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हाल ही में, कृत्रिम जल नैनोसंरचनाओं (ईडब्ल्यूएनएस) का उपयोग करते हुए नैनो तकनीक पर आधारित एक रसायन-मुक्त रोगाणुरोधी प्लेटफॉर्म विकसित किया गया है। ईडब्ल्यूएनएस में उच्च सतह आवेश होता है और ये प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) से संतृप्त होते हैं जो खाद्य जनित रोगजनकों सहित कई सूक्ष्मजीवों के साथ परस्पर क्रिया करके उन्हें निष्क्रिय कर सकते हैं। यहां यह दिखाया गया है कि संश्लेषण के दौरान उनके गुणों को और अधिक बढ़ाने के लिए उन्हें बेहतर बनाया जा सकता है। ईडब्ल्यूएनएस प्रयोगशाला प्लेटफॉर्म को संश्लेषण मापदंडों को बदलकर ईडब्ल्यूएनएस के गुणों को बेहतर बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। आधुनिक विश्लेषणात्मक विधियों का उपयोग करके ईडब्ल्यूएनएस के गुणों (आवेश, आकार और आरओएस की मात्रा) का लक्षण वर्णन किया गया। इसके अलावा, एस्चेरिचिया कोलाई, साल्मोनेला एंटेरिका, लिस्टेरिया इनोक्यूअस, माइकोबैक्टीरियम पैराएक्सीडेंटम और सैकरोमाइसिस सेरेविसिया जैसे खाद्य जनित सूक्ष्मजीवों के विरुद्ध उनकी रोगाणुरोधी निष्क्रियता क्षमता का मूल्यांकन किया गया। यहां प्रस्तुत परिणाम दर्शाते हैं कि संश्लेषण के दौरान ईडब्ल्यूएनएस के गुणों को बेहतर बनाया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप निष्क्रियता दक्षता में तेजी से वृद्धि होती है। विशेष रूप से, सतह आवेश चार गुना बढ़ गया और प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों में वृद्धि हुई। सूक्ष्मजीवों द्वारा निष्कासन की दर सूक्ष्मजीवों पर निर्भर थी और 40,000 #/cc EWNS की एरोसोल खुराक के 45 मिनट के संपर्क के बाद 1.0 से 3.8 लॉग तक रही।
सूक्ष्मजीवों से होने वाला संक्रमण, रोगजनकों या उनके विषाक्त पदार्थों के सेवन से होने वाली खाद्य जनित बीमारियों का मुख्य कारण है। अकेले संयुक्त राज्य अमेरिका में, खाद्य जनित बीमारियों के कारण प्रति वर्ष लगभग 7.6 करोड़ लोग बीमार पड़ते हैं, 325,000 लोगों को अस्पताल में भर्ती कराना पड़ता है और 5,000 लोगों की मृत्यु हो जाती है।1 इसके अलावा, अमेरिकी कृषि विभाग (यूएसडीए) का अनुमान है कि ताजे फलों और सब्जियों की बढ़ती खपत संयुक्त राज्य अमेरिका में रिपोर्ट की गई सभी खाद्य जनित बीमारियों में से 48% के लिए जिम्मेदार है।2 संयुक्त राज्य अमेरिका में खाद्य जनित रोगजनकों के कारण होने वाली बीमारियों और मृत्यु की लागत बहुत अधिक है, जिसका अनुमान रोग नियंत्रण और रोकथाम केंद्र (सीडीसी) द्वारा प्रति वर्ष 15.6 अरब अमेरिकी डॉलर से अधिक लगाया गया है।3
वर्तमान में, खाद्य सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए रासायनिक4, विकिरण5 और तापीय6 रोगाणुरोधी उपाय उत्पादन श्रृंखला के साथ सीमित महत्वपूर्ण नियंत्रण बिंदुओं (सीसीपी) पर ही किए जाते हैं (आमतौर पर कटाई के बाद और/या पैकेजिंग के दौरान), न कि निरंतर रूप से। इस प्रकार, इनमें क्रॉस-संदूषण का खतरा रहता है। 7. खाद्य जनित बीमारियों और खाद्य पदार्थों की बर्बादी पर बेहतर नियंत्रण के लिए ऐसे रोगाणुरोधी उपायों की आवश्यकता है जिन्हें पर्यावरणीय प्रभाव और लागत को कम करते हुए खेत से लेकर मेज तक की पूरी प्रक्रिया में लागू किया जा सके।
हाल ही में, एक रसायन-मुक्त, नैनो तकनीक-आधारित रोगाणुरोधी प्लेटफॉर्म विकसित किया गया है जो कृत्रिम जल नैनोसंरचनाओं (EWNS) का उपयोग करके सतह और वायुजनित जीवाणुओं को निष्क्रिय कर सकता है। EWNS को दो समानांतर प्रक्रियाओं, इलेक्ट्रोस्प्रे और जल आयनीकरण (चित्र 1a) का उपयोग करके संश्लेषित किया गया था। पिछले अध्ययनों से पता चला है कि EWNS में भौतिक और जैविक गुणों का एक अनूठा समूह होता है8,9,10। EWNS में प्रति संरचना औसतन 10 इलेक्ट्रॉन और 25 nm का औसत नैनोस्केल आकार होता है (चित्र 1b,c)8,9,10। इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद (ESR) ने दिखाया कि EWNS में बड़ी मात्रा में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियां (ROS) होती हैं, मुख्य रूप से हाइड्रॉक्सिल (OH•) और सुपरऑक्साइड (O2-) रेडिकल्स (चित्र 1c)8। EVNS लंबे समय तक हवा में रहता है और हवा में निलंबित और सतह पर मौजूद सूक्ष्मजीवों से टकरा सकता है, जिससे वे अपने ROS पेलोड को पहुंचाते हैं और सूक्ष्मजीवों को निष्क्रिय कर देते हैं (चित्र 1d)। इन प्रारंभिक अध्ययनों से यह भी पता चला कि ईडब्ल्यूएनएस सतहों और हवा में मौजूद माइकोबैक्टीरिया सहित विभिन्न ग्राम-नेगेटिव और ग्राम-पॉजिटिव बैक्टीरिया के साथ परस्पर क्रिया कर उन्हें निष्क्रिय कर सकता है। ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से पता चला कि निष्क्रियता कोशिका झिल्ली के विघटन के कारण होती है। इसके अलावा, तीव्र साँस लेने संबंधी अध्ययनों से पता चला है कि ईडब्ल्यूएनएस की उच्च खुराक फेफड़ों को नुकसान या सूजन नहीं पहुँचाती है।
(a) इलेक्ट्रोस्प्रे तब होता है जब तरल से भरी केशिका नली और काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच उच्च वोल्टेज लगाया जाता है। (b) उच्च दबाव लगाने से दो अलग-अलग घटनाएं होती हैं: (i) पानी का इलेक्ट्रोस्प्रेइंग और (ii) EWNS में फंसे प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आयनों) का निर्माण। (c) EWNS की अनूठी संरचना। (d) अपने नैनोस्केल स्वरूप के कारण, EWNS अत्यधिक गतिशील होते हैं और वायुजनित रोगजनकों के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं।
ताजे खाद्य पदार्थों की सतह पर मौजूद खाद्य जनित सूक्ष्मजीवों को निष्क्रिय करने की EWNS रोगाणुरोधी प्रणाली की क्षमता हाल ही में प्रदर्शित की गई है। यह भी दिखाया गया है कि EWNS के सतही आवेश का विद्युत क्षेत्र के साथ संयोजन करके लक्षित वितरण प्राप्त किया जा सकता है। इसके अलावा, लगभग 50,000 #/cm³ के EWNS सांद्रता पर 90 मिनट के संपर्क के बाद जैविक टमाटरों के प्रारंभिक परिणाम उत्साहजनक रहे, जिनमें E. coli और Listeria 11 जैसे विभिन्न खाद्य जनित सूक्ष्मजीव देखे गए। साथ ही, प्रारंभिक ऑर्गेनोलेप्टिक परीक्षणों में नियंत्रण टमाटरों की तुलना में कोई संवेदी प्रभाव नहीं पाया गया। यद्यपि ये प्रारंभिक निष्क्रियता परिणाम 50,000 #/cc³ की बहुत कम EWNS मात्रा पर भी खाद्य सुरक्षा अनुप्रयोगों के लिए उत्साहजनक हैं, यह स्पष्ट है कि संक्रमण और अपच के जोखिम को और कम करने के लिए उच्च निष्क्रियता क्षमता अधिक लाभकारी होगी।
यहां, हम अपने शोध को EWNS उत्पादन प्लेटफॉर्म के विकास पर केंद्रित करेंगे ताकि संश्लेषण मापदंडों को सटीक रूप से समायोजित किया जा सके और EWNS के भौतिक-रासायनिक गुणों को अनुकूलित किया जा सके, जिससे उनकी जीवाणुरोधी क्षमता में वृद्धि हो सके। विशेष रूप से, अनुकूलन का ध्यान उनकी सतह आवेश (लक्षित वितरण में सुधार के लिए) और ROS सामग्री (निष्क्रियता दक्षता में सुधार के लिए) को बढ़ाने पर केंद्रित किया गया है। आधुनिक विश्लेषणात्मक विधियों का उपयोग करके अनुकूलित भौतिक-रासायनिक गुणों (आकार, आवेश और ROS सामग्री) का लक्षण वर्णन करें और E. जैसे सामान्य खाद्य सूक्ष्मजीवों का उपयोग करें।
ईवीएनएस को उच्च शुद्धता वाले जल (18 एमΩ सेमी–1) के एक साथ इलेक्ट्रोस्प्रेइंग और आयनीकरण द्वारा संश्लेषित किया गया था। विद्युत नेबुलाइज़र 12 का उपयोग आमतौर पर तरल पदार्थों के परमाणुकरण और नियंत्रित आकार के बहुलक और सिरेमिक कणों 13 और रेशों 14 के संश्लेषण के लिए किया जाता है।
जैसा कि पिछले प्रकाशनों 8, 9, 10, 11 में विस्तार से बताया गया है, एक विशिष्ट प्रयोग में, एक धातु केशिका और एक ग्राउंडेड काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच उच्च वोल्टेज लगाया गया था। इस प्रक्रिया के दौरान, दो अलग-अलग घटनाएं घटित होती हैं: i) इलेक्ट्रोस्प्रे और ii) जल आयनीकरण। दो इलेक्ट्रोडों के बीच एक मजबूत विद्युत क्षेत्र संघनित जल की सतह पर ऋणात्मक आवेशों का निर्माण करता है, जिसके परिणामस्वरूप टेलर शंकु बनते हैं। फलस्वरूप, अत्यधिक आवेशित जल की बूंदें बनती हैं, जो रेले सिद्धांत16 के अनुसार छोटे कणों में टूटती रहती हैं। साथ ही, मजबूत विद्युत क्षेत्र कुछ जल अणुओं को विभाजित करते हैं और इलेक्ट्रॉनों को अलग करते हैं (आयनित करते हैं), जिससे बड़ी मात्रा में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (ROS)17 का निर्माण होता है। साथ ही उत्पन्न ROS18 को EWNS में समाहित किया गया था (चित्र 1c)।
चित्र 2a में इस अध्ययन में विकसित और उपयोग किए गए EWNS संश्लेषण प्रणाली को दर्शाया गया है। एक बंद बोतल में संग्रहित शुद्ध जल को एक टेफ्लॉन ट्यूब (2 मिमी आंतरिक व्यास) के माध्यम से 30G स्टेनलेस स्टील की सुई (धातु केशिका) में प्रवाहित किया गया। पानी का प्रवाह बोतल के भीतर वायु दाब द्वारा नियंत्रित होता है, जैसा कि चित्र 2b में दिखाया गया है। सुई एक टेफ्लॉन कंसोल पर लगी होती है और इसे काउंटर इलेक्ट्रोड से एक निश्चित दूरी पर मैन्युअल रूप से समायोजित किया जा सकता है। काउंटर इलेक्ट्रोड एक पॉलिश की हुई एल्यूमीनियम डिस्क है जिसके केंद्र में नमूना लेने के लिए एक छेद है। काउंटर इलेक्ट्रोड के नीचे एक एल्यूमीनियम नमूना फ़नल है, जो एक नमूना पोर्ट के माध्यम से शेष प्रायोगिक सेटअप से जुड़ा है (चित्र 2b)। आवेश संचय से बचने के लिए जो सैम्पलर के संचालन को बाधित कर सकता है, सैम्पलर के सभी घटकों को विद्युत रूप से ग्राउंडेड किया गया है।
(a) इंजीनियर्ड वॉटर नैनोस्ट्रक्चर जेनरेशन सिस्टम (EWNS)। (b) सैम्पलर और इलेक्ट्रोस्प्रे का क्रॉस-सेक्शन, जिसमें सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर दिखाए गए हैं। (c) बैक्टीरिया निष्क्रियकरण के लिए प्रायोगिक सेटअप।
ऊपर वर्णित EWNS उत्पादन प्रणाली, EWNS गुणों को बेहतर ढंग से समायोजित करने के लिए प्रमुख परिचालन मापदंडों को बदलने में सक्षम है। EWNS विशेषताओं को बेहतर ढंग से समायोजित करने के लिए, लागू वोल्टेज (V), सुई और काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी (L), और केशिका के माध्यम से जल प्रवाह (φ) को समायोजित करें। विभिन्न संयोजनों को दर्शाने के लिए प्रयुक्त प्रतीक: [V (kV), L (cm)]। एक निश्चित सेट [V, L] का स्थिर टेलर शंकु प्राप्त करने के लिए जल प्रवाह को समायोजित करें। इस अध्ययन के प्रयोजन के लिए, काउंटर इलेक्ट्रोड के छिद्र का व्यास (D) 0.5 इंच (1.29 cm) रखा गया था।
सीमित ज्यामिति और विषमता के कारण, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता को प्रथम सिद्धांतों से परिकलित नहीं किया जा सकता है। इसके बजाय, विद्युत क्षेत्र की गणना के लिए क्विकफील्ड™ सॉफ़्टवेयर (स्वेन्डबोर्ग, डेनमार्क)19 का उपयोग किया गया। विद्युत क्षेत्र एकसमान नहीं है, इसलिए विभिन्न विन्यासों के लिए संदर्भ मान के रूप में केशिका के सिरे पर विद्युत क्षेत्र के मान का उपयोग किया गया।
इस अध्ययन के दौरान, सुई और काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज और दूरी के कई संयोजनों का मूल्यांकन टेलर कोन निर्माण, टेलर कोन स्थिरता, ईडब्ल्यूएनएस उत्पादन स्थिरता और पुनरुत्पादकता के संदर्भ में किया गया। विभिन्न संयोजनों को अनुपूरक तालिका S1 में दर्शाया गया है।
EWNS उत्पादन प्रणाली के आउटपुट को कण संख्या सांद्रता मापन के लिए सीधे स्कैनिंग मोबिलिटी पार्टिकल साइज एनालाइजर (SMPS, मॉडल 3936, TSI, शोरव्यू, MN) से जोड़ा गया था, साथ ही एरोसोल फैराडे इलेक्ट्रोमीटर (TSI, मॉडल 3068B, शोरव्यू, MN) से भी जोड़ा गया था। एरोसोल धाराओं का मापन हमारे पिछले प्रकाशन में वर्णित अनुसार किया गया था। SMPS और एरोसोल इलेक्ट्रोमीटर दोनों ने 0.5 L/min की प्रवाह दर (कुल नमूना प्रवाह 1 L/min) पर नमूना लिया। कणों की संख्या सांद्रता और एरोसोल प्रवाह को 120 सेकंड के लिए मापा गया। यह मापन 30 बार दोहराया गया। वर्तमान मापों के आधार पर, कुल एरोसोल चार्ज की गणना की जाती है और चयनित EWNS कणों की दी गई कुल संख्या के लिए औसत EWNS चार्ज का अनुमान लगाया जाता है। EWNS की औसत लागत की गणना समीकरण (1) का उपयोग करके की जा सकती है।
जहां IEl मापी गई धारा है, NSMPS SMPS द्वारा मापी गई डिजिटल सांद्रता है, और φEl प्रति इलेक्ट्रोमीटर प्रवाह दर है।
क्योंकि सापेक्ष आर्द्रता (आरएच) सतह आवेश को प्रभावित करती है, इसलिए प्रयोग के दौरान तापमान और (आरएच) को क्रमशः 21 डिग्री सेल्सियस और 45% पर स्थिर रखा गया था।
ईडब्ल्यूएनएस के आकार और जीवनकाल को मापने के लिए एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (एएफएम), एसाइलम एमएफपी-3डी (एसाइलम रिसर्च, सांता बारबरा, कैलिफोर्निया) और एसी260टी प्रोब (ओलंपस, टोक्यो, जापान) का उपयोग किया गया। एएफएम स्कैनिंग आवृत्ति 1 हर्ट्ज़ थी, स्कैनिंग क्षेत्र 5 μm × 5 μm था और स्कैन लाइनें 256 थीं। सभी छवियों को एसाइलम सॉफ्टवेयर का उपयोग करके प्रथम क्रम छवि संरेखण के अधीन किया गया (मास्क रेंज 100 एनएम, थ्रेशोल्ड 100 पीएम)।
परीक्षण फ़नल को हटा दिया गया और कणों के एकत्रीकरण और अभ्रक की सतह पर अनियमित बूंदों के निर्माण से बचने के लिए, अभ्रक की सतह को काउंटर इलेक्ट्रोड से 2.0 सेमी की दूरी पर 120 सेकंड के औसत समय के लिए रखा गया। EWNS को सीधे ताज़ा कटे हुए अभ्रक (टेड पेला, रेडिंग, CA) की सतह पर स्प्रे किया गया। AFM स्पटरिंग के तुरंत बाद अभ्रक की सतह की छवि। ताज़ा कटे हुए अपरिवर्तित अभ्रक की सतह का संपर्क कोण 0° के करीब है, इसलिए EVNS अभ्रक की सतह पर एक गुंबद के रूप में वितरित होता है। विसरित बूंदों के व्यास (a) और ऊँचाई (h) को सीधे AFM स्थलाकृति से मापा गया और हमारी पहले से मान्य विधि का उपयोग करके EWNS गुंबददार विसरण आयतन की गणना की गई। यह मानते हुए कि ऑनबोर्ड EWNS का आयतन समान है, समतुल्य व्यास की गणना समीकरण (2) का उपयोग करके की जा सकती है:
हमारी पूर्व विकसित विधि के आधार पर, इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद (ईएसआर) स्पिन ट्रैप का उपयोग ईडब्ल्यूएनएस में अल्पकालिक रेडिकल मध्यवर्ती की उपस्थिति का पता लगाने के लिए किया गया था। एरोसोल को 650 μm मिजेट स्पार्जर (ऐस ग्लास, वाइनलैंड, एनजे) के माध्यम से बुदबुदाया गया, जिसमें डीईपीएमपीओ (5-(डायएथॉक्सीफॉस्फोरिल)-5-मिथाइल-1-पाइरोलाइन-एन-ऑक्साइड) (ऑक्सिस इंटरनेशनल इंक., पोर्टलैंड, ओरेगन) का 235 mM विलयन था। सभी ईएसआर मापन ब्रूकर ईएमएक्स स्पेक्ट्रोमीटर (ब्रूकर इंस्ट्रूमेंट्स इंक., बिलरिका, एमए, यूएसए) और एक फ्लैट पैनल सेल का उपयोग करके किए गए थे। डेटा एकत्र करने और विश्लेषण करने के लिए एक्विसिट सॉफ्टवेयर (ब्रूकर इंस्ट्रूमेंट्स इंक., बिलरिका, एमए, यूएसए) का उपयोग किया गया था। आरओएस की विशेषताओं का निर्धारण केवल परिचालन स्थितियों के एक सेट [-6.5 kV, 4.0 cm] के लिए किया गया था। इम्पैक्टर में ईडब्ल्यूएनएस के नुकसान को ध्यान में रखते हुए, एसएमपीएस का उपयोग करके ईडब्ल्यूएनएस सांद्रता को मापा गया।
ओजोन के स्तर की निगरानी 205 डुअल बीम ओजोन मॉनिटर™ (2बी टेक्नोलॉजीज, बोल्डर, सीओ)8,9,10 का उपयोग करके की गई थी।
सभी EWNS गुणों के लिए, माध्य मान को मापन मान के रूप में और मानक विचलन को मापन त्रुटि के रूप में उपयोग किया जाता है। अनुकूलित EWNS विशेषताओं के मानों की तुलना आधार EWNS के संबंधित मानों से करने के लिए T-परीक्षण किए गए।
चित्र 2c में पहले से विकसित और विशेषता-निर्धारित इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेसिपिटेशन (EPES) "पुल" प्रणाली दिखाई गई है, जिसका उपयोग सतह पर लक्षित EWNS वितरण के लिए किया जा सकता है। EPES में EVNS आवेशों का उपयोग किया जाता है, जिन्हें एक प्रबल विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में लक्ष्य की सतह तक सीधे "निर्देशित" किया जा सकता है। EPES प्रणाली का विवरण पिरगियोटाकिस एट अल. 11 के हालिया प्रकाशन में प्रस्तुत किया गया है। इस प्रकार, EPES में नुकीले सिरों वाला एक 3D प्रिंटेड PVC चैम्बर होता है, जिसके केंद्र में 15.24 सेमी की दूरी पर दो समानांतर स्टेनलेस स्टील (304 स्टेनलेस स्टील, मिरर कोटेड) धातु की प्लेटें लगी होती हैं। ये प्लेटें एक बाहरी उच्च वोल्टेज स्रोत (बर्ट्रान 205B-10R, स्पेलमैन, हौपॉगे, न्यूयॉर्क) से जुड़ी होती हैं, निचली प्लेट हमेशा धनात्मक वोल्टेज से और ऊपरी प्लेट हमेशा ग्राउंड (फ्लोटिंग ग्राउंड) से जुड़ी होती है। कणों के नुकसान को रोकने के लिए चैम्बर की दीवारें एल्युमीनियम फॉयल से ढकी होती हैं, जो विद्युत रूप से ग्राउंडेड होती हैं। इस चैंबर में एक सीलबंद फ्रंट लोडिंग दरवाजा है जो परीक्षण सतहों को प्लास्टिक स्टैंड पर रखने की अनुमति देता है, जिससे वे नीचे की धातु की प्लेट से ऊपर उठ जाती हैं और उच्च वोल्टेज के हस्तक्षेप से बचा जा सकता है।
ईपीईएस में ईडब्ल्यूएनएस की निक्षेपण दक्षता की गणना पूरक चित्र एस111 में विस्तृत रूप से वर्णित पूर्व विकसित प्रोटोकॉल के अनुसार की गई थी।
नियंत्रण कक्ष के रूप में, एक दूसरा बेलनाकार प्रवाह कक्ष ईपीईएस प्रणाली से श्रृंखला में जोड़ा गया था, जिसमें ईडब्ल्यूएनएस को हटाने के लिए एक मध्यवर्ती एचईपीए फिल्टर का उपयोग किया गया था। जैसा कि चित्र 2सी में दिखाया गया है, ईडब्ल्यूएनएस एरोसोल को दो अंतर्निर्मित कक्षों से पंप किया गया था। नियंत्रण कक्ष और ईपीईएस के बीच का फिल्टर किसी भी शेष ईडब्ल्यूएनएस को हटा देता है, जिसके परिणामस्वरूप तापमान (टी), सापेक्ष आर्द्रता (आरएच) और ओजोन स्तर समान रहते हैं।
ताजे खाद्य पदार्थों को दूषित करने वाले महत्वपूर्ण खाद्य जनित सूक्ष्मजीव पाए गए हैं, जैसे कि ई. कोलाई (एटीसीसी #27325), मल संकेतक, साल्मोनेला एंटेरिका (एटीसीसी #53647), खाद्य जनित रोगजनक, लिस्टेरिया हानिरहित (एटीसीसी #33090), रोगजनक लिस्टेरिया मोनोसाइटोजेन्स का विकल्प, एटीसीसी (मनासास, वीए) से प्राप्त, सैकरोमाइसिस सेरेविसी (एटीसीसी #4098), खराब करने वाले खमीर का विकल्प, और एक अधिक प्रतिरोधी निष्क्रिय जीवाणु, माइकोबैक्टीरियम पैरालकी (एटीसीसी #19686)।
अपने स्थानीय बाज़ार से ऑर्गेनिक अंगूर टमाटर के डिब्बे खरीदें और इस्तेमाल करने तक (3 दिनों तक) 4°C पर फ्रिज में रखें। प्रयोग के लिए इस्तेमाल किए गए सभी टमाटर एक ही आकार के थे, जिनका व्यास लगभग 1/2 इंच था।
संवर्धन, टीकाकरण, एक्सपोज़र और कॉलोनी गणना प्रोटोकॉल का विस्तृत विवरण हमारे पिछले प्रकाशन और पूरक डेटा में दिया गया है। EWNS की प्रभावशीलता का मूल्यांकन 45 मिनट के लिए 40,000 #/cm³ की मात्रा में टीका लगाए गए टमाटरों को EWNS के संपर्क में रखकर किया गया। संक्षेप में, समय t = 0 मिनट पर जीवित सूक्ष्मजीवों का मूल्यांकन करने के लिए तीन टमाटरों का उपयोग किया गया। तीन टमाटरों को EPES में रखा गया और उन्हें 40,000 #/cc की मात्रा में EWNS के संपर्क में रखा गया (EWNS के संपर्क में आए टमाटर), और शेष तीन को नियंत्रण कक्ष में रखा गया (नियंत्रण टमाटर)। दोनों समूहों के टमाटरों पर कोई अतिरिक्त प्रसंस्करण नहीं किया गया। EWNS के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए 45 मिनट के बाद EWNS के संपर्क में आए टमाटर और नियंत्रण टमाटरों को हटा दिया गया।
प्रत्येक प्रयोग को तीन बार दोहराया गया। डेटा विश्लेषण पूरक डेटा में वर्णित प्रोटोकॉल के अनुसार किया गया।
विकिरणित ईडब्ल्यूएनएस नमूनों (40,000 #/cm³ ईडब्ल्यूएनएस एरोसोल सांद्रता पर 45 मिनट) और हानिरहित जीवाणु ई. कोलाई, साल्मोनेला एंटेरिका और लैक्टोबैसिलस के गैर-विकिरणित नमूनों के अवसादन द्वारा निष्क्रियता तंत्र का आकलन किया गया। कणों को कमरे के तापमान पर 2 घंटे के लिए 0.1 M सोडियम कैकोडिलेट बफर (pH 7.4) में 2.5% ग्लूटाराल्डिहाइड, 1.25% पैराफॉर्मेल्डिहाइड और 0.03% पिक्रिक एसिड में स्थिर किया गया। धोने के बाद, 1% ऑस्मियम टेट्रोक्साइड (OsO4)/1.5% पोटेशियम फेरोसाइनाइड (KFeCN6) के साथ 2 घंटे के लिए पोस्ट-फिक्स करें, पानी में 3 बार धोएं और 1% यूरेनिल एसीटेट में 1 घंटे के लिए इनक्यूबेट करें, फिर पानी में दो बार धोएं, और फिर 50%, 70%, 90%, 100% अल्कोहल में 10 मिनट के लिए निर्जलित करें। इसके बाद नमूनों को 1 घंटे के लिए प्रोपलीन ऑक्साइड में रखा गया और प्रोपलीन ऑक्साइड और TAAP एपॉन (मैरीवैक कनाडा इंक. सेंट लॉरेंट, कैलिफोर्निया) के 1:1 मिश्रण से संसेचित किया गया। नमूनों को TAAB एपॉन में एम्बेड किया गया और 60°C पर 48 घंटे के लिए पॉलीमराइज़ किया गया। उपचारित दानेदार राल को काटकर, एएमटी 2के सीसीडी कैमरा (एडवांस्ड माइक्रोस्कोपी टेक्निक्स, कॉर्प., वोबर्न, मैसाचुसेट्स, यूएसए) से सुसज्जित एक पारंपरिक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप जेईओएल 1200ईएक्स (जेईओएल, टोक्यो, जापान) का उपयोग करके टीईएम द्वारा देखा गया।
सभी प्रयोग तीन बार दोहराए गए। प्रत्येक समय बिंदु के लिए, जीवाणु नमूनों को तीन बार परावर्तित किया गया, जिसके परिणामस्वरूप प्रति बिंदु कुल नौ डेटा बिंदु प्राप्त हुए, जिनका औसत उस विशेष सूक्ष्मजीव के लिए जीवाणु सांद्रता के रूप में उपयोग किया गया। मानक विचलन को माप त्रुटि के रूप में उपयोग किया गया। सभी बिंदुओं को गिना जाता है।
समय t = 0 मिनट की तुलना में जीवाणुओं की सांद्रता में हुई कमी का लघुगणक निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके गणना किया गया:
जहां C0 समय 0 पर नियंत्रण नमूने में बैक्टीरिया की सांद्रता है (अर्थात सतह के सूखने के बाद लेकिन कक्ष में रखे जाने से पहले) और Cn, n मिनट के संपर्क के बाद सतह पर बैक्टीरिया की सांद्रता है।
45 मिनट के संपर्क के दौरान बैक्टीरिया के प्राकृतिक क्षरण को ध्यान में रखते हुए, 45 मिनट के बाद नियंत्रण की तुलना में लॉग कमी की गणना भी निम्नानुसार की गई:
जहां Cn समय n पर नियंत्रण नमूने में बैक्टीरिया की सांद्रता है और Cn-Control समय n पर नियंत्रण बैक्टीरिया की सांद्रता है। डेटा को नियंत्रण (EWNS के संपर्क में न आना) की तुलना में लॉग कमी के रूप में प्रस्तुत किया गया है।
इस अध्ययन के दौरान, सुई और काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज और दूरी के कई संयोजनों का मूल्यांकन टेलर कोन निर्माण, टेलर कोन स्थिरता, EWNS उत्पादन स्थिरता और पुनरुत्पादकता के संदर्भ में किया गया। विभिन्न संयोजनों को अनुपूरक तालिका S1 में दर्शाया गया है। स्थिर और पुनरुत्पादक गुण (टेलर कोन, EWNS उत्पादन और समय के साथ स्थिरता) दर्शाने वाले दो मामलों को व्यापक अध्ययन के लिए चुना गया। चित्र 3 में दोनों मामलों में ROS के आवेश, आकार और मात्रा के परिणाम दर्शाए गए हैं। परिणाम तालिका 1 में भी दिखाए गए हैं। संदर्भ के लिए, चित्र 3 और तालिका 1 दोनों में पहले से संश्लेषित गैर-अनुकूलित EWNS8, 9, 10, 11 (बेसलाइन-EWNS) के गुण शामिल हैं। दो-तरफ़ा t-परीक्षण का उपयोग करके सांख्यिकीय महत्व की गणना अनुपूरक तालिका S2 में पुनः प्रकाशित की गई है। इसके अतिरिक्त, अतिरिक्त डेटा में काउंटर इलेक्ट्रोड नमूना छेद व्यास (D) और ग्राउंड इलेक्ट्रोड और टिप के बीच की दूरी (L) के प्रभाव का अध्ययन शामिल है (अनुपूरक चित्र S2 और S3)।
(ac) एएफएम द्वारा मापा गया आकार वितरण। (df) सतह आवेश विशेषता। (g) ईपीआर का आरओएस लक्षण वर्णन।
यह भी ध्यान देने योग्य है कि उपरोक्त सभी स्थितियों में, मापा गया आयनीकरण करंट 2 से 6 μA और वोल्टेज -3.8 से -6.5 kV के बीच था, जिसके परिणामस्वरूप इस एकल EWNS जनरेशन कॉन्टैक्ट मॉड्यूल की बिजली खपत 50 mW से कम रही। हालांकि EWNS का संश्लेषण उच्च दबाव में किया गया था, ओजोन का स्तर बहुत कम था, जो कभी भी 60 ppb से अधिक नहीं हुआ।
अनुपूरक चित्र S4 क्रमशः [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] स्थितियों के लिए परिकलित विद्युत क्षेत्र दर्शाता है। [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] स्थितियों के लिए, क्षेत्र गणनाएँ क्रमशः 2 × 10⁵ V/m और 4.7 × 10⁵ V/m हैं। यह अपेक्षित है, क्योंकि दूसरी स्थिति में वोल्टेज-दूरी अनुपात काफी अधिक है।
चित्र 3a और 3b में AFM8 से मापा गया EWNS व्यास दर्शाया गया है। [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] स्थितियों के लिए परिकलित औसत EWNS व्यास क्रमशः 27 nm और 19 nm थे। [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] स्थितियों के लिए, वितरण का ज्यामितीय मानक विचलन क्रमशः 1.41 और 1.45 है, जो एक संकीर्ण आकार वितरण को दर्शाता है। औसत आकार और ज्यामितीय मानक विचलन दोनों ही आधार रेखा EWNS के बहुत करीब हैं, जो क्रमशः 25 nm और 1.41 हैं। चित्र 3c में समान परिस्थितियों में समान विधि का उपयोग करके मापा गया आधार EWNS का आकार वितरण दर्शाया गया है।
चित्र 3d और 3e में आवेश लक्षण वर्णन के परिणाम दर्शाए गए हैं। डेटा सांद्रता (#/cm³) और धारा (I) के 30 एक साथ किए गए मापों का औसत है। विश्लेषण से पता चलता है कि EWNS पर औसत आवेश [-6.5 kV, 4.0 cm] के लिए 22 ± 6 e- और [-3.8 kV, 0.5 cm] के लिए 44 ± 6 e- है। बेसलाइन EWNS (10 ± 2 e-) की तुलना में इनमें सतह आवेश काफी अधिक है, जो [-6.5 kV, 4.0 cm] परिदृश्य से दो गुना और [-3.8 kV, 0.5 cm] से चार गुना अधिक है। चित्र 3f बेसलाइन-EWNS के लिए आवेश डेटा दर्शाता है।
EWNS संख्या के सांद्रता मानचित्रों (पूरक चित्र S5 और S6) से यह देखा जा सकता है कि [-6.5 kV, 4.0 cm] परिदृश्य में [-3.8 kV, 0.5 cm] परिदृश्य की तुलना में कणों की संख्या काफी अधिक है। यह भी ध्यान देने योग्य है कि EWNS संख्या की सांद्रता की निगरानी 4 घंटे तक की गई (पूरक चित्र S5 और S6), जहाँ EWNS उत्पादन स्थिरता ने दोनों ही मामलों में कण संख्या सांद्रता के समान स्तर को दर्शाया।
चित्र 3g में [-6.5 kV, 4.0 cm] पर अनुकूलित EWNS नियंत्रण (पृष्ठभूमि) को घटाने के बाद का EPR स्पेक्ट्रम दिखाया गया है। ROS स्पेक्ट्रम की तुलना पहले प्रकाशित एक शोध पत्र में बेसलाइन-EWNS परिदृश्य से भी की गई थी। स्पिन ट्रैप के साथ प्रतिक्रिया करने वाले EWNS की संख्या 7.5 × 10⁴ EWNS/सेकंड पाई गई, जो पहले प्रकाशित बेसलाइन-EWNS⁸ के समान है। EPR स्पेक्ट्रम ने स्पष्ट रूप से दो प्रकार के ROS की उपस्थिति दर्शाई, जिसमें O₂⁻ प्रमुख प्रजाति थी और OH• कम मात्रा में मौजूद थी। इसके अतिरिक्त, शिखर तीव्रताओं की सीधी तुलना से पता चला कि अनुकूलित EWNS में बेसलाइन EWNS की तुलना में ROS की मात्रा काफी अधिक थी।
चित्र 4 में EPES में EWNS की निक्षेपण दक्षता दर्शाई गई है। डेटा को तालिका I में संक्षेपित किया गया है और मूल EWNS डेटा के साथ तुलना की गई है। दोनों ही मामलों में, 3.0 kV के कम वोल्टेज पर भी निक्षेपण लगभग 100% है। आमतौर पर, सतह आवेश परिवर्तन की परवाह किए बिना, 100% निक्षेपण के लिए 3.0 kV पर्याप्त है। समान परिस्थितियों में, बेसलाइन-EWNS की निक्षेपण दक्षता उनके कम आवेश (प्रति EWNS औसतन 10 इलेक्ट्रॉन) के कारण केवल 56% थी।
चित्र 5 और तालिका 2 में टमाटर की सतह पर डाले गए सूक्ष्मजीवों के निष्क्रियकरण मान को संक्षेप में दर्शाया गया है, जिन्हें इष्टतम मोड [-6.5 kV, 4.0 cm] पर 45 मिनट के लिए लगभग 40,000 #/cm³ EWNS के संपर्क में रखा गया था। डाले गए E. coli और Lactobacillus innocuous में 45 मिनट के संपर्क के दौरान 3.8 लॉग की महत्वपूर्ण कमी देखी गई। समान परिस्थितियों में, S. enterica में 2.2 लॉग की कमी आई, जबकि S. cerevisiae और M. parafortutum में 1.0 लॉग की कमी आई।
इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (चित्र 6) हानिरहित एस्चेरिचिया कोलाई, स्ट्रेप्टोकोकस और लैक्टोबैसिलस कोशिकाओं पर ईडब्ल्यूएनएस द्वारा प्रेरित भौतिक परिवर्तनों को दर्शाती है, जिसके परिणामस्वरूप वे निष्क्रिय हो जाती हैं। नियंत्रण बैक्टीरिया की कोशिका झिल्ली अक्षुण्ण थी, जबकि ईडब्ल्यूएनएस के संपर्क में आए बैक्टीरिया की बाहरी झिल्ली क्षतिग्रस्त हो गई थी।
नियंत्रित और उजागर बैक्टीरिया की इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपिक इमेजिंग से झिल्ली क्षति का पता चला।
अनुकूलित EWNS के भौतिक-रासायनिक गुणों पर डेटा सामूहिक रूप से दर्शाता है कि EWNS के गुण (सतह आवेश और ROS सामग्री) पूर्व में प्रकाशित EWNS बेसलाइन डेटा8,9,10,11 की तुलना में काफी बेहतर हुए हैं। दूसरी ओर, इनका आकार नैनोमीटर सीमा में बना रहा, जो पहले रिपोर्ट किए गए परिणामों के समान है, जिससे ये लंबे समय तक हवा में रह सकते हैं। देखी गई बहुविभिन्नता को सतह आवेश परिवर्तनों द्वारा समझाया जा सकता है जो EWNS के आकार, रेले प्रभाव की यादृच्छिकता और संभावित संलयन को निर्धारित करते हैं। हालांकि, जैसा कि नीलसन एट अल. 22 द्वारा विस्तार से बताया गया है, उच्च सतह आवेश पानी की बूंद की सतह ऊर्जा/तनाव को प्रभावी रूप से बढ़ाकर वाष्पीकरण को कम करता है। हमारे पिछले प्रकाशन8 में इस सिद्धांत की सूक्ष्म बूंदों 22 और EWNS के लिए प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी। समय के साथ आवेश की हानि भी आकार को प्रभावित कर सकती है और देखे गए आकार वितरण में योगदान कर सकती है।