Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін сайтты стильдер мен JavaScriptсіз көрсетеміз.
Жақында жасанды су наноқұрылымдарын (EWNS) пайдаланатын нанотехнологияға негізделген химиялық заттарсыз микробқа қарсы платформа жасалды. EWNS жоғары беттік зарядқа ие және тағамдық патогендермен қоса бірқатар микроорганизмдермен әрекеттесіп, оларды белсенді ете алатын реактивті оттегі түрлерімен (ROS) қаныққан. Мұнда олардың синтез кезіндегі қасиеттерін олардың антибактериалды әлеуетін одан әрі арттыру үшін дәл реттеуге және оңтайландыруға болатыны көрсетілген. EWNS зертханалық платформасы синтез параметрлерін өзгерту арқылы EWNS қасиеттерін дәл реттеуге арналған. Заманауи аналитикалық әдістерді қолдана отырып, EWNS қасиеттерін (заряд, ROS мөлшері және құрамы) сипаттау. Сонымен қатар, олар Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum және Saccharomyces cerevisiae сияқты тағамдық микроорганизмдерге қарсы микробтық инактивация әлеуеті бойынша бағаланды. Мұнда ұсынылған нәтижелер EWNS қасиеттерін синтез кезінде дәл реттеуге болатынын, нәтижесінде инактивация тиімділігінің экспоненциалды түрде артатынын көрсетеді. Атап айтқанда, беттік заряд төрт есеге артты және реактивті оттегі түрлері артты. Микробтарды жою жылдамдығы микробтық тәуелді болды және 40 000 #/cc EWNS аэрозоль дозасына 45 минут әсер еткеннен кейін 1,0-ден 3,8 log-ге дейін болды.
Микробтық ластану - патогендердің немесе олардың токсиндерінің жұтылуынан туындайтын тағамдық аурулардың негізгі себебі. Тек Америка Құрама Штаттарында ғана тағамдық аурулар жыл сайын шамамен 76 миллион ауруға, 325 000 ауруханаға жатқызуға және 5000 өлімге әкеледі1. Сонымен қатар, Америка Құрама Штаттарының Ауыл шаруашылығы министрлігі (USDA) Америка Құрама Штаттарында тіркелген барлық тағамдық аурулардың 48%-ына жаңа піскен өнімдерді тұтынудың артуы себеп болады деп есептейді2. Америка Құрама Штаттарында тағамдық патогендерден туындаған ауру мен өлімнің құны өте жоғары, оны Ауруларды бақылау және алдын алу орталықтары (CDC) жылына 15,6 миллиард АҚШ долларынан асады3 деп бағалайды.
Қазіргі уақытта азық-түлік қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін химиялық4, радиациялық5 және термиялық6 микробқа қарсы араласулар көбінесе өндіріс тізбегі бойындағы шектеулі маңызды бақылау нүктелерінде (КБН) үздіксіз емес, жүзеге асырылады (әдетте егін жинаудан кейін және/немесе қаптау кезінде), сондықтан олар айқаспалы ластануға бейім. 7. Азық-түліктен таралатын аурулар мен азық-түліктің бұзылуын жақсы бақылау үшін қоршаған ортаға әсер мен шығындарды азайта отырып, фермадан дастарханға дейінгі континуумға қолдануға болатын микробқа қарсы араласулар қажет.
Жақында химиялық заттарсыз, нанотехнологияға негізделген микробқа қарсы платформа жасалды, ол жасанды су наноқұрылымдарын (EWNS) пайдаланып, беткі және ауадағы бактерияларды инактивтеуге мүмкіндік береді. EWNS екі параллель процесті, электроспрей және су ионизациясын қолдану арқылы синтезделді (1a сурет). Алдыңғы зерттеулер EWNS-тің бірегей физикалық және биологиялық қасиеттер жиынтығына ие екенін көрсетті8,9,10. EWNS-тің әр құрылымда орташа есеппен 10 электроны және орташа наноөлшемді өлшемі 25 нм (1b,c сурет)8,9,10. Сонымен қатар, электронды спиндік резонанс (ESR) EWNS құрамында реактивті оттегі түрлерінің (ROS), негізінен гидроксил (OH•) және супероксид (O2-) радикалдарының көп мөлшерін қамтитынын көрсетті (1c сурет)8. EVNS ауада ұзақ уақыт болады және ауада ілінген және бетінде болатын микроорганизмдермен соқтығыса алады, олардың ROS пайдалы жүктемесін береді және микроорганизмдердің инактивтендірілуіне әкеледі (1d сурет). Бұл алғашқы зерттеулер сонымен қатар EWNS беттерде және ауада микобактерияларды қоса алғанда, әртүрлі грамтеріс және грамоң бактериялармен әрекеттесіп, оларды белсенді ете алатынын көрсетті. Трансмиссиялық электронды микроскопия белсенділіктің төмендеуі жасуша мембранасының бұзылуынан туындағанын көрсетті. Сонымен қатар, жедел ингаляциялық зерттеулер EWNS-тің жоғары дозалары өкпенің зақымдануына немесе қабынуына әкелмейтінін көрсетті 8.
(a) Электропропра сұйықтық бар капиллярлық түтік пен қарсы электрод арасына жоғары кернеу қолданылған кезде пайда болады. (b) Жоғары қысымды қолдану екі түрлі құбылысқа әкеледі: (i) судың электропропрапрапциясы және (ii) EWNS-те қалып қойған реактивті оттегі түрлерінің (иондарының) пайда болуы. (c) EWNS-тің ерекше құрылымы. (d) Наноөлшемді табиғатына байланысты EWNS өте қозғалғыш және ауадағы патогендермен әрекеттесе алады.
Жақында EWNS микробқа қарсы платформасының жаңа піскен тағам бетіндегі тағамдық микроорганизмдерді инактивтеу қабілеті де көрсетілді. Сондай-ақ, EWNS беттік зарядын электр өрісімен бірге мақсатты жеткізуге қол жеткізу үшін пайдалануға болатыны көрсетілді. Сонымен қатар, шамамен 50 000 #/см3 EWNS-те 90 минуттық әсер етуден кейін органикалық қызанақтар үшін алдын ала нәтижелер көңіл көншітеді, E. coli және Listeria 11 сияқты әртүрлі тағамдық микроорганизмдер байқалды. Сонымен қатар, алдын ала органолептикалық сынақтар бақылау қызанақтарымен салыстырғанда сенсорлық әсерлерді көрсетпеді. Бұл бастапқы инактивтеу нәтижелері тамақ қауіпсіздігі қолданбалары үшін тіпті өте төмен 50 000 #/см3 EWNS дозаларында да көңіл көншітеді. қараңыз, жоғары инактивтеу әлеуеті инфекция мен бұзылу қаупін одан әрі азайту үшін тиімдірек болатыны анық.
Мұнда біз зерттеуімізді синтез параметрлерін дәл баптауға және EWNS-тің физикалық-химиялық қасиеттерін оңтайландыруға мүмкіндік беретін EWNS генерациялау платформасын әзірлеуге бағыттаймыз, бұл олардың бактерияға қарсы әлеуетін арттыру үшін жасалады. Атап айтқанда, оңтайландыру олардың беттік зарядын (мақсатты жеткізуді жақсарту үшін) және ROS мөлшерін (инактивация тиімділігін арттыру үшін) арттыруға бағытталған. Заманауи аналитикалық әдістерді қолдана отырып және E. сияқты кең таралған тағамдық микроорганизмдерді қолдана отырып, оңтайландырылған физикалық-химиялық қасиеттерді (мөлшері, заряды және ROS мөлшері) сипаттаңыз.
EVNS бір мезгілде электроспрейлеу және жоғары тазалықтағы суды (18 МОм см–1) иондау арқылы синтезделді. Электрлік небулайзер 12 әдетте сұйықтықтарды атомдау және бақыланатын өлшемдегі полимер мен керамикалық бөлшектерді 13 және талшықтарды 14 синтездеу үшін қолданылады.
Алдыңғы 8, 9, 10, 11 басылымдарда егжей-тегжейлі сипатталғандай, әдеттегі экспериментте металл капилляр мен жерге қосылған қарсы электрод арасында жоғары кернеу қолданылды. Бұл процесс кезінде екі түрлі құбылыс орын алады: i) электрод шашыратқыш және ii) судың иондануы. Екі электрод арасындағы күшті электр өрісі конденсацияланған судың бетінде теріс зарядтардың жиналуына әкеледі, нәтижесінде Тейлор конустарының пайда болуына әкеледі. Нәтижесінде, жоғары зарядталған су тамшылары пайда болады, олар Рейли теориясындағыдай ұсақ бөлшектерге ыдырайды16. Сонымен қатар, күшті электр өрістері кейбір су молекулаларының бөлінуіне және электрондарды ажыратуына (иондалуына) әкеледі, бұл реактивті оттегі түрлерінің (ROS) көп мөлшерде пайда болуына әкеледі17. Бір мезгілде пайда болған ROS18 EWNS-ке капсулаланған (1c-сурет).
2a-суретте осы зерттеудегі EWNS синтезінде әзірленген және қолданылатын EWNS генерациялау жүйесі көрсетілген. Жабық бөтелкеде сақталған тазартылған су тефлон түтігі (ішкі диаметрі 2 мм) арқылы 30G тот баспайтын болаттан жасалған инеге (металл капилляр) берілді. Су ағыны 2b-суретте көрсетілгендей, бөтелкенің ішіндегі ауа қысымымен басқарылады. Ине тефлон консоліне орнатылған және қарсы электродтан белгілі бір қашықтыққа қолмен реттелуі мүмкін. Қарсы электрод - ортасында сынама алу үшін тесігі бар жылтыратылған алюминий диск. Қарсы электродтың астында алюминий сынама алу воронкасы орналасқан, ол сынама алу порты арқылы эксперименттік қондырғының қалған бөлігіне қосылған (2b-сурет). Сынама алу құрылғысының жұмысын бұзуы мүмкін зарядтың жиналуын болдырмау үшін барлық сынама алу құрылғысының компоненттері электрлік жерге қосылған.
(a) Инженерлік су наноқұрылымдарын генерациялау жүйесі (EWNS). (b) Ең маңызды параметрлерді көрсететін сынама алу құрылғысы мен электроспрейдің көлденең қимасы. (c) Бактерияларды инактивациялауға арналған тәжірибелік қондырғы.
Жоғарыда сипатталған EWNS генерациялау жүйесі EWNS қасиеттерін дәл реттеуді жеңілдету үшін негізгі жұмыс параметрлерін өзгерте алады. EWNS сипаттамаларын дәл реттеу үшін қолданылатын кернеуді (V), ине мен қарсы электрод арасындағы қашықтықты (L) және капилляр арқылы өтетін су ағынын (φ) реттеңіз. Әртүрлі комбинацияларды көрсету үшін қолданылатын таңба: [V (kV), L (см)]. Белгілі бір жиынтықтағы тұрақты Тейлор конусын алу үшін су ағынын реттеңіз [V, L]. Осы зерттеу мақсаттары үшін қарсы электродтың (D) тесік диаметрі 0,5 дюйм (1,29 см) деңгейінде сақталды.
Геометрия мен асимметрияның шектеулілігіне байланысты электр өрісінің кернеулігін алғашқы принциптерден есептеу мүмкін емес. Оның орнына электр өрісін есептеу үшін QuickField™ бағдарламалық жасақтамасы (Свендборг, Дания)19 пайдаланылды. Электр өрісі біркелкі емес, сондықтан капиллярдың ұшындағы электр өрісінің мәні әртүрлі конфигурациялар үшін анықтамалық мән ретінде пайдаланылды.
Зерттеу барысында ине мен қарсы электрод арасындағы кернеу мен қашықтықтың бірнеше комбинациясы Тейлор конусының түзілуі, Тейлор конусының тұрақтылығы, EWNS өндірісінің тұрақтылығы және қайталану мүмкіндігі тұрғысынан бағаланды. Әртүрлі комбинациялар S1 қосымша кестесінде көрсетілген.
EWNS генерациялау жүйесінің шығысы бөлшектер санының концентрациясын өлшеу үшін сканерлейтін мобильділік бөлшектерінің өлшемін талдағышқа (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) тікелей қосылды, сондай-ақ аэрозольдік токтар үшін аэрозольдік Фарадей электрометріне (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN) алдыңғы басылымымызда сипатталғандай өлшенді. SMPS те, аэрозольдік электрометр де 0,5 л/мин ағын жылдамдығымен (жалпы үлгі ағыны 1 л/мин) сынама алынды. Бөлшектердің санының концентрациясы және аэрозоль ағыны 120 секунд бойы өлшенді. Өлшеу 30 рет қайталанады. Ағымдағы өлшеулерге сүйене отырып, аэрозольдің жалпы заряды есептеледі және таңдалған EWNS бөлшектерінің берілген жалпы саны үшін орташа EWNS заряды бағаланады. EWNS орташа құнын (1) теңдеуді пайдаланып есептеуге болады:
мұндағы IEl – өлшенген ток күші, NSMPS – SMPS арқылы өлшенген сандық концентрация, ал φEl – бір электрометрге шаққандағы ағын жылдамдығы.
Салыстырмалы ылғалдылық (СЫ) беттік зарядқа әсер ететіндіктен, тәжірибе кезінде температура және (СЫ) сәйкесінше 21°C және 45% температурада тұрақты сақталды.
EWNS өлшемін және қызмет ету мерзімін өлшеу үшін атомдық күш микроскопиясы (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Калифорния) және AC260T зонды (Olympus, Токио, Жапония) пайдаланылды. AFM сканерлеу жиілігі 1 Гц, сканерлеу аймағы 5 мкм × 5 мкм және 256 сканерлеу сызығы болды. Барлық кескіндер Asylum бағдарламалық жасақтамасын пайдаланып 1-ші ретті кескіндерді туралаудан өтті (маска диапазоны 100 нм, табалдырық 100 pm).
Сынақ воронкасы алынып тасталды және слюда беті бөлшектердің агломерациясын және слюда бетінде біркелкі емес тамшылардың пайда болуын болдырмау үшін қарсы электродтан 2,0 см қашықтықта 120 секунд орташалау уақытына орналастырылды. EWNS жаңа кесілген слюда бетіне тікелей шашыратылды (Ted Pella, Redding, CA). AFM шашыратқаннан кейін бірден слюда бетінің суреті. Жаңа кесілген өзгертілмеген слюда бетінің жанасу бұрышы 0°-қа жақын, сондықтан EVNS слюда бетінде күмбез түрінде таралған. Диффузияланатын тамшылардың диаметрі (a) және биіктігі (h) AFM топографиясынан тікелей өлшенді және бұрын тексерілген әдісімізді қолдана отырып, EWNS күмбезді диффузия көлемін есептеу үшін пайдаланылды. Борттағы EWNS көлемі бірдей деп есептесек, эквивалентті диаметрді (2) теңдеуді пайдаланып есептеуге болады:
Бұрын жасалған әдісімізге сүйене отырып, EWNS-те қысқа мерзімді радикалды аралық заттардың болуын анықтау үшін электронды спин-резонанстық (ESR) спин тұзағы пайдаланылды. Аэрозольдер 235 мМ DEPMPO(5-(диэтоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксид) (Oxis International Inc.) ерітіндісі бар 650 мкм Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) арқылы көпіршіктелді. Портленд, Орегон). Барлық ESR өлшеулері Bruker EMX спектрометрі (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АҚШ) және жалпақ панельді ұяшық арқылы жүргізілді. Деректерді жинау және талдау үшін Acquisit бағдарламалық жасақтамасы (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АҚШ) пайдаланылды. ROS сипаттамаларын анықтау тек жұмыс жағдайлары жиынтығы үшін жүргізілді [-6,5 кВ, 4,0 см]. EWNS концентрациялары соққыдағы EWNS шығындарын ескергеннен кейін SMPS көмегімен өлшенді.
Озон деңгейі 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 көмегімен бақыланды.
Барлық EWNS қасиеттері үшін орташа мән өлшеу мәні ретінде, ал стандартты ауытқу өлшеу қателігі ретінде пайдаланылады. Оңтайландырылған EWNS атрибуттарының мәндерін базалық EWNS сәйкес мәндерімен салыстыру үшін Т-тесттер жүргізілді.
2c-суретте бетінде EWNS нысанасын мақсатты түрде жеткізу үшін пайдаланылуы мүмкін бұрын жасалған және сипатталған электростатикалық тұндыру (EPES) «тарту» жүйесі көрсетілген. EPES күшті электр өрісінің әсерінен нысана бетіне тікелей «бағытталатын» EVNS зарядтарын пайдаланады. EPES жүйесінің егжей-тегжейлері Пиргиотакис және т.б. жақында жарияланған басылымда келтірілген. 11. Осылайша, EPES конус тәрізді ұштары бар 3D басып шығарылған ПВХ камерасынан тұрады және ортасында 15,24 см қашықтықта орналасқан екі параллель тот баспайтын болаттан (304 тот баспайтын болаттан жасалған, айнамен қапталған) металл пластиналардан тұрады. Тақталар сыртқы жоғары кернеу көзіне (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) қосылған, төменгі пластина әрқашан оң кернеуге, ал жоғарғы пластина әрқашан жерге (қалқымалы жерге) қосылған. Камера қабырғалары бөлшектердің жоғалуын болдырмау үшін электрлік жерге қосылған алюминий фольгамен жабылған. Камерада сынақ беттерін жоғары вольтты кедергілерден аулақ болу үшін оларды төменгі металл пластинадан жоғары көтеретін пластикалық тіректер үстіне қоюға мүмкіндік беретін тығыздалған алдыңғы тиеу есігі бар.
EPES-тегі EWNS тұндыру тиімділігі S111 қосымша суретінде егжей-тегжейлі сипатталған бұрын әзірленген хаттамаға сәйкес есептелді.
Басқару камерасы ретінде екінші цилиндрлік ағын камерасы EPES жүйесіне тізбектей қосылды, онда EWNS-ті жою үшін аралық HEPA сүзгісі пайдаланылды. 2c-суретте көрсетілгендей, EWNS аэрозолы екі кіріктірілген камера арқылы айдалды. Басқару бөлмесі мен EPES арасындағы сүзгі қалған EWNS-ті жояды, нәтижесінде температура (T), салыстырмалы ылғалдылық (RH) және озон деңгейі бірдей болады.
Тағам арқылы берілетін маңызды микроорганизмдердің жаңа піскен тағамдарды, мысалы, E. coli (ATCC #27325), нәжіс индикаторы, Salmonella enterica (ATCC #53647), тағам арқылы берілетін патоген, Listeria зиянсыз (ATCC #33090), патогенді Listeria monocytogenes суррогаты, ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) өнімінен алынған, бұзылатын ашытқының орнын басатын және төзімдірек белсенді емес Mycobacterium paralucky (ATCC #19686) бактериясын ластайтыны анықталды.
Жергілікті базардан органикалық жүзім қызанақтарының кездейсоқ қораптарын сатып алып, пайдаланғанша 4°C температурада (3 күнге дейін) тоңазытқышта сақтаңыз. Тәжірибелік қызанақтардың барлығы бірдей өлшемде, диаметрі шамамен 1/2 дюйм болды.
Өсіру, егу, экспозиция және колонияларды санау хаттамалары біздің алдыңғы басылымымызда және қосымша деректерде егжей-тегжейлі сипатталған. EWNS тиімділігі егілген қызанақтарды 40 000 #/см3-ке 45 минут бойы әсер ету арқылы бағаланды. Қысқаша айтқанда, тірі қалған микроорганизмдерді t = 0 минут уақытында бағалау үшін үш қызанақ пайдаланылды. Үш қызанақ EPES-ке салынып, EWNS-ке 40 000 #/см3 жылдамдықпен әсер етті (EWNS әсер еткен қызанақтар), ал қалған үшеуі бақылау камерасына орналастырылды (бақылау қызанақтары). Екі топтағы қызанақтарды қосымша өңдеу жүргізілген жоқ. EWNS әсерін бағалау үшін EWNS әсер еткен қызанақтар мен бақылау қызанақтары 45 минуттан кейін алынып тасталды.
Әрбір тәжірибе үш данада жүргізілді. Деректерді талдау Қосымша деректерде сипатталған хаттамаға сәйкес жүргізілді.
Инактивация механизмдері ашық EWNS үлгілерін (40 000 #/см3 EWNS аэрозоль концентрациясында 45 мин) және сәулеленбеген зиянсыз E. coli, Salmonella enterica және Lactobacillus бактерияларының үлгілерін тұндыру арқылы бағаланды. Бөлшектер бөлме температурасында 2 сағат бойы 0,1 М натрий какодилат буферінде (рН 7,4) 2,5% глутаральдегидте, 1,25% параформальдегидте және 0,03% пикрин қышқылында бекітілді. Жуғаннан кейін, 1% осмий тетроксидімен (OsO4)/1,5% калий ферроцианидімен (KFeCN6) 2 сағат бойы бекітіңіз, 3 рет суда жуыңыз және 1% уранил ацетатында 1 сағат инкубациялаңыз, содан кейін екі рет суда жуыңыз, содан кейін 50%, 70%, 90%, 100% спиртте 10 минут бойы сусыздандырыңыз. Содан кейін үлгілер 1 сағатқа пропилен оксидіне салынып, 1:1 пропилен оксиді мен TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) қоспасымен сіңдірілді. Үлгілер TAAB Epon-ға енгізіліп, 60°C температурада 48 сағат бойы полимерленді. Қатқан түйіршікті шайыр кесіліп, AMT 2k CCD камерасымен (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Массачусетс, АҚШ) жабдықталған JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Жапония) кәдімгі трансмиссиялық электронды микроскопын пайдаланып TEM арқылы көрінді.
Барлық тәжірибелер үш рет жүргізілді. Әрбір уақыт нүктесі үшін бактериялық жуындылар үш рет енгізілді, нәтижесінде әр нүктеге тоғыз деректер нүктесі алынды, оның орташа мәні сол микроорганизмнің бактериялық концентрациясы ретінде пайдаланылды. Стандартты ауытқу өлшеу қателігі ретінде пайдаланылды. Барлық ұпайлар есептеледі.
Бактериялар концентрациясының t = 0 мин-мен салыстырғанда төмендеу логарифмі келесі формула бойынша есептелді:
мұндағы C0 – 0 уақытындағы бақылау үлгісіндегі бактериялардың концентрациясы (яғни, беті кепкеннен кейін, бірақ камераға орналастырылғанға дейін) және Cn – n минут әсер еткеннен кейінгі бетіндегі бактериялардың концентрациясы.
45 минуттық әсер ету кезінде бактериялардың табиғи ыдырауын ескеру үшін 45 минуттан кейінгі бақылаумен салыстырғандағы логарифмдік азаю келесідей есептелді:
мұндағы Cn – n уақытындағы бақылау үлгісіндегі бактериялардың концентрациясы, ал Cn-Control – n уақытындағы бақылау бактерияларының концентрациясы. Деректер бақылау үлгісімен салыстырғанда логарифмдік қысқарту ретінде ұсынылған (EWNS әсері жоқ).
Зерттеу барысында ине мен қарсы электрод арасындағы кернеу мен қашықтықтың бірнеше комбинациясы Тейлор конусының түзілуі, Тейлор конусының тұрақтылығы, EWNS өндірісінің тұрақтылығы және қайталану мүмкіндігі тұрғысынан бағаланды. Әртүрлі комбинациялар S1 қосымша кестесінде көрсетілген. Кешенді зерттеу үшін тұрақты және қайталанатын қасиеттерді көрсететін екі жағдай (Тейлор конусы, EWNS генерациясы және уақыт өте келе тұрақтылық) таңдалды. 3-суретте екі жағдайда да ROS заряды, мөлшері және құрамы бойынша нәтижелер көрсетілген. Нәтижелер 1-кестеде де қорытындыланған. Анықтама ретінде 3-сурет те, 1-кесте де бұрын синтезделген оңтайландырылмаған EWNS8, 9, 10, 11 (базалық EWNS) қасиеттерін қамтиды. Екі жақты t-тестін қолданатын статистикалық маңыздылық есептеулері S2 қосымша кестесінде қайта жарияланған. Сонымен қатар, қосымша деректерге қарсы электродтың іріктеу тесігінің диаметрінің (D) және жерге қосу электроды мен ұшы арасындағы қашықтықтың (L) әсерін зерттеу кіреді (S2 және S3 қосымша суреттері).
(ac) AFM арқылы өлшенген өлшем таралуы. (df) Беттік заряд сипаттамасы. (g) EPR-дің ROS сипаттамасы.
Жоғарыда аталған барлық жағдайлар үшін өлшенген иондану тогы 2-ден 6 мкА-ға дейін және кернеу -3,8-ден -6,5 кВ-қа дейін болғанын, нәтижесінде осы бір EWNS генерациясының контакт модулі үшін қуат тұтыну 50 мВт-тан аз болғанын атап өту маңызды. EWNS жоғары қысыммен синтезделгенімен, озон деңгейі өте төмен болды, ешқашан 60 ppb-ден аспады.
Қосымша S4 суретінде [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлері үшін модельденген электр өрістері көрсетілген. [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлері үшін өріс есептеулері сәйкесінше 2 × 105 В/м және 4,7 × 105 В/м құрайды. Бұл күтіледі, себебі екінші жағдайда кернеу-қашықтық қатынасы әлдеқайда жоғары.
3a,b суреттерінде AFM8 көмегімен өлшенген EWNS диаметрі көрсетілген. Есептелген орташа EWNS диаметрлері [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] схемалары үшін сәйкесінше 27 нм және 19 нм болды. [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлері үшін үлестірімдердің геометриялық стандартты ауытқулары сәйкесінше 1,41 және 1,45 құрайды, бұл тар өлшемді үлестірімді көрсетеді. Орташа өлшем де, геометриялық стандартты ауытқу да бастапқы EWNS-ке өте жақын, сәйкесінше 25 нм және 1,41. 3c суретінде бірдей жағдайларда бірдей әдісті қолданып өлшенген базалық EWNS өлшемінің үлестірімі көрсетілген.
3d,e суретте заряд сипаттамасының нәтижелері көрсетілген. Деректер концентрацияны (#/см3) және токты (I) бір мезгілде 30 өлшеудің орташа өлшемдері болып табылады. Талдау көрсеткендей, EWNS-тегі орташа заряд [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] үшін сәйкесінше 22 ± 6 e- және 44 ± 6 e- құрайды. Олардың бастапқы EWNS-пен салыстырғанда беттік зарядтары айтарлықтай жоғары (10 ± 2 e-), [-6,5 кВ, 4,0 см] сценарийінен екі есе және [-3 .8 кВ, 0,5 см] сценарийінен төрт есе үлкен. 3f суретінде бастапқы EWNS үшін заряд деректері көрсетілген.
EWNS санының концентрация карталарынан (S5 және S6 қосымша суреттері) [-6,5 кВ, 4,0 см] сценарийінде [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийіне қарағанда айтарлықтай көп бөлшектер бар екенін көруге болады. Сондай-ақ, EWNS санының концентрациясы 4 сағатқа дейін бақыланғанын атап өткен жөн (S5 және S6 қосымша суреттері), мұнда EWNS генерациясының тұрақтылығы екі жағдайда да бөлшектер санының концентрациясының бірдей деңгейлерін көрсетті.
3g-суретте [-6,5 кВ, 4,0 см] кезінде оңтайландырылған EWNS басқаруын (фон) алып тастағаннан кейінгі EPR спектрі көрсетілген. ROS спектрлері бұрын жарияланған жұмыста Baseline-EWNS сценарийімен де салыстырылды. Спин тұзақтарымен әрекеттесетін EWNS саны 7,5 × 104 EWNS/с деп есептелді, бұл бұрын жарияланған Baseline-EWNS8-ге ұқсас. EPR спектрлері екі түрдегі ROS-тың болуын анық көрсетті, олардың ішінде O2- басым түр, ал OH• аз болды. Сонымен қатар, шың қарқындылығын тікелей салыстыру оңтайландырылған EWNS-те базалық EWNS-пен салыстырғанда ROS мөлшері айтарлықтай жоғары екенін көрсетті.
4-суретте EPES-тегі EWNS тұндыру тиімділігі көрсетілген. Деректер I кестеде де жинақталған және бастапқы EWNS деректерімен салыстырылған. EUNS екі жағдайында да тұндыру 3,0 кВ төмен кернеуде де 100%-ға жақын. Әдетте, беттік зарядтың өзгеруіне қарамастан, 3,0 кВ 100% тұндыру үшін жеткілікті. Сол жағдайларда, базалық-EWNS тұндыру тиімділігі олардың төмен зарядына байланысты тек 56% құрады (EWNS-ке орташа есеппен 10 электрон).
5-суретте және 2-кестеде қызанақ бетіне егілген микроорганизмдердің шамамен 40 000 #/см3 EWNS әсерінен кейін оңтайлы режимде [-6,5 кВ, 4,0 см] 45 минут бойы егілгеннен кейін инактивация мәні қорытындыланған. E. coli және Lactobacillus innocuous егілген бактериялар 45 минуттық әсер ету кезінде 3,8 логарифмге айтарлықтай азайғанын көрсетті. Дәл осындай жағдайларда S. enterica 2,2 логарифмге, ал S. cerevisiae және M. parafortutum 1,0 логарифмге азайған.
Электронды микрографтар (6-сурет) EWNS зиянсыз Escherichia coli, Streptococcus және Lactobacillus жасушаларында тудыратын физикалық өзгерістерді бейнелейді, бұл олардың белсенділігін жоғалтуына әкеледі. Бақылау бактерияларының жасуша мембраналары бүтін болған, ал ашық бактериялардың сыртқы мембраналары зақымдалған.
Бақылау және ашық бактериялардың электронды микроскопиялық бейнесі мембрананың зақымдануын анықтады.
Оңтайландырылған EWNS физика-химиялық қасиеттері туралы деректер жалпы алғанда EWNS қасиеттерінің (беттік заряд және ROS мөлшері) бұрын жарияланған EWNS бастапқы деректерімен салыстырғанда айтарлықтай жақсарғанын көрсетеді8,9,10,11. Екінші жағынан, олардың өлшемі бұрын хабарланған нәтижелерге өте ұқсас, нанометрлік диапазонда қалды, бұл олардың ауада ұзақ уақыт бойы қалуына мүмкіндік берді. Байқалған полидисперстілікті EWNS өлшемін, Рейли эффектінің кездейсоқтығын және ықтимал бірігуін анықтайтын беттік заряд өзгерістерімен түсіндіруге болады. Дегенмен, Нильсен және т.б. 22 егжей-тегжейлі сипаттағандай, жоғары беттік заряд су тамшысының беттік энергиясын/кернеуін тиімді түрде арттыру арқылы булануды азайтады. Біздің алдыңғы жарияланымымызда8 бұл теория микротамшылар 22 және EWNS үшін эксперименталды түрде расталды. Артық жұмыс уақытындағы зарядтың жоғалуы да өлшемге әсер етуі және байқалған өлшемнің таралуына ықпал етуі мүмкін.
Сонымен қатар, әрбір құрылымға келетін заряд жағдайға байланысты шамамен 22-44 e- құрайды, бұл әрбір құрылымға орташа заряды 10 ± 2 электрон болатын негізгі EWNS-пен салыстырғанда айтарлықтай жоғары. Дегенмен, бұл EWNS-тің орташа заряды екенін атап өткен жөн. Сето және т.б. Зарядтың біртекті емес екендігі және логарифмдік қалыпты үлестірімге сәйкес келетіні көрсетілді21. Алдыңғы жұмысымызбен салыстырғанда, беттік зарядтың екі еселенуі EPES жүйесіндегі тұндыру тиімділігін екі есеге арттырады, шамамен 100%-ға дейін11.