica. Cymhwyswyd EWNS yn uniongyrchol i arwynebau mica newydd eu torri (Ted Pella, Redding, CA). Yn syth ar ôl ysbeiddio, delweddwyd wyneb y mica gan ddefnyddio AFM. Mae ongl cyswllt wyneb mica newydd ei dorri heb ei addasu yn agos at 0°, felly mae EWNS yn lluosogi dros wyneb y mica mewn siâp cromennog20. 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 flaenorol8. Gan dybio bod gan yr EVNS ar fwrdd yr un gyfaint, gellir cyfrifo'r diamedr cyfatebol o hafaliad (2):
Yn unol â'n dull a ddatblygwyd yn flaenorol, defnyddiwyd trap sbin cyseiniant sbin electron (ESR) i ganfod presenoldeb canolradd radical byrhoedlog mewn EWNS. Pasiwyd aerosolau trwy doddiant yn cynnwys 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Perfformiwyd yr holl fesuriadau EPR gan ddefnyddio sbectromedr Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, UDA) ac araeau celloedd gwastad. Defnyddiwyd y feddalwedd Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, UDA) i gasglu a dadansoddi'r data. Perfformiwyd y nodweddiad ROS ar gyfer set o amodau gweithredu yn unig [-6.5 kV, 4.0 cm]. Mesurwyd crynodiadau EWNS gan ddefnyddio SMPS ar ôl ystyried colli 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, y gwerth mesur yw cymedr y mesuriadau, a'r gwall mesur yw'r gwyriad safonol. Perfformiwyd prawf-t i gymharu gwerth y priodoledd EWNS wedi'i optimeiddio â'r gwerth cyfatebol o'r EWNS sylfaenol.
Mae Ffigur 2c yn dangos System Drwy Ddyodiad Electrostatig (EPES) a ddatblygwyd a nodweddwyd yn flaenorol y gellir ei defnyddio i dargedu EWNS11 at arwynebau. Mae EPES yn defnyddio gwefr EWNS ar y cyd â maes trydan cryf i "bwyntio" yn uniongyrchol at wyneb y targed. 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 sy'n cynnwys dau blât metel dur di-staen cyfochrog (dur di-staen 304, wedi'i sgleinio'n ddrych) 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 bwrdd gwaelod bob amser yn bositif ac roedd y bwrdd uchaf bob amser wedi'i seilio (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 raciau plastig, gan eu codi oddi ar 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, mae'r ail lif drwy'r siambr silindrog wedi'i gysylltu mewn cyfres â'r system EPES gan ddefnyddio hidlydd HEPA canolradd i gael gwared ar EWNS. Fel y dangosir yn ffig. 2c, pwmpiwyd yr aerosol EWNS drwy ddwy siambr wedi'u cysylltu mewn cyfres. Mae'r hidlydd rhwng yr ystafell reoli ac 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 cynnyrch ffres fel Escherichia coli (ATCC #27325), dangosydd fecal, Salmonella enterica (ATCC #53647), pathogen a gludir gan fwyd, Listeria innocua (ATCC #33090), dewis arall yn lle'r pathogenig Listeria monocytogenes, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) fel dewis arall yn lle burum difetha, a Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) fel bacteria byw mwy gwrthiannol a brynwyd gan ATCC (Manassas, Virginia).
Prynwch focsys o domatos grawnwin organig ar hap o'ch marchnad leol a'u rhoi yn yr oergell ar 4°C tan eu defnyddio (hyd at 3 diwrnod). Dewiswch domatos i arbrofi gydag un maint, tua 1/2 modfedd mewn diamedr.
Mae'r protocolau ar gyfer deori, brechu, dod i gysylltiad â thyfu a chyfrif cytrefi wedi'u manylu yn ein cyhoeddiadau blaenorol ac wedi'u hegluro'n fanwl yn Data Atodol 11. Gwerthuswyd perfformiad EWNS trwy amlygu tomatos wedi'u brechu i 40,000 #/cm3 am 45 munud. Yn gryno, ar amser t = 0 munud, defnyddiwyd tri thomato i werthuso'r micro-organebau sy'n goroesi. Gosodwyd tri thomato mewn EPES a'u hamlygu i EWNS ar 40,000 #/cc (tomatos a amlygwyd i EWNS) a gosodwyd tri arall yn y siambr reoli (tomatos rheoli). Ni chafodd yr un o'r grwpiau tomato eu prosesu ychwanegol. Tynnwyd tomatos a rheolyddion a amlygwyd i EWNS 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.
Cafodd samplau bacteriol E. coli, Enterobacter, ac L. innocua a oedd wedi'u hamlygu i EWNS (45 munud, crynodiad aerosol EWNS 40,000 #/cm3) a heb eu hamlygu eu pelenni i asesu mecanweithiau anactifadu. Cafodd y gwaddod ei sefydlogi am 2 awr ar dymheredd ystafell mewn toddiant sodiwm cacodylate 0.1 M (pH 7.4) gyda sefydlogydd o 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde a 0.03% asid picrig. Ar ôl golchi, cawsant eu sefydlogi ag 1% osmiwm tetrocsid (OsO4)/1.5% potasiwm fferrocyanid (KFeCN6) am 2 awr, eu golchi 3 gwaith â dŵr a'u magu mewn 1% wranyl asetat am 1 awr, yna eu golchi ddwywaith â dŵr. Dadhydradiad dilynol 10 munud yr un o 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japan), microsgop electron trosglwyddo confensiynol sydd â chamera AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, UDA).
Cynhaliwyd yr holl arbrawf mewn tri chopi. Ar gyfer pob pwynt amser, platiwyd 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 yr 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 y cyfnod amlygiad o 45 munud, cyfrifwyd Log-Reduction hefyd o'i gymharu â'r rheolydd ar ôl 45 munud fel a ganlyn:
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 amrywiol gyfuniadau yn Nhabl Atodol S1. Dewiswyd dau achos ar gyfer astudiaeth gyflawn yn dangos priodweddau sefydlog ac atgynhyrchadwy (côn Taylor, cynhyrchu EWNS, a sefydlogrwydd dros amser). Ar ffig. 3 dangosir y canlyniadau ar wefr, maint a chynnwys ROS ar gyfer dau achos. Crynhoir y canlyniadau hefyd yn Nhabl 1. I gyfeirio atynt, 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 ar effaith diamedr twll samplu'r electrod gwrth (D) a'r pellter rhwng yr electrod daear a blaen y nodwydd (L) (Ffigurau Atodol S2 ac S3).
(a–c) Dosbarthiad maint AFM. (d–f) Nodwedd gwefr arwyneb. (g) Nodweddu ROS ac ESR.
Mae hefyd yn bwysig nodi, ar gyfer yr holl amodau uchod, fod y ceryntau ïoneiddio a fesurwyd yn yr ystod o 2-6 µA, a'r folteddau yn yr ystod o -3.8 i -6.5 kV, gan arwain at ddefnydd pŵer ar gyfer yr EWNS un derfynell hwn o lai na 50 mW. modiwl cynhyrchu. Er bod EWNS wedi'i syntheseiddio o dan bwysau uchel, roedd lefelau osôn yn isel iawn, heb byth fod 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. Cyfrifir y meysydd yn ôl y senarios [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm] fel 2 × 105 V/m a 4.7 × 105 V/m, yn y drefn honno. Mae hyn i'w ddisgwyl, gan fod y gymhareb foltedd i bellter yn llawer uwch yn yr ail achos.
Ar ffig. 3a,b mae'n dangos diamedr yr EWNS a fesurwyd gyda'r AFM8. Cyfrifwyd diamedrau cyfartalog yr EWNS ar gyfer y senarios [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm] fel 27 nm a 19 nm, yn y drefn honno. Mae gwyriadau safonol geometrig y dosraniadau ar gyfer yr achosion [-6.5 kV, 4.0 cm] a [-3.8 kV, 0.5 cm] yn 1.41 ac 1.45, yn y drefn honno, sy'n dangos dosbarthiad maint cul. Mae'r maint cymedrig a'r gwyriad safonol geometrig ill dau yn agos iawn at EWNS sylfaenol, sef 25 nm ac 1.41, yn y drefn honno. Ar ffig. 3c mae'n dangos dosbarthiad maint yr EWNS sylfaenol a fesurwyd 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 cydamserol 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. O'i gymharu â Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), mae eu gwefr arwyneb yn sylweddol uwch, ddwywaith gwefr y senario [-6.5 kV, 4.0 cm] a phedair gwaith gwefr y senario [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Mae 3f yn dangos data talu EWNS sylfaenol.
O fapiau crynodiad nifer EWNS (Ffigurau Atodol S5 ac S6), gellir gweld bod gan yr olygfa [-6.5 kV, 4.0 cm] nifer sylweddol uwch o ronynnau na'r olygfa [-3.8 kV, 0.5 cm]. Dylid nodi hefyd bod crynodiadau nifer EWNS wedi'u monitro am hyd at 4 awr (Ffigurau Atodol S5 ac S6), lle dangosodd sefydlogrwydd cynhyrchu EWNS yr un lefelau o grynodiadau nifer gronynnau yn y ddau achos.
Mae Ffigur 3g yn dangos y sbectrwm EPR ar ôl tynnu'r rheolaeth (cefndir) ar gyfer EWNS wedi'i optimeiddio ar [-6.5 kV, 4.0 cm]. Mae'r sbectrwm ROS hefyd wedi'i gymharu â llinell sylfaen yr EWNS mewn papur a gyhoeddwyd yn flaenorol. Y nifer cyfrifedig o EWNS sy'n adweithio gyda'r trap sbin yw 7.5 × 104 EWNS/s, sy'n debyg i'r Baseline-EWNS8 a gyhoeddwyd yn flaenorol. Dangosodd y sbectrwm EPR yn glir bresenoldeb dau fath o ROS, lle'r oedd O2- yn drech, tra bod OH• yn bresennol mewn swm llai. 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 llinell sylfaen.
Mae ffig. 4 yn dangos effeithlonrwydd dyddodiad EWNS yn EPES. Mae'r data hefyd wedi'i grynhoi yn Nhabl I ac wedi'i gymharu â data gwreiddiol EWNS. Ar gyfer y ddau achos EUNS, roedd y dyddodiad yn agos at 100% hyd yn oed ar foltedd isel o 3.0 kV. Yn nodweddiadol, mae 3.0 kV yn ddigonol i gyflawni dyddodiad o 100% waeth beth fo'r newid gwefr arwyneb. O dan yr un amodau, dim ond 56% oedd effeithlonrwydd dyddodiad yr EWNS Sylfaenol oherwydd y gwefr is (cyfartaledd o 10 electron fesul EWNS).
Mae Ffigur 5 a Thabl 2 yn crynhoi graddfa anactifadu micro-organebau a frechwyd ar wyneb tomatos ar ôl dod i gysylltiad â thua 40,000 #/cm3 EWNS am 45 munud o dan y senario gorau posibl [-6.5 kV, 4.0 cm]. Dangosodd E. coli ac L. innocua a frechwyd ostyngiad sylweddol o 3.8 log ar ôl 45 munud o ddod i gysylltiad. O dan yr un amodau, dangosodd S. enterica ostyngiad log is o 2.2 log, tra bod S. cerevisiae ac M. parafortuitum wedi dangos ostyngiad o 1.0 log.
Micrograffau electron (Ffigur 6) yn darlunio'r newidiadau ffisegol a achosir gan EWNS mewn celloedd E. coli, Salmonella enterica, ac L. innocua gan arwain at anactifadu. Dangosodd bacteria rheoli bilenni celloedd cyfan, tra bod 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'r EWNS (gwefr arwyneb a chynnwys ROS) 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, sy'n debyg iawn i ganlyniadau a gyhoeddwyd yn flaenorol, gan ganiatáu iddynt aros yn yr awyr am gyfnod hir o amser. Gellir esbonio'r polydispersity a welwyd gan newidiadau yn y gwefr arwyneb, sy'n pennu maint effaith Rayleigh, hap-drefn, a chyfuno posibl EWNS. 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. Cadarnhawyd y ddamcaniaeth hon yn arbrofol ar gyfer microdiferynnau22 ac EWNS yn ein cyhoeddiad blaenorol8. Gall colli goramser hefyd effeithio ar faint a chyfrannu at y dosbarthiad maint a welwyd.
Yn ogystal, mae'r gwefr fesul strwythur tua 22–44 e-, yn dibynnu ar yr amgylchiadau, 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 nad yw'r gwefr yn unffurf 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.