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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 भरपूर 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। ईडब्ल्यूएनएस के गुणों (आवेश, आकार और आरओएस सामग्री) का विश्लेषण आधुनिक विश्लेषणात्मक विधियों का उपयोग करके किया गया। इसके अतिरिक्त, एस्चेरिचिया कोलाई, साल्मोनेला एंटेरिका, लिस्टेरिया इनोकुआ, माइकोबैक्टीरियम पैराफोर्टियम और सैकरोमाइसिस सेरेविसिया जैसे खाद्य सूक्ष्मजीवों को जैविक अंगूर टमाटर की सतह पर प्रक्षेपित किया गया ताकि उनकी सूक्ष्मजीव निष्क्रियता क्षमता का मूल्यांकन किया जा सके। 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 ROS की मात्रा भी बढ़ गई। सूक्ष्मजीवों द्वारा निष्कासन की दर सूक्ष्मजीवों पर निर्भर थी और 40,000 #/cm³ EWNS के एरोसोल खुराक के संपर्क में आने के 45 मिनट 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 ही खाद्य जनित बीमारियों के कारण प्रतिवर्ष 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 दर्ज की गई सभी खाद्य जनित बीमारियों में से 48 प्रतिशत के लिए जिम्मेदार है।² संयुक्त राज्य अमेरिका में खाद्य जनित रोगजनकों से होने वाली बीमारी 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 उपायों को मुख्य रूप से उत्पादन श्रृंखला में सीमित महत्वपूर्ण नियंत्रण बिंदुओं (सीसीपी) पर ही लागू किया जाता है (आमतौर पर कटाई के बाद और/या पैकेजिंग के दौरान), न कि लगातार इस तरह से कि ताजे उत्पाद क्रॉस-संदूषण के शिकार हो जाएं।7 खाद्य जनित बीमारियों और खाद्य पदार्थों की बर्बादी को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने के लिए रोगाणुरोधी उपायों की आवश्यकता है और इनमें खेत से लेकर मेज तक की पूरी प्रक्रिया में लागू होने की क्षमता है। कम प्रभाव और कम लागत।
हाल ही में नैनो तकनीक पर आधारित एक रासायनिक-मुक्त रोगाणुरोधी प्लेटफॉर्म विकसित किया गया है, जो कृत्रिम जल नैनोसंरचनाओं (EWNS) का उपयोग करके सतहों और हवा में मौजूद जीवाणुओं को निष्क्रिय करता है। EVNS के संश्लेषण के लिए दो समानांतर प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया: इलेक्ट्रोस्प्रे और जल आयनीकरण (चित्र 1a)। EWNS में पहले से ही अद्वितीय भौतिक और जैविक गुण पाए गए हैं8,9,10। EWNS में प्रति संरचना औसतन 10 इलेक्ट्रॉन होते हैं और इनका औसत नैनोमीटर आकार 25 nm होता है (चित्र 1b,c)8,9,10। इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद (ESR) से पता चला है कि EWNS में बड़ी मात्रा में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियाँ (ROS) होती हैं, मुख्य रूप से हाइड्रॉक्सिल (OH•) और सुपरऑक्साइड (O2-) रेडिकल्स (चित्र 1c)8। EWNS लंबे समय तक हवा में मौजूद रहते हैं और हवा में निलंबित और सतहों पर मौजूद सूक्ष्मजीवों से टकरा सकते हैं, जिससे वे अपने ROS को उन तक पहुंचाते हैं और सूक्ष्मजीवों को निष्क्रिय कर देते हैं (चित्र 1d)। इन पूर्व अध्ययनों से यह भी पता चला कि ईडब्ल्यूएनएस सतहों और हवा में मौजूद माइकोबैक्टीरिया सहित सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए महत्वपूर्ण विभिन्न ग्राम-नेगेटिव और ग्राम-पॉजिटिव बैक्टीरिया के साथ परस्पर क्रिया कर उन्हें निष्क्रिय कर सकता है।8,9 ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी से पता चला कि निष्क्रियता कोशिका झिल्ली के विघटन के कारण होती है। इसके अतिरिक्त, तीव्र साँस लेने संबंधी अध्ययनों से पता चला है कि ईडब्ल्यूएनएस की उच्च खुराक फेफड़ों को नुकसान या सूजन नहीं पहुँचाती है।8
(a) इलेक्ट्रोस्प्रे तब होता है जब तरल से भरी केशिका और काउंटर इलेक्ट्रोड के बीच उच्च वोल्टेज लगाया जाता है। (b) उच्च वोल्टेज 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) EWNS अपने नैनोस्केल आकार के कारण 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 लक्षित वितरण के लिए EWNS सतह आवेश का उपयोग विद्युत क्षेत्र के साथ संयोजन में किया जा सकता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि लगभग 50,000#/cm³ की सांद्रता पर EWNS के संपर्क में आने के 90 मिनट के भीतर जैविक टमाटर की गतिविधि में ई. कोलाई और लिस्टेरिया जैसे विभिन्न खाद्य सूक्ष्मजीवों के विरुद्ध लगभग 1.4 लॉग की कमी का आशाजनक प्रारंभिक परिणाम देखा गया। इसके अतिरिक्त, प्रारंभिक ऑर्गेनोलेप्टिक मूल्यांकन परीक्षणों में नियंत्रण टमाटर की तुलना में कोई ऑर्गेनोलेप्टिक प्रभाव नहीं दिखा। यद्यपि ये प्रारंभिक निष्क्रियता परिणाम 50,000#/cc³ की बहुत कम EWNS खुराक पर भी खाद्य सुरक्षा का वादा करते 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 बेहतर बनाया जा सके और EWNS के भौतिक-रासायनिक गुणों को अनुकूलित करके उनकी जीवाणुरोधी क्षमता को बढ़ाया जा सके। विशेष रूप से, अनुकूलन का ध्यान उनकी सतह आवेश (लक्षित वितरण को बेहतर बनाने के लिए) और ROS सामग्री (निष्क्रियता दक्षता को बेहतर बनाने के लिए) को बढ़ाने पर केंद्रित है। अनुकूलित भौतिक-रासायनिक गुणों (आकार, आवेश और ROS सामग्री) का लक्षण वर्णन आधुनिक विश्लेषणात्मक विधियों का उपयोग करके और E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae और M. parafortuitum जैसे सामान्य खाद्य सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके किया जाएगा।
ईवीएनएस को उच्च शुद्धता वाले जल (18 एमΩ सेमी–1) के एक साथ इलेक्ट्रोस्प्रेइंग और आयनीकरण द्वारा संश्लेषित किया गया था। विद्युत एटमाइज़र 12 का उपयोग आमतौर पर तरल पदार्थों और नियंत्रित आकार के सिंथेटिक पॉलिमर और सिरेमिक कणों 13 और फाइबर 14 को एटमाइज करने 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 जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, दो अलग-अलग घटनाएं घटित होती हैं: 1) इलेक्ट्रोस्प्रे और 2) जल का 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। इसके फलस्वरूप, अत्यधिक आवेशित जल की बूंदें बनती हैं, जो रेले के सिद्धांत16 के अनुसार छोटे कणों में टूटती रहती हैं। साथ ही, एक मजबूत विद्युत क्षेत्र के कारण कुछ जल अणु टूट जाते हैं और इलेक्ट्रॉनों को अलग कर देते हैं (आयनीकरण), जिससे बड़ी मात्रा में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियां (ROS)17 उत्पन्न होती हैं। साथ ही उत्पन्न ROS18 पैकेटों को EWNS में समाहित किया गया (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। चित्र 2b में दर्शाए अनुसार, बोतल के भीतर वायु दाब द्वारा जल प्रवाह को नियंत्रित किया जाता है। सुई एक टेफ्लॉन कंसोल से जुड़ी होती है जिसे 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 बीच में नमूना लेने के लिए एक छेद है। काउंटर इलेक्ट्रोड के नीचे एक एल्यूमीनियम नमूना फ़नल है, जो एक नमूना पोर्ट (चित्र 2b) के माध्यम से शेष प्रायोगिक सेटअप से जुड़ा है। कण नमूनाकरण को प्रभावित करने वाले आवेश संचय से बचने के लिए सभी नमूना घटकों को विद्युत रूप से ग्राउंडेड किया गया है।
(a) इंजीनियर्ड वॉटर नैनोस्ट्रक्चर जेनरेशन सिस्टम (EWNS)। (b) सैंपलर और इलेक्ट्रोस्प्रे यूनिट का क्रॉस सेक्शन, जिसमें सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर दर्शाए 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 [V (kV), L (cm)] प्रतीकों का उपयोग किया जाता है। 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 का छिद्र (D) 0.5 इंच (1.29 cm) निर्धारित किया 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 का आउटपुट सीधे स्कैनिंग मोबिलिटी पार्टिकल साइज़र (SMPS, मॉडल 3936, TSI, शोरव्यू, मिनेसोटा) से जुड़ा था ताकि कण संख्या सांद्रता को मापा जा सके और इसका उपयोग फैराडे एरोसोल इलेक्ट्रोमीटर (TSI, मॉडल 3068B, शोरव्यू, यूएसए) के साथ एरोसोल प्रवाह को मापने के लिए किया गया था, जैसा कि हमारे पिछले प्रकाशन9 में वर्णित है। SMPS और एरोसोल इलेक्ट्रोमीटर दोनों ने 0.5 L/min की प्रवाह दर पर नमूने लिए (कुल नमूना प्रवाह 1 L/min)। कण सांद्रता और एरोसोल प्रवाह को 120 सेकंड के लिए मापा गया। माप को 30 बार दोहराया गया। कुल एरोसोल चार्ज की गणना वर्तमान मापों से की जाती है, और औसत EWNS चार्ज का अनुमान नमूना लिए गए EWNS कणों की कुल संख्या से 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 संख्या सांद्रता है, और φEl इलेक्ट्रोमीटर में प्रवाह दर है।
क्योंकि सापेक्ष आर्द्रता (आरएच) सतह आवेश को प्रभावित करती है, इसलिए प्रयोग के दौरान तापमान और सापेक्ष आर्द्रता को क्रमशः 21°C 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 स्कैन दर 1 हर्ट्ज है और स्कैन क्षेत्र 5 µm × 5 µm है जिसमें 256 स्कैन लाइनें हैं। सभी छवियों को एसाइलम सॉफ्टवेयर (100 एनएम की रेंज और 100 पीएम के थ्रेशोल्ड वाले मास्क) का उपयोग करके प्रथम क्रम छवि संरेखण के अधीन किया गया।
सैंपलिंग फ़नल को हटा दें और कणों के संलयन 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 औसतन 120 सेकंड के लिए रखें। EWNS को सीधे ताज़ी कटी हुई अभ्रक सतहों (टेड पेला, रेडिंग, CA) पर लगाया गया था। स्पटरिंग के तुरंत बाद, अभ्रक की सतह को AFM का उपयोग करके देखा गया। ताज़ी कटी हुई अपरिवर्तित अभ्रक का सतह संपर्क कोण 0° के करीब होता है, इसलिए EWNS अभ्रक की सतह पर गुंबदनुमा आकार में फैलता है20। विसरित बूंदों के व्यास (a) और ऊँचाई (h) को सीधे AFM स्थलाकृति से मापा गया और हमारी पहले से मान्य विधि8 का उपयोग करके गुंबदनुमा विसरण आयतन EWNS की गणना की गई। यह मानते हुए कि ऑनबोर्ड EVNS का आयतन समान है, समतुल्य व्यास की गणना समीकरण (2) से की जा सकती है:
हमारी पूर्व विकसित विधि के अनुसार, 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 235 mM DEPMPO (5-(डायएथॉक्सीफॉस्फोरिल)-5-मिथाइल-1-पाइरोलाइन-एन-ऑक्साइड) (ऑक्सिस इंटरनेशनल इंक., पोर्टलैंड, ओरेगन) युक्त विलयन से गुजारा गया। सभी ईपीआर मापन ब्रूकर ईएमएक्स स्पेक्ट्रोमीटर (ब्रूकर इंस्ट्रूमेंट्स इंक., बिलरिका, एमए, यूएसए) और फ्लैट सेल एरे का उपयोग करके किए गए। डेटा एकत्र करने और विश्लेषण करने के लिए एक्विसिट सॉफ्टवेयर (ब्रूकर इंस्ट्रूमेंट्स इंक., बिलरिका, एमए, यूएसए) का उपयोग किया गया। आरओएस का लक्षण वर्णन केवल परिचालन स्थितियों के एक सेट [-6.5 kV, 4.0 cm] के लिए किया गया था। इम्पैक्टर में ईडब्ल्यूएनएस की हानि 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, मापन मान मापों का माध्य है, और मापन त्रुटि मानक विचलन है। अनुकूलित EWNS विशेषता के मान की तुलना आधार EWNS के संगत मान से करने के लिए t-परीक्षण किया गया।
चित्र 2c में पहले से विकसित और विशेषता-निर्धारित इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेसिपिटेशन पास थ्रू सिस्टम (EPES) दिखाया गया है, जिसका उपयोग EWNS11 को सतहों पर लक्षित करने के लिए किया जा सकता है। EPES एक मजबूत विद्युत क्षेत्र के साथ EWNS आवेश का उपयोग करके सीधे लक्ष्य की सतह पर "इशारा" करता है। EPES प्रणाली का विवरण पिरगियोटाकिस एट अल.11 के हालिया प्रकाशन में प्रस्तुत किया गया है। इस प्रकार, EPES में टेपर्ड सिरों वाला एक 3D प्रिंटेड PVC चैंबर होता है, जिसके मध्य में 15.24 सेमी की दूरी पर दो समानांतर स्टेनलेस स्टील (304 स्टेनलेस स्टील, मिरर पॉलिश) धातु की प्लेटें लगी होती हैं। ये बोर्ड एक बाहरी उच्च वोल्टेज स्रोत (बर्ट्रान 205B-10R, स्पेलमैन, हौपॉगे, NY) से जुड़े थे, निचला बोर्ड हमेशा धनात्मक और ऊपरी बोर्ड हमेशा ग्राउंडेड (फ्लोटिंग) रहता था। चैंबर की दीवारें एल्यूमीनियम फॉयल से ढकी होती हैं, जो कणों के नुकसान को रोकने के लिए विद्युत रूप से ग्राउंडेड होती हैं। चैंबर में एक सीलबंद फ्रंट लोडिंग दरवाजा होता है जो परीक्षण सतहों को प्लास्टिक रैक पर रखने की अनुमति देता है, जिससे उच्च वोल्टेज हस्तक्षेप से बचने के लिए उन्हें नीचे की धातु की प्लेट से ऊपर उठाया 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, बेलनाकार कक्ष से होकर गुजरने वाला दूसरा प्रवाह, मध्यवर्ती HEPA फ़िल्टर का उपयोग करके EWNS को हटाने के लिए EPES प्रणाली के साथ श्रृंखला में जुड़ा होता है। चित्र 2c में दिखाए अनुसार, EWNS एरोसोल को श्रृंखला में जुड़े दो कक्षों से पंप किया गया था। नियंत्रण कक्ष और EPES के बीच का फ़िल्टर शेष EWNS को हटा देता है, जिसके परिणामस्वरूप तापमान (T), सापेक्ष आर्द्रता (RH) और ओजोन स्तर समान रहते हैं।
ताजे खाद्य पदार्थों को दूषित करने वाले महत्वपूर्ण खाद्य जनित सूक्ष्मजीव पाए गए हैं, जैसे कि एस्चेरिचिया कोलाई (ATCC #27325), जो मल का संकेतक है; साल्मोनेला एंटेरिका (ATCC #53647), जो खाद्य जनित रोगजनक है; लिस्टेरिया इनोकुआ (ATCC #33090), जो रोगजनक लिस्टेरिया मोनोसाइटोजेन्स का विकल्प है; सैकरोमाइसिस सेरेविसी (ATCC #4098), जो खराब करने वाले खमीर का विकल्प है; और माइकोबैक्टीरियम पैराफोर्ट्यूटस (ATCC #19686), जो अधिक प्रतिरोधी जीवित जीवाणु है। ये सभी जीवाणु ATCC (मनासास, वर्जीनिया) से खरीदे गए थे।
अपने स्थानीय बाज़ार से ऑर्गेनिक अंगूरी टमाटर के डिब्बे बेतरतीब ढंग से खरीदें और इस्तेमाल करने तक (3 दिनों तक) 4°C पर फ्रिज में रखें। प्रयोग के लिए लगभग 1/2 इंच व्यास वाले एक ही आकार के टमाटर चुनें।
ऊष्मायन, टीकाकरण, एक्सपोज़र और कॉलोनी गणना के प्रोटोकॉल हमारे पिछले प्रकाशनों में विस्तार से बताए गए हैं और पूरक डेटा 11 में विस्तृत रूप से समझाए गए हैं। EWNS के प्रदर्शन का मूल्यांकन टीका लगाए गए टमाटरों को 40,000 #/cm³ की मात्रा में 45 मिनट के लिए एक्सपोज़र देकर 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 लाया गया (EWNS के संपर्क में आए टमाटर), और तीन अन्य को नियंत्रण कक्ष में रखा गया (नियंत्रण टमाटर)। टमाटरों के किसी भी समूह पर कोई अतिरिक्त प्रक्रिया नहीं की गई। EWNS के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए 45 मिनट के बाद EWNS के संपर्क में आए टमाटरों और नियंत्रणों को हटा दिया गया।
प्रत्येक प्रयोग को तीन बार दोहराया गया। डेटा विश्लेषण पूरक डेटा में वर्णित प्रोटोकॉल के अनुसार किया गया।
ईडब्ल्यूएनएस (45 मिनट, ईडब्ल्यूएनएस एरोसोल सांद्रता 40,000 #/cm³) के संपर्क में आए और संपर्क में न आए ई. कोलाई, एंटरोबैक्टर और एल. इनोकुआ जीवाणु नमूनों को निष्क्रियता तंत्र का आकलन करने के लिए पेलेट में एकत्रित किया गया। अवक्षेप को कमरे के तापमान पर 2 घंटे के लिए 0.1 एम सोडियम कैकोडिलेट विलयन (pH 7.4) में 2.5% ग्लूटाराल्डिहाइड, 1.25% पैराफॉर्मेल्डिहाइड और 0.03% पिक्रिक अम्ल के फिक्सेटिव के साथ स्थिर किया गया। धोने के बाद, उन्हें 1% ऑस्मियम टेट्रोक्साइड (OsO₄)/1.5% पोटेशियम फेरोसाइनाइड (KFeCN₆) के साथ 2 घंटे के लिए स्थिर किया गया, पानी से तीन बार धोया गया और 1% यूरेनिल एसीटेट में 1 घंटे के लिए इनक्यूबेट किया गया, फिर पानी से दो बार धोया गया। इसके बाद नमूनों को 50%, 70%, 90%, और 100% अल्कोहल में 10 मिनट के लिए निर्जलीकरण किया गया। फिर नमूनों को 1 घंटे के लिए प्रोपलीन ऑक्साइड में रखा गया और प्रोपलीन ऑक्साइड और TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) के 1:1 मिश्रण से संसेचित किया गया। नमूनों को TAAB Epon में एम्बेड किया गया और 60°C पर 48 घंटे के लिए बहुलकित किया गया। उपचारित दानेदार राल को काटकर JEOL 1200EX (JEOL, टोक्यो, जापान) नामक एक पारंपरिक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (TEM) द्वारा देखा गया, जिसमें AMT 2k CCD कैमरा (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA) लगा हुआ था।
सभी प्रयोग तीन बार दोहराए गए। प्रत्येक समय बिंदु के लिए, जीवाणु नमूनों को तीन बार प्लेट पर डाला गया, जिससे प्रति बिंदु कुल नौ डेटा बिंदु प्राप्त हुए। इन डेटा बिंदुओं के औसत का उपयोग उस विशेष जीव के लिए जीवाणु सांद्रता के रूप में किया गया। मानक विचलन को माप त्रुटि के रूप में उपयोग किया गया। सभी बिंदुओं को गिना गया।
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 की अवधि के दौरान बैक्टीरिया के प्राकृतिक क्षरण को ध्यान में रखते हुए, 45 मिनट पर नियंत्रण की तुलना में लॉग-रिडक्शन की गणना निम्नानुसार की गई:
यहां Cn समय n पर नियंत्रण नमूने में जीवाणुओं की सांद्रता है और Cn-Control समय n पर नियंत्रण जीवाणुओं 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 गुणों (टेलर कोन, EWNS उत्पादन और समय के साथ स्थिरता) को दर्शाने वाले पूर्ण अध्ययन के लिए दो मामलों का चयन किया गया। चित्र 3 में दो मामलों के लिए ROS के आवेश, आकार और मात्रा के परिणाम दर्शाए गए हैं। परिणामों को तालिका 1 में भी संक्षेपित किया गया है। संदर्भ के लिए, चित्र 3 और तालिका 1 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 सुई की नोक के बीच की दूरी (L) के प्रभाव पर अध्ययन शामिल हैं (अनुपूरक चित्र S2 और S3)।
(a–c) एएफएम आकार वितरण। (d – f) सतह आवेश विशेषता। (g) आरओएस और ईएसआर का लक्षण वर्णन।
यह भी ध्यान देने योग्य है कि उपरोक्त सभी स्थितियों के लिए, मापी गई आयनीकरण धाराएँ 2-6 µA की सीमा में थीं, और वोल्टेज -3.8 से -6.5 kV की सीमा में थे, जिसके परिणामस्वरूप इस एकल-टर्मिनल EWNS के लिए बिजली की खपत 50 mW से कम रही। हालाँकि 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] परिदृश्यों के लिए परिकलित विद्युत क्षेत्र दर्शाता है। [-6.5 kV, 4.0 cm] और [-3.8 kV, 0.5 cm] परिदृश्यों के अनुसार क्षेत्र क्रमशः 2 × 10⁵ V/m और 4.7 × 10⁵ V/m परिकलित किए गए हैं। यह अपेक्षित है, क्योंकि दूसरे मामले में वोल्टेज और दूरी का 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 औसत EWNS व्यास क्रमशः 27 nm और 19 nm पाया गया। [-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 बेसलाइन-EWNS के बहुत करीब हैं, जो क्रमशः 25 nm और 1.41 हैं। चित्र 3c में समान परिस्थितियों में समान विधि का उपयोग करके मापे गए बेसलाइन 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, इनका सतही आवेश काफी अधिक है, जो [-6.5 kV, 4.0 cm] परिदृश्य से दोगुना और [-3.8 kV, 0.5 cm] परिदृश्य से चार गुना है। चित्र 3f में EWNS के बुनियादी भुगतान डेटा को दर्शाया गया है।
ईडब्ल्यूएनएस कण संख्या सांद्रता मानचित्रों (पूरक चित्र एस5 और एस6) से यह देखा जा सकता है कि [-6.5 केवी, 4.0 सेमी] क्षेत्र में [-3.8 केवी, 0.5 सेमी] क्षेत्र की तुलना में कणों की संख्या काफी अधिक है। यह भी ध्यान देने योग्य है कि ईडब्ल्यूएनएस कण संख्या सांद्रता की निगरानी 4 घंटे तक की गई (पूरक चित्र एस5 और एस6), जहां ईडब्ल्यूएनएस उत्पादन स्थिरता ने दोनों ही मामलों में कण संख्या सांद्रता के समान स्तर को दर्शाया।
चित्र 3g में अनुकूलित EWNS के लिए नियंत्रण (पृष्ठभूमि) घटाव के बाद [-6.5 kV, 4.0 cm] पर EPR स्पेक्ट्रम दिखाया गया है। ROS स्पेक्ट्रम की तुलना पहले प्रकाशित एक शोध पत्र में EWNS बेसलाइन से भी की गई है। स्पिन ट्रैप के साथ प्रतिक्रिया करने वाले EWNS की परिकलित संख्या 7.5 × 10⁴ EWNS/सेकंड है, जो पहले प्रकाशित बेसलाइन-EWNS⁸ के समान है। EPR स्पेक्ट्रम ने स्पष्ट रूप से दो प्रकार के ROS की उपस्थिति दर्शाई, जिसमें O₂⁻ की प्रधानता थी, जबकि OH• कम मात्रा में मौजूद था। 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 EUNS मामलों में, 3.0 kV के कम वोल्टेज पर भी निक्षेपण लगभग 100% था। आमतौर पर, सतह आवेश परिवर्तन की परवाह किए बिना 100% निक्षेपण प्राप्त करने के लिए 3.0 kV पर्याप्त होता है। समान परिस्थितियों में, बेसलाइन-EWNS की निक्षेपण दक्षता कम आवेश (प्रति EWNS औसतन 10 इलेक्ट्रॉन) के कारण केवल 56% थी।
चित्र 5 और तालिका 2 में इष्टतम परिदृश्य [-6.5 kV, 4.0 cm] के तहत 45 मिनट के लिए लगभग 40,000 #/cm³ EWNS के संपर्क में आने के बाद टमाटर की सतह पर डाले गए सूक्ष्मजीवों की निष्क्रियता की मात्रा का सारांश दिया गया है। डाले गए E. coli और L. innocua में 45 मिनट के संपर्क के बाद 3.8 लॉग की महत्वपूर्ण कमी देखी गई। समान परिस्थितियों में, S. enterica में 2.2 लॉग की कम कमी देखी गई, जबकि S. cerevisiae और M. parafortuitum में 1.0 लॉग की कमी देखी गई।
इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी चित्र (चित्र 6) ई. कोलाई, साल्मोनेला एंटेरिका और एल. इनोकुआ कोशिकाओं में ईडब्ल्यूएनएस द्वारा प्रेरित भौतिक परिवर्तनों को दर्शाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप निष्क्रियता उत्पन्न होती है। नियंत्रण बैक्टीरिया में कोशिका झिल्ली अक्षुण्ण पाई गई, 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 ईडब्ल्यूएनएस के भौतिक-रासायनिक गुणों पर डेटा सामूहिक रूप से दर्शाता है कि ईडब्ल्यूएनएस के गुण (सतह आवेश और आरओएस सामग्री) पूर्व प्रकाशित ईडब्ल्यूएनएस बेसलाइन डेटा8,9,10,11 की तुलना में काफी बेहतर हुए हैं। दूसरी ओर, उनका आकार नैनोमीटर सीमा में बना रहा, जो पूर्व प्रकाशित परिणामों के समान है, जिससे वे लंबे समय तक हवा में रह सकते हैं। देखी गई बहुविविधता को सतह आवेश में परिवर्तन द्वारा समझाया जा सकता है, जो रेले प्रभाव, यादृच्छिकता और ईडब्ल्यूएनएस के संभावित विलय की मात्रा निर्धारित करता है। हालांकि, जैसा कि नीलसन एट अल.22 द्वारा विस्तृत किया गया है, उच्च सतह आवेश पानी की बूंद की सतह ऊर्जा/तनाव को प्रभावी रूप से बढ़ाकर वाष्पीकरण को कम करता है। इस सिद्धांत की हमारे पिछले प्रकाशन8 में सूक्ष्म बूंदों22 और ईडब्ल्यूएनएस के लिए प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि की गई थी। समय के साथ होने वाली हानि भी आकार को प्रभावित कर सकती है और देखे गए आकार वितरण में योगदान कर सकती है।
इसके अतिरिक्त, परिस्थितियों के आधार पर प्रति संरचना आवेश लगभग 22-44 इलेक्ट्रॉन होता है, जो मूल EWNS की तुलना में काफी अधिक है, जिसमें प्रति संरचना औसतन 10 ± 2 इलेक्ट्रॉन आवेश होता है। हालांकि, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यह EWNS का औसत आवेश है। सेटो एट अल. ने दिखाया है कि आवेश एकसमान नहीं होता और यह लॉग-नॉर्मल वितरण का अनुसरण करता है।21 हमारे पिछले कार्य की तुलना में, सतह आवेश को दोगुना करने से EPES प्रणाली में निक्षेपण दक्षता लगभग 100% तक दोगुनी हो जाती है।11