Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Энэ хооронд бид сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр үзүүлэх болно.
Нэг дор гурван слайдыг харуулж буй тойруулга. Өмнөх болон Дараагийн товчлууруудыг ашиглан нэг дор гурван слайдаар шилжих эсвэл төгсгөлд байгаа гулсагч товчлууруудыг ашиглан нэг дор гурван слайдаар шилжих боломжтой.
Саяхан хиймэл усны нано бүтэц (EWNS) ашиглан нанотехнологид суурилсан химийн бодисгүй нянгийн эсрэг платформ боловсруулсан. EWNS нь өндөр гадаргуугийн цэнэгтэй бөгөөд хоол хүнсээр дамжих эмгэг төрүүлэгчдийг оролцуулан хэд хэдэн бичил биетэнтэй харилцан үйлчилж, идэвхгүй болгож чаддаг реактив хүчилтөрөгчийн төрөл зүйлээр (ROS) ханасан байдаг. Энд тэдгээрийн синтезийн явцад үүсэх шинж чанарыг нянгийн эсрэг чадавхийг нь улам сайжруулахын тулд нарийн тохируулж, оновчтой болгож болохыг харуулсан. EWNS лабораторийн платформыг синтезийн параметрүүдийг өөрчлөх замаар EWNS-ийн шинж чанарыг нарийн тохируулах зорилгоор бүтээсэн. Орчин үеийн аналитик аргыг ашиглан EWNS-ийн шинж чанарыг (цэнэг, хэмжээ, ROS-ийн агууламж) тодорхойлох. Нэмж дурдахад тэдгээрийг Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum, Saccharomyces cerevisiae зэрэг хоол хүнсээр дамжих бичил биетний эсрэг бичил биетний идэвхгүйжүүлэх чадавхийг үнэлсэн. Энд үзүүлсэн үр дүнгээс харахад EWNS-ийн шинж чанарыг синтезийн явцад нарийн тохируулж болох бөгөөд энэ нь идэвхгүйжүүлэх үр ашгийг экспоненциал байдлаар нэмэгдүүлдэг болохыг харуулж байна. Ялангуяа гадаргуугийн цэнэг дөрөв дахин нэмэгдэж, реактив хүчилтөрөгчийн төрөл зүйл нэмэгдсэн. Бичил биетнийг зайлуулах хурд нь бичил биетнээс хамааралтай байсан бөгөөд 40,000 #/cc EWNS аэрозолийн тунгаар 45 минутын турш өртсөний дараа 1.0-3.8 log хооронд хэлбэлзэж байв.
Бичил биетний бохирдол нь эмгэг төрүүлэгч бичил биетэн эсвэл тэдгээрийн хорт бодисыг залгиснаас үүдэлтэй хоол хүнсээр дамжих өвчний гол шалтгаан болдог. Зөвхөн АНУ-д л гэхэд хоол хүнсээр дамжих өвчин жилд 76 сая орчим өвчин, 325,000 эмнэлэгт хэвтэх, 5,000 хүний ​​нас баралтад хүргэдэг1. Үүнээс гадна, АНУ-ын Хөдөө аж ахуйн яам (USDA)-ны тооцоолсноор шинэхэн хүнсний бүтээгдэхүүний хэрэглээ нэмэгдсэн нь АНУ-д бүртгэгдсэн хоол хүнсээр дамжих өвчний 48%-ийг эзэлж байна2. АНУ-д хоол хүнсээр дамжих эмгэг төрүүлэгч бичил биетнээс үүдэлтэй өвчин, нас баралтын зардал маш өндөр бөгөөд Өвчний хяналт, урьдчилан сэргийлэх төв (CDC)-ийн тооцоолсноор жилд 15.6 тэрбум гаруй ам.доллар3 байна.
Одоогийн байдлаар хүнсний аюулгүй байдлыг хангах химийн4, цацраг5 болон дулааны6 нянгийн эсрэг арга хэмжээг тасралтгүй бус харин үйлдвэрлэлийн гинжин хэлхээний дагуу (ихэвчлэн ургац хураалтын дараа болон/эсвэл савлах явцад) хязгаарлагдмал чухал хяналтын цэгүүдэд (ХХЦ) хийж байна. Тиймээс тэдгээр нь хөндлөн бохирдолд өртөмтгий байдаг. 7. Хүнсээр дамжих өвчин, хүнсний муудалтыг илүү сайн хянахын тулд байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөлөл, зардлыг бууруулахын зэрэгцээ фермээс ширээ хүртэлх тасралтгүй үйл ажиллагаанд ашиглаж болох нянгийн эсрэг арга хэмжээг шаарддаг.
Саяхан хиймэл усны нано бүтэц (EWNS) ашиглан гадаргуу болон агаарт байгаа бактерийг идэвхгүйжүүлэх боломжтой химийн бодисгүй, нанотехнологид суурилсан нянгийн эсрэг платформ боловсруулсан. EWNS-ийг электрошүршигч болон усны ионжуулалт гэсэн хоёр зэрэгцээ процессыг ашиглан нэгтгэсэн (Зураг 1a). Өмнөх судалгаагаар EWNS нь физик болон биологийн өвөрмөц шинж чанартай болохыг харуулсан8,9,10. EWNS нь бүтэц бүрт дунджаар 10 электрон, дундаж нано хэмжээ нь 25 нм (Зураг 1b,c)8,9,10. Үүнээс гадна электрон спин резонанс (ESR) нь EWNS нь их хэмжээний реактив хүчилтөрөгчийн төрөл зүйл (ROS), голчлон гидроксил (OH•) болон супероксид (O2-) радикалуудыг агуулдаг болохыг харуулсан (Зураг 1c)8. EVNS нь агаарт удаан хугацаанд байдаг бөгөөд агаарт түдгэлзсэн, гадаргуу дээр байдаг бичил биетүүдтэй мөргөлдөж, ROS-ийн ачаагаа өгч, бичил биетнийг идэвхгүйжүүлэхэд хүргэдэг (Зураг 1d). Эдгээр эрт үеийн судалгаагаар EWNS нь гадаргуу болон агаарт микобактери зэрэг янз бүрийн грам сөрөг болон грам эерэг бактериудтай харилцан үйлчилж, идэвхгүй болгож чаддаг болохыг харуулсан. Дамжуулах электрон микроскопоор идэвхгүйжүүлэлт нь эсийн мембраны эвдрэлээс үүдэлтэй болохыг харуулсан. Үүнээс гадна, цочмог амьсгалын судалгаагаар EWNS-ийн өндөр тун нь уушгины гэмтэл эсвэл үрэвсэл үүсгэдэггүй болохыг харуулсан 8.
(a) Шингэн агуулсан капилляр хоолой болон эсрэг электродын хооронд өндөр хүчдэл хэрэглэх үед цахилгаан шүршигч үүсдэг. (b) Өндөр даралтыг хэрэглэх нь хоёр өөр үзэгдэлд хүргэдэг: (i) усыг цахилгаан шүрших, (ii) EWNS-д гацсан идэвхтэй хүчилтөрөгчийн төрөл зүйл (ионууд) үүсэх. (c) EWNS-ийн өвөрмөц бүтэц. (d) Нано хэмжээний шинж чанараасаа шалтгаалан EWNS нь маш хөдөлгөөнтэй бөгөөд агаарт тархдаг эмгэг төрүүлэгчидтэй харилцан үйлчилж чаддаг.
EWNS нянгийн эсрэг платформ нь шинэхэн хүнсний гадаргуу дээрх хоол хүнсээр дамжин халдварладаг бичил биетнийг идэвхгүйжүүлэх чадварыг саяхан харуулсан. Мөн EWNS-ийн гадаргуугийн цэнэг нь цахилгаан оронтой хослуулан зорилтот хүргэлтийг хийхэд ашиглагдаж болохыг харуулсан. Түүнчлэн, ойролцоогоор 50,000 #/см3 EWNS-д 90 минутын турш өртсөний дараа органик улаан лоолийн урьдчилсан үр дүн нь урам зориг өгсөн бөгөөд E. coli, Listeria 11 зэрэг хоол хүнсээр дамжин халдварладаг янз бүрийн бичил биетүүд ажиглагдсан. Үүнээс гадна, урьдчилсан органолептик шинжилгээгээр хяналтын улаан лоольтой харьцуулахад мэдрэхүйн нөлөө илрээгүй. Хэдийгээр эдгээр анхны идэвхгүйжүүлэлтийн үр дүн нь хүнсний аюулгүй байдлын хэрэглээнд 50,000#/см3 тунтай ч гэсэн урам зориг өгч байгаа ч халдвар болон муудах эрсдэлийг цаашид бууруулахад идэвхгүйжүүлэлтийн өндөр боломж илүү ашигтай байх нь тодорхой байна.
Энд бид судалгаагаа EWNS үүсгэх платформыг хөгжүүлэхэд төвлөрүүлж, синтезийн параметрүүдийг нарийн тохируулах, EWNS-ийн физик-химийн шинж чанарыг оновчтой болгохын тулд тэдгээрийн бактерийн эсрэг чадавхийг нэмэгдүүлэхэд чиглэх болно. Ялангуяа оновчлол нь тэдгээрийн гадаргуугийн цэнэг (зорилтот хүргэлтийг сайжруулах) болон ROS агууламжийг (идэвхгүйжүүлэх үр ашгийг сайжруулах) нэмэгдүүлэхэд чиглэгдсэн. Орчин үеийн аналитик аргуудыг ашиглан оновчтой физик-химийн шинж чанарыг (хэмжээ, цэнэг болон ROS агууламж) тодорхойлж, E. зэрэг түгээмэл хүнсний бичил биетнийг ашиглан тодорхойлно.
EVNS-ийг өндөр цэвэршилттэй ус (18 МОм см–1)-ийг нэгэн зэрэг цахилгаан шүрших болон ионжуулах замаар нийлэгжүүлсэн. Цахилгаан мананцар үүсгэгч 12-ыг ихэвчлэн шингэнийг атомжуулах, хяналттай хэмжээтэй полимер болон керамик хэсгүүд 13 болон ширхэгүүд 14-ийг нийлэгжүүлэхэд ашигладаг.
Өмнөх 8, 9, 10, 11-р нийтлэлүүдэд дэлгэрэнгүй дурдсанчлан, ердийн туршилтаар металл капилляр болон газардуулсан эсрэг электродын хооронд өндөр хүчдэл хэрэглэсэн. Энэ процессын явцад хоёр өөр үзэгдэл тохиолддог: i) цахилгаан шүрших болон ii) усны ионжуулалт. Хоёр электродын хоорондох хүчтэй цахилгаан орон нь конденсацлагдсан усны гадаргуу дээр сөрөг цэнэг хуримтлагдахад хүргэдэг бөгөөд үүний үр дүнд Тейлорын конус үүсдэг. Үүний үр дүнд өндөр цэнэгтэй усны дуслууд үүсдэг бөгөөд энэ нь Рэйлийн онолд дурдсанчлан жижиг хэсгүүд болж задарсаар байдаг16. Үүний зэрэгцээ хүчтэй цахилгаан орон нь зарим усны молекулуудыг хувааж, электронуудыг салгахад (ионжих) хүргэдэг бөгөөд энэ нь их хэмжээний реактив хүчилтөрөгчийн төрөл зүйл (ROS)17 үүсэхэд хүргэдэг. Нэгэн зэрэг үүссэн ROS18-ийг EWNS-д капсулжуулсан (Зураг 1c).
Зураг 2a дээр энэхүү судалгаанд EWNS синтез хийхэд боловсруулж, ашигласан EWNS үүсгэх системийг харуулав. Хаалттай саванд хадгалсан цэвэршүүлсэн усыг Teflon хоолойгоор (дотоод диаметр нь 2 мм) 30G зэвэрдэггүй ган зүү (металл капилляр) руу оруулсан. Зураг 2b-д үзүүлсэн шиг усны урсгалыг савны доторх агаарын даралтаар хянадаг. Зүүг Teflon консол дээр суурилуулсан бөгөөд эсрэг электродоос тодорхой зайд гараар тохируулж болно. Эсрэг электрод нь дээж авах төв хэсэгтээ нүхтэй өнгөлсөн хөнгөн цагаан диск юм. Эсрэг электродын доор хөнгөн цагаан дээж авах юүлүүр байрладаг бөгөөд энэ нь дээж авах портоор дамжуулан туршилтын бусад хэсэгт холбогдсон байдаг (Зураг 2b). Дээж авагчийн ажиллагааг тасалдуулж болзошгүй цэнэг хуримтлагдахаас зайлсхийхийн тулд дээж авагчийн бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг цахилгаанаар газардуулсан.
(a) Инженерийн усны нано бүтэц үүсгэх систем (EWNS). (b) Хамгийн чухал параметрүүдийг харуулсан дээж авагч болон цахилгаан шүршигч төхөөрөмжийн хөндлөн огтлол. (c) Бактерийг идэвхгүйжүүлэх туршилтын тохиргоо.
Дээр дурдсан EWNS үүсгэх систем нь EWNS-ийн шинж чанарыг нарийн тохируулахын тулд гол ажиллагааны параметрүүдийг өөрчлөх чадвартай. EWNS-ийн шинж чанарыг нарийн тохируулахын тулд хэрэглэсэн хүчдэл (V), зүү ба эсрэг электродын хоорондох зай (L), мөн капилляраар дамжин өнгөрөх усны урсгалыг (φ) тохируулна уу. Өөр өөр хослолыг илэрхийлэхэд ашигласан тэмдэг: [V (kV), L (cm)]. Тодорхой багцын тогтвортой Тейлор конус авахын тулд усны урсгалыг тохируулна уу [V, L]. Энэхүү судалгааны зорилгоор эсрэг электродын (D) нүхний диаметрийг 0.5 инч (1.29 см) байлгасан.
Хязгаарлагдмал геометр ба тэгш бус байдлаас шалтгаалан цахилгаан орны хүчийг анхны зарчмуудаас тооцоолох боломжгүй юм. Үүний оронд цахилгаан орныг тооцоолоход QuickField™ програм хангамж (Свендборг, Дани)19 ашигласан. Цахилгаан орон нь жигд биш тул капиллярын үзүүр дэх цахилгаан орны утгыг янз бүрийн тохиргооны лавлах утга болгон ашигласан.
Судалгааны явцад зүү болон эсрэг электродын хоорондох хүчдэл болон зайны хэд хэдэн хослолыг Тейлорын конус үүсэх, Тейлорын конусын тогтвортой байдал, EWNS үйлдвэрлэлийн тогтвортой байдал, давтагдах чадварын хувьд үнэлсэн. Төрөл бүрийн хослолуудыг нэмэлт хүснэгт S1-д үзүүлэв.
EWNS үүсгэх системийн гаралтыг бөөмийн тооны концентрацийг хэмжих зорилгоор сканнердах хөдөлгөөнт бөөмийн хэмжээний анализатор (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN)-д шууд холбосон бөгөөд аэрозолийн гүйдлийн хувьд Аэрозоль Фарадей Электрометр (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN)-д өмнөх нийтлэлд дурдсанчлан хэмжсэн. SMPS болон аэрозолийн электрометрийг хоёуланг нь 0.5 л/мин урсгалын хурдаар (нийт дээжийн урсгал 1 л/мин) дээж авсан. Бөөмсийн тооны концентраци болон аэрозолийн урсгалыг 120 секундын турш хэмжсэн. Хэмжилтийг 30 удаа давтана. Одоогийн хэмжилт дээр үндэслэн аэрозолийн нийт цэнэгийг тооцоолж, сонгосон EWNS бөөмсийн өгөгдсөн нийт тооны хувьд EWNS-ийн дундаж цэнэгийг тооцоолно. EWNS-ийн дундаж өртгийг (1) тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолж болно:
энд IEl нь хэмжсэн гүйдэл, NSMPS нь SMPS-ээр хэмжсэн дижитал концентраци, φEl нь электрометр тутамд ногдох урсгалын хурд юм.
Харьцангуй чийгшил (RH) нь гадаргуугийн цэнэгт нөлөөлдөг тул туршилтын явцад температур ба (RH)-ийг тус тус 21°C ба 45%-д тогтмол байлгасан.
EWNS-ийн хэмжээ болон ашиглалтын хугацааг хэмжихэд атомын хүчний микроскоп (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Санта Барбара, Калифорни) болон AC260T зонд (Олимп, Токио, Япон) ашигласан. AFM сканнердах давтамж нь 1 Гц, сканнердах талбай нь 5 μм × 5 μм, 256 сканнердах шугам байв. Бүх зургийг Asylum програм хангамж ашиглан 1-р эрэмбийн зургийн тохиргоонд оруулсан (маскийн хүрээ 100 нм, босго 100 pm).
Туршилтын юүлүүрийг авч, гялтгануурын гадаргууг эсрэг электродоос 2.0 см зайд байрлуулж, бөөмсийн бөөгнөрөл болон гялтгануурын гадаргуу дээр жигд бус дусал үүсэхээс сэргийлж 120 секундын дундаж хугацааг тогтоов. EWNS-ийг шинээр зүссэн гялтгануурын гадаргуу дээр шууд шүршсэн (Тед Пелла, Реддинг, Калифорни). AFM цацсаны дараах гялтгануурын гадаргуугийн зураг. Шинээр зүссэн өөрчлөгдөөгүй гялтгануурын гадаргуугийн холбоо барих өнцөг 0°-тэй ойролцоо тул EVNS нь гялтгануурын гадаргуу дээр бөмбөгөр хэлбэртэй тархсан байна. Сарнисан дуслын диаметр (a) ба өндрийг (h) AFM топографиас шууд хэмжиж, өмнө нь баталгаажуулсан аргыг ашиглан EWNS бөмбөгөр диффузийн эзэлхүүнийг тооцоолоход ашигласан. Хөлөг онгоцонд байгаа EWNS нь ижил эзэлхүүнтэй гэж үзвэл эквивалент диаметрийг (2) тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолж болно:
Бидний өмнө нь боловсруулсан аргад үндэслэн EWNS-д богино хугацааны радикал завсрын бодисууд байгааг илрүүлэхийн тулд электрон спин резонансын (ESR) спин хавхыг ашигласан. Аэрозолуудыг 235 мМ DEPMPO(5-(диэтоксифосфорил)-5-метил-1-пирролин-N-оксид) уусмал (Oxis International Inc.) агуулсан 650 μм Midget sparger (Ace Glass, Vineland, NJ)-ээр хөөсрүүлсэн. Портланд, Орегон). Бүх ESR хэмжилтийг Bruker EMX спектрометр (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) болон хавтгай самбарын нүд ашиглан гүйцэтгэсэн. Өгөгдлийг цуглуулж, шинжлэхэд Acquisit програм хангамж (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ашигласан. ROS-ийн шинж чанарыг тодорхойлох ажлыг зөвхөн ашиглалтын нөхцөл байдлын багцад [-6.5 кВ, 4.0 см] хийсэн. EWNS-ийн концентрацийг цохилтот хэсэгт EWNS-ийн алдагдлыг тооцсоны дараа SMPS ашиглан хэмжсэн.
Озоны түвшинг 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 ашиглан хянасан.
Бүх EWNS шинж чанаруудын хувьд дундаж утгыг хэмжилтийн утга болгон, стандарт хазайлтыг хэмжилтийн алдаа болгон ашигладаг. Оновчтой EWNS шинж чанаруудын утгыг үндсэн EWNS-ийн харгалзах утгатай харьцуулахын тулд T-тестүүдийг хийсэн.
Зураг 2c-д өмнө нь боловсруулж, тодорхойлсон электростатик тунадасжуулалтын (EPES) "татах" системийг харуулав. EPES нь хүчтэй цахилгаан орны нөлөөгөөр байны гадаргуу руу шууд "чиглүүлж" болох EVNS цэнэгийг ашигладаг. EPES системийн талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг Пиргиотакис болон бусад судлаачдын саяхны нийтлэлд үзүүлсэн болно. 11. Тиймээс EPES нь конус хэлбэрийн үзүүртэй 3D хэвлэмэл PVC камераас бүрдэх бөгөөд төв хэсэгтээ 15.24 см зайтай хоёр зэрэгцээ зэвэрдэггүй ган (304 зэвэрдэггүй ган, толин тусгал бүрсэн) металл хавтанг агуулдаг. Самбарууд нь гадаад өндөр хүчдэлийн эх үүсвэртэй (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) холбогдсон, доод хавтан нь үргэлж эерэг хүчдэлтэй, дээд хавтан нь үргэлж газардуулгатай (хөвөгч газардуулга) холбогдсон байв. Камерын ханыг хөнгөн цагаан тугалган цаасаар бүрсэн бөгөөд энэ нь бөөмсийн алдагдалаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд цахилгаанаар газардуулсан байдаг. Камер нь өндөр хүчдэлийн хөндлөнгийн оролцооноос зайлсхийхийн тулд туршилтын гадаргууг доод металл хавтангаас дээш өргөх хуванцар тавиур дээр байрлуулах боломжийг олгодог битүүмжилсэн урд ачааны хаалгатай.
EPES дахь EWNS-ийн тунадасны үр ашгийг өмнө нь боловсруулсан S111 нэмэлт зурагт дэлгэрэнгүй тайлбарласан протоколын дагуу тооцоолсон.
Хяналтын камер болгон хоёр дахь цилиндр хэлбэртэй урсгалын камерыг EPES системд цуваа холбосон бөгөөд завсрын HEPA шүүлтүүрийг ашиглан EWNS-ийг зайлуулсан. Зураг 2c-д үзүүлсэнчлэн, EWNS аэрозолыг хоёр суурилуулсан камераар шахсан. Хяналтын өрөө болон EPES-ийн хоорондох шүүлтүүр нь үлдсэн EWNS-ийг зайлуулж, температур (T), харьцангуй чийгшил (RH) болон озоны түвшин ижил байна.
Хүнсний чухал бичил биетүүд нь E. coli (ATCC #27325), өтгөний индикатор, Salmonella enterica (ATCC #53647), хоол хүнсээр дамжих эмгэг төрүүлэгч, Listeria harmless (ATCC #33090), эмгэг төрүүлэгч Listeria monocytogenes-ийн орлуулагч, ATCC (Manassas, VA)-аас гаралтай, мууддаг мөөгөнцрийн орлуулагч Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), илүү тэсвэртэй идэвхгүйжүүлсэн бактери болох Mycobacterium paralucky (ATCC #19686) зэрэг шинэхэн хүнсний бүтээгдэхүүнийг бохирдуулдаг болохыг тогтоожээ.
Орон нутгийн зах зээлээс санамсаргүй хайрцагтай органик усан үзмийн улаан лооль худалдаж аваад, хэрэглэх хүртэл 4°C-д хөргөгчинд хадгална (3 хүртэл хоног). Туршилтын улаан лоольнууд бүгд ижил хэмжээтэй, ойролцоогоор 1/2 инч диаметртэй байв.
Өсгөвөр, тарилга, өртөлт, колони тооллогын протоколыг бидний өмнөх нийтлэлд болон Нэмэлт мэдээлэлд дэлгэрэнгүй бичсэн болно. EWNS-ийн үр нөлөөг тарьсан улаан лоолийг 40,000 #/cm3-д 45 минутын турш өртүүлж үнэлсэн. Товчхондоо, амьд үлдсэн бичил биетнийг t = 0 минутад үнэлэхэд гурван улаан лооль ашигласан. Гурван улаан лоолийг EPES-д байрлуулж, 40,000 #/cm3-д (EWNS-д өртсөн улаан лооль) өртүүлж, үлдсэн гурвыг хяналтын камерт (хяналтын улаан лооль) байрлуулсан. Хоёр бүлгийн улаан лоолийг нэмэлт боловсруулалт хийгээгүй. EWNS-ийн үр нөлөөг үнэлэхийн тулд EWNS-д өртсөн улаан лооль болон хяналтын улаан лоолийг 45 минутын дараа авсан.
Туршилт бүрийг гурван хувь хийсэн. Өгөгдлийн шинжилгээг Нэмэлт мэдээлэлд тайлбарласан протоколын дагуу гүйцэтгэсэн.
Идэвхгүйжүүлэх механизмыг EWNS дээжийг (40,000 #/см3 EWNS аэрозолийн концентрацид 45 минут) болон цацраг туяагаар шараагүй хоргүй E. coli, Salmonella enterica болон Lactobacillus бактерийн дээжийг тунадасжуулах замаар үнэлсэн. Бөөмсийг 2.5% глутаральдегид, 1.25% параформальдегид болон 0.03% пикрик хүчилд 0.1 М натрийн какодилатын буферт (рН 7.4) 2 цагийн турш тасалгааны температурт бэхэлсэн. Угаасны дараа 1% осмийн тетроксид (OsO4)/1.5% калийн ферроцианид (KFeCN6)-аар 2 цагийн турш бэхлээд, 3 удаа усанд угааж, 1% уранил ацетатад 1 цаг инкубаци хийж, дараа нь хоёр удаа усанд угааж, дараа нь 50%, 70%, 90%, 100% спиртэнд 10 минутын турш усгүйжүүлнэ. Дараа нь дээжийг пропилен исэлд 1 цагийн турш байрлуулж, пропилен исэл болон TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA)-ийн 1:1 харьцаатай холимогоор шингээсэн. Дээжийг TAAB Epon-д суулгаж, 60°C-д 48 цагийн турш полимержүүлсэн. Хатсан мөхлөгт давирхайг хайчилж, AMT 2k CCD камер (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA)-аар тоноглогдсон ердийн дамжуулалтын электрон микроскоп JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Япон) ашиглан TEM-ээр дүрсэлсэн.
Бүх туршилтыг гурван удаа хийсэн. Цаг хугацааны цэг бүрийн хувьд бактерийн угаалгыг гурван удаа хийсэн бөгөөд цэг бүрт нийт есөн өгөгдлийн цэг гарсан бөгөөд үүний дундажийг тухайн бичил биетний бактерийн концентраци болгон ашигласан. Стандарт хазайлтыг хэмжилтийн алдаа болгон ашигласан. Бүх цэгийг тооцно.
t = 0 минуттай харьцуулахад бактерийн концентраци буурах логарифмыг дараах томъёогоор тооцоолсон.
энд C0 нь 0 цаг дахь хяналтын дээж дэх бактерийн агууламж (өөрөөр хэлбэл гадаргуу хатсаны дараа камерт байрлуулахаас өмнө) ба Cn нь n минутын турш өртсөний дараах гадаргуу дээрх бактерийн агууламж юм.
45 минутын өртөлтийн үед бактерийн байгалийн задралыг тооцоолохын тулд 45 минутын дараах хяналтын бүлэгтэй харьцуулахад логарифмын бууралтыг дараах байдлаар тооцоолсон.
энд Cn нь n цаг үеийн хяналтын дээжинд байгаа бактерийн концентраци, Cn-Control нь n цаг үеийн хяналтын бактерийн концентраци юм. Өгөгдлийг хяналтын дээжтэй харьцуулахад логарифмын бууралт хэлбэрээр үзүүлэв (EWNS-д өртөөгүй).
Судалгааны явцад зүү болон эсрэг электродын хоорондох хүчдэл болон зайны хэд хэдэн хослолыг Тейлорын конус үүсэх, Тейлорын конусын тогтвортой байдал, EWNS үйлдвэрлэлийн тогтвортой байдал, давтагдах чадварын хувьд үнэлсэн. Төрөл бүрийн хослолыг Нэмэлт Хүснэгт S1-д үзүүлэв. Тогтвортой болон давтагдах шинж чанарыг харуулсан хоёр тохиолдлыг (Тейлорын конус, EWNS үүсэх, цаг хугацааны явцад тогтвортой байх) цогц судалгаанд сонгосон. Зураг 3-т хоёр тохиолдолд ROS-ийн цэнэг, хэмжээ, агууламжийн үр дүнг харуулав. Үр дүнг Хүснэгт 1-д мөн үзүүлэв. Лавлагаа болгон Зураг 3 болон Хүснэгт 1-д өмнө нь нэгтгэсэн оновчлоогүй EWNS8, 9, 10, 11 (суурь EWNS)-ийн шинж чанаруудыг оруулсан болно. Хоёр сүүлт t-тест ашиглан статистикийн ач холбогдлын тооцооллыг Нэмэлт Хүснэгт S2-д дахин нийтэлсэн болно. Үүнээс гадна, нэмэлт өгөгдөлд эсрэг электродын дээж авах нүхний диаметр (D) болон газардуулгын электрод ба үзүүрийн хоорондох зай (L)-ийн нөлөөллийн судалгаанууд багтсан болно (Нэмэлт Зураг S2 ба S3).
(ac) AFM-ээр хэмжсэн хэмжээний тархалт. (df) Гадаргуугийн цэнэгийн шинж чанар. (g) EPR-ийн ROS шинж чанар.
Дээрх бүх нөхцөлд хэмжсэн ионжуулалтын гүйдэл нь 2-6 μA хооронд, хүчдэл нь -3.8-6.5 кВ хооронд байсан бөгөөд энэ нь энэхүү ганц EWNS үүсгэгч контакт модулийн хувьд 50 мВт-аас бага эрчим хүчний хэрэглээг бий болгосон гэдгийг тэмдэглэх нь чухал юм. Хэдийгээр EWNS-ийг өндөр даралтын дор нийлэгжүүлсэн боловч озоны түвшин маш бага байсан бөгөөд хэзээ ч 60 ppb-ээс хэтрэхгүй байв.
Нэмэлт Зураг S4 нь [-6.5 кВ, 4.0 см] болон [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын симуляцилагдсан цахилгаан орныг тус тус харуулж байна. [-6.5 кВ, 4.0 см] болон [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын хувьд талбайн тооцоолол нь тус тус 2 × 105 В/м ба 4.7 × 105 В/м байна. Хоёр дахь тохиолдолд хүчдэл-зайны харьцаа хамаагүй өндөр байдаг тул үүнийг хүлээж болно.
Зураг 3a,b дээр AFM8-аар хэмжсэн EWNS диаметрийг харуулав. Тооцоолсон дундаж EWNS диаметр нь [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] схемийн хувьд тус тус 27 нм ба 19 нм байв. [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын хувьд тархалтын геометрийн стандарт хазайлт нь тус тус 1.41 ба 1.45 байгаа нь нарийн хэмжээний тархалтыг харуулж байна. Дундаж хэмжээ болон геометрийн стандарт хазайлт хоёулаа суурь EWNS-тэй маш ойрхон бөгөөд тус тус 25 нм ба 1.41 байна. Зураг 3c дээр ижил нөхцөлд ижил аргаар хэмжсэн суурь EWNS-ийн хэмжээний тархалтыг харуулав.
Зураг 3d,e дээр цэнэгийн шинж чанарын үр дүнг харуулав. Өгөгдөл нь концентраци (#/см3) болон гүйдлийн (I) 30 нэгэн зэрэг хэмжилтийн дундаж хэмжилт юм. Шинжилгээнээс харахад EWNS дээрх дундаж цэнэг нь [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см]-ийн хувьд тус тус 22 ± 6 e- ба 44 ± 6 e- байна. Тэдгээр нь суурь EWNS-тэй харьцуулахад гадаргуугийн цэнэг мэдэгдэхүйц өндөр (10 ± 2 e-), [-6.5 кВ, 4.0 см] хувилбараас хоёр дахин их, [-3 .8 кВ, 0.5 см]-ээс дөрөв дахин их байна. Зураг 3f-д суурь EWNS-ийн цэнэгийн өгөгдлийг харуулав.
EWNS тооны концентрацийн газрын зургаас (Нэмэлт зураг S5 ба S6) харахад [-6.5 кВ, 4.0 см] хувилбар нь [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбараас хамаагүй илүү олон бөөмстэй болохыг харж болно. Мөн EWNS тооны концентрацийг 4 цаг хүртэл хянаж байсан (Нэмэлт зураг S5 ба S6), EWNS үүсэлтийн тогтвортой байдал нь хоёр тохиолдолд бөөмсийн тооны концентрацийн ижил түвшинг харуулсан болохыг тэмдэглэх нь зүйтэй.
Зураг 3g дээр [-6.5 кВ, 4.0 см] дээр оновчтой EWNS хяналтыг (арын дэвсгэр) хассаны дараах EPR спектрийг харуулав. ROS спектрийг өмнө нь хэвлэгдсэн бүтээлд Суурь шугам-EWNS хувилбартай харьцуулсан болно. Спин хавхтай урвалд орж буй EWNS-ийн тоог 7.5 × 104 EWNS/с гэж тооцоолсон бөгөөд энэ нь өмнө нь хэвлэгдсэн Суурь шугам-EWNS8-тэй төстэй юм. EPR спектр нь хоёр төрлийн ROS байгааг тодорхой харуулсан бөгөөд O2- нь зонхилох зүйл, OH• нь бага элбэг байв. Үүнээс гадна, оргил эрчимийг шууд харьцуулснаар оновчтой EWNS нь суурь EWNS-тэй харьцуулахад ROS-ийн агууламж мэдэгдэхүйц өндөр байгааг харуулсан.
Зураг 4-т EPES дэх EWNS-ийн тунадасны үр ашгийг харуулав. Өгөгдлийг мөн I хүснэгтэд нэгтгэн дүгнэж, анхны EWNS өгөгдөлтэй харьцуулсан болно. EUNS-ийн хоёр тохиолдолд хоёуланд нь тунадас нь 3.0 кВ-ын бага хүчдэлд ч гэсэн 100% орчим байдаг. Ерөнхийдөө гадаргуугийн цэнэгийн өөрчлөлтөөс үл хамааран 3.0 кВ нь 100% тунадас хийхэд хангалттай байдаг. Үүнтэй ижил нөхцөлд Суурь-EWNS-ийн тунадасны үр ашиг нь бага цэнэгтэй (EWNS тутамд дунджаар 10 электрон) тул ердөө 56% байсан.
Зураг 5 болон Хүснэгт 2-т улаан лоолийн гадаргуу дээр тарьсан бичил биетний идэвхгүйжүүлэлтийн утгыг оновчтой горимд [-6.5 кВ, 4.0 см] 45 минутын турш 40,000 #/см3 EWNS-д өртсөний дараа нэгтгэн харуулав. E. coli болон Lactobacillus innocuous-д тарьсан нь 45 минутын өртөлтийн хугацаанд 3.8 логарифмын мэдэгдэхүйц бууралт үзүүлсэн. Үүнтэй ижил нөхцөлд S. enterica 2.2 логарифмын бууралттай байсан бол S. cerevisiae болон M. parafortutum 1.0 логарифмын бууралттай байв.
Электрон микрографууд (Зураг 6) нь хоргүй Escherichia coli, Streptococcus, болон Lactobacillus эсүүд дээр EWNS-ийн өдөөгдсөн физик өөрчлөлтүүдийг харуулж, тэднийг идэвхгүйжүүлж байна. Хяналтын бактери нь эсийн мембран бүрэн бүтэн байсан бол ил гарсан бактери нь гаднах мембраныг гэмтээсэн байв.
Хяналтын болон ил гарсан бактерийн электрон микроскопийн дүрслэлээр мембраны гэмтэл илэрсэн.
Оновчтой болгосон EWNS-ийн физик-химийн шинж чанарын талаарх өгөгдөл нь EWNS-ийн шинж чанарууд (гадаргуугийн цэнэг ба ROS агууламж) өмнө нь нийтлэгдсэн EWNS суурь өгөгдөлтэй харьцуулахад мэдэгдэхүйц сайжирсан болохыг харуулж байна8,9,10,11. Нөгөөтэйгүүр, тэдгээрийн хэмжээ нь нанометрийн хүрээнд хэвээр байсан бөгөөд өмнө нь мэдээлэгдсэн үр дүнтэй маш төстэй байсан тул агаарт удаан хугацаагаар байх боломжийг олгосон. Ажиглагдсан полидисперсийг EWNS-ийн хэмжээг тодорхойлдог гадаргуугийн цэнэгийн өөрчлөлт, Рэйлийн эффектийн санамсаргүй байдал, боломжит нэгдэл зэргээр тайлбарлаж болно. Гэсэн хэдий ч Нильсен болон бусад 22-ын дэлгэрэнгүй бичсэнчлэн, өндөр гадаргуугийн цэнэг нь усны дуслын гадаргуугийн энерги/таталтыг үр дүнтэйгээр нэмэгдүүлснээр ууршилтыг бууруулдаг. Өмнөх нийтлэлд8 энэ онолыг бичил дуслууд 22 болон EWNS-ийн хувьд туршилтаар баталсан. Илүү цагийн үед цэнэг алдагдах нь хэмжээд нөлөөлж, ажиглагдсан хэмжээний тархалтад хувь нэмэр оруулдаг.