Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com. Jūsų naudojama naršyklės versija turi ribotą CSS palaikymą. Kad galėtumėte naudotis visomis įmanomomis funkcijomis, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“). Tuo tarpu, siekdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę pateiksime be stilių ir „JavaScript“.
Neseniai buvo sukurta cheminių medžiagų neturinti antimikrobinė platforma, pagrįsta nanotechnologijomis, naudojant dirbtinio vandens nanostruktūras (EWNS). EWNS turi didelį paviršiaus krūvį ir yra prisotintos reaktyviųjų deguonies formų (ROS), kurios gali sąveikauti su daugeliu mikroorganizmų, įskaitant maiste esančius patogenus, ir juos inaktyvuoti. Čia parodyta, kad jų savybes sintezės metu galima tiksliai sureguliuoti ir optimizuoti, siekiant dar labiau padidinti jų antibakterinį potencialą. EWNS laboratorinė platforma buvo sukurta siekiant tiksliai sureguliuoti EWNS savybes keičiant sintezės parametrus. EWNS savybių (ROS krūvis, dydis ir kiekis) apibūdinimas naudojant šiuolaikinius analitinius metodus. Be to, buvo įvertintas jų mikrobų inaktyvavimo potencialas prieš maiste esančius mikroorganizmus, tokius kaip Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum ir Saccharomyces cerevisiae. Čia pateikti rezultatai rodo, kad EWNS savybes galima tiksliai sureguliuoti sintezės metu, todėl inaktyvavimo efektyvumas padidėja eksponentiškai. Visų pirma, paviršiaus krūvis padidėjo keturis kartus, o reaktyviųjų deguonies formų padaugėjo. Mikrobų pašalinimo greitis priklausė nuo mikrobų ir svyravo nuo 1,0 iki 3,8 log po 45 minučių trukmės 40 000 #/cc EWNS aerozolio dozės poveikio.
Mikrobinė tarša yra pagrindinė maistu plintančių ligų, kurias sukelia patogenų ar jų toksinų prarijimas, priežastis. Vien Jungtinėse Valstijose maistu plintančios ligos kasmet sukelia apie 76 milijonus ligų, 325 000 hospitalizacijų ir 5 000 mirčių1. Be to, Jungtinių Valstijų Žemės ūkio departamentas (USDA) apskaičiavo, kad padidėjęs šviežių produktų vartojimas yra 48 % visų praneštų maistu plintančių ligų Jungtinėse Valstijose2. Maistu plintančių patogenų sukeltų ligų ir mirčių kaina Jungtinėse Valstijose yra labai didelė – Ligų kontrolės ir prevencijos centrai (CDC) apskaičiavo, kad ji siekia daugiau nei 15,6 milijardo JAV dolerių per metus3.
Šiuo metu cheminės4, radiacinės5 ir terminės6 antimikrobinės intervencijos, skirtos užtikrinti maisto saugą, dažniausiai atliekamos ribotuose kritiniuose kontrolės taškuose (KKP) visoje gamybos grandinėje (paprastai po derliaus nuėmimo ir (arba) pakavimo metu), o ne nuolat. Todėl jos yra linkusios į kryžminę taršą. 7. Norint geriau kontroliuoti per maistą plintančias ligas ir maisto gedimą, reikia antimikrobinių intervencijų, kurias būtų galima taikyti visame „nuo ūkio iki stalo“ procese, kartu sumažinant poveikį aplinkai ir sąnaudas.
Neseniai buvo sukurta cheminių medžiagų neturinti, nanotechnologijomis pagrįsta antimikrobinė platforma, kuri, naudodama dirbtines vandens nanostruktūras (EWNS), gali inaktyvuoti paviršines ir ore esančias bakterijas. EWNS buvo susintetinta naudojant du lygiagrečius procesus: elektropurškimą ir vandens jonizaciją (1a pav.). Ankstesni tyrimai parodė, kad EWNS pasižymi unikaliomis fizikinėmis ir biologinėmis savybėmis8,9,10. EWNS vidutiniškai turi 10 elektronų vienoje struktūroje, o vidutinis nanoskalės dydis yra 25 nm (1b, c pav.)8,9,10. Be to, elektronų sukinio rezonansas (ESR) parodė, kad EWNS turi daug reaktyviųjų deguonies formų (ROS), daugiausia hidroksilo (OH•) ir superoksido (O2-) radikalų (1c pav.)8. EVNS ilgą laiką būna ore ir gali susidurti su ore ir paviršiuje esančiais mikroorganizmais, pernešdamos savo ROS naudingąją medžiagą ir inaktyvuodamos mikroorganizmus (1d pav.). Šie ankstyvieji tyrimai taip pat parodė, kad EWNS gali sąveikauti su įvairiomis gramneigiamomis ir gramteigiamomis bakterijomis, įskaitant mikobakterijas, ant paviršių ir ore, ir jas inaktyvuoti. Transmisinė elektroninė mikroskopija parodė, kad inaktyvaciją sukėlė ląstelės membranos pažeidimas. Be to, ūmaus įkvėpimo tyrimai parodė, kad didelės EWNS dozės nesukelia plaučių pažeidimo ar uždegimo8.
a) Elektropurškimas vyksta, kai tarp kapiliarinio vamzdelio su skysčiu ir priešelektrodo prijungiama aukšta įtampa. b) Dėl aukšto slėgio atsiranda du skirtingi reiškiniai: i) vandens elektropurškimas ir ii) reaktyviųjų deguonies formų (jonų), įstrigusių EWNS, susidarymas. c) Unikali EWNS struktūra. d) Dėl savo nanoskalės pobūdžio EWNS yra labai judrios ir gali sąveikauti su ore esančiais patogenais.
Neseniai taip pat buvo įrodytas EWNS antimikrobinės platformos gebėjimas inaktyvuoti maiste esančius mikroorganizmus ant šviežio maisto paviršiaus. Taip pat buvo įrodyta, kad EWNS paviršiaus krūvis kartu su elektriniu lauku gali būti naudojamas tiksliniam tiekimui pasiekti. Be to, preliminarūs ekologiškų pomidorų rezultatai po 90 minučių trukmės poveikio maždaug 50 000 #/cm3 EWNS buvo daug žadantys, stebint įvairius maiste esančius mikroorganizmus, tokius kaip E. coli ir Listeria 11. Be to, preliminarūs organoleptiniai tyrimai neparodė jokio juslinio poveikio, palyginti su kontroliniais pomidorais. Nors šie pradiniai inaktyvavimo rezultatai yra daug žadantys maisto saugos srityje net ir esant labai mažoms 50 000 #/cc EWNS dozėms, akivaizdu, kad didesnis inaktyvavimo potencialas būtų naudingesnis siekiant dar labiau sumažinti infekcijos ir gedimo riziką.
Čia mes sutelksime savo tyrimus į EWNS generavimo platformos kūrimą, kad būtų galima tiksliai derinti sintezės parametrus ir optimizuoti EWNS fizikines ir chemines savybes, siekiant padidinti jų antibakterinį potencialą. Optimizavimas ypač sutelktas į jų paviršiaus krūvio (siekiant pagerinti tikslinį perdavimą) ir ROS kiekio (siekiant pagerinti inaktyvavimo efektyvumą) didinimą. Apibūdinsime optimizuotas fizikines ir chemines savybes (dydį, krūvį ir ROS kiekį), naudodami šiuolaikinius analitinius metodus ir įprastus maisto mikroorganizmus, tokius kaip E.
EVNS buvo susintetintas vienu metu elektropurškiant ir jonizuojant labai gryną vandenį (18 MΩ cm–1). Elektrinis purkštuvas 12 paprastai naudojamas skysčiams atomizuoti ir kontroliuojamo dydžio polimerų bei keraminių dalelių 13 ir pluoštų 14 sintezei.
Kaip išsamiai aprašyta ankstesnėse publikacijose 8, 9, 10, 11, tipiškame eksperimente tarp metalinio kapiliaro ir įžeminto priešpriešinio elektrodo buvo prijungta aukšta įtampa. Šio proceso metu vyksta du skirtingi reiškiniai: i) elektropurškimas ir ii) vandens jonizacija. Stiprus elektrinis laukas tarp dviejų elektrodų sukelia neigiamų krūvių kaupimąsi kondensuoto vandens paviršiuje, dėl ko susidaro Teiloro kūgiai. Dėl to susidaro labai įkrauti vandens lašeliai, kurie toliau skyla į mažesnes daleles, kaip ir Rayleigh teorijoje16. Tuo pačiu metu stiprūs elektriniai laukai sukelia kai kurių vandens molekulių skylimą ir elektronų atitraukimą (jonizaciją), dėl ko susidaro didelis kiekis reaktyviųjų deguonies formų (ROS)17. Tuo pačiu metu susidaręs ROS18 buvo įkapsuliuotas EWNS (1c pav.).
2a pav. parodyta šiame tyrime sukurta ir EWNS sintezėje panaudota EWNS generavimo sistema. Uždarytame butelyje laikomas išgrynintas vanduo per tefloninį vamzdelį (vidinis skersmuo 2 mm) buvo tiekiamas į 30G nerūdijančio plieno adatą (metalinį kapiliarą). Vandens srautą kontroliuoja oro slėgis butelyje, kaip parodyta 2b paveiksle. Adata pritvirtinta prie tefloninio pulto ir gali būti rankiniu būdu reguliuojama tam tikru atstumu nuo priešpriešinio elektrodo. Priešpriešinis elektrodas yra poliruotas aliuminio diskas su skylute centre mėginių ėmimui. Po priešpriešiniu elektrodu yra aliuminio mėginių ėmimo piltuvėlis, kuris yra prijungtas prie likusios eksperimentinės sistemos per mėginių ėmimo angą (2b pav.). Siekiant išvengti krūvio kaupimosi, kuris galėtų sutrikdyti mėginių ėmimo įrenginio veikimą, visi mėginių ėmimo įrenginio komponentai yra elektriškai įžeminti.
(a) Inžinerinė vandens nanostruktūrų generavimo sistema (EWNS). (b) Mėginių ėmiklio ir elektros purškimo skerspjūvis, kuriame parodyti svarbiausi parametrai. (c) Eksperimentinė bakterijų inaktyvavimo įranga.
Aukščiau aprašyta EWNS generavimo sistema gali keisti pagrindinius veikimo parametrus, kad būtų lengviau tiksliai sureguliuoti EWNS savybes. Reguliuokite tiekiamą įtampą (V), atstumą tarp adatos ir priešpriešinio elektrodo (L) ir vandens srautą (φ) per kapiliarą, kad tiksliai sureguliuotumėte EWNS charakteristikas. Simbolis, naudojamas skirtingiems deriniams žymėti: [V (kV), L (cm)]. Reguliuokite vandens srautą, kad gautumėte stabilų tam tikro rinkinio Tayloro kūgį [V, L]. Šio tyrimo tikslais priešpriešinio elektrodo angos skersmuo (D) buvo palaikomas 0,5 colio (1,29 cm).
Dėl ribotos geometrijos ir asimetrijos elektrinio lauko stiprumo negalima apskaičiuoti remiantis pirmaisiais principais. Vietoj to, elektriniam laukui apskaičiuoti buvo naudojama „QuickField™“ programinė įranga (Svendborgas, Danija)19. Elektrinis laukas nėra vienodas, todėl įvairioms konfigūracijoms kaip atskaitos vertė buvo naudojama elektrinio lauko vertė kapiliarų gale.
Tyrimo metu buvo įvertinti keli įtampos ir atstumo tarp adatos ir priešelektrodo deriniai, atsižvelgiant į Tayloro kūgio formavimąsi, Tayloro kūgio stabilumą, EWNS susidarymo stabilumą ir atkuriamumą. Įvairūs deriniai pateikti papildomoje S1 lentelėje.
EWNS generavimo sistemos išvestis buvo tiesiogiai prijungta prie skenuojančio judrumo dalelių dydžio analizatoriaus (SMPS, modelis 3936, TSI, Shoreview, MN) dalelių skaičiaus koncentracijai matuoti, taip pat prie aerozolių Faradėjaus elektrometro (TSI, modelis 3068B, Shoreview, MN). ) aerozolių srovėms matuoti buvo aprašyta ankstesniame mūsų leidinyje. Tiek SMPS, tiek aerozolių elektrometras ėmė mėginius 0,5 l/min srauto greičiu (bendras mėginio srautas 1 l/min). Dalelių skaičiaus koncentracija ir aerozolių srautas buvo matuojami 120 sekundžių. Matavimas kartojamas 30 kartų. Remiantis srovės matavimais, apskaičiuojamas bendras aerozolio krūvis ir įvertinamas vidutinis EWNS krūvis tam tikram bendram pasirinktų EWNS dalelių skaičiui. Vidutinę EWNS kainą galima apskaičiuoti pagal (1) lygtį:
kur IEl yra išmatuota srovė, NSMPS yra skaitmeninė koncentracija, išmatuota naudojant SMPS, o φEl yra srautas vienam elektrometrui.
Kadangi santykinė drėgmė (RH) veikia paviršiaus krūvį, temperatūra ir (RH) eksperimento metu buvo palaikomos pastovios – atitinkamai 21 °C ir 45 %.
EWNS dydžiui ir gyvavimo trukmei matuoti buvo naudojama atominės jėgos mikroskopija (AFM), „Asylum MFP-3D“ („Asylum Research“, Santa Barbara, Kalifornija) ir AC260T zondas („Olympus“, Tokijas, Japonija). AFM skenavimo dažnis buvo 1 Hz, skenavimo plotas – 5 μm × 5 μm, o skenavimo linijos – 256. Visiems vaizdams buvo atliktas pirmos eilės vaizdų lygiavimas naudojant „Asylum“ programinę įrangą (kaukės diapazonas 100 nm, slenkstis 100 pm).
Bandymo piltuvėlis buvo išimtas, o žėručio paviršius buvo pastatytas 2,0 cm atstumu nuo priešelektrodo vidutiniam 120 s laikui, siekiant išvengti dalelių aglomeracijos ir netaisyklingų lašelių susidarymo žėručio paviršiuje. EWNS buvo purškiamas tiesiai ant šviežiai pjaustyto žėručio paviršiaus (Ted Pella, Redding, CA). Žėručio paviršiaus vaizdas iškart po AFM purškimo. Šviežiai pjaustyto nemodifikuoto žėručio paviršiaus sąlyčio kampas yra artimas 0°, todėl EVNS pasiskirsto žėručio paviršiuje kupolo pavidalu. Difuzuojančių lašelių skersmuo (a) ir aukštis (h) buvo išmatuoti tiesiai iš AFM topografijos ir panaudoti EWNS kupolo formos difuzijos tūriui apskaičiuoti naudojant anksčiau patvirtintą metodą. Darant prielaidą, kad įmontuotų EWNS tūris yra toks pat, ekvivalentinį skersmenį galima apskaičiuoti pagal (2) lygtį:
Remiantis anksčiau sukurtu metodu, elektronų sukinio rezonanso (ESR) sukinio gaudyklė buvo naudojama trumpaamžių radikalų tarpinių produktų buvimui EWNS aptikti. Aerozoliai buvo burbuliuojami per 650 μm „Midget“ purkštuvą („Ace Glass“, Vinelandas, Naujasis Džersis), kuriame buvo 235 mM DEPMPO(5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirolin-N-oksido) („Oxis International Inc.“) tirpalo. Portlandas, Oregonas). Visi ESR matavimai buvo atlikti naudojant „Bruker EMX“ spektrometrą („Bruker Instruments Inc.“, Billerica, MA, JAV) ir plokščiąją celę. Duomenims rinkti ir analizuoti buvo naudojama „Acquisit“ programinė įranga („Bruker Instruments Inc.“, Billerica, MA, JAV). ROS charakteristikos buvo nustatytos tik esant tam tikroms veikimo sąlygoms [-6,5 kV, 4,0 cm]. EWNS koncentracijos buvo matuojamos naudojant SMPS, atsižvelgus į EWNS nuostolius impactoryje.
Ozono lygis buvo stebimas naudojant „205 Dual Beam Ozone Monitor™“ („2B Technologies“, Boulderis, Koloradas)8,9,10.
Visoms EWNS savybėms vidutinė vertė naudojama kaip matavimo vertė, o standartinis nuokrypis – kaip matavimo paklaida. T-testai buvo atlikti siekiant palyginti optimizuotų EWNS atributų vertes su atitinkamomis bazinių EWNS vertėmis.
2c paveiksle parodyta anksčiau sukurta ir apibūdinta elektrostatinio nusodinimo (EPES) „traukos“ sistema, kuri gali būti naudojama tiksliniam EWNS tiekimui į paviršių. EPES naudoja EVNS krūvius, kurie, veikiant stipriam elektriniam laukui, gali būti „nukreipti“ tiesiai į taikinio paviršių. Išsami EPES sistemos informacija pateikta neseniai Pyrgiotakis ir kt. publikacijoje 11. Taigi, EPES sudaro 3D spausdinta PVC kamera su kūginiais galais ir dvi lygiagrečios nerūdijančio plieno (304 nerūdijančio plieno, veidrodiniu būdu dengtos) metalinės plokštės, esančios centre 15,24 cm atstumu viena nuo kitos. Plokštės buvo prijungtos prie išorinio aukštos įtampos šaltinio („Bertran 205B-10R“, „Spellman“, Hauppauge, NY), apatinė plokštė visada buvo prijungta prie teigiamos įtampos, o viršutinė plokštė visada buvo prijungta prie žemės (plūduriuojančio įžeminimo). Kameros sienelės yra padengtos aliuminio folija, kuri yra elektriškai įžeminta, kad būtų išvengta dalelių praradimo. Kamera turi sandarias priekines pakrovimo dureles, leidžiančias bandymo paviršius pastatyti ant plastikinių stovų, kurie juos pakelia virš apatinės metalinės plokštės, kad būtų išvengta aukštos įtampos trukdžių.
EWNS nusodinimo efektyvumas EPES buvo apskaičiuotas pagal anksčiau sukurtą protokolą, išsamiai aprašytą papildomame S111 paveiksle.
Kaip valdymo kamera, prie EPES sistemos nuosekliai prijungta antra cilindrinė srauto kamera, kurioje EWNS šalinti buvo naudojamas tarpinis HEPA filtras. Kaip parodyta 2c paveiksle, EWNS aerozolis buvo pumpuojamas per dvi įmontuotas kameras. Filtras tarp valdymo patalpos ir EPES pašalina visus likusius EWNS, todėl temperatūra (T), santykinė drėgmė (RH) ir ozono lygis išlieka tokie patys.
Nustatyta, kad svarbūs maiste plintantys mikroorganizmai užteršia šviežius maisto produktus, pavyzdžiui, E. coli (ATCC #27325), išmatų indikatorius, Salmonella enterica (ATCC #53647), maiste plintantis patogenas Listeria harmless (ATCC #33090), patogeninės Listeria monocytogenes surogatinė bakterija, gauta iš ATCC (Manasas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), gedimą sukeliančių mielių pakaitalas, ir atsparesnė inaktyvuota bakterija Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Vietiniame turguje nusipirkite atsitiktines dėžutes ekologiškų vynuoginių pomidorų ir laikykite šaldytuve 4 °C temperatūroje iki naudojimo (iki 3 dienų). Eksperimentiniai pomidorai buvo vienodo dydžio, maždaug 1/2 colio skersmens.
Kultūros, inokuliacijos, ekspozicijos ir kolonijų skaičiaus protokolai išsamiai aprašyti ankstesniame mūsų leidinyje ir papildomuose duomenyse. EWNS veiksmingumas buvo įvertintas inokuliuotus pomidorus 45 minutes veikiant 40 000 #/cm3. Trumpai tariant, trys pomidorai buvo panaudoti išgyvenusių mikroorganizmų įvertinimui laiko momentu t = 0 min. Trys pomidorai buvo įdėti į EPES ir paveikti EWNS 40 000 #/cc greičiu (EWNS paveikti pomidorai), o likę trys buvo įdėti į kontrolinę kamerą (kontroliniai pomidorai). Papildomas pomidorų apdorojimas abiejose grupėse nebuvo atliktas. EWNS paveikti pomidorai ir kontroliniai pomidorai buvo pašalinti po 45 minučių, kad būtų įvertintas EWNS poveikis.
Kiekvienas eksperimentas buvo atliktas trimis egzemplioriais. Duomenų analizė atlikta pagal papildomuose duomenyse aprašytą protokolą.
Inaktyvacijos mechanizmai buvo įvertinti sedimentuojant paveiktus EWNS mėginius (45 min. esant 40 000 #/cm3 EWNS aerozolio koncentracijai) ir nešvitintus nekenksmingų bakterijų E. coli, Salmonella enterica ir Lactobacillus mėginius. Dalelės buvo fiksuotos 2,5 % glutaraldehido, 1,25 % paraformaldehido ir 0,03 % pikro rūgšties 0,1 M natrio kakodilato buferyje (pH 7,4) 2 valandas kambario temperatūroje. Po plovimo 2 valandas fiksuojamos 1 % osmio tetroksidu (OsO4) / 1,5 % kalio ferocianidu (KFeCN6), 3 kartus plaunamos vandeniu ir 1 valandą inkubuojamos 1 % uranilo acetate, po to du kartus plaunamos vandeniu, o tada 10 minučių dehidratuojamos 50 %, 70 %, 90 % ir 100 % alkoholyje. Tada mėginiai 1 valandai buvo patalpinti į propileno oksidą ir impregnuoti 1:1 propileno oksido ir TAAP Epon mišiniu („Marivac Canada Inc.“, St. Laurent, Kalifornija). Mėginiai buvo įterpti į TAAB Epon ir polimerizuoti 60 °C temperatūroje 48 valandas. Sukietėjusi granuliuota derva buvo supjaustyta ir vizualizuota TEM metodu, naudojant įprastą transmisinį elektroninį mikroskopą JEOL 1200EX („JEOL“, Tokijas, Japonija) su AMT 2k CCD kamera („Advanced Microscopy Techniques“, Korp., Voburnas, Masačusetsas, JAV).
Visi eksperimentai buvo atlikti trimis egzemplioriais. Kiekvienam laiko taškui bakterijų plovyklos buvo pasėtos trimis egzemplioriais, gaunant iš viso devynis duomenų taškus kiekvienam taškui, kurių vidurkis buvo naudojamas kaip bakterijų koncentracija tam konkrečiam mikroorganizmui. Standartinis nuokrypis buvo naudojamas kaip matavimo paklaida. Visi taškai įskaičiuoti.
Bakterijų koncentracijos sumažėjimo logaritmas, palyginti su t = 0 min, buvo apskaičiuotas pagal šią formulę:
kur C0 yra bakterijų koncentracija kontroliniame mėginyje 0 laiko momentu (t. y. po to, kai paviršius išdžiūvo, bet prieš įdedant jį į kamerą), o Cn yra bakterijų koncentracija ant paviršiaus po n minučių veikimo.
Siekiant atsižvelgti į natūralų bakterijų skaidymąsi 45 minučių trukmės poveikio metu, logaritminis sumažėjimas, palyginti su kontroline grupe po 45 minučių, taip pat buvo apskaičiuotas taip:
kur Cn yra bakterijų koncentracija kontroliniame mėginyje n laiko momentu, o Cn-Control yra kontrolinių bakterijų koncentracija n laiko momentu. Duomenys pateikiami kaip logaritminis sumažėjimas, palyginti su kontroline grupe (be EWNS poveikio).
Tyrimo metu buvo įvertinti keli įtampos ir atstumo tarp adatos ir priešpriešinio elektrodo deriniai, atsižvelgiant į Teiloro kūgio formavimąsi, Teiloro kūgio stabilumą, EWNS susidarymo stabilumą ir atkuriamumą. Įvairūs deriniai pateikti 1 papildomoje lentelėje. Išsamiam tyrimui buvo pasirinkti du atvejai, rodantys stabilias ir atkuriamas savybes (Teiloro kūgis, EWNS susidarymas ir stabilumas laikui bėgant). 3 paveiksle pateikti abiejų atvejų ROS krūvio, dydžio ir kiekio rezultatai. Rezultatai taip pat apibendrinti 1 lentelėje. Informacijai, tiek 3 paveiksle, tiek 1 lentelėje pateiktos anksčiau susintetintų neoptimizuotų EWNS8, 9, 10, 11 (bazinis EWNS) savybės. Statistinio reikšmingumo skaičiavimai, naudojant dvipusį t testą, yra pakartotinai paskelbti 2 papildomoje lentelėje. Be to, papildomi duomenys apima priešpriešinio elektrodo mėginių ėmimo angos skersmens (D) ir atstumo tarp įžeminimo elektrodo ir antgalio (L) poveikio tyrimus (2 ir 3 papildomi paveikslai).
(ac) AFM metodu išmatuotas dydžio pasiskirstymas. (df) Paviršiaus krūvio charakteristika. (g) EPR ROS charakteristika.
Taip pat svarbu atkreipti dėmesį, kad visomis minėtomis sąlygomis išmatuota jonizacijos srovė buvo nuo 2 iki 6 μA, o įtampa – nuo ​​-3,8 iki -6,5 kV, todėl šio vieno EWNS generavimo kontaktinio modulio energijos suvartojimas buvo mažesnis nei 50 mW. Nors EWNS buvo susintetintas esant aukštam slėgiui, ozono lygis buvo labai žemas ir niekada neviršijo 60 ppb.
Papildomame S4 ​​paveiksle parodyti atitinkamai [-6,5 kV, 4,0 cm] ir [-3,8 kV, 0,5 cm] scenarijuose sumodeliuoti elektriniai laukai. [-6,5 kV, 4,0 cm] ir [-3,8 kV, 0,5 cm] scenarijuose lauko skaičiavimai yra atitinkamai 2 × 10⁶ V/m ir 4,7 × 10⁶ V/m. Tai tikėtina, nes antruoju atveju įtampos ir atstumo santykis yra daug didesnis.
3a ir 3b paveiksluose parodytas AFM8 išmatuotas EWNS skersmuo. Apskaičiuoti vidutiniai EWNS skersmenys buvo atitinkamai 27 nm ir 19 nm [-6,5 kV, 4,0 cm] ir [-3,8 kV, 0,5 cm] schemoms. [-6,5 kV, 4,0 cm] ir [-3,8 kV, 0,5 cm] scenarijuose pasiskirstymų geometriniai standartiniai nuokrypiai yra atitinkamai 1,41 ir 1,45, o tai rodo siaurą dydžių pasiskirstymą. Tiek vidutinis dydis, tiek geometrinis standartinis nuokrypis yra labai artimi baziniam EWNS, atitinkamai 25 nm ir 1,41. 3c paveiksle parodytas bazinio EWNS dydžio pasiskirstymas, išmatuotas tuo pačiu metodu tomis pačiomis sąlygomis.
3d, e paveiksluose pateikti krūvio charakteristikų rezultatai. Duomenys yra 30 vienu metu atliktų koncentracijos (#/cm3) ir srovės (I) matavimų vidurkiai. Analizė rodo, kad vidutinis EWNS krūvis yra atitinkamai 22 ± 6 e⁻ ir 44 ± 6 e⁻ esant [-6,5 kV, 4,0 cm] ir [-3,8 kV, 0,5 cm]. Jų paviršiaus krūviai yra žymiai didesni, palyginti su baziniais EWNS (10 ± 2 e⁻), du kartus didesni nei [-6,5 kV, 4,0 cm] scenarijuje ir keturis kartus didesni nei [-3,8 kV, 0,5 cm]. 3f paveiksle pateikti bazinio EWNS krūvio duomenys.
Iš EWNS skaičiaus koncentracijos žemėlapių (papildomi S5 ir S6 paveikslai) matyti, kad [-6,5 kV, 4,0 cm] scenarijuje dalelių yra žymiai daugiau nei [-3,8 kV, 0,5 cm] scenarijuje. Taip pat verta paminėti, kad EWNS skaičiaus koncentracija buvo stebima iki 4 valandų (papildomi S5 ir S6 paveikslai), kur EWNS generavimo stabilumas abiem atvejais parodė tą patį dalelių skaičiaus koncentracijos lygį.
3g pav. parodytas EPR spektras atėmus optimizuotą EWNS kontrolę (foną) ties [-6,5 kV, 4,0 cm]. ROS spektrai taip pat buvo palyginti su anksčiau paskelbtame darbe aprašytu bazinio EWNS scenarijumi. Su sukinių gaudyklų reaguojančių EWNS skaičius buvo apskaičiuotas kaip 7,5 × 104 EWNS/s, o tai yra panašu į anksčiau paskelbtą bazinio EWNS8 scenarijų. EPR spektrai aiškiai parodė dviejų tipų ROS buvimą: vyraujanti rūšis yra O₂⁻, o OH• – mažiau. Be to, tiesioginis smailių intensyvumo palyginimas parodė, kad optimizuotame EWNS ROS kiekis buvo žymiai didesnis, palyginti su baziniu EWNS.
4 paveiksle parodytas EWNS nusodinimo efektyvumas EPES sistemoje. Duomenys taip pat apibendrinti I lentelėje ir palyginti su pradiniais EWNS duomenimis. Abiem EUNS atvejais nusodinimas yra artimas 100 % net esant žemai 3,0 kV įtampai. Paprastai 3,0 kV pakanka 100 % nusodinimui, nepriklausomai nuo paviršiaus krūvio pokyčio. Tokiomis pačiomis sąlygomis bazinių EWNS nusodinimo efektyvumas buvo tik 56 % dėl mažesnio jų krūvio (vidutiniškai 10 elektronų vienam EWNS).
5 pav. ir 2 lentelėje apibendrinta mikroorganizmų, inokuliuotų pomidorų paviršiuje po 45 minučių trukmės maždaug 40 000 #/cm3 EWNS poveikio optimaliu režimu [-6,5 kV, 4,0 cm], inaktyvavimo vertė. Inokuliuotų E. coli ir Lactobacillus innocuous bakterijų aktyvumas per 45 minučių trukusį poveikį reikšmingai sumažėjo – 3,8 log. Tokiomis pačiomis sąlygomis S. enterica bakterijų aktyvumas sumažėjo 2,2 log, o S. cerevisiae ir M. parafortutum – 1,0 log.
Elektroninės mikrografijos (6 pav.) vaizduoja EWNS sukeltus fizinius pokyčius nekenksmingose ​​Escherichia coli, Streptococcus ir Lactobacillus ląstelėse, dėl kurių jos inaktyvuojamos. Kontrolinės bakterijos turėjo nepažeistas ląstelių membranas, o paveiktos bakterijos – pažeistas išorines membranas.
Kontrolinių ir paveiktų bakterijų elektroninis mikroskopinis vaizdavimas atskleidė membranų pažeidimus.
Optimizuotų EWNS fizikocheminių savybių duomenys rodo, kad EWNS savybės (paviršiaus krūvis ir ROS kiekis) buvo žymiai pagerintos, palyginti su anksčiau paskelbtais EWNS baziniais duomenimis8,9,10,11. Kita vertus, jų dydis išliko nanometrų diapazone, labai panašus į anksčiau pateiktus rezultatus, todėl jie gali išlikti ore ilgą laiką. Stebimą polidispersiškumą galima paaiškinti paviršiaus krūvio pokyčiais, kurie lemia EWNS dydį, Rayleigh efekto atsitiktinumu ir galima koalescencija. Tačiau, kaip išsamiai aprašė Nielsen ir kt.22, didelis paviršiaus krūvis sumažina garavimą, efektyviai padidindamas vandens lašo paviršiaus energiją / įtempimą. Ankstesnėje mūsų publikacijoje8 ši teorija buvo eksperimentiškai patvirtinta mikrolašeliams22 ir EWNS. Krūvio praradimas laikui bėgant taip pat gali turėti įtakos dydžiui ir prisidėti prie stebimo dydžio pasiskirstymo.
Be to, vienos struktūros krūvis yra apie 22–44 e⁻, priklausomai nuo situacijos, o tai yra žymiai daugiau, palyginti su bazine EWNS, kurios vidutinis krūvis yra 10 ± 2 elektronai vienoje struktūroje. Tačiau reikėtų pažymėti, kad tai yra vidutinis EWNS krūvis. Seto ir kt. Įrodyta, kad krūvis yra nehomogeniškas ir atitinka logaritminį normalųjį skirstinį21. Palyginti su ankstesniu mūsų darbu, paviršiaus krūvio padvigubinimas EPES sistemoje padvigubina nusodinimo efektyvumą iki beveik 100 %11.