Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз CSS колдоосу чектелген браузер версиясын колдонуп жатасыз. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, биз сизге жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде Шайкештик режимин өчүрүңүз). Мындан тышкары, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Жакында жасалма суу наноконструкцияларын (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 түрлөрүнө (ROS) бай. 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 EWNSтин касиеттерин так жөнгө салуу үчүн иштелип чыккан. EWNS касиеттеринин мүнөздөмөсү (заряды, өлчөмү жана ROS курамы) заманбап аналитикалык ыкмаларды колдонуу менен жүргүзүлдү. Мындан тышкары, Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortium жана Saccharomyces cerevisiae сыяктуу тамак-аш микроорганизмдери органикалык жүзүм помидорлорунун бетине алардын микробдук инактивдештирүү потенциалын баалоо үчүн сайылган. Бул жерде келтирилген жыйынтыктар EWNSтин касиеттерин синтез учурунда так жөнгө салууга болорун көрсөтүп турат, бул инактивдештирүүнүн натыйжалуулугунун экспоненциалдуу жогорулашына алып келет. Атап айтканда, беттик заряд төрт эсе көбөйдү, ал эми ROS курамы жогорулады. Микробдук заттарды жок кылуу ылдамдыгы микробдук көз каранды болуп, 40 000 #/см3 EWNS аэрозоль дозасына 45 мүнөт дуушар болгондон кийин 1,0дон 3,8 логго чейин өзгөрдү.
Микробдук булгануу - бул козгогучтардын же алардын токсиндеринин жутулушунан келип чыккан тамак-аш аркылуу жугуучу оорулардын негизги себеби. Тамак-аш аркылуу жугуучу оорулар АКШда эле жылына болжол менен 76 миллион ооруга, 325 000 ооруканага жаткырууга жана 5000 өлүмгө алып келет1. Мындан тышкары, АКШнын Айыл чарба министрлиги (USDA) жаңы азык-түлүктөрдү көп керектөө АКШда катталган бардык тамак-аш аркылуу жугуучу оорулардын 48 пайызына жооптуу деп эсептейт2. АКШда тамак-аш аркылуу жугуучу козгогучтардан улам келип чыккан оорулардын жана өлүмдөрдүн 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, радиациялык5 жана термикалык6 микробго каршы кийлигишүүлөр негизинен өндүрүш чынжырындагы чектелген критикалык көзөмөл чекиттеринде (ККЧ) (адатта түшүм жыйналгандан кийин жана/же таңгактоо учурунда) колдонулат, жаңы азыктар кайчылаш булганууга дуушар боло тургандай кылып үзгүлтүксүз ишке ашырылбайт7. Азык-түлүк аркылуу жугуучу ооруларды жана азык-түлүктүн бузулушун жакшыраак көзөмөлдөө үчүн микробго каршы кийлигишүүлөр зарыл жана аларды фермадан дасторконго чейинки континуум боюнча колдонуу мүмкүнчүлүгүнө ээ. Таасири жана баасы азыраак.
Жакында эле жасалма суу наноконструкцияларын (EWNS) колдонуу менен беттердеги жана абадагы бактерияларды инактивдештирүү үчүн нанотехнологияга негизделген химиялык заттарсыз микробго каршы платформа иштелип чыкты. EVNS синтези үчүн эки параллелдүү процесс колдонулган: электроспрей жана суу иондоштуруу (1a-сүрөт). EWNS мурда физикалык жана биологиялык касиеттердин уникалдуу жыйындысына ээ экени көрсөтүлгөн8,9,10. EWNS ар бир түзүлүштө орточо эсеп менен 10 электронго жана орточо нанометр өлчөмү 25 нмге барабар (1b,c-сүрөт)8,9,10. Мындан тышкары, электрондук спиндик резонанс (ESR) EWNSте көп сандаган реактивдүү кычкылтек түрлөрү (ROS), негизинен гидроксил (OH•) жана супероксид (O2-) радикалдары бар экенин көрсөттү (1c-сүрөт)8. EWNS абада көпкө чейин калып, абада кармалып турган жана беттерде болгон микробдор менен кагылышып, алардын ROS пайдалуу жүгүн жеткирип, микробдордун инактивдешүүсүнө алып келиши мүмкүн (1d-сүрөт). Бул мурунку изилдөөлөр EWNS беттерде жана абада микобактерияларды кошо алганда, коомдук саламаттыкты сактоо үчүн маанилүү болгон ар кандай грам-терс жана грам-позитивдүү бактериялар менен өз ара аракеттенип, аларды активдештире аларын көрсөттү8,9. Трансмиссиялык электрондук микроскопия инактивдештирүү клетка мембранасынын бузулушунан келип чыкканын көрсөттү. Мындан тышкары, курч ингаляциялык изилдөөлөр EWNSтин жогорку дозалары өпкөгө зыян келтирбей турганын же сезгенүүнү пайда кылбай турганын көрсөттү8.
(а) Электрочачыратуу капиллярдык суюктук менен каршы электроддун ортосуна жогорку чыңалуу колдонулганда пайда болот. (б) Жогорку чыңалуу колдонулушу эки башка кубулушка алып келет: (i) сууну электрочачыратуу жана (ii) EWNSте камалып калган реактивдүү кычкылтек түрлөрүнүн (иондорунун) пайда болушу. (в) EWNSтин уникалдуу түзүлүшү. (г) EWNS наноөлчөмдүү мүнөзүнөн улам 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, EWNS беттик зарядын максаттуу жеткирүү үчүн электр талаасы менен айкалыштырып колдонсо болору көрсөтүлдү. Андан да маанилүүсү, болжол менен 50 000#/см311 концентрациясында EWNSке дуушар болгондон кийин 90 мүнөттүн ичинде E. coli жана Listeria сыяктуу ар кандай азык-түлүк микроорганизмдерине каршы органикалык помидордун активдүүлүгүн болжол менен 1,4 логго азайтуунун келечектүү баштапкы натыйжасы байкалган. Мындан тышкары, алдын ала органолептикалык баалоо тесттери контролдук помидорго салыштырмалуу органолептикалык таасир көрсөткөн эмес. Бул баштапкы инактивдештирүү жыйынтыктары EWNSтин өтө төмөн дозалары 50 000#/см3 болгондо да азык-түлүк коопсуздугун убада кылганы менен, инфекция жана бузулуу коркунучун андан ары азайтуу үчүн жогорку инактивдештирүү потенциалы пайдалуураак болору айдан ачык.
Бул жерде биз изилдөөбүздү синтез параметрлерин тактоо жана EWNSтин физикалык-химиялык касиеттерин оптималдаштыруу үчүн алардын антибактериалдык потенциалын жогорулатуу максатында EWNS генерациялоо платформасын иштеп чыгууга багыттайбыз. Атап айтканда, оптималдаштыруу алардын беттик зарядын (максаттуу жеткирүүнү жакшыртуу үчүн) жана ROS курамын (инактивдештирүүнүн натыйжалуулугун жогорулатуу үчүн) көбөйтүүгө багытталган. Заманбап аналитикалык ыкмаларды колдонуу менен жана E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae жана M. parafortuitum сыяктуу кеңири таралган тамак-аш микроорганизмдерин колдонуу менен оптималдаштырылган физикалык-химиялык касиеттерди (өлчөмү, заряды жана ROS курамы) мүнөздөө.
EVNS жогорку тазалыктагы сууну (18 МОм см–1) бир эле учурда электроспрейлөө жана иондоштуруу жолу менен синтезделген. Электр атомизатору 12 адатта суюктуктарды жана көзөмөлдөнгөн өлчөмдөгү синтетикалык полимер жана керамикалык бөлүкчөлөрдү 13 жана булаларды 14 атомдоштуруу үчүн колдонулат.
Мурунку басылмалардын 8, 9, 10, 11-пункттарында кеңири баяндалгандай, типтүү экспериментте металл капилляр менен жерге туташтырылган каршы электроддун ортосуна жогорку чыңалуу берилет. Бул процессте эки башка кубулуш пайда болот: 1) электроспрей жана 2) суунун иондошуусу. Эки электроддун ортосундагы күчтүү электр талаасы конденсацияланган суунун бетинде терс заряддардын топтолушуна алып келет, натыйжада Тейлор конустарынын пайда болушуна алып келет. Натыйжада, Рейли теориясына ылайык, жогорку заряддуу суу тамчылары пайда болот16, алар майда бөлүкчөлөргө бөлүнө берет. Ошол эле учурда, күчтүү электр талаасы суу молекулаларынын айрымдарынын бөлүнүп, электрондорду ажыратышына (иондошууга) алып келет, ошону менен көп санда реактивдүү кычкылтек түрлөрүн (ROS) пайда кылат17. Бир эле учурда пайда болгон ROS18 пакеттери EWNSке капталган (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. 2b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, суунун агымы бөтөлкөнүн ичиндеги аба басымы менен башкарылат. Ийне каршы электроддон белгилүү бир аралыкта кол менен жөнгө салынышы мүмкүн болгон тефлон консолуна бекитилген. Каршы электрод - 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 алгычтын бардык компоненттери бөлүкчөлөрдүн үлгү алуусун начарлатышы мүмкүн болгон заряддын топтолушун болтурбоо үчүн электрдик жактан жерге туташтырылган.
(а) Инженердик суу наноструктураларын түзүү системасы (EWNS). (б) Эң маанилүү параметрлерди көрсөткөн үлгү алгычтын жана электроспрей блогунун кесилиши. (в) Бактерияларды инактивдештирүү үчүн эксперименталдык орнотуу.
Жогоруда сүрөттөлгөн EWNS генерациялоо системасы EWNS касиеттерин так жөндөө 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. [V (kV), L (см)] символдору ар кандай айкалыштарды белгилөө үчүн колдонулат. Белгилүү бир топтомдогу [V, L] туруктуу Тейлор конусун алуу үчүн суунун агымын тууралаңыз. Бул изилдөөнүн максаттары үчүн каршы электроддун (D) апертурасы 0,5 дюймга (1,29 см) коюлган.
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 өлчөгүчүнө (SMPS, 3936 модели, TSI, Shoreview, Миннесота) туташтырылган жана мурунку басылмабызда сүрөттөлгөндөй, аэрозоль агымдарын өлчөө үчүн Faraday аэрозоль электрометри (TSI, 3068B модели, Shoreview, АКШ) менен колдонулган. SMPS да, аэрозоль электрометри да 0,5 л/мин агым ылдамдыгында үлгү алынган (жалпы үлгү агымы 1 л/мин). Бөлүкчөлөрдүн концентрациясы жана аэрозоль агымдары 120 секунд бою өлчөнгөн. Өлчөөнү 30 жолу кайталаңыз. Жалпы аэрозоль заряды токтун өлчөөлөрүнөн эсептелет, ал эми орточо EWNS заряды үлгү алынган EWNS бөлүкчөлөрүнүн жалпы санынан эсептелет. EWNSтин орточо баасын (1) теңдемени колдонуу менен эсептөөгө болот:
мында IEl - өлчөнгөн ток күчү, NSMPS - SMPS менен өлчөнгөн концентрациянын сандык көрсөткүчү, ал эми φEl - электрометрге агым ылдамдыгы.
Салыштырмалуу нымдуулук (СН) беттик зарядга таасир эткендиктен, эксперимент учурунда температура жана (СН) тиешелүүлүгүнө жараша 21°C жана 45% деңгээлинде туруктуу кармалган.
EWNSтин өлчөмүн жана иштөө мөөнөтүн өлчөө үчүн атомдук күч микроскопиясы (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта-Барбара, Калифорния) жана AC260T зонду (Olympus, Токио, Япония) колдонулган. AFM сканерлөө жыштыгы 1 Гц жана сканерлөө аянты 256 сканерлөө сызыгы менен 5 мкм × 5 мкм. Бардык сүрөттөр Asylum программалык камсыздоосун (100 нм диапазону жана 100 pm босогосу бар маска) колдонуп, биринчи тартиптеги сүрөттөрдү тегиздөөдөн өткөрүлдү.
Үлгү алуу воронкасын алып, слюданын бетин каршы электроддон 2,0 см аралыкта, бөлүкчөлөрдүн биригишине жана слюданын бетинде туура эмес тамчылардын пайда болушуна жол бербөө үчүн орточо эсеп менен 120 секундага коюңуз. EWNS жаңы кесилген слюда беттерине түз колдонулган (Тед Пелла, Реддинг, Калифорния). Чачыратылгандан кийин дароо слюданын бети AFM аркылуу көрсөтүлдү. Жаңы кесилген, өзгөртүлбөгөн слюданын беттик тийүү бурчу 0° жакын, ошондуктан EWNS слюданын бети боюнча күмбөз формасында тарайт20. Диффузиялануучу тамчылардын диаметри (а) жана бийиктиги (h) түздөн-түз AFM топографиясынан өлчөнгөн жана мурда текшерилген ыкмабызды колдонуп, күмбөз диффузия көлөмүн EWNS эсептөө үчүн колдонулган8. Борттогу EVNSтин көлөмү бирдей деп эсептесек, эквиваленттүү диаметрди (2) теңдемеден эсептөөгө болот:
Биздин мурда иштелип чыккан ыкмабызга ылайык, EWNSте кыска мөөнөттүү радикалдуу аралык заттардын бар экендигин аныктоо үчүн электрондук спин-резонанстык (ESR) спин тузак колдонулган. Аэрозольдор 235 мМ DEPMPO (5-(диэтоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксид) (Oxis International Inc., Портленд, Орегон) камтыган эритмеден өткөрүлгөн. Бардык EPR өлчөөлөрү Bruker EMX спектрометри (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АКШ) жана жалпак клеткалуу массивдер аркылуу жүргүзүлгөн. Маалыматтарды чогултуу жана талдоо үчүн Acquisit программасы (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, АКШ) колдонулган. ROS мүнөздөмөсү иштөө шарттарынын жыйындысы үчүн гана жүргүзүлгөн [-6,5 кВ, 4,0 см]. EWNS концентрациялары сокку уруучуда EWNSтин жоголушун эске алгандан кийин SMPS аркылуу өлчөнгөн.
Озондун деңгээли 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Боулдер, Ко)8,9,10 аркылуу көзөмөлдөнгөн.
EWNSтин бардык касиеттери үчүн өлчөө мааниси өлчөөлөрдүн орточо мааниси, ал эми өлчөө катасы стандарттык четтөө болуп саналат. Оптималдаштырылган EWNS атрибутунун маанисин базалык EWNSтин тиешелүү мааниси менен салыштыруу үчүн t-тест жүргүзүлдү.
2c-сүрөттө EWNS11ди беттерге багыттоо үчүн колдонула турган мурда иштелип чыккан жана мүнөздөлгөн Электростатикалык Жаан-чачын Өткөрүү Системасы (EPES) көрсөтүлгөн. EPES EWNS зарядын күчтүү электр талаасы менен айкалыштырып, бутага түз "багыттайт". EPES системасынын чоо-жайы Пиргиотакис жана башкалар тарабынан жакында жарыяланган.11. Ошентип, EPES ортосунда 15,24 см аралыкта эки параллель дат баспас болоттон (304 дат баспас болоттон жасалган, күзгүдөн жылтыратылган) металл пластиналарды камтыган конус формасындагы учтары бар 3D басылган ПВХ камерадан турат. Такталар тышкы жогорку чыңалуудагы булакка туташтырылган (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), астыңкы такта ар дайым оң жана үстүнкү такта ар дайым жерге туташтырылган (калкып жүргөн). Камеранын дубалдары алюминий фольга менен капталган, ал бөлүкчөлөрдүн жоголушунун алдын алуу үчүн электрдик жерге туташтырылган. Камерада жогорку чыңалуудагы тоскоолдуктардан качуу үчүн сыноо беттерин пластик текчелерге коюуга мүмкүндүк берген, аларды астыңкы металл пластинадан көтөрүп, герметикалык алдыңкы жүктөө эшиги бар.
EPESтеги EWNSтин чөктүрүү эффективдүүлүгү S111 кошумча сүрөттө кеңири баяндалган мурда иштелип чыккан протоколго ылайык эсептелген.
Башкаруу камерасы катары цилиндрдик камера аркылуу экинчи агым EWNSти алып салуу үчүн аралык HEPA чыпкасын колдонуп, EPES системасы менен удаалаш туташтырылат. 2c-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, EWNS аэрозолу удаалаш туташтырылган эки 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 азык-түлүктөрдү булгаары аныкталган, мисалы, фекалдык индикатор болгон Escherichia coli (ATCC #27325), тамак-аш аркылуу жугуучу патоген болгон Salmonella enterica (ATCC #53647), патогендик Listeria monocytogenesке альтернатива болгон Listeria innocua (ATCC #33090). , бузулуучу ачыткыга альтернатива катары Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) жана туруктуураак тирүү бактерия катары Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) ATCCден (Manassas, Вирджиния) сатылып алынган.
Жергиликтүү базардан органикалык жүзүм помидорлорунун кутучаларын кокусунан сатып алып, колдонгонго чейин (3 күнгө чейин) 4°C температурада муздаткычка салыңыз. Бир өлчөмдөгү, диаметри болжол менен 1/2 дюйм болгон помидорлорду тандап, эксперимент жасаңыз.
Инкубация, эмдөө, экспозиция жана колонияларды саноо протоколдору мурунку басылмаларыбызда кеңири баяндалган жана Кошумча маалыматтар 11де кеңири түшүндүрүлгөн. EWNSтин иштеши эмделген помидорлорду 40 000 #/см3 га 45 мүнөткө тийгизүү менен бааланган. Кыскача айтканда, t = 0 мүнөт убакытта, аман калган микроорганизмдерди баалоо үчүн үч помидор колдонулган. Үч помидор EPESке салынып, EWNSке 40 000 #/см3 басымда (EWNSке дуушар болгон помидорлор), ал эми дагы үчөө контролдук камерага (контролдук помидорлор) жайгаштырылган. Помидор топторунун бири да кошумча иштетүүгө дуушар болгон эмес. EWNSке дуушар болгон помидорлор жана контролдук топтор EWNSтин таасирин баалоо үчүн 45 мүнөттөн кийин алынып салынган.
Ар бир эксперимент үч нускада жүргүзүлдү. Маалыматтарды талдоо Кошумча маалыматтарда сүрөттөлгөн протоколго ылайык жүргүзүлдү.
E. coli, Enterobacter жана L. innocua бактерияларынын үлгүлөрү EWNSке (45 мүнөт, EWNS аэрозолунун концентрациясы 40 000 #/см3) дуушар болуп, таасирсиз абалда калган үлгүлөр инактивдештирүү механизмдерин баалоо үчүн гранулаланган. Чөкмө бөлмө температурасында 0,1 М натрий какодилат эритмесинде (рН 7,4) 2,5% глутаральдегид, 1,25% параформальдегид жана 0,03% пикрин кислотасынын фиксациясы менен 2 саат бою фиксацияланган. Жуудан кийин, алар 1% осмий тетроксиди (OsO4)/1,5% калий ферроцианиди (KFeCN6) менен 2 саат бою фиксацияланган, 3 жолу суу менен жуулган жана 1% уранил ацетатында 1 саат инкубацияланган, андан кийин эки жолу суу менен жуулган. Андан кийин 50%, 70%, 90%, 100% спирттин ар бири 10 мүнөттөн суусуздандырылган. 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, TEM аркылуу AMT 2k CCD камерасы менен жабдылган кадимки трансмиссиялык электрондук микроскоп (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA) JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Япония) аркылуу көрсөтүлгөн.
Бардык эксперименттер үч жолу жүргүзүлдү. Ар бир убакыт чекити үчүн бактериялык жуугучтар үч жолу жазылып, ар бир чекитке жалпысынан тогуз маалымат чекити туура келди, алардын орточо мааниси ошол организм 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 этүү мезгилинде бактериялардын табигый деградациясын эске алуу үчүн, 45 мүнөттөгү контролдук топ менен салыштырганда, Log-Reduction 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. Туруктуу жана кайталануучу касиеттерди көрсөткөн толук изилдөө үчүн эки учур тандалып алынган (Тейлор конусу, EWNS өндүрүшү жана убакыттын өтүшү менен туруктуулук). 3-сүрөттө эки учур үчүн ROS заряды, өлчөмү жана курамы боюнча жыйынтыктар көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар 1-таблицада да кыскача берилген. Маалымат үчүн, 3-сүрөттө жана 1-таблицада 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 ийненин учунун ортосундагы аралыктын (L) таасири боюнча изилдөөлөр кирет (S2 жана S3 кошумча сүрөттөр).
(a–c) AFM өлчөмүнүн бөлүштүрүлүшү. (d – f) Беттик заряддын мүнөздөмөсү. (g) ROS жана ESRдин мүнөздөмөсү.
Ошондой эле, жогоруда айтылган шарттардын баары үчүн өлчөнгөн иондоштуруу токтору 2-6 µA диапазонунда, ал эми чыңалуулары -3,8ден -6,5 кВга чейин болгонун белгилей кетүү маанилүү, бул бир терминалдуу EWNS үчүн энергия керектөө 50 мВттан аз болгон. . генерациялоо модулу. 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] сценарийлерине ылайык талаалар тиешелүүлүгүнө жараша 2 × 105 В/м жана 4,7 × 105 В/м катары эсептелет. Бул күтүлгөн нерсе, анткени экинчи учурда чыңалуу менен аралыктын 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] сценарийлери үчүн орточо EWNS диаметрлери тиешелүүлүгүнө жараша 27 нм жана 19 нм катары эсептелген. [-6,5 кВ, 4,0 см] жана [-3,8 кВ, 0,5 см] учурлары 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 түзөт. 3c-сүрөттө ошол эле шарттарда ошол эле ыкманы колдонуп өлчөнгөн баштапкы 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. Baseline-EWNS (10 ± 2 e-) менен салыштырганда, алардын беттик заряды бир топ жогору, [-6,5 кВ, 4,0 см] сценарийине караганда эки эсе жана [-3 .8 кВ, 0,5 см] сценарийине караганда төрт эсе көп. 3f EWNSтин негизги төлөм маалыматтарын көрсөтөт.
EWNS санынын концентрация карталарынан (S5 жана S6 кошумча сүрөттөрү), [-6,5 кВ, 4,0 см] көрүнүшүндө [-3,8 кВ, 0,5 см] көрүнүшүнө караганда бөлүкчөлөрдүн саны бир топ көп экенин көрүүгө болот. Ошондой эле, EWNS санынын концентрациясы 4 саатка чейин көзөмөлдөнгөнүн (S5 жана S6 кошумча сүрөттөрү) белгилей кетүү керек, мында EWNS генерациясынын туруктуулугу эки учурда тең бөлүкчөлөрдүн санынын концентрациясынын бирдей деңгээлдерин көрсөткөн.
3g-сүрөттө [-6,5 кВ, 4,0 см] чыңалуудагы оптималдаштырылган EWNS үчүн башкаруу (фондук) кемитүүдөн кийинки EPR спектри көрсөтүлгөн. ROS спектри мурда жарыяланган макалада EWNS базалык сызыгы менен да салыштырылган. Спиндик тузак менен реакцияга кирген EWNSтин эсептелген саны 7,5 × 104 EWNS/с түзөт, бул мурда жарыяланган Baseline-EWNS8ге окшош. EPR спектрлери эки түрдөгү ROSтун бар экендигин так көрсөттү, мында O2- басымдуулук кылган, ал эми OH• азыраак өлчөмдө болгон. Мындан тышкары, чоку интенсивдүүлүгүн түздөн-түз салыштыруу оптималдаштырылган EWNS 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. Эки EUNS учуру үчүн тең чөктүрүү 3,0 кВ төмөнкү чыңалууда да 100%га жакын болгон. Адатта, беттик заряддын өзгөрүшүнө карабастан 100% чөктүрүүгө жетүү үчүн 3,0 кВ жетиштүү. Ошол эле шарттарда, төмөнкү заряддан улам (EWNSке орточо 10 электрон) Базалык-EWNSтин чөктүрүү эффективдүүлүгү 56% гана түзгөн.
5-сүрөттө жана 2-таблицада оптималдуу сценарий боюнча [-6,5 кВ, 4,0 см] болжол менен 40 000 #/см3 EWNS менен 45 мүнөт таасир эткенден кийин помидордун бетине себилген микроорганизмдердин инактивдешүү даражасы кыскача баяндалган. Себилген E. coli жана L. innocua бактериялары 45 мүнөт таасир эткенден кийин 3,8 логарифмге олуттуу кыскарган. Ошол эле шарттарда, S. enterica логарифмдин 2,2 логарифмге азыраак кыскарганын көрсөттү, ал эми S. cerevisiae жана M. parafortuitum 1,0 логарифмге азайганын көрсөттү.
E. coli, Salmonella enterica жана L. innocua клеткаларында EWNS тарабынан индукцияланган физикалык өзгөрүүлөрдү чагылдырган электрондук микрографтар (6-сүрөт). Контролдук бактериялар клетка мембраналарынын бүтүндүгүн көрсөттү, 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 касиеттеринин (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, бул мурда жарыяланган жыйынтыктарга абдан окшош, бул алардын абада узак убакыт бою калуусуна мүмкүндүк берет. Байкалган полидисперстүүлүктү беттик заряддын өзгөрүшү менен түшүндүрүүгө болот, алар Рейли эффектинин чоңдугун, кокустукту жана EWNSтин потенциалдуу биригүүсүн аныктайт. Бирок, Нильсен жана башкалар тарабынан кеңири баяндалгандай22, жогорку беттик заряд суу тамчысынын беттик энергиясын/чыңалуусун натыйжалуу жогорулатуу менен бууланууну азайтат. Бул теория биздин мурунку басылмабызда8 микротамчылар22 жана EWNS үчүн эксперименталдык түрдө тастыкталган. Ашыкча убакыттын жоголушу да өлчөмгө таасир этип, байкалган өлчөмдүн бөлүштүрүлүшүнө салым кошо алат.
Мындан тышкары, ар бир түзүлүштөгү заряд шарттарга 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 бирдей эмес жана логарифмдик нормалдуу бөлүштүрүүгө туура келери көрсөтүлдү21. Мурунку ишибизге салыштырмалуу, беттик заряддын эки эсе көбөйүшү EPES системасындагы чөкмө эффективдүүлүгүн дээрлик 100%га чейин эки эсеге көбөйтөт11.