از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.نسخه مرورگری که استفاده می کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت ارائه می کنیم.
چرخ فلکی که سه اسلاید را همزمان نشان می دهد.از دکمه های قبلی و بعدی برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید یا از دکمه های لغزنده در پایان برای حرکت در سه اسلاید در یک زمان استفاده کنید.
اخیراً یک پلت فرم ضد میکروبی بدون مواد شیمیایی مبتنی بر فناوری نانو با استفاده از نانوساختارهای آب مصنوعی (EWNS) توسعه یافته است.EWNS بار سطحی بالایی دارد و با گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) اشباع شده است که می‌تواند با تعدادی از میکروارگانیسم‌ها، از جمله پاتوژن‌های موجود در غذا، تعامل داشته باشد و آن‌ها را غیرفعال کند.در اینجا نشان داده شده است که خواص آنها در طول سنتز را می توان برای افزایش بیشتر پتانسیل ضد باکتریایی آنها تنظیم و بهینه کرد.پلت فرم آزمایشگاهی EWNS برای تنظیم دقیق خواص EWNS با تغییر پارامترهای سنتز طراحی شده است.تعیین ویژگی های EWNS (شارژ، اندازه و محتوای ROS) با استفاده از روش های تحلیلی مدرن.علاوه بر این، آنها از نظر پتانسیل غیرفعال‌سازی میکروبی در برابر میکروارگانیسم‌های غذایی مانند اشریشیا کلی، سالمونلا انتریکا، لیستریا بی‌خطر، مایکوباکتریوم پاراآکسیدنتوم و ساکارومایسس سرویزیه مورد ارزیابی قرار گرفتند.نتایج ارائه‌شده در اینجا نشان می‌دهد که خواص EWNS را می‌توان در طول سنتز تنظیم کرد، که منجر به افزایش تصاعدی در راندمان غیرفعال‌سازی می‌شود.به طور خاص، بار سطحی با ضریب چهار افزایش یافته و گونه های اکسیژن فعال افزایش یافته است.نرخ حذف میکروبی به میکروبی وابسته بود و از 1.0 تا 3.8 log پس از 45 دقیقه قرار گرفتن در معرض دوز آئروسل 40000 #/cc EWNS متغیر بود.
آلودگی میکروبی عامل اصلی بیماری های ناشی از مواد غذایی است که در اثر بلع پاتوژن ها یا سموم آنها ایجاد می شود.تنها در ایالات متحده، بیماری های ناشی از غذا باعث حدود 76 میلیون بیماری، 325000 بستری در بیمارستان و 5000 مرگ در هر سال می شود.علاوه بر این، وزارت کشاورزی ایالات متحده (USDA) تخمین می زند که افزایش مصرف محصولات تازه مسئول 48٪ از همه بیماری های ناشی از غذا در ایالات متحده است.هزینه بیماری و مرگ ناشی از پاتوژن های غذایی در ایالات متحده بسیار بالا است که توسط مراکز کنترل و پیشگیری از بیماری (CDC) بیش از 15.6 میلیارد دلار در سال تخمین زده می شود.
در حال حاضر، مداخلات ضد میکروبی chemical4، radiation5 و thermal6 برای اطمینان از ایمنی مواد غذایی عمدتاً در نقاط کنترل بحرانی محدود (CCPs) در طول زنجیره تولید (معمولاً پس از برداشت و/یا در طول بسته‌بندی) انجام می‌شوند تا به طور مداوم.بنابراین، آنها مستعد آلودگی متقابل هستند.7. کنترل بهتر بیماری های ناشی از غذا و فاسد شدن مواد غذایی نیازمند مداخلات ضد میکروبی است که به طور بالقوه می تواند در زنجیره مزرعه تا سفره اعمال شود و در عین حال اثرات و هزینه های زیست محیطی را کاهش دهد.
اخیراً یک پلت فرم ضد میکروبی مبتنی بر فناوری نانو بدون مواد شیمیایی توسعه یافته است که می تواند باکتری های سطحی و هوا را با استفاده از نانوساختارهای مصنوعی آب (EWNS) غیرفعال کند.EWNS با استفاده از دو فرآیند موازی، الکترواسپری و یونیزاسیون آب سنتز شد (شکل 1a).مطالعات قبلی نشان داده است که EWNS دارای مجموعه منحصر به فردی از خواص فیزیکی و بیولوژیکی است 8،9،10.EWNS دارای میانگین 10 الکترون در هر ساختار و اندازه متوسط ​​نانومتری 25 نانومتر (شکل 1b,c) 8,9,10 است.علاوه بر این، رزونانس اسپین الکترون (ESR) نشان داد که EWNS حاوی مقدار زیادی گونه‌های اکسیژن فعال (ROS)، عمدتاً رادیکال‌های هیدروکسیل (OH•) و سوپراکسید (O2-) است (شکل 1c)8.EVNS برای مدت طولانی در هوا است و می تواند با میکروارگانیسم های معلق در هوا و موجود در سطح برخورد کند و بار ROS آنها را تحویل دهد و باعث غیرفعال شدن میکروارگانیسم ها شود (شکل 1d).این مطالعات اولیه همچنین نشان داد که EWNS می‌تواند با باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت مختلف، از جمله مایکوباکتری‌ها، روی سطوح و هوا تعامل داشته باشد و آن‌ها را غیرفعال کند.میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داد که غیرفعال شدن به دلیل اختلال در غشای سلولی ایجاد شده است.علاوه بر این، مطالعات استنشاقی حاد نشان داده است که دوزهای بالای EWNS باعث آسیب یا التهاب ریه نمی شود.
(الف) الکترواسپری زمانی اتفاق می افتد که ولتاژ بالا بین یک لوله مویین حاوی مایع و یک الکترود ضد اعمال شود.(ب) اعمال فشار بالا منجر به دو پدیده مختلف می شود: (1) الکتروپاشی آب و (ب) تشکیل گونه های اکسیژن فعال (یون) به دام افتاده در EWNS.(ج) ساختار منحصر به فرد EWNS.(د) به دلیل ماهیت نانومقیاس، EWNS بسیار متحرک است و می تواند با پاتوژن های موجود در هوا تعامل داشته باشد.
توانایی پلت فرم ضد میکروبی EWNS برای غیرفعال کردن میکروارگانیسم های موجود در مواد غذایی روی سطح غذای تازه نیز اخیراً نشان داده شده است.همچنین نشان داده شده است که بار سطحی EWNS در ترکیب با میدان الکتریکی می تواند برای رسیدن به تحویل هدفمند استفاده شود.علاوه بر این، نتایج اولیه برای گوجه‌فرنگی‌های ارگانیک پس از قرار گرفتن در معرض 90 دقیقه در EWNS حدود 50000 #/cm3، با مشاهده میکروارگانیسم‌های مختلف مواد غذایی مانند E. coli و لیستریا 11، دلگرم‌کننده بود.علاوه بر این، آزمایشات ارگانولپتیک اولیه هیچ اثر حسی را در مقایسه با گوجه فرنگی شاهد نشان نداد.اگرچه این نتایج اولیه غیرفعال سازی برای کاربردهای ایمنی مواد غذایی حتی در دوزهای بسیار پایین EWNS 50000#/cc دلگرم کننده است.ببینید، واضح است که پتانسیل غیرفعال سازی بالاتر برای کاهش بیشتر خطر عفونت و فساد مفیدتر خواهد بود.
در اینجا، ما تحقیقات خود را بر روی توسعه یک پلت فرم تولید EWNS متمرکز خواهیم کرد تا تنظیم دقیق پارامترهای سنتز و بهینه‌سازی خواص فیزیکوشیمیایی EWNS را برای افزایش پتانسیل ضد باکتریایی آنها انجام دهیم.به طور خاص، بهینه سازی بر افزایش بار سطحی آنها (برای بهبود تحویل هدفمند) و محتوای ROS (برای بهبود کارایی غیرفعال سازی) متمرکز شده است.مشخص کردن خواص فیزیکی و شیمیایی بهینه (اندازه، بار و محتوای ROS) با استفاده از روش‌های تحلیلی مدرن و استفاده از میکروارگانیسم‌های غذایی رایج مانند E. .
EVNS با الکتروپاشی همزمان و یونیزاسیون آب با خلوص بالا (18 MΩcm-1) سنتز شد.نبولایزر الکتریکی 12 معمولاً برای اتمیزه کردن مایعات و سنتز ذرات پلیمری و سرامیکی 13 و الیاف 14 با اندازه کنترل شده استفاده می شود.
همانطور که در انتشارات قبلی 8، 9، 10، 11 به تفصیل شرح داده شد، در یک آزمایش معمولی، ولتاژ بالا بین یک مویرگ فلزی و یک الکترود شمارنده زمین شده اعمال شد.در طی این فرآیند، دو پدیده مختلف رخ می دهد: الف) الکترواسپری و ب) یونیزاسیون آب.میدان الکتریکی قوی بین دو الکترود باعث ایجاد بارهای منفی روی سطح آب متراکم شده و در نتیجه مخروط های تیلور می شود.در نتیجه، قطرات آب با بار زیاد تشکیل می‌شوند که مانند تئوری ریلی، همچنان به ذرات کوچک‌تر تجزیه می‌شوند.در عین حال، میدان‌های الکتریکی قوی باعث می‌شوند که برخی مولکول‌های آب از هم جدا شوند و الکترون‌ها را از بین ببرند (یونیزه شوند)، که منجر به تشکیل مقدار زیادی گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) می‌شود.ROS18 تولید شده به طور همزمان در EWNS محصور شد (شکل 1c).
روی انجیر2a سیستم تولید EWNS را نشان می دهد که در این مطالعه در سنتز EWNS توسعه یافته و استفاده شده است.آب تصفیه شده ذخیره شده در یک بطری در بسته از طریق یک لوله تفلون (قطر داخلی 2 میلی متر) به یک سوزن فولادی ضد زنگ 30 گرمی (مویرگی فلزی) وارد شد.جریان آب توسط فشار هوای داخل بطری کنترل می شود، همانطور که در شکل 2b نشان داده شده است.سوزن بر روی کنسول تفلون نصب می شود و می توان آن را به صورت دستی در فاصله معینی از الکترود شمارنده تنظیم کرد.الکترود شمارنده یک دیسک آلومینیومی صیقلی است که در مرکز آن سوراخی برای نمونه برداری وجود دارد.در زیر الکترود شمارنده یک قیف نمونه‌برداری آلومینیومی وجود دارد که از طریق یک پورت نمونه‌برداری به بقیه قسمت‌های آزمایشی متصل می‌شود (شکل 2b).برای جلوگیری از بارگیری که می تواند عملکرد نمونه بردار را مختل کند، تمام اجزای نمونه بردار به صورت الکتریکی به زمین متصل می شوند.
(الف) سیستم تولید نانوساختار آب مهندسی شده (EWNS).ب) سطح مقطع سمپلر و الکترواسپری که مهمترین پارامترها را نشان می دهد.(ج) راه اندازی آزمایشی برای غیرفعال سازی باکتری ها.
سیستم تولید EWNS که در بالا توضیح داده شد، قادر به تغییر پارامترهای عملیاتی کلیدی برای تسهیل تنظیم دقیق خصوصیات EWNS است.ولتاژ اعمال شده (V)، فاصله بین سوزن و الکترود شمارنده (L) و جریان آب (φ) را از طریق مویین تنظیم کنید تا ویژگی های EWNS را تنظیم کنید.نماد مورد استفاده برای نشان دادن ترکیبات مختلف: [V (kV)، L (cm)].جریان آب را تنظیم کنید تا یک مخروط تیلور پایدار از یک مجموعه مشخص [V, L] بدست آورید.برای اهداف این مطالعه، قطر دیافراگم الکترود شمارنده (D) در 0.5 اینچ (1.29 سانتی متر) نگه داشته شد.
به دلیل هندسه و عدم تقارن محدود، قدرت میدان الکتریکی را نمی توان از اصول اولیه محاسبه کرد.در عوض، از نرم افزار QuickField™ (Svendborg، دانمارک) 19 برای محاسبه میدان الکتریکی استفاده شد.میدان الکتریکی یکنواخت نیست، بنابراین مقدار میدان الکتریکی در نوک مویرگ به عنوان یک مقدار مرجع برای پیکربندی‌های مختلف استفاده شد.
در طول مطالعه، چندین ترکیب ولتاژ و فاصله بین سوزن و الکترود شمارنده از نظر تشکیل مخروط تیلور، پایداری مخروط تیلور، پایداری تولید EWNS و تکرارپذیری مورد ارزیابی قرار گرفت.ترکیبات مختلف در جدول تکمیلی S1 نشان داده شده است.
خروجی سیستم تولید EWNS مستقیماً به یک تحلیلگر اندازه ذرات تحرک پویش (SMPS، مدل 3936، TSI، Shoreview، MN) برای اندازه گیری غلظت تعداد ذرات، و همچنین به یک الکترومتر فارادی آئروسل (TSI، مدل 3068B، Shoreview، MN) متصل شد.) برای جریان های آئروسل همانطور که در انتشار قبلی ما توضیح داده شد اندازه گیری شد.هر دو الکترومتر SMPS و آئروسل با سرعت جریان 0.5 لیتر در دقیقه (کل جریان نمونه 1 لیتر در دقیقه) نمونه برداری کردند.غلظت تعداد ذرات و جریان آئروسل به مدت 120 ثانیه اندازه گیری شد.اندازه گیری 30 بار تکرار می شود.بر اساس اندازه گیری های فعلی، بار کل آئروسل محاسبه می شود و میانگین بار EWNS برای تعداد کل معینی از ذرات EWNS انتخاب شده تخمین زده می شود.میانگین هزینه EWNS را می توان با استفاده از رابطه (1) محاسبه کرد:
که در آن IEl جریان اندازه گیری شده است، NSMPS غلظت دیجیتالی است که با SMPS اندازه گیری می شود، و φEl نرخ جریان در هر الکترومتر است.
از آنجایی که رطوبت نسبی (RH) بر بار سطحی تأثیر می گذارد، دما و (RH) در طول آزمایش به ترتیب در دمای 21 درجه سانتی گراد و 45 درصد ثابت نگه داشته شدند.
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)، Asylum MFP-3D (Asylum Research، Santa Barbara، CA) و کاوشگر AC260T (Olympus، توکیو، ژاپن) برای اندازه گیری اندازه و طول عمر EWNS استفاده شد.فرکانس اسکن AFM 1 هرتز، ناحیه اسکن 5 میکرومتر × 5 میکرومتر و 256 خط اسکن بود.همه تصاویر با استفاده از نرم افزار Asylum (محدوده ماسک 100 نانومتر، آستانه 100 بعد از ظهر) در معرض همترازی تصویر مرتبه اول قرار گرفتند.
قیف آزمایش برداشته شد و سطح میکا در فاصله 2.0 سانتی متری از الکترود شمارنده به مدت متوسط ​​120 ثانیه قرار گرفت تا از تجمع ذرات و تشکیل قطرات نامنظم روی سطح میکا جلوگیری شود.EWNS مستقیماً روی سطح میکای تازه بریده شده اسپری شد (تد پلا، ردینگ، کالیفرنیا).تصویر سطح میکا بلافاصله پس از کندوپاش AFM.زاویه تماس سطح میکای اصلاح نشده تازه برش خورده نزدیک به 0 درجه است، بنابراین EVNS به صورت گنبدی روی سطح میکا پخش می شود.قطر (a) و ارتفاع (h) قطرات پخش مستقیماً از توپوگرافی AFM اندازه‌گیری شد و برای محاسبه حجم انتشار گنبدی EWNS با استفاده از روش تأیید شده قبلی استفاده شد.با فرض اینکه حجم EWNS روی برد یکسان باشد، قطر معادل را می توان با استفاده از رابطه (2) محاسبه کرد:
بر اساس روش قبلا توسعه یافته ما، یک تله اسپین رزونانس اسپین الکترون (ESR) برای تشخیص حضور واسطه های رادیکال کوتاه مدت در EWNS استفاده شد.آئروسل ها از طریق یک میکرومتر Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) حاوی محلول 235 میلی مولار DEPMPO (5-(دی اتوکسی فسفوریل)-5-متیل-1-پیرولین-N-اکسید) (Oxis International Inc.) حباب زده شدند.پورتلند، اورگان).تمام اندازه‌گیری‌های ESR با استفاده از یک طیف‌سنج Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica، MA، USA) و یک سلول صفحه تخت انجام شد.برای جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده ها از نرم افزار Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) استفاده شد.تعیین ویژگی های ROS فقط برای مجموعه ای از شرایط عملیاتی [-6.5 کیلو ولت، 4.0 سانتی متر] انجام شد.غلظت EWNS با استفاده از SMPS پس از محاسبه تلفات EWNS در ضربه‌گیر اندازه‌گیری شد.
سطوح ازن با استفاده از 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co) 8,9,10 پایش شد.
برای تمام ویژگی های EWNS، مقدار میانگین به عنوان مقدار اندازه گیری و انحراف استاندارد به عنوان خطای اندازه گیری استفاده می شود.آزمون های T برای مقایسه مقادیر ویژگی های EWNS بهینه شده با مقادیر متناظر EWNS پایه انجام شد.
شکل 2c یک سیستم "کشش" بارش الکترواستاتیکی (EPES) که قبلا توسعه یافته و مشخص شده است را نشان می دهد که می تواند برای تحویل هدفمند EWNS در سطح استفاده شود.EPES از بارهای EVNS استفاده می کند که می توانند مستقیماً به سطح هدف تحت تأثیر یک میدان الکتریکی قوی هدایت شوند.جزئیات سیستم EPES در یک انتشار اخیر توسط Pyrgiotakis و همکاران ارائه شده است.11 .بنابراین، EPES از یک محفظه PVC چاپ شده سه بعدی با انتهای مخروطی تشکیل شده است و شامل دو صفحه فلزی موازی از جنس استنلس استیل (304 فولاد ضد زنگ، با روکش آینه) در مرکز به فاصله 15.24 سانتی متر از هم می باشد.بردها به یک منبع ولتاژ بالا خارجی (Bertran 205B-10R، Spellman، Hauppauge، NY)، صفحه پایین همیشه به ولتاژ مثبت و صفحه بالایی همیشه به زمین (زمین شناور) وصل شده بودند.دیوارهای محفظه با فویل آلومینیومی پوشانده شده است که برای جلوگیری از اتلاف ذرات به صورت الکتریکی به زمین متصل می شود.این محفظه دارای یک درب بارگیری جلو مهر و موم شده است که به سطوح آزمایشی اجازه می دهد تا روی پایه های پلاستیکی قرار گیرند که آنها را بالاتر از صفحه فلزی پایینی قرار می دهد تا از تداخل ولتاژ بالا جلوگیری شود.
راندمان رسوب دهی EWNS در EPES بر اساس پروتکلی که قبلا توسعه داده شده در شکل تکمیلی S111 محاسبه شده است.
به عنوان یک محفظه کنترل، یک محفظه جریان استوانه ای دوم به صورت سری به سیستم EPES متصل شد که در آن از یک فیلتر HEPA میانی برای حذف EWNS استفاده شد.همانطور که در شکل 2c نشان داده شده است، آئروسل EWNS از طریق دو محفظه داخلی پمپ می شود.فیلتر بین اتاق کنترل و EPES هرگونه EWNS باقیمانده را که در نتیجه دما (T)، رطوبت نسبی (RH) و سطوح ازن یکسان است، حذف می کند.
میکروارگانیسم‌های مهمی که از مواد غذایی منتقل می‌شوند، مواد غذایی تازه مانند E. coli (ATCC #27325)، نشانگر مدفوع، سالمونلا انتریکا (ATCC #53647)، پاتوژن مواد غذایی، لیستریا بی‌ضرر (ATCC #33090)، جایگزین لیستریا مونوسیتوژنز بیماری‌زا (ATCC) CC #4098)، جایگزینی برای مخمر فاسد، و یک باکتری غیرفعال مقاوم تر، مایکوباکتریوم پارالوکی (ATCC #19686).
جعبه‌های تصادفی گوجه‌فرنگی ارگانیک را از بازار محلی خود بخرید و تا زمان استفاده در دمای 4 درجه سانتی‌گراد (حداکثر 3 روز) در یخچال قرار دهید.گوجه‌فرنگی‌های آزمایشی همگی یک اندازه بودند، قطری در حدود 1/2 اینچ.
پروتکل‌های کشت، تلقیح، قرار گرفتن در معرض و تعداد کلنی‌ها در نشریه قبلی ما به تفصیل آمده و در داده‌های تکمیلی به تفصیل آمده است.اثربخشی EWNS با قرار دادن گوجه‌فرنگی‌های تلقیح‌شده در 40000 #/cm3 به مدت 45 دقیقه ارزیابی شد.به طور خلاصه، از سه گوجه فرنگی برای ارزیابی میکروارگانیسم های زنده مانده در زمان t = 0 دقیقه استفاده شد.سه گوجه فرنگی در EPES قرار گرفتند و در معرض EWNS در 40000 #/cc (گوجه فرنگی در معرض EWNS) قرار گرفتند و سه گوجه باقیمانده در محفظه کنترل (گوجه فرنگی شاهد) قرار گرفتند.فرآوری اضافی گوجه فرنگی در هر دو گروه انجام نشد.گوجه‌فرنگی‌های در معرض EWNS و گوجه‌فرنگی‌های شاهد پس از 45 دقیقه برای ارزیابی اثر EWNS حذف شدند.
هر آزمایش در سه تکرار انجام شد.تجزیه و تحلیل داده ها بر اساس پروتکل شرح داده شده در داده های تکمیلی انجام شد.
مکانیسم‌های غیرفعال‌سازی با رسوب‌گذاری نمونه‌های EWNS در معرض (45 دقیقه در غلظت آئروسل EWNS 40000 #/cm3) و نمونه‌های بدون تابش باکتری‌های بی‌ضرر E. coli، سالمونلا انتریکا و لاکتوباسیلوس ارزیابی شد.ذرات در گلوتارآلدئید 2.5 درصد، پارافورمالدئید 1.25 درصد و اسید پیکریک 0.03 درصد در بافر 0.1 مولار سدیم کاکودیلات (pH 7.4) به مدت 2 ساعت در دمای اتاق ثابت شدند.پس از شستشو با 1% تتروکسید اسمیم (OsO4) / 1.5% فروسیانید پتاسیم (KFeCN6) به مدت 2 ساعت پس از تثبیت، 3 بار در آب بشویید و در اورانیل استات 1% به مدت 1 ساعت انکوبه کنید، سپس دو بار در آب بشویید، سپس 50% الکل، 10% و 10.7% آبگیری کنید.سپس نمونه ها به مدت 1 ساعت در اکسید پروپیلن قرار گرفتند و با مخلوط 1:1 پروپیلن اکسید و TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) آغشته شدند.نمونه ها در TAAB Epon جاسازی و در دمای 60 درجه سانتی گراد به مدت 48 ساعت پلیمریزه شدند.رزین دانه‌ای پخت شده توسط TEM با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری معمولی JEOL 1200EX (JEOL، توکیو، ژاپن) مجهز به دوربین AMT 2k CCD (تکنیک‌های میکروسکوپی پیشرفته، Corp.، Woburn، ماساچوست، ایالات متحده آمریکا) بریده و مشاهده شد.
تمام آزمایش ها در سه تکرار انجام شد.برای هر نقطه زمانی، شستشوهای باکتریایی در سه تکرار کاشته شدند که در مجموع 9 نقطه داده در هر نقطه حاصل شد که میانگین آن به عنوان غلظت باکتری برای آن میکروارگانیسم خاص استفاده شد.انحراف معیار به عنوان خطای اندازه گیری استفاده شد.همه امتیازها حساب می شود.
لگاریتم کاهش غلظت باکتری نسبت به t=0 دقیقه با استفاده از فرمول زیر محاسبه شد:
که در آن C0 غلظت باکتری در نمونه شاهد در زمان 0 (یعنی پس از خشک شدن سطح اما قبل از قرار دادن در محفظه) و Cn غلظت باکتری روی سطح پس از n دقیقه قرار گرفتن در معرض است.
برای محاسبه تخریب طبیعی باکتری ها در طی 45 دقیقه قرار گرفتن در معرض، کاهش ورود به سیستم در مقایسه با شاهد بعد از 45 دقیقه نیز به صورت زیر محاسبه شد:
که در آن Cn غلظت باکتری در نمونه شاهد در زمان n و Cn-Control غلظت باکتری کنترل در زمان n است.داده ها به عنوان کاهش ورود به سیستم در مقایسه با کنترل (بدون قرار گرفتن در معرض EWNS) ارائه می شوند.
در طول مطالعه، چندین ترکیب ولتاژ و فاصله بین سوزن و الکترود شمارنده از نظر تشکیل مخروط تیلور، پایداری مخروط تیلور، پایداری تولید EWNS و تکرارپذیری مورد ارزیابی قرار گرفت.ترکیبات مختلف در جدول تکمیلی S1 نشان داده شده است.دو مورد که خواص پایدار و قابل تکرار را نشان می‌دهند (مخروط تیلور، تولید EWNS و پایداری در طول زمان) برای مطالعه جامع انتخاب شدند.روی انجیرشکل 3 نتایج مربوط به شارژ، اندازه و محتوای ROS را در هر دو مورد نشان می دهد.نتایج همچنین در جدول 1 نشان داده شده است. برای مرجع، هر دو شکل 3 و جدول 1 شامل خواص EWNS8، 9، 10، 11 غیربهینه سازی شده قبلی هستند (پایه-EWNS).محاسبات معنی دار آماری با استفاده از آزمون t دو دنباله در جدول تکمیلی S2 بازنشر شده است.علاوه بر این، داده های اضافی شامل مطالعات اثر قطر سوراخ نمونه برداری الکترود ضد (D) و فاصله بین الکترود زمین و نوک (L) است (شکل های تکمیلی S2 و S3).
(a) توزیع اندازه با AFM اندازه گیری می شود.(دف) مشخصه بار سطحی.(ز) مشخصات ROS از EPR.
همچنین ذکر این نکته ضروری است که برای همه شرایط فوق، جریان یونیزاسیون اندازه‌گیری شده بین 2 تا 6 μA و ولتاژ بین 3.8- تا 6.5- کیلوولت بوده که منجر به مصرف برق کمتر از 50 میلی‌وات برای این ماژول تماسی تک تولید EWNS می‌شود.اگرچه EWNS تحت فشار بالا سنتز شد، سطوح ازن بسیار پایین بود و هرگز از ppb 60 تجاوز نکرد.
شکل تکمیلی S4 میدان های الکتریکی شبیه سازی شده را به ترتیب برای سناریوهای [-6.5 کیلو ولت، 4.0 سانتی متر] و [3.8- کیلوولت، 0.5 سانتی متر] نشان می دهد.برای سناریوهای [-6.5 kV، 4.0 cm] و [-3.8 kV، 0.5 cm]، محاسبات میدانی به ترتیب 2 × 105 V/m و 4.7 × 105 V/m است.این مورد انتظار است، زیرا در مورد دوم نسبت ولتاژ به فاصله بسیار بالاتر است.
روی انجیرشکل 3a,b قطر EWNS اندازه گیری شده با AFM8 را نشان می دهد.میانگین قطرهای محاسبه شده EWNS برای طرح‌های [6.5-kV، 4.0cm] و [-3.8kV، 0.5cm] به ترتیب 27 نانومتر و 19 نانومتر بود.برای سناریوهای [-6.5 کیلو ولت، 4.0 سانتی متر] و [-3.8 کیلو ولت، 0.5 سانتی متر]، انحراف استاندارد هندسی توزیع ها به ترتیب 1.41 و 1.45 است که نشان دهنده توزیع اندازه باریک است.هر دو اندازه متوسط ​​و انحراف استاندارد هندسی به ترتیب در 25 نانومتر و 1.41 به خط پایه EWNS بسیار نزدیک هستند.روی انجیر3c توزیع اندازه پایه EWNS را نشان می دهد که با استفاده از روش مشابه در شرایط یکسان اندازه گیری شده است.
روی انجیر3d,e نتایج مشخصه بار را نشان می دهد.داده ها میانگین اندازه گیری 30 اندازه گیری همزمان غلظت (#/cm3) و جریان (I) هستند.تجزیه و تحلیل نشان می دهد که میانگین شارژ در EWNS 6 ± 22 e- و 6 ± 44 e- به ترتیب برای [6.5- کیلوولت، 4.0 سانتی متر] و [-3.8 کیلو ولت، 0.5 سانتی متر] است.آنها بارهای سطحی به طور قابل توجهی در مقایسه با EWNS پایه (10 ± 2 e-)، دو برابر بیشتر از سناریوی [-6.5 کیلو ولت، 4.0 سانتی متر] و چهار برابر بیشتر از [-3.8 کیلو ولت، 0.5 سانتی متر] دارند.شکل 3f میزان شارژ را نشان می دهد.داده ها برای Baseline-EWNS.
از نقشه های غلظت عدد EWNS (شکل های تکمیلی S5 و S6)، می توان دریافت که سناریوی [-6.5 کیلوولت، 4.0 سانتی متر] ذرات به طور قابل توجهی بیشتر از سناریوی [-3.8 کیلو ولت، 0.5 سانتی متر] دارد.همچنین شایان ذکر است که غلظت عدد EWNS تا 4 ساعت پایش شد (شکل های تکمیلی S5 و S6)، که در آن پایداری تولید EWNS سطوح یکسانی از غلظت تعداد ذرات را در هر دو مورد نشان داد.
روی انجیر3g طیف EPR را پس از تفریق کنترل EWNS بهینه شده (پس زمینه) در [-6.5 کیلو ولت، 4.0 سانتی متر] نشان می دهد.طیف ROS همچنین با سناریوی Baseline-EWNS در یک کار قبلا منتشر شده مقایسه شد.تعداد EWNS که با تله‌های چرخشی واکنش نشان می‌دهند 7.5 × 104 EWNS بر ثانیه محاسبه شد که شبیه به Baseline-EWNS8 منتشر شده قبلی است.طیف EPR به وضوح حضور دو نوع ROS را نشان داد، با O2- گونه غالب و OH • کمتر فراوان است.علاوه بر این، مقایسه مستقیم شدت‌های پیک نشان داد که EWNS بهینه‌شده دارای محتوای ROS به‌طور قابل‌توجهی در مقایسه با EWNS پایه است.
روی انجیرشکل 4 کارایی رسوب گذاری EWNS را در EPES نشان می دهد.داده ها نیز در جدول I خلاصه شده و با داده های اصلی EWNS مقایسه شده است.برای هر دو مورد EUNS، رسوب نزدیک به 100٪ حتی در ولتاژ پایین 3.0 کیلو ولت است.به طور معمول، 3.0 کیلوولت برای 100٪ رسوب، صرف نظر از تغییر بار سطحی کافی است.تحت شرایط یکسان، بازده رسوبی Baseline-EWNS به دلیل بار کمتر آنها (متوسط ​​10 الکترون در هر EWNS) تنها 56٪ بود.
روی انجیر5 و در جدول2 مقدار غیرفعال‌سازی میکروارگانیسم‌های تلقیح شده روی سطح گوجه‌فرنگی را پس از قرار گرفتن در معرض حدود 40000 #/cm3 EWNS به مدت 45 دقیقه در حالت بهینه [-6.5 کیلو ولت، 4.0 سانتی‌متر] خلاصه می‌کند.E. coli و Lactobacillus innocuous تلقیح شده کاهش قابل توجهی از 3.8 سیاهههای مربوط در طول 45 دقیقه قرار گرفتن در معرض نشان دادند.تحت شرایط مشابه، S. enterica کاهش 2.2-log، در حالی که S. cerevisiae و M. parafortutum کاهش 1.0-log داشتند.
میکروگراف های الکترونی (شکل 6) تغییرات فیزیکی ناشی از EWNS را روی سلول های بی ضرر اشریشیا کلی، استرپتوکوک و لاکتوباسیلوس نشان می دهند که منجر به غیرفعال شدن آنها می شود.باکتری کنترل غشای سلولی سالمی داشت، در حالی که باکتری در معرض غشای خارجی آسیب دیده بود.
تصویربرداری میکروسکوپی الکترونی از باکتری های کنترل و در معرض آسیب آسیب غشایی را نشان داد.
داده‌های مربوط به ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی EWNS بهینه‌سازی‌شده در مجموع نشان می‌دهد که خواص (بار سطحی و محتوای ROS) EWNS در مقایسه با داده‌های پایه EWNS که قبلا منتشر شده بود ۸،۹،۱۰،۱۱ بهبود یافته است.از سوی دیگر، اندازه آنها در محدوده نانومتری باقی ماند، بسیار شبیه به نتایجی که قبلا گزارش شده بود و به آنها اجازه می داد برای مدت طولانی در هوا بمانند.چند پراکندگی مشاهده شده را می توان با تغییرات بار سطحی که اندازه EWNS، تصادفی بودن اثر ریلی و ادغام بالقوه را تعیین می کند، توضیح داد.با این حال، همانطور که توسط Nielsen et al.22، بار سطحی بالا با افزایش موثر انرژی سطحی/کشش قطره آب، تبخیر را کاهش می دهد.در انتشار قبلی ما 8 این نظریه به طور تجربی برای ریز قطرات 22 و EWNS تایید شد.از دست دادن شارژ در طول اضافه کاری نیز می تواند بر اندازه تأثیر بگذارد و به توزیع اندازه مشاهده شده کمک کند.