Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSS laguntza mugatua du. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratua erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilo eta JavaScript gabe errendatuko dugu.
Duela gutxi, nanoteknologian oinarritutako produktu kimikorik gabeko plataforma antimikrobiano bat garatu da, ur nanoegitura artifizialak (EWNS) erabiltzen dituena. EWNS-ek gainazaleko karga handia dute eta oxigeno erreaktibo espezieekin (ROS) saturatuta daude, eta hauek hainbat mikroorganismorekin elkarreragin eta inaktibatu ditzakete, elikagaien bidezko patogenoak barne. Hemen erakusten da sintesian zehar dituzten propietateak doitu eta optimizatu daitezkeela haien potentzial antibakterianoa areagotzeko. EWNS laborategiko plataforma EWNS-en propietateak doitzeko diseinatu zen sintesi parametroak aldatuz. EWNS-en propietateen karakterizazioa (ROSen karga, tamaina eta edukia) metodo analitiko modernoak erabiliz. Horrez gain, Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum eta Saccharomyces cerevisiae bezalako elikagaien bidezko mikroorganismoen aurkako inaktibazio potentziala ebaluatu zen. Hemen aurkeztutako emaitzek erakusten dute EWNS-en propietateak doi daitezkeela sintesian zehar, eta horrek inaktibazio eraginkortasuna esponentzialki handitzen duela. Bereziki, gainazaleko karga lau aldiz handitu zen eta oxigeno erreaktibo espezieak handitu ziren. Mikrobioen ezabatze-tasa mikrobioen araberakoa zen eta 1,0 eta 3,8 log artean zegoen, 40.000 #/cc EWNS-ko aerosol-dosi baten 45 minutuko esposizioaren ondoren.
Kutsadura mikrobianoa da patogenoak edo haien toxinak irensteagatik eragindako elikagaiek eragindako gaixotasunen kausa nagusia. Estatu Batuetan bakarrik, elikagaiek eragindako gaixotasunek 76 milioi gaixotasun inguru, 325.000 ospitaleratze eta 5.000 heriotza eragiten dituzte urtero1. Horrez gain, Estatu Batuetako Nekazaritza Sailak (USDA) kalkulatzen du produktu freskoen kontsumoaren igoera dela Estatu Batuetan jakinarazi diren elikagaiek eragindako gaixotasun guztien % 48aren erantzule2. Estatu Batuetan elikagaiek eragindako patogenoek eragindako gaixotasunen eta heriotzen kostua oso handia da, Gaixotasunen Kontrolerako eta Prebentziorako Zentroek (CDC) urtean 15.600 milioi dolar baino gehiagokoa kalkulatuz3.
Gaur egun, elikagaien segurtasuna bermatzeko antimikrobianoen aurkako esku-hartze kimiko4, erradiologiko5 eta termiko6 gehienak ekoizpen-kateko kontrol-puntu kritiko mugatuetan (CCP) egiten dira (normalean uztaren ondoren eta/edo ontziratzean), etengabe egin beharrean. Beraz, kutsadura gurutzatua izateko joera dute. 7. Elikagaiek eragindako gaixotasunen eta elikagaien hondatzearen kontrol hobea lortzeko, baserritik mahairako jarraitutasun osoan aplika daitezkeen antimikrobianoen aurkako esku-hartzeak behar dira, ingurumen-inpaktua eta kostuak murriztuz.
Duela gutxi, nanoteknologian oinarritutako produktu kimikorik gabeko plataforma antimikrobiano bat garatu da, gainazaleko eta aireko bakterioak inaktibatu ditzakeena ur nanoegitura artifizialak (EWNS) erabiliz. EWNS bi prozesu paralelo erabiliz sintetizatu zen, elektroihinztadura eta ur ionizazioa (1a irudia). Aurreko ikerketek erakutsi dute EWNS-ek propietate fisiko eta biologiko multzo berezia dutela8,9,10. EWNS-ek batez beste 10 elektroi dituzte egitura bakoitzeko eta 25 nm-ko nanoeskalako batez besteko tamaina (1b eta 1c irudiak)8,9,10. Horrez gain, erresonantzia elektronikoaren biraketa (ESR) bidez ikusi da EWNS-ek oxigeno erreaktibo espezie (ROS) kopuru handia duela, batez ere hidroxilo (OH•) eta superoxido (O2-) erradikalak (1c irudia)8. EVNS denbora luzez egoten da airean eta airean esekita dauden eta gainazalean dauden mikroorganismoekin talka egin dezake, ROS karga emanez eta mikroorganismoen inaktibazioa eraginez (1d irudia). Hasierako ikerketa hauek ere erakutsi zuten EWNS-ek hainbat bakterio gram-negatibo eta gram-positiborekin elkarreragin eta inaktibatu ditzakeela, mikobakterioak barne, gainazaletan eta airean. Transmisio-mikroskopia elektronikoak erakutsi zuen inaktibazioa zelula-mintzaren hausturak eragiten zuela. Gainera, arnasketa akutuen ikerketek erakutsi dute EWNS dosi altuek ez dutela biriketako kalterik edo hanturarik eragiten 8.
(a) Elektroihinztadura likidoa duen kapilar-hodi baten eta kontraelektrodo baten artean tentsio altua aplikatzen denean gertatzen da. (b) Presio altua aplikatzeak bi fenomeno desberdin eragiten ditu: (i) uraren elektroihinztadura eta (ii) EWNS-etan harrapatutako oxigeno-espezie erreaktiboen (ioien) eraketa. (c) EWNS-en egitura berezia. (d) Nanoeskalako izaeragatik, EWNS-ak oso mugikorrak dira eta aireko patogenoekin elkarreragin dezakete.
Duela gutxi frogatu da EWNS plataforma antimikrobianoak elikagai freskoen gainazalean dauden elikagaiek eragindako mikroorganismoak inaktibatzeko duen gaitasuna. Era berean, frogatu da EWNS-ren gainazaleko karga, eremu elektriko batekin konbinatuta, erabil daitekeela banaketa zehatza lortzeko. Gainera, tomate ekologikoen aurretiazko emaitzak itxaropentsuak izan ziren, 50.000 #/cm3 inguruko EWNS batean 90 minutuko esposizioaren ondoren, hainbat elikagaiek eragindako mikroorganismo ikusi baitziren, hala nola E. coli eta Listeria 11. Horrez gain, aurretiazko proba organoleptikoek ez zuten inolako efektu sentsorialik erakutsi kontrol-tomateekin alderatuta. Hasierako inaktibazio-emaitza hauek itxaropentsuak diren arren elikagaien segurtasunerako aplikazioetarako, 50.000#/cc-ko EWNS dosi oso baxuetan ere, argi dago inaktibazio-potentzial handiagoa onuragarriagoa izango litzatekeela infekzio eta hondatze arriskua gehiago murrizteko.
Hemen, gure ikerketa EWNS sorkuntza plataforma baten garapenean zentratuko dugu, sintesi parametroen doikuntza fina eta EWNS-en propietate fisiko-kimikoak optimizatzeko, haien potentzial antibakterianoa hobetzeko. Bereziki, optimizazioak haien gainazaleko karga handitzean (banaketa zuzendua hobetzeko) eta ROS edukia (inaktibazio-eraginkortasuna hobetzeko) zentratu da. Propietate fisiko-kimiko optimizatuak (tamaina, karga eta ROS edukia) karakterizatu metodo analitiko modernoak erabiliz eta elikagaietako mikroorganismo arruntak erabiliz, hala nola E.
EVNS sintetizatu zen ur puruaren (18 MΩ cm–1) aldibereko elektroihinztadura eta ionizazioaren bidez. Nebulizagailu elektrikoa 12 normalean likidoen atomizaziorako eta tamaina kontrolatuko polimero eta zeramika partikulen 13 eta zuntzen 14 sintesirako erabiltzen da.
Aurreko argitalpenetan 8, 9, 10, 11 zehaztu bezala, esperimentu tipiko batean, tentsio altua aplikatu zen metalezko kapilare baten eta lurrera konektatutako kontraelektrodo baten artean. Prozesu honetan, bi fenomeno desberdin gertatzen dira: i) elektroihinztadura eta ii) uraren ionizazioa. Bi elektrodoen arteko eremu elektriko sendo batek karga negatiboak pilatzea eragiten du kondentsatutako uraren gainazalean, eta horrek Taylor konoen eraketa eragiten du. Ondorioz, ur tanta oso kargatuak sortzen dira, eta hauek partikula txikiagoetan hausten jarraitzen dute, Rayleigh teorian bezala16. Aldi berean, eremu elektriko sendoek ur molekula batzuk zatitzea eta elektroiak kentzea (ionizatzea) eragiten dute, eta horrek oxigeno espezie erreaktibo (ROS) kopuru handia sortzea dakar17. Aldi berean sortutako ROS18 EWNS-etan kapsulatu zen (1c irudia).
2a irudian ikerketa honetan EWNS sintesian garatu eta erabilitako EWNS sorkuntza sistema ageri da. Botila itxi batean gordetako ura araztua Teflon hodi batetik (2 mm-ko barne diametroa) 30G-ko altzairu herdoilgaitzezko orratz batera (kapilar metalikoa) sartu zen. Uraren fluxua botilaren barruko aire-presioak kontrolatzen du, 2b irudian ikusten den bezala. Orratza Teflon kontsola batean muntatuta dago eta eskuz doi daiteke kontraelektrodotik distantzia jakin batera. Kontraelektrodoa aluminiozko disko leundu bat da, erdian zulo bat duena laginketa egiteko. Kontraelektrodoaren azpian aluminiozko laginketa-inbutu bat dago, gainerako esperimentu-multzoarekin laginketa-ataka baten bidez konektatuta dagoena (2b irudia). Laginketaren funtzionamendua eten dezakeen karga-pilaketa saihesteko, laginketaren osagai guztiak elektrikoki lurrera konektatuta daude.
(a) Ingeniaritzapeko Ur Nanoegiturak Sortzeko Sistema (EWNS). (b) Lagingailuaren eta elektroihinztaduraren zeharkako sekzioa, parametro garrantzitsuenak erakusten dituena. (c) Bakterioen inaktibaziorako konfigurazio esperimentala.
Goian deskribatutako EWNS sorkuntza sistemak funtzionamendu-parametro nagusiak aldatzeko gai da EWNS propietateen doikuntza fina errazteko. Doitu aplikatutako tentsioa (V), orratzaren eta kontraelektrodoaren arteko distantzia (L) eta kapilarretik igarotzen den ur-fluxua (φ) EWNS ezaugarriak doitzeko. Konbinazio desberdinak irudikatzeko erabilitako ikurra: [V (kV), L (cm)]. Doitu ur-fluxua multzo jakin bateko Taylor kono egonkor bat lortzeko [V, L]. Ikerketa honen helburuetarako, kontraelektrodoaren (D) irekidura-diametroa 0,5 hazbetean (1,29 cm) mantendu da.
Geometria mugatua eta asimetria direla eta, eremu elektrikoaren intentsitatea ezin da lehen printzipioetatik kalkulatu. Horren ordez, QuickField™ softwarea (Svendborg, Danimarka)19 erabili zen eremu elektrikoa kalkulatzeko. Eremu elektrikoa ez da uniformea, beraz, kapilarraren puntan dagoen eremu elektrikoaren balioa erabili zen erreferentzia-balio gisa hainbat konfiguraziotarako.
Ikerketan zehar, orratzaren eta kontraelektrodoaren arteko tentsio eta distantziaren hainbat konbinazio ebaluatu ziren Taylor konoaren eraketa, Taylor konoaren egonkortasuna, EWNS ekoizpenaren egonkortasuna eta erreproduzigarritasuna kontuan hartuta. Konbinazio desberdinak S1 taula osagarrian ageri dira.
EWNS sorkuntza sistemaren irteera zuzenean Scanning Mobility Particle Size Analyzer (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) batera konektatu zen partikula kopuruaren kontzentrazioa neurtzeko, baita Aerosol Faraday Electrometer (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN) batera ere. ) aerosol korronteetarako aurreko argitalpenean deskribatu bezala neurtu zen. Bai SMPSak bai aerosol elektrometroak 0,5 L/min-ko emaria hartu zuten lagin gisa (laginaren emaria guztira 1 L/min). Partikulen kontzentrazio kopurua eta aerosol emaria 120 segundoz neurtu ziren. Neurketa 30 aldiz errepikatu zen. Korronte neurketetan oinarrituta, aerosol karga osoa kalkulatzen da eta batez besteko EWNS karga kalkulatzen da hautatutako EWNS partikula kopuru oso jakin baterako. EWNSren batez besteko kostua (1) ekuazioa erabiliz kalkula daiteke:
non IEl neurtutako korrontea den, NSMPS SMPS-rekin neurtutako kontzentrazio digitala eta φEl elektrometro bakoitzeko emari-tasa.
Hezetasun erlatiboak (HE) gainazaleko kargari eragiten dionez, tenperatura eta (HE) konstante mantendu ziren esperimentuan zehar, 21 °C-tan eta % 45ean, hurrenez hurren.
EWNS-aren tamaina eta bizitza-bizitza neurtzeko, mikroskopia atomiko indartua (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) eta AC260T zunda (Olympus, Tokio, Japonia) erabili ziren. AFM eskaneatze-maiztasuna 1 Hz-koa zen, eskaneatze-eremua 5 μm × 5 μm-koa, eta 256 eskaneatze-lerro. Irudi guztiak lehen ordenako irudi-lerrokatzean jarri ziren Asylum softwarea erabiliz (maskararen tartea 100 nm, atalasea 100 pm).
Proba-inbutua kendu eta mikaren gainazala kontra-elektrodotik 2,0 cm-ko distantziara jarri zen, 120 segundoko batez besteko denboran, partikulen metaketa eta mikaren gainazalean tanta irregularrak eratzea saihesteko. EWNS zuzenean ihinztatu zen mika moztu berriaren gainazalean (Ted Pella, Redding, CA). Mika gainazalaren irudia AFM sputtering-aren ondoren. Mika aldatu gabe moztu berriaren gainazalaren kontaktu-angelua 0°-tik gertu dago, beraz, EVNS kupula baten moduan banatzen da mikaren gainazalean. Tanta barreiatzaileen diametroa (a) eta altuera (h) zuzenean neurtu ziren AFM topografiatik eta EWNS kupuladun difusio-bolumena kalkulatzeko erabili ziren, aurretik balioztatutako gure metodoa erabiliz. Ontziko EWNS-ek bolumen bera dutela suposatuz, diametro baliokidea (2) ekuazioa erabiliz kalkula daiteke:
Aurretik garatutako metodoan oinarrituta, elektroi-spin erresonantzia (ESR) spin tranpa bat erabili zen EWNS-etan erradikal tarteko iraupen laburrekoen presentzia detektatzeko. Aerosolak 650 μm-ko Midget ihinztagailu baten bidez (Ace Glass, Vineland, NJ) burbuilatu ziren, DEPMPO(5-(dietoxifosforil)-5-metil-1-pirrolina-N-oxido) (Oxis International Inc.) 235 mM-ko disoluzio bat zuena. Portland, Oregon). ESR neurketa guztiak Bruker EMX espektrometro bat (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AEB) eta panel lauko zelula bat erabiliz egin ziren. Acquisit softwarea (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, AEB) erabili zen datuak biltzeko eta aztertzeko. ROSen ezaugarrien zehaztapena funtzionamendu-baldintza multzo baterako bakarrik egin zen [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS kontzentrazioak SMPS erabiliz neurtu ziren, inpaktagailuan EWNS galerak kontuan hartu ondoren.
Ozono mailak 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 erabiliz kontrolatu ziren.
EWNS propietate guztietarako, batez besteko balioa erabiltzen da neurketa-balio gisa, eta desbideratze estandarra neurketa-errore gisa. T-probak egin ziren optimizatutako EWNS atributuen balioak oinarrizko EWNSren dagokien balioekin alderatzeko.
2c irudiak aurretik garatu eta karakterizatutako prezipitazio elektrostatiko (EPES) "tiratze" sistema bat erakusten du, EWNS gainazalean bidaltzeko erabil daitekeena. EPESek EVNS kargak erabiltzen ditu, eta eremu elektriko indartsu baten eraginpean helburuaren gainazalera zuzenean "gidatu" daitezke. EPES sistemaren xehetasunak Pyrgiotakis et al.-ek duela gutxi argitaratutako batean aurkezten dira. 11. Horrela, EPESek mutur konikoak dituen 3D inprimatutako PVC ganbera bat du, eta erdian bi altzairu herdoilgaitzezko (304 altzairu herdoilgaitza, ispilu-estaldura) metalezko plaka paralelo ditu, 15,24 cm-ko distantziara. Taulak kanpoko tentsio handiko iturri batera konektatuta zeuden (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), beheko plaka beti tentsio positibora konektatuta zegoen, eta goiko plaka beti lurrera konektatuta zegoen (lur flotatzailea). Ganberaren paretak aluminiozko paperarekin estalita daude, eta hori elektrikoki lurrera konektatuta dago partikula-galera saihesteko. Ganberak aurrealdeko kargatzeko ate zigilatu bat dauka, proba-gainazalak plastikozko euskarrietan jartzeko aukera ematen duena, beheko metalezko plakaren gainetik altxatzen direnak, tentsio handiko interferentziak saihesteko.
EWNS-en deposizio-eraginkortasuna EPES-en S111 irudi osagarrian zehaztutako aurretik garatutako protokolo baten arabera kalkulatu zen.
Kontrol-ganbera gisa, bigarren fluxu-ganbera zilindriko bat seriean konektatu zen EPES sistemara, eta bertan tarteko HEPA iragazki bat erabili zen EWNS kentzeko. 2c irudian ikusten den bezala, EWNS aerosola bi ganbera integratuetatik ponpatu zen. Kontrol-gelaren eta EPESaren arteko iragazkiak geratzen den EWNS guztia kentzen du, eta ondorioz tenperatura (T), hezetasun erlatiboa (RH) eta ozono-maila berdinak lortzen dira.
Elikagaiek eragindako mikroorganismo garrantzitsuek elikagai freskoak kutsatzen dituztela aurkitu da, hala nola E. coli (ATCC #27325), gorotz-adierazlea, Salmonella enterica (ATCC #53647), elikagaiek eragindako patogenoa, Listeria harmless (ATCC #33090), Listeria monocytogenes patogenoaren ordezkoa, ATCC-tik (Manassas, VA) eratorria, Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), hondatzen duen legamiaren ordezkoa, eta erresistenteagoa den bakterio inaktibatu bat, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Erosi mahats-tomate ekologikoen kaxak ausaz zure tokiko merkatuan eta hoztu 4 °C-tan erabili arte (gehienez 3 egun). Esperimentuko tomate guztiak tamaina berekoak ziren, 1/2 hazbeteko diametrokoak gutxi gorabehera.
Kultura, txertaketa, esposizio eta kolonia-zenbaketa protokoloak aurreko argitalpenean eta Datu Osagarrietan zehatz-mehatz azaltzen dira. EWNSren eraginkortasuna ebaluatu zen inokulatutako tomateak 40.000 #/cm3-tan 45 minutuz jarriz. Laburbilduz, hiru tomate erabili ziren t = 0 min unean bizirik iraun zuten mikroorganismoak ebaluatzeko. Hiru tomate EPES-ean jarri eta EWNS-tan 40.000 #/cc-tan jarri ziren (EWNS-ren eraginpean zeuden tomateak) eta gainerako hirurak kontrol-ganberan jarri ziren (kontrol-tomateak). Bi taldeetako tomateen prozesamendu gehigarririk ez zen egin. EWNS-ren eraginpean zeuden tomateak eta kontrol-tomateak 45 minutu igaro ondoren kendu ziren EWNSren eragina ebaluatzeko.
Esperimentu bakoitza hirukoiztuta egin zen. Datuen analisia Datu Osagarrietan deskribatutako protokoloaren arabera egin zen.
Inaktibazio-mekanismoak EWNS laginen sedimentazioaren bidez ebaluatu ziren (45 min 40.000 #/cm3 EWNS aerosol-kontzentrazioan) eta E. coli, Salmonella enterica eta Lactobacillus bakterio kaltegabeen lagin ez-irradiatuen bidez. Partikulak % 2,5 glutaraldehidoan, % 1,25 paraformaldehidoan eta % 0,03 azido pikrikoan finkatu ziren 0,1 M sodio kakodilato bufferrean (pH 7,4) 2 orduz giro-tenperaturan. Garbitu ondoren, % 1 osmio tetroxidoarekin (OsO4)/% 1,5 potasio ferrozianuroarekin (KFeCN6) finkatu ziren 2 orduz, 3 aldiz garbitu uretan eta % 1 uranil azetatoan inkubatu ordubetez, ondoren bi aldiz garbitu uretan, eta ondoren deshidratatu 10 minutuz % 50, % 70, % 90 eta % 100 alkoholean. Ondoren, laginak propileno oxidoan jarri ziren ordubetez eta propileno oxidoaren eta TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) 1:1 nahasketa batekin busti ziren. Laginak TAAB Epon-en txertatu eta 60 °C-tan polimerizatu ziren 48 orduz. Sendotutako erretxina pikortsua moztu eta TEM bidez bistaratu zen, JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japonia) transmisio-mikroskopio elektroniko konbentzional bat erabiliz, AMT 2k CCD kamera batekin hornitua (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, AEB).
Esperimentu guztiak hirukoiztuta egin ziren. Denbora-puntu bakoitzerako, bakterioen garbiketak hirukoiztuta erein ziren, puntu bakoitzeko bederatzi datu-puntu lortuz, eta horien batez bestekoa mikroorganismo horren bakterioen kontzentrazio gisa erabili zen. Desbideratze estandarra neurketa-errore gisa erabili zen. Puntu guztiek balio dute.
Bakterioen kontzentrazioaren jaitsieraren logaritmoa t = 0 min-rekin alderatuta formula hau erabiliz kalkulatu zen:
non C0 kontrol-laginean 0 unean dauden bakterioen kontzentrazioa den (hau da, gainazala lehortu ondoren baina ganberan sartu aurretik) eta Cn gainazalean dauden bakterioen kontzentrazioa n minutuko esposizioaren ondoren.
Bakterioen 45 minutuko esposizioan zehar izandako degradazio naturala kontuan hartzeko, kontrol-taldearekin alderatuta logaritmoaren murrizketa 45 minutu igaro ondoren ere kalkulatu zen honela:
non Cn kontrol-lagineko bakterioen kontzentrazioa den n unean eta Cn-Kontrol kontrol-lagineko bakterioen kontzentrazioa den n unean. Datuak kontrolarekin alderatuta (EWNS esposiziorik gabe) logaritmoaren murrizketa gisa aurkezten dira.
Ikerketan zehar, orratzaren eta kontraelektrodoaren arteko tentsio eta distantziaren hainbat konbinazio ebaluatu ziren Taylor konoaren eraketa, Taylor konoaren egonkortasuna, EWNS ekoizpenaren egonkortasuna eta erreproduzigarritasuna kontuan hartuta. Hainbat konbinazio S1 taula osagarrian erakusten dira. Bi kasu hautatu ziren azterketa integralerako, propietate egonkorrak eta erreproduzigarriak erakusten dituztenak (Taylor konoa, EWNS sorrera eta denboran zeharreko egonkortasuna). 3. irudian, bi kasuetako ROSen karga, tamaina eta edukiaren emaitzak ageri dira. Emaitzak 1. taulan ere laburbilduta daude. Erreferentzia gisa, bai 3. irudiak bai 1. taulak aurretik sintetizatutako EWNS8, 9, 10, 11 (oinarrizko EWNS) optimizatu gabeko propietateak biltzen dituzte. Bi aldeetako t-proba erabiliz egindako esangura estatistikoaren kalkuluak S2 taula osagarrian berrargitaratzen dira. Horrez gain, datu gehigarriek kontraelektrodoaren laginketa-zuloaren diametroaren (D) eta lurreko elektrodoaren eta puntaren arteko distantziak (L) duten eragina aztertzen duten ikerketak barne hartzen dituzte (S2 eta S3 irudi osagarriak).
(ac) AFM bidez neurtutako tamaina-banaketa. (df) Gainazaleko kargaren ezaugarria. (g) EPRren ROS karakterizazioa.
Garrantzitsua da kontuan izatea, halaber, goiko baldintza guztietan, neurtutako ionizazio-korrontea 2 eta 6 μA artekoa zela eta tentsioa -3,8 eta -6,5 kV artekoa, eta ondorioz, EWNS belaunaldiko kontaktu-modulu bakar honetarako 50 mW baino gutxiagoko energia-kontsumoa izan zen. EWNS presio altuan sintetizatu bazen ere, ozono-mailak oso baxuak ziren, inoiz ez ziren 60 ppb-tik gorakoak.
S4 irudi osagarriak [-6,5 kV, 4,0 cm] eta [-3,8 kV, 0,5 cm] eszenatokietarako simulatutako eremu elektrikoak erakusten ditu, hurrenez hurren. [-6,5 kV, 4,0 cm] eta [-3,8 kV, 0,5 cm] eszenatokietarako, eremuaren kalkuluak 2 × 105 V/m eta 4,7 × 105 V/m dira, hurrenez hurren. Hau espero da, bigarren kasuan tentsio-distantzia erlazioa askoz handiagoa baita.
3a eta 3b irudietan AFM8-rekin neurtutako EWNS diametroa ageri da. Kalkulatutako EWNS diametroen batez bestekoak 27 nm eta 19 nm izan ziren, hurrenez hurren, [-6,5 kV, 4,0 cm] eta [-3,8 kV, 0,5 cm] eskemetarako. [-6,5 kV, 4,0 cm] eta [-3,8 kV, 0,5 cm] eszenatokietarako, banaketen desbideratze estandar geometrikoak 1,41 eta 1,45 dira, hurrenez hurren, tamaina-banaketa estua adieraziz. Bai batez besteko tamaina, bai desbideratze estandar geometrikoa oinarrizko EWNS-tik oso gertu daude, 25 nm eta 1,41ean, hurrenez hurren. 3c irudian oinarrizko EWNS-ren tamaina-banaketa ageri da, metodo bera erabiliz eta baldintza berdinetan neurtuta.
3d eta e irudian karga-karakterizazioaren emaitzak ageri dira. Datuak kontzentrazioaren (#/cm3) eta korrontearen (I) 30 neurketa aldiberekoren batez besteko neurketak dira. Analisiak erakusten du EWNS-ko batez besteko karga 22 ± 6 e- eta 44 ± 6 e- dela [-6,5 kV, 4,0 cm] eta [-3,8 kV, 0,5 cm]-rako, hurrenez hurren. Oinarrizko EWNS-rekin alderatuta gainazaleko karga nabarmen handiagoak dituzte (10 ± 2 e-), [-6,5 kV, 4,0 cm] eszenatokia baino bi aldiz handiagoak eta [-3,8 kV, 0,5 cm] baino lau aldiz handiagoak. 3f irudiak Oinarrizko-EWNS-rako karga-datuak ageri dira.
EWNS zenbakiaren kontzentrazio-mapetatik (S5 eta S6 irudi osagarriak), ikus daiteke [-6,5 kV, 4,0 cm] eszenatokiak [-3,8 kV, 0,5 cm] eszenatokiak baino partikula askoz gehiago dituela. Aipatzekoa da, halaber, EWNS zenbakiaren kontzentrazioa 4 ordu arte kontrolatu zela (S5 eta S6 irudi osagarriak), non EWNS sorkuntza-egonkortasunak partikula-kopuruaren kontzentrazio-maila berdinak erakutsi zituen bi kasuetan.
3g irudian EPR espektroa ageri da, EWNS kontrola optimizatua (atzeko planoa) kendu ondoren [-6.5 kV, 4.0 cm-tan]. ROS espektroak aurretik argitaratutako lan bateko Oinarrizko-EWNS eszenatokiarekin ere alderatu ziren. Spin-tranpekin erreakzionatzen duten EWNS kopurua 7.5 × 104 EWNS/s-koa zela kalkulatu zen, aurretik argitaratutako Oinarrizko-EWNS8 eszenatokiaren antzekoa. EPR espektroek bi ROS motaren presentzia argi erakutsi zuten, O2- espezie nagusia izanik eta OH• gutxiago ugaria. Gainera, gailurren intentsitateen zuzeneko konparaketa batek erakutsi zuen EWNS optimizatuek ROS eduki nabarmen handiagoa zutela oinarrizko EWNSekin alderatuta.
4. irudian EWNS-en deposizio-eraginkortasuna ikusten da EPES-en. Datuak I. taulan laburbildu eta jatorrizko EWNS datuekin alderatzen dira. EUNS-en bi kasuetan, deposizioa %100etik gertu dago, 3,0 kV-ko tentsio baxuan ere. Normalean, 3,0 kV nahikoa da %100eko deposiziorako, gainazaleko karga-aldaketa edozein dela ere. Baldintza berdinetan, Baseline-EWNS-en deposizio-eraginkortasuna %56koa baino ez zen, karga txikiagoa zutelako (batez beste 10 elektroi EWNS bakoitzeko).
5. irudian eta 2. taulan laburbiltzen da tomateen gainazalean txertatutako mikroorganismoen inaktibazio-balioa, 40.000 #/cm3 EWNS ingururi 45 minutuz modu optimoan [-6,5 kV, 4,0 cm] esposizioaren ondoren. Txertatutako E. coli eta Lactobacillus innocuous-ek 3,8 log-eko murrizketa nabarmena erakutsi zuten 45 minutuko esposizioan. Baldintza berdinetan, S. enterica-k 2,2 log-eko murrizketa izan zuen, eta S. cerevisiae-k eta M. parafortutum-ek, berriz, 1,0 log-ekoa.
Mikrografia elektronikoek (6. irudia) EWNS-k Escherichia coli, Streptococcus eta Lactobacillus zeluletan eragindako aldaketa fisikoak erakusten dituzte, eta horien inaktibazioa eragiten dute. Kontrol-bakterioek zelula-mintz osoak zituzten, eta bakterio agerian geratu zirenek, berriz, kanpoko mintzak kaltetuta zituzten.
Kontrol-bakterioen eta esposizio-bakterioen mikroskopio elektronikoaren irudiek mintz-kaltea agerian utzi zuten.
EWNS optimizatuen propietate fisiko-kimikoei buruzko datuek, oro har, erakusten dute EWNSen propietateak (gainazaleko karga eta ROS edukia) nabarmen hobetu direla aurretik argitaratutako EWNS oinarrizko datuekin alderatuta8,9,10,11. Bestalde, haien tamaina nanometro-tartean mantendu zen, aurretik jakinarazitako emaitzekin oso antzekoa, eta horrek denbora luzez airean jarraitzea ahalbidetu zien. Behatutako polidispertsioa EWNSen tamaina zehazten duten gainazaleko karga-aldaketek, Rayleigh efektuaren ausazkotasunak eta koaleszentzia potentzialak azal dezakete. Hala ere, Nielsen et al.-ek zehaztu bezala22, gainazaleko karga altuak lurrunketa murrizten du ur-tantaren gainazaleko energia/tentsioa eraginkortasunez handituz. Aurreko argitalpenean8 teoria hau esperimentalki baieztatu zen mikrotantentzat22 eta EWNSentzat. Denbora gehigarrian karga-galerak ere tamainan eragina izan dezake eta behatutako tamaina-banaketari lagundu.
Gainera, egitura bakoitzeko karga 22-44 e- ingurukoa da, egoeraren arabera, eta hori nabarmen handiagoa da oinarrizko EWNSarekin alderatuta, zeinak egitura bakoitzeko 10 ± 2 elektroi-ko batez besteko karga baitu. Hala ere, kontuan izan behar da hau dela EWNS-ren batez besteko karga. Seto et al. Frogatu da karga ez dela homogeneoa eta banaketa log-normal bat jarraitzen duela21. Aurreko lanarekin alderatuta, gainazaleko karga bikoizteak EPES sisteman deposizio-eraginkortasuna bikoizten du ia %100era iritsi arte11.