Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Та хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй хөтчийн хувилбарыг ашиглаж байна. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр Тохиромжтой байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Үүнээс гадна, тасралтгүй дэмжлэгийг хангахын тулд бид сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр харуулдаг.
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) баялаг юм. 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. EWNS-ийн шинж чанарыг (цэнэг, хэмжээ, ROS агууламж) тодорхойлох ажлыг орчин үеийн аналитик аргуудыг ашиглан гүйцэтгэсэн. Үүнээс гадна, Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortium, Saccharomyces cerevisiae зэрэг хүнсний бичил биетнийг органик усан үзмийн улаан лоолийн гадаргуу дээр тарьж, тэдгээрийн бичил биетний идэвхгүйжүүлэх чадавхийг үнэлэв. Энд үзүүлсэн үр дүнгээс харахад EWNS-ийн шинж чанарыг синтезийн явцад нарийн тохируулж, идэвхгүйжүүлэх үр ашгийг экспоненциал байдлаар нэмэгдүүлэх боломжтойг харуулж байна. Ялангуяа гадаргуугийн цэнэг дөрөв дахин нэмэгдэж, ROS-ийн агууламж нэмэгдсэн. Микробын устгах хурд нь микробиологийн хүчин зүйлээс хамааралтай байсан бөгөөд 40,000 #/см3 EWNS аэрозолийн тунгаар 45 минутын турш өртсөний дараа 1.0-3.8 логарифм хооронд хэлбэлзэж байв.
Бичил биетний бохирдол нь эмгэг төрүүлэгч бичил биетэн эсвэл тэдгээрийн хорт бодисыг залгиснаас үүдэлтэй хоол хүнсээр дамжих өвчний гол шалтгаан болдог. Хоол хүнсээр дамжих өвчин нь зөвхөн АНУ-д жил бүр 76 сая орчим өвчин, 325,000 эмнэлэгт хэвтэх, 5000 нас баралтын шалтгаан болдог1. 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 хувийг 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 голчлон үйлдвэрлэлийн сүлжээнд (ихэвчлэн ургац хураалтын дараа болон/эсвэл савлах явцад) хязгаарлагдмал чухал хяналтын цэгүүдэд (CCP) хэрэгжүүлж байгаа бөгөөд шинэхэн бүтээгдэхүүн хөндлөн бохирдолд өртөх байдлаар тасралтгүй хэрэгжүүлж байгаагийн оронд хэрэгжүүлж байна. 7. Хүнсний гаралтай өвчин, хүнсний муудалтыг илүү сайн хянахын тулд нянгийн эсрэг арга хэмжээ авах шаардлагатай бөгөөд фермээс ширээ хүртэлх тасралтгүй үйл ажиллагаанд хэрэгжүүлэх боломжтой. Нөлөөлөл болон зардал бага.
Хиймэл усны нано бүтэц (EWNS) ашиглан гадаргуу болон агаарт байгаа бактерийг идэвхгүйжүүлэх нанотехнологид суурилсан химийн бодисгүй нянгийн эсрэг платформыг саяхан боловсруулсан. EVNS-ийг нэгтгэхэд хоёр зэрэгцээ процессыг ашигласан: электрошүрших болон усны ионжуулалт (Зураг 1a). EWNS нь өмнө нь физик болон биологийн өвөрмөц шинж чанартай болохыг харуулсан8,9,10. EWNS нь бүтэц бүрт дунджаар 10 электрон, дундаж нанометрийн 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. EWNS нь агаарт удаан хугацаанд үлдэж, агаарт түдгэлзсэн, гадаргуу дээр байгаа бичил биетүүдтэй мөргөлдөж, ROS ачааллаа өгч, бичил биетний идэвхгүйжүүлэлтийг үүсгэж болзошгүй (Зураг 1d). Эдгээр өмнөх судалгаанууд нь EWNS нь гадаргуу болон агаарт байгаа микобактери зэрэг олон нийтийн эрүүл мэндийн ач холбогдолтой янз бүрийн грам сөрөг болон грам эерэг бактериудтай харилцан үйлчилж, идэвхгүй болгож чаддаг болохыг харуулсан8,9. Дамжуулах электрон микроскопоор идэвхгүйжүүлэлт нь эсийн мембраны эвдрэлээс үүдэлтэй болохыг харуулсан. Үүнээс гадна, цочмог амьсгалын замын судалгаагаар EWNS-ийн өндөр тун нь уушгины гэмтэл, үрэвсэл үүсгэдэггүй болохыг харуулсан8.
(a) Капилляр агуулсан шингэн болон эсрэг электродын хооронд өндөр хүчдэл хэрэглэх үед цахилгаан шүршигч үүсдэг. (b) Өндөр хүчдэл 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) EWNS нь нано хэмжээний шинж чанараасаа шалтгаалан 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 гадаргуугийн цэнэгийг цахилгаан оронтой хослуулан зорилтот хүргэлтэд ашиглаж болохыг харуулсан. Хамгийн чухал нь EWNS-д ойролцоогоор 50,000#/cm311 концентрацид өртсөнөөс хойш 90 минутын дотор E. coli, Listeria зэрэг янз бүрийн хүнсний бичил биетний эсрэг органик улаан лоолийн идэвхжил ойролцоогоор 1.4 лог буурсан анхны үр дүн ажиглагдсан. Үүнээс гадна, урьдчилсан органолептик үнэлгээний туршилтаар хяналтын улаан лоольтой харьцуулахад ямар ч органолептик нөлөө үзүүлээгүй. Хэдийгээр эдгээр анхны идэвхгүйжүүлэлтийн үр дүн нь EWNS-ийн маш бага тунгаар 50,000#/cm3-д ч гэсэн хүнсний аюулгүй байдлыг амлаж байгаа ч гэсэн идэвхгүйжүүлэлтийн өндөр потенциал нь халдвар болон муудах эрсдэлийг цаашид бууруулахад илүү ашигтай байх нь тодорхой байна.
Энд бид судалгаагаа EWNS үүсгэх платформыг хөгжүүлэхэд төвлөрүүлж, синтезийн параметрүүдийг нарийн тохируулж, EWNS-ийн физик-химийн шинж чанарыг оновчтой болгож, бактерийн эсрэг чадавхийг нь 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 болон E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae, M. parafortuitum зэрэг түгээмэл хүнсний бичил биетнийг ашиглан оновчтой физик-химийн шинж чанарыг (хэмжээ, цэнэг болон ROS агууламж) тодорхойлох.
EVNS-ийг өндөр цэвэршилттэй ус (18 МОм см–1)-ийг нэгэн зэрэг цахилгаан шүрших болон ионжуулах замаар нийлэгжүүлсэн. Цахилгаан атомжуулагч 12-ыг ихэвчлэн шингэн болон синтетик полимер болон керамик хэсгүүд 13, хяналттай хэмжээтэй ширхэгүүд 14-ийг атомжуулахад ашигладаг.
Өмнөх 8, 9, 10, 11-р нийтлэлд дэлгэрэнгүй дурдсанчлан, ердийн туршилтаар металл капилляр болон газардуулсан эсрэг электродын хооронд өндөр хүчдэл өгдөг. Энэ процессын явцад хоёр өөр үзэгдэл тохиолддог: 1) цахилгаан шүрших ба 2) усны ионжилт. 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 Рэйлийн онолын дагуу16 жижиг хэсгүүд болж задарсаар байдаг өндөр цэнэгтэй усны дуслууд үүсдэг. Үүний зэрэгцээ хүчтэй цахилгаан орон нь усны зарим молекулуудыг хувааж, электронуудыг салгахад хүргэдэг (ионжуулалт) бөгөөд ингэснээр их хэмжээний реактив хүчилтөрөгчийн төрөл зүйл (ROS) үүсгэдэг17. Нэгэн зэрэг үүссэн ROS18 багцуудыг EWNS-д капсулжуулсан (Зураг 1c).
Зураг 2a дээр энэхүү судалгаанд EWNS синтез хийхэд боловсруулж, ашигласан EWNS үүсгэх системийг харуулав. Хаалттай саванд хадгалсан цэвэршүүлсэн усыг тефлон хоолойгоор (дотоод диаметр нь 2 мм) дамжуулан 30G зэвэрдэггүй ган зүү (металл капилляр) руу нийлүүлсэн. Зураг 2b-д үзүүлсэнчлэн усны урсгалыг савны доторх агаарын даралтаар хянадаг. Зүүг эсрэг электродоос тодорхой зайд гараар тохируулж болох тефлон консолд бэхэлсэн. Эсрэг электрод нь дээж авахад зориулсан голд 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 бүх бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг бөөмсийн дээж авах чадварыг бууруулж болзошгүй цэнэг хуримтлагдахаас зайлсхийхийн тулд 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. [V (kV), L (cm)] тэмдэгтүүдийг өөр өөр хослолыг тэмдэглэхэд ашигладаг. Тодорхой багцын [V, L] тогтвортой Тейлор конус авахын тулд усны урсгалыг тохируулна уу. Энэхүү судалгааны зорилгоор эсрэг электродын (D) нүхийг 0.5 инч (1.29 см) гэж тохируулсан.
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 хэмжихийн тулд Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS, загвар 3936, TSI, Shoreview, Миннесота)-тай шууд холбосон бөгөөд өмнөх нийтлэлд дурдсанчлан аэрозолийн урсгалыг хэмжихийн тулд Faraday аэрозолийн электрометр (TSI, загвар 3068B, Shoreview, АНУ). MN)-тэй ашигласан. SMPS болон аэрозолийн электрометрийг хоёуланг нь 0.5 л/мин урсгалын хурдаар (нийт дээжийн урсгал 1 л/мин) дээж авсан. Бөөмийн концентраци ба аэрозолийн урсгалыг 120 секундын турш хэмжсэн. Хэмжилтийг 30 удаа давтана. Нийт аэрозолийн цэнэгийг гүйдлийн хэмжилтээс тооцоолж, EWNS-ийн дундаж цэнэгийг дээж авсан EWNS бөөмийн нийт тооноос тооцоолно. EWNS-ийн дундаж өртгийг (1) тэгшитгэлийг ашиглан тооцоолж болно:
энд IEl нь хэмжсэн гүйдэл, NSMPS нь SMPS-ээр хэмжсэн концентрацийн тоо, φEl нь электрометр рүү чиглэсэн урсгалын хурд юм.
Харьцангуй чийгшил (RH) нь гадаргуугийн цэнэгт нөлөөлдөг тул туршилтын явцад температур болон (RH)-ийг тус тус 21°C болон 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 хурд нь 1 Гц бөгөөд сканнердах талбай нь 5 µm×5 µm бөгөөд 256 сканнердах шугамтай. Бүх зургийг Asylum програм хангамж (100 нм хүрээтэй, 100 pm босготой маск) ашиглан нэгдүгээр зэрэглэлийн зургийн тохируулгад оруулсан.
Дээж авах юүлүүрийг авч, гялтгануурын гадаргууг эсрэг электродоос 2.0 см зайд дунджаар 120 секундын турш байрлуулж, бөөмсүүд нэгдэж, гялтгануурын гадаргуу дээр жигд бус дусал үүсэхээс сэргийлнэ. EWNS-ийг шинээр зүссэн гялтгануурын гадаргуу дээр (Тед Пелла, Реддинг, Калифорни) шууд түрхсэн. Шүршсэний дараа шууд гялтгануурын гадаргууг AFM ашиглан дүрсэлсэн. Шинээр зүссэн өөрчлөгдөөгүй гялтгануурын гадаргуугийн холбоо барих өнцөг нь 0°-тэй ойролцоо тул EWNS нь гялтгануурын гадаргуу дээгүүр бөмбөрцөг хэлбэртэй тархдаг20. Сарнисан дуслын диаметр (a) ба өндрийг (h) AFM топографиас шууд хэмжиж, өмнө нь батлагдсан аргыг ашиглан бөмбөрцөг хэлбэртэй сарниулах эзэлхүүн EWNS-ийг тооцоолоход ашигласан8. Суурин EVNS нь ижил эзэлхүүнтэй гэж үзвэл эквивалент диаметрийг (2) тэгшитгэлээс тооцоолж болно:
Өмнө нь боловсруулсан аргын дагуу 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) (Oxis International Inc., Портланд, Орегон) агуулсан уусмалаар дамжуулсан. Бүх EPR хэмжилтийг Bruker EMX спектрометр (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) болон хавтгай эсийн массив ашиглан гүйцэтгэсэн. Өгөгдлийг цуглуулж, шинжлэхэд Acquisit програм хангамж (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ашигласан. ROS шинж чанарыг зөвхөн ашиглалтын нөхцөл байдлын багцад [-6.5 кВ, 4.0 см] хийсэн. EWNS концентрацийг цохилтот хэсэгт EWNS алдагдлыг харгалзан SMPS ашиглан хэмжсэн.
Озоны түвшинг 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10 ашиглан хянасан.
EWNS-ийн бүх шинж чанаруудын хувьд хэмжилтийн утга нь хэмжилтийн дундаж, хэмжилтийн алдаа нь стандарт хазайлт юм. Оновчтой EWNS шинж чанарын утгыг үндсэн EWNS-ийн харгалзах утгатай харьцуулахын тулд t-тестийг хийсэн.
Зураг 2c-д өмнө нь боловсруулж, тодорхойлсон EWNS11-ийг гадаргуу руу чиглүүлэхэд ашиглаж болох Электростатик Хур тунадас Дамжуулах Систем (EPES)-ийг харуулав. EPES нь EWNS цэнэгийг хүчтэй цахилгаан оронтой хослуулан ашиглан байны гадаргуу руу шууд "чиглүүлдэг". EPES системийн талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг Пиргиотакис болон бусад хүмүүсийн саяхны нийтлэлд үзүүлсэн болно.11. Тиймээс EPES нь голд нь 15.24 см зайтай хоёр зэрэгцээ зэвэрдэггүй ган (304 зэвэрдэггүй ган, толин тусгал өнгөлсөн) металл хавтан агуулсан конус хэлбэрийн үзүүртэй 3D хэвлэмэл PVC камераас бүрдэнэ. Самбарууд нь гадаад өндөр хүчдэлийн эх үүсвэртэй (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) холбогдсон, доод хавтан нь үргэлж эерэг, дээд хавтан нь үргэлж газардуулгатай (хөвөгч) байсан. Камерын хана нь хөнгөн цагаан тугалган цаасаар хучигдсан бөгөөд энэ нь бөөмсийн алдагдалаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд цахилгаанаар газардуулгатай байдаг. Камер нь туршилтын гадаргууг хуванцар тавиур дээр байрлуулж, өндөр хүчдэлийн хөндлөнгийн оролцооноос зайлсхийхийн тулд доод металл хавтангаас өргөх 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 болохын хувьд цилиндр хэлбэртэй камераар дамжин өнгөрөх хоёр дахь урсгалыг завсрын HEPA шүүлтүүр ашиглан EPES системтэй цуваа холбож, EWNS-ийг зайлуулдаг. Зураг 2c-д үзүүлсэнчлэн, EWNS аэрозолыг цуваа холбогдсон хоёр камераар шахдаг. Хяналтын өрөө болон EPES-ийн хоорондох шүүлтүүр нь үлдсэн EWNS-ийг зайлуулж, температур (T), харьцангуй чийгшил (RH) болон озоны түвшин ижил байдаг.
Хүнсний чухал бичил биетүүд нь өтгөний индикатор болох Escherichia coli (ATCC #27325), хоол хүнсээр дамжин халдварладаг эмгэг төрүүлэгч Salmonella enterica (ATCC #53647), эмгэг төрүүлэгч Listeria monocytogenes-ийн өөр хувилбар болох Listeria innocua (ATCC #33090), муудсан мөөгөнцрийн оронд Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), илүү тэсвэртэй амьд бактери болох Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) зэрэг шинэхэн бүтээгдэхүүнийг бохирдуулдаг болохыг тогтоосон. ATCC-ээс (Манассас, Виржиниа) худалдан авсан.
Орон нутгийн зах зээлээс санамсаргүй байдлаар органик усан үзмийн улаан лоолийн хайрцаг худалдаж аваад, хэрэглэх хүртэл 4°C-д хөргөгчинд (3 хүртэл хоног) хадгална. Туршилт хийхдээ нэг хэмжээтэй, ойролцоогоор 1/2 инч диаметртэй улаан лоолийг сонгоорой.
Инкубаци, тарилга, өртөлт болон колони тоолох протоколуудыг өмнөх нийтлэлүүдэд дэлгэрэнгүй тайлбарласан бөгөөд Нэмэлт мэдээлэл 11-д дэлгэрэнгүй тайлбарласан болно. EWNS-ийн гүйцэтгэлийг тарьсан улаан лоолийг 40,000 #/cm3-д 45 минутын турш өртүүлж үнэлсэн. Товчхондоо, t = 0 минутад амьд үлдсэн бичил биетнийг үнэлэхэд гурван улаан лооль ашигласан. Гурван улаан лоолийг EPES-д байрлуулж, 40,000 #/cm3-д (EWNS-д өртсөн улаан лооль), бусад гурван улаан лоолийг хяналтын камерт (хяналтын улаан лооль) байрлуулсан. Улаан лоолийн бүлгүүдийн аль нь ч нэмэлт боловсруулалтанд ороогүй. EWNS-д өртсөн улаан лооль болон хяналтын бүлгийг EWNS-ийн үр нөлөөг үнэлэхийн тулд 45 минутын дараа авсан.
Туршилт бүрийг гурван хувь хийсэн. Өгөгдлийн шинжилгээг Нэмэлт мэдээлэлд тайлбарласан протоколын дагуу гүйцэтгэсэн.
E. coli, Enterobacter болон L. innocua бактерийн дээжийг EWNS-д (45 минут, EWNS аэрозолийн концентраци 40,000 #/см3) өртүүлж, ил гаргаагүй хэсгийг нь мөхлөгт нунтаглаж идэвхгүйжүүлэх механизмыг үнэлэв. Тунадасыг өрөөний температурт 0.1 М натрийн какодилатын уусмалд (рН 7.4) 2 цагийн турш 2.5% глутаральдегид, 1.25% параформальдегид болон 0.03% пикрикийн хүчлийн фиксатороор бэхлэв. Угаасны дараа тэдгээрийг 1% осмийн тетроксид (OsO4)/1.5% калийн ферроцианид (KFeCN6)-аар 2 цагийн турш бэхлээд, 3 удаа усаар угааж, 1% уранил ацетатад 1 цаг инкубаци хийж, дараа нь хоёр удаа усаар угаав. Дараа нь 50%, 70%, 90%, 100% спирт тус бүр 10 минутын турш шингэн алдалт хийв. 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 камертай (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, USA) уламжлалт дамжуулалтын электрон микроскоп болох JEOL 1200EX (JEOL, Токио, Япон) ашиглан TEM-ээр дүрсэлсэн.
Бүх туршилтыг гурван удаа хийсэн. Цаг хугацааны цэг бүрийн хувьд бактерийн угаалгыг гурван удаа оруулсан бөгөөд цэг бүрт нийт есөн өгөгдлийн цэг гарсан бөгөөд тэдгээрийн дундажийг тухайн организмын бактерийн концентраци болгон ашигласан. Стандарт хазайлтыг хэмжилтийн алдаа болгон ашигласан. Бүх оноог 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 хугацаанд бактерийн байгалийн задралыг тооцоолохын тулд 45 минутын хяналтын бүлэгтэй харьцуулан Лог-Бууруулалтыг дараах байдлаар тооцоолсон:
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 бүрэн судалгаанд хоёр тохиолдлыг сонгосон (Тейлорын конус, EWNS үйлдвэрлэл, цаг хугацааны явцад тогтвортой байдал). Зураг 3-т хоёр тохиолдлын ROS-ийн цэнэг, хэмжээ, агууламжийн үр дүнг харуулав. Үр дүнг мөн Хүснэгт 1-д нэгтгэн харуулав. Лавлагааны хувьд 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 зүүний үзүүрийн хоорондох зай (L)-ийн нөлөөллийн судалгаанууд багтсан болно (Нэмэлт Зураг S2 ба S3).
(a–c) AFM хэмжээний тархалт. (d – f) Гадаргуугийн цэнэгийн шинж чанар. (g) ROS болон ESR-ийн шинж чанар.
Дээрх бүх нөхцөлд хэмжсэн ионжуулалтын гүйдэл нь 2-6 µA, хүчдэл нь -3.8-аас -6.5 кВ хүртэл байсан тул энэхүү нэг терминалтай EWNS-ийн эрчим хүчний хэрэглээ 50 мВт-аас бага байсан гэдгийг тэмдэглэх нь чухал юм. 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 симуляцийн цахилгаан оронг тус тус харуулж байна. [-6.5 кВ, 4.0 см] болон [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын дагуух оронг тус тус 2 × 105 В/м ба 4.7 × 105 В/м гэж тооцоолсон. Хоёр дахь тохиолдолд хүчдэлийн зайтай харьцуулсан харьцаа хамаагүй өндөр байгаа тул үүнийг хүлээж болно.
Зураг 3a,b дээр AFM8-аар хэмжсэн EWNS диаметрийг харуулав. [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] хувилбаруудын EWNS-ийн дундаж диаметрийг тус тус 27 нм ба 19 нм гэж тооцоолсон. [-6.5 кВ, 4.0 см] ба [-3.8 кВ, 0.5 см] тохиолдлуудын 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. Суурь-EWNS (10 ± 2 e-)-тэй харьцуулахад тэдгээрийн гадаргуугийн цэнэг нь мэдэгдэхүйц өндөр бөгөөд [-6.5 кВ, 4.0 см] хувилбараас хоёр дахин, [-3 .8 кВ, 0.5 см] хувилбараас дөрөв дахин их байна. 3f нь EWNS-ийн үндсэн төлбөрийн өгөгдлийг харуулж байна.
EWNS тооны концентрацийн газрын зургаас (Нэмэлт зураг S5 ба S6) харахад [-6.5 кВ, 4.0 см] үзэгдэл нь [-3.8 кВ, 0.5 см] үзэгдэлтэй харьцуулахад мэдэгдэхүйц их тооны 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 нь [-6.5 кВ, 4.0 см] дээрх оновчтой EWNS-ийн хяналтын (арын) хасалтын дараах EPR спектрийг харуулж байна. ROS спектрийг өмнө нь нийтлэгдсэн өгүүлэлд EWNS суурьтай харьцуулсан болно. Спин хавхтай урвалд орж буй EWNS-ийн тооцоолсон тоо нь 7.5 × 104 EWNS/с бөгөөд энэ нь өмнө нь нийтлэгдсэн Baseline-EWNS8-тэй төстэй юм. EPR спектрүүд нь O2- давамгайлж, OH• бага хэмжээгээр агуулагдаж байсан хоёр төрлийн ROS байгааг тодорхой харуулсан. Үүнээс гадна, оргил эрчимийг шууд харьцуулснаар оновчтой болгосон 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 3.0 кВ-ын бага хүчдэлд ч гэсэн 100% орчим байсан. Ерөнхийдөө 3.0 кВ нь гадаргуугийн цэнэгийн өөрчлөлтөөс үл хамааран 100% тунадас авахад хангалттай байдаг. Үүнтэй ижил нөхцөлд Суурь-EWNS-ийн тунадасны үр ашиг нь бага цэнэгтэй (EWNS тутамд дунджаар 10 электрон) холбоотойгоор ердөө 56% байсан.
Зураг 5 болон Хүснэгт 2-т оновчтой хувилбарын дагуу [-6.5 кВ, 4.0 см] ойролцоогоор 40,000 #/см3 EWNS-д 45 минутын турш өртсөний дараа улаан лоолийн гадаргуу дээр тарьсан бичил биетний идэвхгүйжүүлэлтийн түвшинг нэгтгэн харуулав. E. coli болон L. innocua-г тарьсан нь 45 минутын өртөлтийн дараа 3.8 лог-оор мэдэгдэхүйц буурсан байна. Үүнтэй ижил нөхцөлд S. enterica нь 2.2 лог-оор бага лог-оор буурсан бол S. cerevisiae болон M. parafortuitum нь 1.0 лог-оор буурсан байна.
E. coli, Salmonella enterica, болон L. innocua эсүүдэд EWNS-ийн өдөөгдсөн физик өөрчлөлтийг идэвхгүйжүүлэхэд хүргэдэг болохыг харуулсан электрон микрографууд (Зураг 6). Хяналтын бактериудад эсийн мембран бүрэн бүтэн байсан бол ил гарсан бактериуд 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) нь өмнө нь нийтлэгдсэн EWNS суурь өгөгдөлтэй харьцуулахад мэдэгдэхүйц сайжирсан болохыг харуулж байна8,9,10,11. Нөгөөтэйгүүр, тэдгээрийн хэмжээ нь нанометрийн хүрээнд хэвээр байсан бөгөөд энэ нь өмнө нь нийтлэгдсэн үр дүнтэй маш төстэй бөгөөд агаарт удаан хугацаагаар байх боломжийг олгодог. Ажиглагдсан полидисперсийг гадаргуугийн цэнэгийн өөрчлөлтөөр тайлбарлаж болох бөгөөд энэ нь Рэйлийн эффектийн хэмжээ, санамсаргүй байдал, EWNS-ийн нэгдэх боломжийг тодорхойлдог. Гэсэн хэдий ч Нильсен болон бусад хүмүүсийн дэлгэрэнгүй тайлбарласнаар22 гадаргуугийн өндөр цэнэг нь усны дуслын гадаргуугийн энерги/таталтыг үр дүнтэйгээр нэмэгдүүлснээр ууршилтыг бууруулдаг. Энэ онолыг бидний өмнөх нийтлэлд8 бичил дуслууд22 болон EWNS-ийн хувьд туршилтаар баталсан. Илүү цагийн алдагдал нь мөн хэмжээнд нөлөөлж, ажиглагдсан хэмжээний тархалтад хувь нэмэр оруулж болно.
Үүнээс гадна, бүтэц тус бүрийн цэнэг нь нөхцөл байдлаас шалтгаалан ойролцоогоор 22–44 e- байдаг бөгөөд энэ нь бүтэц тус бүрт дунджаар 10 ± 2 электрон цэнэгтэй үндсэн EWNS-тэй харьцуулахад мэдэгдэхүйц өндөр байна. Гэсэн хэдий ч энэ нь EWNS-ийн дундаж цэнэг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Сето нар. Цэнэг нь жигд биш бөгөөд логарифм-хэвийн тархалтыг дагадаг болохыг харуулсан21. Өмнөх ажилтай харьцуулахад гадаргуугийн цэнэгийг хоёр дахин нэмэгдүүлэх нь EPES систем дэх тунадасны үр ашгийг бараг 100% хүртэл хоёр дахин нэмэгдүүлдэг11.