Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз шектеулі CSS қолдауы бар браузер нұсқасын пайдаланып жатырсыз. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильдерсіз және 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 түрлеріне (ROS) бай. 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. EWNS қасиеттерінің сипаттамасы (заряд, өлшем және ROS құрамы) заманауи аналитикалық әдістерді қолдану арқылы жүргізілді. Сонымен қатар, Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortium және Saccharomyces cerevisiae сияқты тағамдық микроорганизмдер олардың микробтық инактивация әлеуетін бағалау үшін органикалық жүзім қызанақтарының бетіне егілді. Мұнда ұсынылған нәтижелер EWNS қасиеттерін синтез кезінде дәл реттеуге болатынын, нәтижесінде инактивация тиімділігінің экспоненциалды түрде артатынын көрсетеді. Атап айтқанда, беттік заряд төрт есеге артты, ал ROS мөлшері артты. Микробтарды жою жылдамдығы микробтық тәуелді болды және 40 000 #/см3 EWNS аэрозоль дозасына 45 минут әсер еткеннен кейін 1,0-ден 3,8 лог-ға дейін болды.
Микробтық ластану - патогендердің немесе олардың токсиндерінің жұтылуынан туындайтын тағамдық аурулардың негізгі себебі. Тағамдық аурулар тек Америка Құрама Штаттарында 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 пайызына жаңа піскен өнімдерді тұтынудың артуы себеп болады деп есептейді2. Америка Құрама Штаттарында тағамдық патогендерден болатын 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 негізінен өндіріс тізбегіндегі шектеулі маңызды бақылау нүктелерінде (КБН) (әдетте жинаудан кейін және/немесе қаптау кезінде) жүзеге асырылады, жаңа өнімдер айқаспалы ластануға ұшырайтындай етіп үздіксіз жүзеге асырылмайды7. Азық-түліктен таралатын ауруларды және азық-түліктің бұзылуын жақсы бақылау үшін микробқа қарсы араласулар қажет және оларды фермадан дастарханға дейінгі континуумға қолдану мүмкіндігі бар. Әсері мен құны аз.
Жақында жасанды су наноқұрылымдарын (EWNS) пайдаланып беттердегі және ауадағы бактерияларды инактивтеу үшін нанотехнологияға негізделген химиялық заттарсыз микробқа қарсы платформа жасалды. EVNS синтезі үшін екі параллель процесс қолданылды: электроспрей және су ионизациясы (1a-сурет). EWNS бұрын физикалық және биологиялық қасиеттердің бірегей жиынтығына ие екені көрсетілген8,9,10. EWNS әр құрылымда орташа есеппен 10 электронға және орташа нанометр өлшемі 25 нм-ге тең (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. EWNS ауада ұзақ уақыт бойы болды және ауада ілінген және беттерде болатын микробтармен соқтығысып, олардың ROS пайдалы жүктемесін беріп, микробтардың инактивациясын тудыруы мүмкін (1d-сурет). Бұл бұрынғы зерттеулер EWNS беттерде және ауада микобактерияларды қоса алғанда, қоғамдық денсаулық сақтау үшін маңызды әртүрлі грам-теріс және грам-позитивті бактериялармен әрекеттесіп, оларды белсенді ете алатынын көрсетті8,9. Трансмиссиялық электронды микроскопия белсенділіктің болмауы жасуша мембранасының бұзылуынан туындағанын көрсетті. Сонымен қатар, жедел ингаляциялық зерттеулер EWNS-тің жоғары дозалары өкпенің зақымдануына немесе қабынуына әкелмейтінін көрсетті8.
(a) Электропротектор капилляр мен қарсы электрод арасына жоғары кернеу қолданылған кезде пайда болады. (b) Жоғары кернеуді қолдану екі түрлі құбылысқа әкеледі: (i) судың электропротектормен бүркуі және (ii) EWNS-те ұсталып қалған реактивті оттегі түрлерінің (иондарының) пайда болуы. (c) EWNS-тің ерекше құрылымы. (d) EWNS наноөлшемді табиғатына байланысты өте қозғалғыш және ауадағы патогендермен әрекеттесе алады.
EWNS микробқа қарсы платформасының жаңа тағам бетіндегі тағамдық микроорганизмдерді инактивтеу қабілеті жақында да көрсетілді. Сондай-ақ, EWNS беттік зарядын мақсатты жеткізу үшін электр өрісімен бірге пайдалануға болатыны көрсетілді. Ең бастысы, EWNS-ке шамамен 50 000#/см311 концентрациясында әсер еткеннен кейін 90 минут ішінде E. coli және Listeria сияқты әртүрлі тағамдық микроорганизмдерге қарсы органикалық қызанақ белсенділігінің шамамен 1,4 лог төмендеуінің алғашқы перспективалы нәтижесі байқалды. Сонымен қатар, алдын ала органолептикалық бағалау сынақтары бақылау қызанағымен салыстырғанда органолептикалық әсер көрсетпеді. Бұл бастапқы инактивтеу нәтижелері EWNS-тің өте төмен 50 000#/см3 дозаларында да тағам қауіпсіздігін уәде еткенімен, инфекция мен бұзылу қаупін одан әрі азайту үшін жоғары инактивтеу әлеуеті тиімдірек болатыны анық.
Мұнда біз зерттеуімізді синтез параметрлерін дәл баптау және EWNS-тің физикалық-химиялық қасиеттерін оңтайландыру үшін олардың бактерияға қарсы әлеуетін арттыру үшін EWNS генерациялау платформасын әзірлеуге бағыттаймыз. Атап айтқанда, оңтайландыру олардың беттік зарядын (мақсатты жеткізуді жақсарту үшін) және ROS құрамын (инактивация тиімділігін арттыру үшін) арттыруға бағытталған. Заманауи аналитикалық әдістерді қолдана отырып және E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae және M. parafortuitum сияқты кең таралған тағамдық микроорганизмдерді қолдана отырып, оңтайландырылған физикалық-химиялық қасиеттерді (мөлшері, заряды және ROS құрамы) сипаттау.
EVNS бір мезгілде электроспрейлеу және жоғары тазалықтағы суды (18 МОм см–1) иондау арқылы синтезделді. Электрлік атомайзер 12 әдетте сұйықтықтарды және бақыланатын өлшемдегі синтетикалық полимер мен керамикалық бөлшектерді 13 және талшықтарды 14 атомдау үшін қолданылады.
Алдыңғы 8, 9, 10, 11 басылымдарда егжей-тегжейлі сипатталғандай, әдеттегі экспериментте металл капилляр мен жерге қосылған қарсы электрод арасында жоғары кернеу қолданылады. Бұл процесс кезінде екі түрлі құбылыс орын алады: 1) электроспрей және 2) судың иондалуы. Екі электрод арасындағы күшті электр өрісі конденсацияланған судың бетінде теріс зарядтардың жиналуына әкеліп соғады, нәтижесінде Тейлор конустарының пайда болуына әкеледі. Нәтижесінде, Рейли теориясына сәйкес, ұсақ бөлшектерге ыдырай беретін жоғары зарядталған су тамшылары пайда болады16. Сонымен қатар, күшті электр өрісі су молекулаларының кейбірінің бөлінуіне және электрондарды ажыратуына (иондалуына) әкеледі, осылайша көп мөлшерде реактивті оттегі түрлерін (ROS)17 тудырады. Бір мезгілде пайда болған ROS18 пакеттері EWNS-ке капсулаланған (1c-сурет).
2a-суретте осы зерттеудегі EWNS синтезінде әзірленген және қолданылған 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. 2b-суретте көрсетілгендей, су ағыны бөтелкенің ішіндегі ауа қысымымен басқарылады. Ине қарсы электродтан белгілі бір қашықтықта қолмен реттелетін тефлон консольіне бекітілген. 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). Барлық сынама алу компоненттері бөлшектердің сынамасын нашарлатуы мүмкін зарядтың жиналуын болдырмау үшін электрлік жерге қосылған.
(a) Инженерлік су наноқұрылымдарын генерациялау жүйесі (EWNS). (b) Ең маңызды параметрлерді көрсететін сынама алу құрылғысы мен электроспрей блогының 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 белгілеу үшін [V (kV), L (см)] белгілері қолданылады. Белгілі бір жиынтықтағы [V, L] тұрақты Тейлор конусын алу үшін су ағынын реттеңіз. Осы зерттеу мақсаттары үшін қарсы электродтың (D) тесігі 0,5 дюймге (1,29 см) орнатылды.
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 сканерлеуші ​​мобильді бөлшектер өлшеміне (SMPS, 3936 үлгісі, TSI, Shoreview, Миннесота) тікелей қосылды және алдыңғы басылымымызда сипатталғандай, аэрозоль ағындарын өлшеу үшін Faraday аэрозоль электрометрімен (TSI, 3068B үлгісі, Shoreview, АҚШ) MN) пайдаланылды. SMPS те, аэрозоль электрометрі де 0,5 л/мин ағын жылдамдығымен (жалпы үлгі ағыны 1 л/мин) алынды. Бөлшектердің концентрациясы мен аэрозоль ағындары 120 с бойы өлшенді. Өлшеуді 30 рет қайталаңыз. Жалпы аэрозоль заряды ток өлшеулерінен есептеледі, ал орташа EWNS заряды үлгіленген EWNS бөлшектерінің жалпы санынан есептеледі. EWNS орташа құнын (1) теңдеуді пайдаланып есептеуге болады:
мұндағы IEl – өлшенген ток күші, NSMPS – SMPS арқылы өлшенген сандық концентрация, ал φEl – электрометрге баратын ағын жылдамдығы.
Салыстырмалы ылғалдылық (СЫ) беттік зарядқа әсер ететіндіктен, тәжірибе кезінде температура және (СЫ) сәйкесінше 21°C және 45% деңгейде 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, ал сканерлеу аймағы 256 сканерлеу сызығымен 5 мкм × 5 мкм. Барлық кескіндер Asylum бағдарламалық жасақтамасын (диапазоны 100 нм және шегі 100 pm болатын маска) пайдаланып бірінші ретті кескіндерді туралаудан өтті.
Сынама алу воронкасын алып тастап, слюда бетін қарсы электродтан 2,0 см қашықтықта, бөлшектердің бірігуіне және слюда бетінде біркелкі емес тамшылардың пайда болуына жол бермеу үшін орташа есеппен 120 секундқа қойыңыз. EWNS жаңа кесілген слюда беттеріне тікелей қолданылды (Тед Пелла, Реддинг, Калифорния). Шашыратқаннан кейін бірден слюда беті AFM көмегімен көрнекі түрде көрсетілді. Жаңа кесілген өзгертілмеген слюданың беттік жанасу бұрышы 0°-қа жақын, сондықтан EWNS слюда бетінде күмбез тәрізді пішінде таралады20. Диффузияланатын тамшылардың диаметрі (a) және биіктігі (h) AFM топографиясынан тікелей өлшенді және бұрын тексерілген әдісімізді пайдаланып күмбез тәрізді диффузия көлемін есептеу үшін пайдаланылды8. Борттағы EVNS бірдей көлемге ие деп есептесек, эквивалентті диаметрді (2) теңдеуден есептеуге болады:
Бұрын жасалған әдісімізге сәйкес, 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., Портленд, Орегон) бар ерітінді арқылы өткізілді. Барлық EPR өлшеулері Bruker EMX спектрометрі (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АҚШ) және жалпақ ұяшық массивтерін пайдалану арқылы жүргізілді. Деректерді жинау және талдау үшін Acquisit бағдарламалық жасақтамасы (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АҚШ) пайдаланылды. ROS сипаттамасы тек жұмыс жағдайлары жиынтығы үшін жүргізілді [-6,5 кВ, 4,0 см]. EWNS концентрациялары соққыдағы EWNS жоғалуын ескере отырып, SMPS көмегімен өлшенді.
Озон деңгейі 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 көмегімен бақыланды.
Барлық EWNS қасиеттері үшін өлшеу мәні өлшеулердің орташа мәні, ал өлшеу қателігі стандартты ауытқу болып табылады. Оңтайландырылған EWNS атрибутының мәнін базалық EWNS сәйкес мәнімен салыстыру үшін t-тест орындалды.
2c-суретте EWNS11 беттеріне бағыттау үшін пайдаланылуы мүмкін бұрын жасалған және сипатталған электростатикалық жауын-шашын өткізу жүйесі (EPES) көрсетілген. EPES нысананың бетіне тікелей «бағыттау» үшін күшті электр өрісімен бірге EWNS зарядын пайдаланады. EPES жүйесінің егжей-тегжейлері Pyrgiotakis және т.б.11 жақында жарияланған басылымда келтірілген. Осылайша, EPES ортасында 15,24 см қашықтықта екі параллель тот баспайтын болаттан (304 тот баспайтын болаттан жасалған, айна жылтыратылған) металл пластиналары бар конус тәрізді ұштары бар 3D басып шығарылған ПВХ камерасынан тұрады. Тақталар сыртқы жоғары кернеу көзіне (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) қосылған, төменгі тақта әрқашан оң, ал жоғарғы тақта әрқашан жерге қосылған (қалқымалы). Камера қабырғалары бөлшектердің жоғалуын болдырмау үшін электрлік жерге қосылған алюминий фольгамен жабылған. Камерада сынақ беттерін пластикалық сөрелерге қоюға мүмкіндік беретін тығыздалған алдыңғы тиеу есігі бар, оларды жоғары кернеулі кедергілерден аулақ болу үшін төменгі металл пластинадан көтереді.
EPES-тегі EWNS тұндыру тиімділігі S111 қосымша суретінде егжей-тегжейлі сипатталған бұрын әзірленген хаттамаға сәйкес есептелді.
Басқару камерасы ретінде цилиндрлік камера арқылы өтетін екінші ағын EWNS-ті жою үшін аралық HEPA сүзгісін пайдаланып EPES жүйесімен тізбектей қосылады. 2c-суретте көрсетілгендей, EWNS аэрозолы тізбектей қосылған екі камера арқылы айдалды. Басқару бөлмесі мен EPES арасындағы сүзгі қалған EWNS-ті жояды, нәтижесінде температура (T), салыстырмалы ылғалдылық (RH) және озон деңгейі бірдей болады.
Нәжіс индикаторы Escherichia coli (ATCC #27325), тағамдық патоген Salmonella enterica (ATCC #53647), патогенді Listeria monocytogenes-ке балама Listeria innocua (ATCC #33090), бұзылатын ашытқыға балама ретінде Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) және төзімді тірі бактериялар ретінде Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) сияқты маңызды тағамдық микроорганизмдер жаңа піскен өнімдерді ластайтыны анықталды. ATCC-ден (Manassas, Вирджиния) сатып алынды.
Жергілікті базардан органикалық жүзім қызанақтарының қораптарын кездейсоқ сатып алып, пайдаланғанша 4°C температурада (3 күнге дейін) тоңазытқышта сақтаңыз. Бір өлшемді, диаметрі шамамен 1/2 дюйм болатын қызанақтарды таңдап, тәжірибе жасаңыз.
Инкубация, егу, экспозиция және колонияларды санау хаттамалары біздің алдыңғы басылымдарымызда егжей-тегжейлі сипатталған және Қосымша деректер 11-де егжей-тегжейлі түсіндірілген. EWNS өнімділігі егілген қызанақтарды 40 000 #/см3-ке 45 минут бойы әсер ету арқылы бағаланды. Қысқаша айтқанда, t = 0 минут уақытында тірі қалған микроорганизмдерді бағалау үшін үш қызанақ пайдаланылды. Үш қызанақ EPES-ке орналастырылып, EWNS-ке 40 000 #/см3 әсер етті (EWNS әсер еткен қызанақтар), ал тағы үш қызанақ бақылау камерасына орналастырылды (бақылау қызанақтары). Қызанақ топтарының ешқайсысы қосымша өңдеуге ұшырамады. 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.
E. coli, Enterobacter және L. innocua бактерияларының үлгілері EWNS әсеріне ұшыраған (45 мин, EWNS аэрозоль концентрациясы 40 000 #/см3) және әсер етілмеген күйінде инактивация механизмдерін бағалау үшін түйіршіктерге бөлінді. Тұнба бөлме температурасында 0,1 М натрий какодилат ерітіндісінде (рН 7,4) 2,5% глутаральдегид, 1,25% параформальдегид және 0,03% пикрин қышқылынан тұратын фиксатормен 2 сағат бойы бекітілді. Жуғаннан кейін олар 1% осмий тетроксидімен (OsO4)/1,5% калий ферроцианидімен (KFeCN6) 2 сағат бойы бекітілді, 3 рет сумен жуылды және 1% уранил ацетатында 1 сағат инкубацияланды, содан кейін екі рет сумен жуылды. Кейіннен 50%, 70%, 90%, 100% спирттің әрқайсысы 10 минуттан сусыздандырылды. Содан кейін үлгілер пропилен оксидіне 1 сағатқа салынып, пропилен оксиді мен TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) 1:1 қоспасымен сіңдірілді. Үлгілер TAAB Epon-ға енгізіліп, 60°C температурада 48 сағат бойы полимерленді. Қатқан түйіршікті шайыр кесіліп, TEM арқылы AMT 2k CCD камерасымен жабдықталған дәстүрлі трансмиссиялық электронды микроскоп JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Жапония) көмегімен көрінді (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, АҚШ).
Барлық тәжірибелер үш рет жүргізілді. Әрбір уақыт нүктесі үшін бактериялық жуулар үш рет жазылды, нәтижесінде әр нүктеге тоғыз деректер нүктесі алынды, олардың орташа мәні сол организмнің 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 кезеңінде бактериялардың табиғи ыдырауын ескеру үшін, 45 минуттық бақылаумен салыстырғанда Log-Reduction 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. Тұрақты және қайталанатын қасиеттерді көрсететін толық зерттеу үшін екі жағдай таңдалды (Тейлор конусы, EWNS өндірісі және уақыт өте келе тұрақтылық). 3-суретте екі жағдай үшін ROS заряды, мөлшері және құрамы бойынша нәтижелер көрсетілген. Нәтижелер 1-кестеде де қорытындыланған. Анықтама үшін, 3-сурет және 1-кесте 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 иненің ұшы арасындағы қашықтықтың (L) әсері туралы зерттеулер кіреді (S2 және S3 қосымша суреттер).
(a–c) AFM өлшемінің таралуы. (d – f) Беттік заряд сипаттамасы. (g) ROS және ESR сипаттамасы.
Жоғарыда аталған барлық жағдайлар үшін өлшенген иондану токтары 2-6 мкА диапазонында, ал кернеулер -3,8-ден -6,5 кВ-қа дейін болғанын, нәтижесінде осы бір терминалды EWNS генерация 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] сценарийлеріне сәйкес өрістер сәйкесінше 2 × 105 В/м және 4,7 × 105 В/м ретінде есептеледі. Бұл күтілетін жағдай, себебі екінші жағдайда кернеудің қашықтыққа қатынасы әлдеқайда жоғары.
3a,b суретте AFM8 көмегімен өлшенген EWNS диаметрі көрсетілген. [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлері үшін орташа EWNS диаметрлері сәйкесінше 27 нм және 19 нм ретінде есептелген. [-6,5 кВ, 4,0 см] және [-3,8 кВ, 0,5 см] жағдайлары 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 құрайды. 3c суретте бірдей жағдайларда бірдей әдісті қолданып өлшенген бастапқы 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. Baseline-EWNS-пен (10 ± 2 e-) салыстырғанда, олардың беттік заряды айтарлықтай жоғары, [-6,5 кВ, 4,0 см] сценарийінен екі есе және [-3 .8 кВ, 0,5 см] төрт есе көп. 3f негізгі EWNS төлем деректерін көрсетеді.
EWNS санының концентрация карталарынан (S5 және S6 қосымша суреттері) [-6,5 кВ, 4,0 см] көрінісінде [-3,8 кВ, 0,5 см] көрінісіне қарағанда бөлшектер саны айтарлықтай көп 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 үшін бақылау (фондық) шегерімнен кейінгі EPR спектрі көрсетілген. ROS спектрі бұрын жарияланған мақаладағы EWNS базалық сызығымен де салыстырылады. Спин тұзағымен әрекеттесетін EWNS есептелген саны 7,5 × 104 EWNS/с құрайды, бұл бұрын жарияланған Baseline-EWNS8-ге ұқсас. EPR спектрлері екі түрдегі ROS-тың болуын анық көрсетті, мұнда O2- басым болды, ал OH• аз мөлшерде болды. Сонымен қатар, шың қарқындылықтарын тікелей салыстыру оңтайландырылған EWNS базалық EWNS-пен салыстырғанда ROS құрамының айтарлықтай жоғары екенін көрсетті.
4-суретте EPES-тегі EWNS тұндыру тиімділігі көрсетілген. Деректер I кестеде де жинақталған және бастапқы EWNS деректерімен салыстырылған. EUNS-тің екі жағдайында да тұндыру 3,0 кВ төмен кернеуде де 100%-ға жақын болды. Әдетте, беттік зарядтың өзгеруіне қарамастан 100% тұндыру үшін 3,0 кВ жеткілікті. Дәл осындай жағдайларда базалық-EWNS тұндыру тиімділігі зарядтың төмендеуіне байланысты (EWNS-ке орташа есеппен 10 электрон) тек 56% құрады.
5-сурет және 2-кесте оңтайлы сценарий бойынша [-6,5 кВ, 4,0 см] шамамен 40 000 #/см3 EWNS әсерінен кейін қызанақ бетіне егілген микроорганизмдердің инактивация дәрежесін қорытындылайды. E. coli және L. innocua егілген бактериялар 45 минуттық әсер етуден кейін 3,8 логаға айтарлықтай азайғанын көрсетті. Дәл осындай жағдайларда S. enterica 2,2 логаға азайғанын көрсетті, ал S. cerevisiae және M. parafortuitum 1,0 логаға азайғанын көрсетті.
E. coli, Salmonella enterica және L. innocua жасушаларында EWNS тудырған физикалық өзгерістерді көрсететін электрондық микрографтар (6-сурет). Бақылау бактериялары жасуша мембраналарының бүтіндігін көрсетті, ал ашық бактериялар сыртқы мембраналарды зақымдады.
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 нанометрлік диапазонда қалды, бұл бұрын жарияланған нәтижелерге өте ұқсас, бұл олардың ауада ұзақ уақыт бойы қалуына мүмкіндік береді. Байқалған полидисперстілікті беттік зарядтың өзгеруімен түсіндіруге болады, бұл Рейли эффектінің шамасын, кездейсоқтықты және EWNS-тің бірігу ықтималдығын анықтайды. Дегенмен, Нильсен және т.б.22 егжей-тегжейлі сипаттағандай, жоғары беттік заряд су тамшысының беттік энергиясын/кернеуін тиімді түрде арттыру арқылы булануды азайтады. Бұл теория біздің алдыңғы жарияланымымызда8 микротамшылар22 және EWNS үшін эксперименталды түрде расталды. Артық жұмыс уақытының 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 біркелкі емес екендігі және логарифмдік қалыпты үлестірімге сәйкес келетіні көрсетілді21. Алдыңғы жұмысымызбен салыстырғанда, беттік зарядтың екі еселенуі EPES жүйесіндегі тұндыру тиімділігін шамамен 100%-ға дейін екі есеге арттырады11.