Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүңүз). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Жакында жасалма суу нанокструктураларын (EWNS) колдонуу менен нанотехнологияга негизделген химиялык заттарсыз микробго каршы платформа иштелип чыкты. EWNS жогорку беттик зарядга ээ жана бир катар микроорганизмдер, анын ичинде тамак-аш аркылуу жугуучу патогендер менен өз ара аракеттенип, аларды инактивдештире алган реактивдүү кычкылтек түрлөрү (ROS) менен каныккан. Бул жерде алардын синтез учурундагы касиеттерин антибактериалдык потенциалын андан ары жогорулатуу үчүн так жөнгө салууга жана оптималдаштырууга болору көрсөтүлгөн. EWNS лабораториялык платформасы синтез параметрлерин өзгөртүү аркылуу EWNS касиеттерин так жөнгө салуу үчүн иштелип чыккан. Заманбап аналитикалык ыкмаларды колдонуу менен EWNS касиеттерин (заряды, өлчөмү жана ROS курамы) мүнөздөө. Мындан тышкары, алар Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum жана Saccharomyces cerevisiae сыяктуу тамак-аш аркылуу жугуучу микроорганизмдерге каршы микробдук инактивдештирүү потенциалы боюнча бааланган. Бул жерде келтирилген жыйынтыктар EWNS касиеттерин синтез учурунда так жөнгө салууга болорун көрсөтүп турат, бул инактивдештирүүнүн натыйжалуулугунун экспоненциалдуу жогорулашына алып келет. Атап айтканда, беттик заряд төрт эсеге көбөйүп, реактивдүү кычкылтек түрлөрү көбөйгөн. Микробдорду жок кылуу ылдамдыгы микробдук жактан көз каранды болгон жана 40 000 #/cc EWNS аэрозоль дозасына 45 мүнөт таасир эткенден кийин 1,0дон 3,8 logго чейин болгон.
Микробдук булгануу - бул козгогучтардын же алардын токсиндеринин жутулушунан келип чыккан тамак-аш аркылуу жугуучу оорулардын негизги себеби. Бир гана Америка Кошмо Штаттарында тамак-аш аркылуу жугуучу оорулар жыл сайын болжол менен 76 миллион ооруга, 325 000 ооруканага жаткырууга жана 5000 өлүмгө алып келет1. Мындан тышкары, Америка Кошмо Штаттарынын Айыл чарба министрлиги (USDA) жаңы азык-түлүктөрдү көп керектөө АКШда катталган бардык тамак-аш аркылуу жугуучу оорулардын 48% үчүн жооптуу деп эсептейт2. Америка Кошмо Штаттарында тамак-аш аркылуу жугуучу козгогучтардан келип чыккан оорулардын жана өлүмдүн баасы өтө жогору, Ооруларды көзөмөлдөө жана алдын алуу борборлору (CDC) тарабынан жылына 15,6 миллиард АКШ долларынан ашык деп бааланган3.
Учурда азык-түлүк коопсуздугун камсыз кылуу үчүн химиялык4, радиация5 жана жылуулук6 микробго каршы кийлигишүүлөр көбүнчө өндүрүш чынжыры боюнча (адатта түшүм жыйналгандан кийин жана/же таңгактоо учурунда) үзгүлтүксүз эмес, чектелген критикалык көзөмөл чекиттеринде (ККЧ) жүргүзүлөт. Ошентип, алар кайчылаш булганууга жакын. 7. Тамак-аш аркылуу жугуучу ооруларды жана азык-түлүктүн бузулушун жакшыраак көзөмөлдөө үчүн айлана-чөйрөгө тийгизген таасирин жана чыгымдарды азайтуу менен бирге фермадан дасторконго чейинки континуум боюнча колдонулушу мүмкүн болгон микробго каршы кийлигишүүлөр талап кылынат.
Жакында эле химиялык заттарсыз, нанотехнологияга негизделген микробго каршы платформа иштелип чыкты, ал жасалма суу наноструктураларын (EWNS) колдонуу менен жер үстүндөгү жана абадагы бактерияларды инактивдештире алат. EWNS эки параллелдүү процессти, электроспрейди жана сууну иондоштурууну колдонуу менен синтезделген (1a-сүрөт). Мурунку изилдөөлөр EWNSтин уникалдуу физикалык жана биологиялык касиеттери бар экенин көрсөттү8,9,10. EWNSтин ар бир түзүлүшүндө орточо эсеп менен 10 электрон жана орточо наномасштабдуу өлчөмү 25 нм (1b,c-сүрөт)8,9,10. Мындан тышкары, электрондук спиндик резонанс (ESR) EWNSтин курамында көп сандаган реактивдүү кычкылтек түрлөрү (ROS), негизинен гидроксил (OH•) жана супероксиддик (O2-) радикалдары бар экенин көрсөттү (1c-сүрөт)8. EVNS абада көп убакыт бою болот жана абада кармалып турган жана бетинде болгон микроорганизмдер менен кагылышып, алардын ROS пайдалуу жүгүн жеткирип, микроорганизмдердин инактивдешүүсүнө алып келиши мүмкүн (1d-сүрөт). Бул алгачкы изилдөөлөр ошондой эле EWNS беттерде жана абада микобактерияларды кошо алганда, ар кандай грам-терс жана грам-позитивдүү бактериялар менен өз ара аракеттенип, аларды активдештире аларын көрсөттү. Трансмиссиялык электрондук микроскопия инактивдештирүү клетка мембранасынын бузулушунан улам келип чыкканын көрсөттү. Мындан тышкары, курч ингаляциялык изилдөөлөр EWNSтин жогорку дозалары өпкөгө зыян келтирбей турганын же сезгенүүнү пайда кылбай турганын көрсөттү 8.
(а) Электрочачыратуу суюктук салынган капилляр түтүк менен каршы электроддун ортосуна жогорку чыңалуу колдонулганда пайда болот. (б) Жогорку басымды колдонуу эки башка кубулушка алып келет: (i) сууну электрочачыратуу жана (ii) EWNSте камалып калган реактивдүү кычкылтек түрлөрүнүн (иондорунун) пайда болушу. (в) EWNSтин уникалдуу түзүлүшү. (г) Наномасштабдуу мүнөзүнөн улам, EWNS өтө мобилдүү жана абадагы патогендер менен өз ара аракеттене алат.
Жакында эле EWNS микробго каршы платформасынын жаңы азыктардын бетиндеги азык-түлүк аркылуу жугуучу микроорганизмдерди инактивдештирүү жөндөмү да көрсөтүлдү. Ошондой эле, EWNSтин электр талаасы менен айкалышып, беттик заряды максаттуу жеткирүүгө жетишүү үчүн колдонулушу мүмкүн экени көрсөтүлдү. Андан тышкары, органикалык помидорлор үчүн болжол менен 50 000 #/см3 EWNSте 90 мүнөттүк таасирден кийинки алдын ала жыйынтыктар кубандырды, ал эми E. coli жана Listeria 11 сыяктуу ар кандай азык-түлүк аркылуу жугуучу микроорганизмдер байкалды. Мындан тышкары, алдын ала органолептикалык тесттер контролдук помидорлорго салыштырмалуу эч кандай сенсордук таасирлерди көрсөткөн жок. Бул баштапкы инактивдештирүү жыйынтыктары азык-түлүк коопсуздугун колдонуу үчүн 50 000 #/см3 өтө төмөн дозаларда да кубандырды. караңыз, инфекция жана бузулуу коркунучун андан ары азайтуу үчүн жогорку инактивдештирүү потенциалы пайдалуураак болору айдан ачык.
Бул жерде биз изилдөөбүздү синтез параметрлерин так жөндөөгө жана EWNSтин физикалык-химиялык касиеттерин оптималдаштырууга мүмкүндүк берүүчү EWNS генерациялоо платформасын иштеп чыгууга багыттайбыз, бул алардын антибактериалдык потенциалын жогорулатуу үчүн жасалат. Атап айтканда, оптималдаштыруу алардын беттик зарядын (максаттуу жеткирүүнү жакшыртуу үчүн) жана ROS курамын (инактивдештирүүнүн натыйжалуулугун жогорулатуу үчүн) көбөйтүүгө багытталган. Заманбап аналитикалык ыкмаларды колдонуу менен оптималдаштырылган физикалык-химиялык касиеттерди (өлчөмү, заряды жана ROS курамы) мүнөздөө жана E. сыяктуу кеңири таралган тамак-аш микроорганизмдерин колдонуу.
EVNS бир эле учурда электроспрейлөө жана жогорку тазалыктагы сууну (18 МОм см–1) иондоштуруу жолу менен синтезделген. Электрдик небулайзер 12 адатта суюктуктарды атомдоштуруу жана көзөмөлдөнгөн өлчөмдөгү полимер жана керамикалык бөлүкчөлөрдү 13 жана булаларды 14 синтездөө үчүн колдонулат.
Мурунку басылмалардын 8, 9, 10, 11-пункттарында кеңири баяндалгандай, типтүү экспериментте металл капилляр менен жерге туташтырылган каршы электроддун ортосуна жогорку чыңалуу колдонулган. Бул процессте эки башка кубулуш пайда болот: i) электроспрей жана ii) суунун иондоштурулушу. Эки электроддун ортосундагы күчтүү электр талаасы конденсацияланган суунун бетинде терс заряддардын топтолушуна алып келет, натыйжада Тейлор конустарынын пайда болушуна алып келет. Натыйжада, жогорку заряддуу суу тамчылары пайда болот, алар Рейли теориясындагыдай эле майда бөлүкчөлөргө бөлүнө берет16. Ошол эле учурда, күчтүү электр талаалары кээ бир суу молекулаларынын бөлүнүп, электрондорду ажыратышына (иондоштурулушуна) алып келет, бул көп сандаган реактивдүү кычкылтек түрлөрүнүн (ROS) пайда болушуна алып келет17. Бир эле учурда пайда болгон ROS18 EWNSке капсулаланган (1c-сүрөт).
2a-сүрөттө бул изилдөөдө EWNS синтезинде иштелип чыккан жана колдонулган EWNS генерациялоо системасы көрсөтүлгөн. Жабык бөтөлкөгө сакталган тазаланган суу тефлон түтүгү (ички диаметри 2 мм) аркылуу 30G дат баспас болоттон жасалган ийнеге (металл капилляр) берилген. Суунун агымы 2b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, бөтөлкөнүн ичиндеги аба басымы менен башкарылат. Ийне тефлон консолуна орнотулган жана каршы электроддон белгилүү бир аралыкка кол менен жөнгө салынышы мүмкүн. Каршы электрод - бул ортосунда үлгү алуу үчүн тешик бар жылмаланган алюминий диск. Каршы электроддун астында алюминий үлгү алуу воронкасы жайгашкан, ал үлгү алуу порту аркылуу эксперименталдык түзүлүштүн калган бөлүгүнө туташтырылган (2b-сүрөт). Үлгү алуучунун ишин бузушу мүмкүн болгон заряддын топтолушун болтурбоо үчүн, үлгү алуучунун бардык компоненттери электрдик жактан жерге туташтырылган.
(а) Инженердик суу наноструктураларын түзүү системасы (EWNS). (б) Эң маанилүү параметрлерди көрсөткөн үлгү алгычтын жана электроспрейдин кесилиши. (в) Бактерияларды инактивдештирүү үчүн эксперименталдык орнотуу.
Жогоруда сүрөттөлгөн EWNS генерациялоо системасы EWNS касиеттерин так жөндөөнү жеңилдетүү үчүн негизги иштөө параметрлерин өзгөртө алат. EWNS мүнөздөмөлөрүн так жөндөө үчүн колдонулган чыңалууну (V), ийне менен каршы электроддун ортосундагы аралыкты (L) жана капилляр аркылуу суунун агымын (φ) тууралаңыз. Ар кандай айкалыштарды көрсөтүү үчүн колдонулган символ: [V (kV), L (см)]. Белгилүү бир топтомдогу туруктуу Тейлор конусун алуу үчүн суунун агымын тууралаңыз [V, L]. Бул изилдөөнүн максаттары үчүн каршы электроддун (D) тешик диаметри 0,5 дюймда (1,29 см) сакталган.
Геометриянын жана асимметриянын чектелүүлүгүнөн улам, электр талаасынын чыңалуусун биринчи принциптерден эсептөөгө болбойт. Анын ордуна, электр талаасын эсептөө үчүн QuickField™ программасы (Свендборг, Дания)19 колдонулган. Электр талаасы бирдей эмес, ошондуктан капиллярдын учундагы электр талаасынын мааниси ар кандай конфигурациялар үчүн эталондук маани катары колдонулган.
Изилдөө учурунда ийне менен каршы электроддун ортосундагы чыңалуу жана аралыктын бир нече айкалыштары Тейлор конусунун пайда болушу, Тейлор конусунун туруктуулугу, EWNS өндүрүшүнүн туруктуулугу жана кайталануучулугу жагынан бааланган. Ар кандай айкалыштар S1 кошумча таблицасында көрсөтүлгөн.
EWNS генерациялоо системасынын чыгышы бөлүкчөлөрдүн санынын концентрациясын өлчөө үчүн түздөн-түз сканерлөөчү мобилдүүлүк бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүн анализаторго (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN), ошондой эле аэрозольдук ток үчүн аэрозольдук Фарадей электрометрине (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN) туташтырылган. SMPS да, аэрозольдук электрометр да 0,5 л/мин агым ылдамдыгында (жалпы үлгү агымы 1 л/мин) үлгү алынган. Бөлүкчөлөрдүн санынын концентрациясы жана аэрозоль агымы 120 секунд бою өлчөнгөн. Өлчөө 30 жолу кайталанат. Учурдагы өлчөөлөрдүн негизинде аэрозольдун жалпы заряды эсептелет жана тандалган EWNS бөлүкчөлөрүнүн берилген жалпы саны үчүн орточо EWNS заряды бааланат. EWNSтин орточо баасын (1) теңдемени колдонуу менен эсептөөгө болот:
мында IEl - өлчөнгөн ток күчү, NSMPS - SMPS менен өлчөнгөн санариптик концентрация, ал эми φEl - бир электрометрге туура келген агым ылдамдыгы.
Салыштырмалуу нымдуулук (СН) беттик зарядга таасир эткендиктен, эксперимент учурунда температура жана (СН) тиешелүүлүгүнө жараша 21°C жана 45% температурада туруктуу сакталган.
EWNSтин өлчөмүн жана иштөө мөөнөтүн өлчөө үчүн атомдук күч микроскопиясы (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Калифорния) жана AC260T зонду (Олимп, Токио, Япония) колдонулган. AFM сканерлөө жыштыгы 1 Гц, сканерлөө аянты 5 мкм × 5 мкм жана 256 сканерлөө сызыгы болгон. Бардык сүрөттөр Asylum программасын колдонуу менен 1-тартиптеги сүрөттөрдү тегиздөөдөн өткөн (маска диапазону 100 нм, босого 100 pm).
Сыноо воронкасы алынып салынды жана слюданын бети бөлүкчөлөрдүн агломерациясын жана слюданын бетинде туура эмес тамчылардын пайда болушун болтурбоо үчүн каршы электроддон 2,0 см аралыкта 120 секунд орточо эсеп менен жайгаштырылды. EWNS жаңы кесилген слюданын бетине түз чачылды (Тед Пелла, Реддинг, Калифорния). AFM чачыраткандан кийин слюданын бетинин сүрөтү. Жаңы кесилген, өзгөртүлбөгөн слюданын бетинин тийүү бурчу 0° жакын, ошондуктан EVNS слюданын бетинде күмбөз түрүндө бөлүштүрүлгөн. Диффузиялануучу тамчылардын диаметри (а) жана бийиктиги (h) түздөн-түз AFM топографиясынан өлчөнгөн жана мурда текшерилген ыкмабызды колдонуп, EWNS күмбөздүү диффузия көлөмүн эсептөө үчүн колдонулган. Борттогу EWNSтин көлөмү бирдей деп эсептесек, эквиваленттүү диаметрди (2) теңдемени колдонуп эсептөөгө болот:
Мурда иштелип чыккан ыкмабыздын негизинде, EWNSте кыска мөөнөттүү радикалдуу аралык заттардын бар экендигин аныктоо үчүн электрондук спин-резонанстык (ESR) спиндик тузак колдонулган. Аэрозолдор 235 мМ DEPMPO(5-(диэтоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксид) (Oxis International Inc.) эритмесин камтыган 650 мкм Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ) аркылуу көбүктөлгөн. Бардык ESR өлчөөлөрү Bruker EMX спектрометри (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АКШ) жана жалпак панелдүү клетканын жардамы менен жүргүзүлдү. Маалыматтарды чогултуу жана талдоо үчүн Acquisit программасы (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АКШ) колдонулган. ROS мүнөздөмөлөрүн аныктоо иштөө шарттарынын жыйындысы үчүн гана жүргүзүлдү [-6,5 кВ, 4,0 см]. EWNS концентрациялары сокку уруучудагы EWNS жоготууларын эске алгандан кийин SMPSти колдонуу менен өлчөнгөн.
Озондун деңгээли 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Боулдер, Ко)8,9,10 аркылуу көзөмөлдөнгөн.
EWNSтин бардык касиеттери үчүн орточо маани өлчөө мааниси катары, ал эми стандарттык четтөө өлчөө катасы катары колдонулат. Оптималдаштырылган EWNS атрибуттарынын маанилерин базалык EWNSтин тиешелүү маанилери менен салыштыруу үчүн Т-тесттер жүргүзүлдү.
2c-сүрөттө мурда иштелип чыккан жана мүнөздөлгөн электростатикалык жаан-чачын (EPES) "тартуу" системасы көрсөтүлгөн, ал бетке EWNSти максаттуу жеткирүү үчүн колдонулушу мүмкүн. EPES күчтүү электр талаасынын таасири астында бутага түз "багытталуучу" EVNS заряддарын колдонот. EPES системасынын чоо-жайы Пиргиотакис жана башкалар тарабынан жакында жарыяланган 11 басылмада келтирилген. Ошентип, EPES учтары конус формасындагы 3D басылган ПВХ камерасынан турат жана ортосунда 15,24 см аралыкта жайгашкан эки параллель дат баспас болоттон (304 дат баспас болоттон жасалган, күзгү менен капталган) металл пластиналарды камтыйт. Такталар тышкы жогорку чыңалуудагы булакка туташтырылган (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), астыңкы пластина ар дайым оң чыңалууга, ал эми үстүнкү пластина ар дайым жерге (калкып жүрүүчү жерге) туташтырылган. Камералардын дубалдары алюминий фольга менен капталган, ал бөлүкчөлөрдүн жоголушунун алдын алуу үчүн электрдик жактан жерге туташтырылган. Камерада жогорку чыңалуудагы тоскоолдуктарды болтурбоо үчүн сыноо беттерин астыңкы металл пластинадан жогору көтөрүүчү пластик стенддерге коюуга мүмкүндүк берүүчү герметикалык алдыңкы жүктөөчү эшик бар.
EPESтеги EWNSтин чөктүрүү эффективдүүлүгү S111 кошумча сүрөттө кеңири баяндалган мурда иштелип чыккан протоколго ылайык эсептелген.
Башкаруу камерасы катары экинчи цилиндр формасындагы агым камерасы EPES системасына удаалаш туташтырылган, анда EWNSти алып салуу үчүн ортоңку HEPA чыпкасы колдонулган. 2c-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, EWNS аэрозолу эки орнотулган камера аркылуу сордурулган. Башкаруу бөлмөсү менен EPESтин ортосундагы чыпка калган EWNSти алып салат, натыйжада температура (T), салыштырмалуу нымдуулук (RH) жана озон деңгээли бирдей болот.
Тамак-аш аркылуу жугуучу маанилүү микроорганизмдер жаңы азыктарды, мисалы, E. coli (ATCC #27325), фекалдык индикатор, Salmonella enterica (ATCC #53647), тамак-аш аркылуу жугуучу патоген, Listeria зыянсыз (ATCC #33090), патогендик Listeria monocytogenesтин суррогаты, ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) бактериясынан алынган, бузулуучу ачыткынын ордун басуучу жана туруктуураак инактивдештирилген бактерия Mycobacterium paralucky (ATCC #19686) сыяктуу азык-түлүк аркылуу жугуучу маанилүү микроорганизмдер булгаары аныкталган.
Жергиликтүү базардан органикалык жүзүм помидорлорунун кутучаларын сатып алып, колдонгонго чейин (3 күнгө чейин) 4°C температурада муздаткычка салыңыз. Эксперименталдык помидорлордун баары бирдей өлчөмдө, диаметри болжол менен 1/2 дюйм болгон.
Өстүрүү, эмдөө, таасир этүү жана колонияларды саноо протоколдору мурунку басылмабызда жана Кошумча маалыматтарда кеңири баяндалган. EWNSтин натыйжалуулугу эмделген помидорлорду 40 000 #/см3 га 45 мүнөткө тийгизүү менен бааланган. Кыскача айтканда, аман калган микроорганизмдерди t = 0 мүнөттө баалоо үчүн үч помидор колдонулган. Үч помидор EPESке салынып, EWNSке 40 000 #/см3 га (EWNSке дуушар болгон помидорлор) дуушар кылынган, ал эми калган үчөө контролдук камерага (контролдук помидорлор) жайгаштырылган. Эки топто тең помидорлорду кошумча иштетүү жүргүзүлгөн эмес. EWNSтин таасирин баалоо үчүн EWNSке дуушар болгон помидорлор жана контролдук помидорлор 45 мүнөттөн кийин алынып салынган.
Ар бир эксперимент үч нускада жүргүзүлдү. Маалыматтарды талдоо Кошумча маалыматтарда сүрөттөлгөн протоколго ылайык жүргүзүлдү.
Инактивдештирүү механизмдери ачык EWNS үлгүлөрүнүн (40 000 #/см3 EWNS аэрозолдук концентрациясында 45 мүнөт) жана нурланбаган зыянсыз E. coli, Salmonella enterica жана Lactobacillus бактерияларынын үлгүлөрүнүн чөкмөлөрү аркылуу бааланган. Бөлүкчөлөр бөлмө температурасында 2 саат бою 0,1 М натрий какодилат буферинде (рН 7,4) 2,5% глутаральдегидде, 1,25% параформальдегидде жана 0,03% пикрин кислотасында фиксацияланган. Жуудан кийин, 1% осмий тетроксиди (OsO4)/1,5% калий ферроцианиди (KFeCN6) менен 2 саат фиксациялангандан кийин, сууда 3 жолу жууп, 1% уранил ацетатында 1 саат инкубациялап, андан кийин эки жолу сууда жууп, андан кийин 50%, 70%, 90%, 100% спиртте 10 мүнөт кургатылган. Андан кийин үлгүлөр 1 саатка пропилен кычкылына салынып, пропилен кычкылы менен TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) 1:1 аралашмасы менен сиңирилген. Үлгүлөр TAAB Eponго салынып, 60°C температурада 48 саат бою полимерленген. Айыккан гранулдуу чайыр кесилип, AMT 2k CCD камерасы (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Массачусетс, АКШ) менен жабдылган кадимки трансмиссиялык электрондук микроскоп JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Япония) аркылуу TEM аркылуу көрсөтүлдү.
Бардык эксперименттер үч жолу жүргүзүлдү. Ар бир убакыт чекити үчүн бактериялык жуугучтар үч жолу колдонулуп, ар бир чекитке жалпысынан тогуз маалымат чекити туура келди, алардын орточо мааниси ошол микроорганизм үчүн бактериялык концентрация катары колдонулган. Стандарттык четтөө өлчөө катасы катары колдонулган. Бардык упайлар эсептелет.
Бактериялардын концентрациясынын t = 0 мүнөткө салыштырмалуу төмөндөшүнүн логарифми төмөнкү формула боюнча эсептелген:
мында C0 - 0 убакыттагы контролдук үлгүдөгү бактериялардын концентрациясы (б.а. бет кургагандан кийин, бирок камерага салынганга чейин) жана Cn - n мүнөт таасир этүүдөн кийинки беттеги бактериялардын концентрациясы.
45 мүнөттүк таасир учурунда бактериялардын табигый түрдө деградацияланышын эске алуу үчүн, 45 мүнөттөн кийинки контролдук топко салыштырмалуу логарифмдик азайуу төмөнкүдөй эсептелген:
Мында Cn - n убакыттагы контролдук үлгүдөгү бактериялардын концентрациясы, ал эми Cn-Control - n убакыттагы контролдук бактериялардын концентрациясы. Маалыматтар контролдук үлгүгө салыштырмалуу логарифмдик кыскартуу катары берилген (EWNS таасири жок).
Изилдөө учурунда ийне менен каршы электроддун ортосундагы чыңалуу жана аралыктын бир нече айкалыштары Тейлор конусунун пайда болушу, Тейлор конусунун туруктуулугу, EWNS өндүрүшүнүн туруктуулугу жана кайталануучулугу жагынан бааланган. Ар кандай айкалыштар S1 кошумча таблицасында көрсөтүлгөн. Ар тараптуу изилдөө үчүн туруктуу жана кайталануучу касиеттерди көрсөткөн эки учур (Тейлор конусу, EWNS генерациясы жана убакыттын өтүшү менен туруктуулук) тандалып алынган. 3-сүрөттө эки учурда тең ROSтун заряды, өлчөмү жана курамы боюнча жыйынтыктар көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар 1-таблицада да кыскача берилген. Маалымат үчүн, 3-сүрөттө да, 1-таблицада да мурда синтезделген оптималдаштырылбаган EWNS8, 9, 10, 11 (баштапкы EWNS) касиеттери камтылган. Эки куйруктуу t-тестти колдонуу менен статистикалык маанилүүлүк эсептөөлөрү S2 кошумча таблицасында кайрадан жарыяланган. Мындан тышкары, кошумча маалыматтарга каршы электроддун үлгү алуу тешигинин диаметринин (D) жана жердеги электрод менен учтун ортосундагы аралыктын (L) таасирин изилдөө кирет (S2 жана S3 кошумча сүрөттөр).
(ac) AFM менен өлчөнгөн өлчөмдөрдүн бөлүштүрүлүшү. (df) Беттик заряддын мүнөздөмөсү. (g) EPRдин ROS мүнөздөмөсү.
Ошондой эле, жогорудагы шарттардын баары үчүн өлчөнгөн иондоштуруу тогу 2ден 6 мкАга чейин жана чыңалуу -3,8ден -6,5 кВга чейин болгонун белгилей кетүү маанилүү, бул бир EWNS генерациялоочу контакттык модулу үчүн 50 мВттан аз энергия сарптоого алып келген. EWNS жогорку басым астында синтезделгени менен, озондун деңгээли өтө төмөн болгон, эч качан 60 ppb ашкан эмес.
Кошумча S4 сүрөтүндө [-6,5 кВ, 4,0 см] жана [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлери үчүн симуляцияланган электр талаалары көрсөтүлгөн. [-6,5 кВ, 4,0 см] жана [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлери үчүн талаа эсептөөлөрү тиешелүүлүгүнө жараша 2 × 105 В/м жана 4,7 × 105 В/м түзөт. Бул күтүлүүдө, анткени экинчи учурда чыңалуу-аралык катышы бир топ жогору.
3a,b-сүрөттө AFM8 менен өлчөнгөн EWNS диаметри көрсөтүлгөн. [-6,5 кВ, 4,0 см] жана [-3,8 кВ, 0,5 см] схемалары үчүн эсептелген орточо EWNS диаметрлери тиешелүүлүгүнө жараша 27 нм жана 19 нм болгон. [-6,5 кВ, 4,0 см] жана [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийлери үчүн бөлүштүрүүлөрдүн геометриялык стандарттык четтөөлөрү тиешелүүлүгүнө жараша 1,41 жана 1,45 түзөт, бул тар өлчөмдөгү бөлүштүрүүнү көрсөтөт. Орточо өлчөмдөгү жана геометриялык стандарттык четтөө баштапкы EWNSке абдан жакын, тиешелүүлүгүнө жараша 25 нм жана 1,41. 3c-сүрөттө ошол эле шарттарда ошол эле ыкманы колдонуп өлчөнгөн базалык EWNSтин өлчөмдөгү бөлүштүрүлүшү көрсөтүлгөн.
3d,e сүрөттө заряддын мүнөздөмөсүнүн жыйынтыктары көрсөтүлгөн. Маалыматтар концентрацияны (#/см3) жана токту (I) бир убакта 30 өлчөөнүн орточо өлчөөлөрү болуп саналат. Анализ көрсөткөндөй, EWNSтеги орточо заряд [-6,5 кВ, 4,0 см] жана [-3,8 кВ, 0,5 см] үчүн тиешелүүлүгүнө жараша 22 ± 6 e- жана 44 ± 6 e- түзөт. Алардын баштапкы EWNSке салыштырмалуу беттик заряддары бир кыйла жогору (10 ± 2 e-), [-6,5 кВ, 4,0 см] сценарийинен эки эсе жана [-3 .8 кВ, 0,5 см] сценарийинен төрт эсе чоң. 3f-сүрөттө баштапкы EWNS үчүн заряд маалыматтары көрсөтүлгөн.
EWNS санынын концентрация карталарынан (S5 жана S6 кошумча сүрөттөрү), [-6,5 кВ, 4,0 см] сценарийинде [-3,8 кВ, 0,5 см] сценарийине караганда бир топ көп бөлүкчөлөр бар экенин көрүүгө болот. Ошондой эле, EWNS санынын концентрациясы 4 саатка чейин көзөмөлдөнгөнүн белгилей кетүү керек (S5 жана S6 кошумча сүрөттөрү), мында EWNS генерациясынын туруктуулугу эки учурда тең бөлүкчөлөрдүн санынын концентрациясынын бирдей деңгээлдерин көрсөткөн.
3g-сүрөттө [-6,5 кВ, 4,0 см] оптималдаштырылган EWNS башкаруусун (фон) кемиткенден кийинки EPR спектри көрсөтүлгөн. ROS спектрлери мурда жарыяланган эмгекте Baseline-EWNS сценарийи менен да салыштырылган. Спиндик тузактар ​​менен реакцияга кирген EWNS саны 7,5 × 104 EWNS/с деп эсептелген, бул мурда жарыяланган Baseline-EWNS8ге окшош. EPR спектрлери эки түрдөгү ROSтун бар экендигин ачык көрсөттү, алардын ичинен O2- басымдуулук кылган түр, ал эми OH• азыраак болгон. Мындан тышкары, чоку интенсивдүүлүгүн түздөн-түз салыштыруу оптималдаштырылган EWNSтин базалык EWNSке салыштырмалуу ROS курамы бир кыйла жогору экенин көрсөттү.
4-сүрөттө EPESтеги EWNSтин чөктүрүү эффективдүүлүгү көрсөтүлгөн. Маалыматтар I таблицада да жалпыланган жана баштапкы EWNS маалыматтары менен салыштырылган. EUNSтин эки учуру үчүн тең чөктүрүү 3,0 кВ төмөнкү чыңалууда да 100% га жакын. Адатта, беттик заряддын өзгөрүшүнө карабастан, 3,0 кВ 100% чөктүрүү үчүн жетиштүү. Ошол эле шарттарда, Baseline-EWNSтин чөктүрүү эффективдүүлүгү алардын зарядынын төмөндүгүнөн улам болгону 56% түзгөн (EWNSке орточо эсеп менен 10 электрон).
5-сүрөттө жана 2-таблицада помидордун бетине болжол менен 40 000 #/см3 EWNS менен оптималдуу режимде [-6,5 кВ, 4,0 см] 45 мүнөт таасир эткенден кийин эмделген микроорганизмдердин инактивдештирүү мааниси кыскача көрсөтүлгөн. Эмделген E. coli жана Lactobacillus innocuous бактериялары 45 мүнөттүк таасир этүү учурунда 3,8 логго олуттуу азайган. Ошол эле шарттарда S. enterica 2,2 логго азайган, ал эми S. cerevisiae жана M. parafortutum 1,0 логго азайган.
Электрондук микрографтар (6-сүрөт) EWNS тарабынан зыянсыз Escherichia coli, Streptococcus жана Lactobacillus клеткаларында пайда болгон физикалык өзгөрүүлөрдү чагылдырат, бул алардын инактивдешүүсүнө алып келет. Контролдук бактериялардын клетка мембраналары бүтүн болгон, ал эми ачык бактериялар сырткы мембраналарды бузган.
Контролдук жана ачык бактериялардын электрондук микроскопиялык сүрөткө тартылышы мембрананын бузулушун көрсөттү.
Оптималдаштырылган EWNSтин физикалык-химиялык касиеттери боюнча маалыматтар жалпысынан EWNSтин касиеттери (беттик заряд жана ROS курамы) мурда жарыяланган EWNS баштапкы маалыматтарына салыштырмалуу бир топ жакшырганын көрсөтүп турат8,9,10,11. Башка жагынан алганда, алардын өлчөмү нанометрдик диапазондо калган, мурда билдирилген жыйынтыктарга абдан окшош, бул алардын абада узак убакыт бою калышына мүмкүндүк берген. Байкалган полидисперстүүлүктү EWNSтин өлчөмүн, Рейли эффектинин кокустугун жана потенциалдуу биригүүсүн аныктаган беттик заряддын өзгөрүшү менен түшүндүрүүгө болот. Бирок, Нильсен жана башкалар тарабынан кеңири баяндалгандай, 22, жогорку беттик заряд суу тамчысынын беттик энергиясын/чыңалуусун натыйжалуу жогорулатуу менен бууланууну азайтат. Биздин мурунку басылмабызда8 бул теория микротамчылар 22 жана EWNS үчүн эксперименталдык түрдө тастыкталган. Ашыкча убакыт учурунда заряддын жоголушу да өлчөмгө таасир этип, байкалган өлчөмдүн бөлүштүрүлүшүнө салым кошо алат.
Мындан тышкары, ар бир түзүлүштөгү заряд кырдаалга жараша болжол менен 22-44 e- түзөт, бул ар бир түзүлүштөгү орточо заряды 10 ± 2 электрон болгон негизги EWNSке салыштырмалуу бир топ жогору. Бирок, бул EWNSтин орточо заряды экенин белгилей кетүү керек. Сето жана башкалар. Заряд бир тектүү эмес жана логарифмдик нормалдуу бөлүштүрүүгө ылайык келери көрсөтүлдү21. Мурунку ишибизге салыштырмалуу, беттик заряддын эки эсе көбөйүшү EPES системасындагы чөкмө эффективдүүлүгүн дээрлик 100%га чейин эки эсеге көбөйтөт11.