Faleminderit që vizituat Nature.com.Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar për CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta bëjmë faqen pa stile dhe JavaScript.
Një karusel që tregon tre rrëshqitje në të njëjtën kohë.Përdorni butonat Previous dhe Next për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë, ose përdorni butonat rrëshqitës në fund për të lëvizur nëpër tre rrëshqitje në të njëjtën kohë.
Kohët e fundit, është zhvilluar një platformë antimikrobike pa kimikate e bazuar në nanoteknologji duke përdorur nanostruktura artificiale të ujit (EWNS).EWNS kanë një ngarkesë të lartë sipërfaqësore dhe janë të ngopura me specie reaktive të oksigjenit (ROS) që mund të ndërveprojnë dhe të çaktivizojnë një numër mikroorganizmash, duke përfshirë patogjenët që vijnë nga ushqimi.Këtu tregohet se vetitë e tyre gjatë sintezës mund të rregullohen dhe optimizohen për të rritur më tej potencialin e tyre antibakterial.Platforma laboratorike EWNS është projektuar për të rregulluar vetitë e EWNS duke ndryshuar parametrat e sintezës.Karakterizimi i vetive EWNS (ngarkesa, madhësia dhe përmbajtja e ROS) duke përdorur metoda moderne analitike.Për më tepër, ata u vlerësuan për potencialin e tyre të inaktivizimit mikrobik ndaj mikroorganizmave ushqimorë si Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum dhe Saccharomyces cerevisiae.Rezultatet e paraqitura këtu tregojnë se vetitë e EWNS mund të rregullohen mirë gjatë sintezës, duke rezultuar në një rritje eksponenciale në efikasitetin e inaktivizimit.Në veçanti, ngarkesa sipërfaqësore u rrit me një faktor prej katër dhe speciet reaktive të oksigjenit u rritën.Shkalla e largimit të mikrobeve ishte e varur nga mikrobi dhe varionte nga 1,0 në 3,8 log pas një ekspozimi 45 minutash ndaj një doze aerosoli prej 40,000 #/cc EWNS.
Ndotja mikrobike është shkaku kryesor i sëmundjeve ushqimore të shkaktuara nga gëlltitja e patogjenëve ose toksinave të tyre.Vetëm në Shtetet e Bashkuara, sëmundja e shkaktuar nga ushqimi shkakton rreth 76 milionë sëmundje, 325,000 shtrime në spital dhe 5,000 vdekje çdo vit1.Për më tepër, Departamenti i Bujqësisë i Shteteve të Bashkuara (USDA) vlerëson se rritja e konsumit të produkteve të freskëta është përgjegjëse për 48% të të gjitha sëmundjeve të raportuara të shkaktuara nga ushqimi në Shtetet e Bashkuara2.Kostoja e sëmundjeve dhe vdekjeve të shkaktuara nga patogjenët ushqimorë në Shtetet e Bashkuara është shumë e lartë, e vlerësuar nga Qendrat për Kontrollin dhe Parandalimin e Sëmundjeve (CDC) në më shumë se 15.6 miliardë dollarë në vit3.
Aktualisht, ndërhyrjet antimikrobike kimike4, rrezatimi5 dhe termike6 për të garantuar sigurinë ushqimore kryhen kryesisht në pikat e kufizuara kritike të kontrollit (CCP) përgjatë zinxhirit të prodhimit (zakonisht pas korrjes dhe/ose gjatë paketimit) dhe jo vazhdimisht.kështu, ata janë të prirur ndaj kontaminimit të kryqëzuar.7. Kontrolli më i mirë i sëmundjeve të shkaktuara nga ushqimi dhe i prishjes së ushqimit kërkon ndërhyrje antimikrobike që mund të aplikohen potencialisht në të gjithë vazhdimësinë nga ferma në tavolinë duke reduktuar ndikimin dhe kostot mjedisore.
Kohët e fundit, është zhvilluar një platformë antimikrobike pa kimikate, e bazuar në nanoteknologji, e cila mund të çaktivizojë bakteret sipërfaqësore dhe ajrore duke përdorur nanostruktura artificiale të ujit (EWNS).EWNS u sintetizua duke përdorur dy procese paralele, elektrospërkatje dhe jonizimin e ujit (Fig. 1a).Studimet e mëparshme kanë treguar se EWNS kanë një grup unik të vetive fizike dhe biologjike8,9,10.EWNS kanë një mesatare prej 10 elektronesh për strukturë dhe një madhësi mesatare të shkallës nano prej 25 nm (Fig. 1b,c) 8,9,10.Përveç kësaj, rezonanca e rrotullimit të elektroneve (ESR) tregoi se EWNS përmban një sasi të madhe të specieve reaktive të oksigjenit (ROS), kryesisht radikale hidroksil (OH•) dhe superoksid (O2-) (Fig. 1c)8.EVNS është në ajër për një kohë të gjatë dhe mund të përplaset me mikroorganizmat e pezulluar në ajër dhe të pranishëm në sipërfaqe, duke shpërndarë ngarkesën e tyre ROS dhe duke shkaktuar inaktivizimin e mikroorganizmave (Fig. 1d).Këto studime të hershme treguan gjithashtu se EWNS mund të ndërveprojë dhe të çaktivizojë baktere të ndryshme gram-negative dhe gram-pozitive, duke përfshirë mykobakteret, në sipërfaqe dhe në ajër.Mikroskopi elektronik i transmetimit tregoi se inaktivizimi ishte shkaktuar nga prishja e membranës qelizore.Përveç kësaj, studimet akute të inhalimit kanë treguar se doza të larta të EWNS nuk shkaktojnë dëmtim ose inflamacion të mushkërive 8 .
(a) Elektrospërcja ndodh kur aplikohet një tension i lartë ndërmjet një tubi kapilar që përmban lëng dhe një elektrodë kundër.(b) Aplikimi i presionit të lartë rezulton në dy dukuri të ndryshme: (i) spërkatje me elektronikë të ujit dhe (ii) formimin e specieve reaktive të oksigjenit (joneve) të bllokuara në EWNS.(c) Struktura unike e EWNS.(d) Për shkak të natyrës së tyre në shkallë nano, EWNS janë shumë të lëvizshme dhe mund të ndërveprojnë me patogjenët e ajrit.
Kohët e fundit është demonstruar gjithashtu aftësia e platformës antimikrobike EWNS për të çaktivizuar mikroorganizmat që vijnë nga ushqimi në sipërfaqen e ushqimit të freskët.Është treguar gjithashtu se ngarkesa sipërfaqësore e EWNS në kombinim me një fushë elektrike mund të përdoret për të arritur shpërndarjen e synuar.Për më tepër, rezultatet paraprake për domatet organike pas një ekspozimi 90 minutash në një EWNS prej rreth 50,000 #/cm3 ishin inkurajuese, me mikroorganizma të ndryshëm që vijnë nga ushqimi si E. coli dhe Listeria 11 të vëzhguara.Përveç kësaj, testet organoleptike paraprake nuk treguan efekte shqisore në krahasim me domatet e kontrollit.Megjithëse këto rezultate fillestare të çaktivizimit janë inkurajuese për aplikimet e sigurisë ushqimore edhe në doza shumë të ulëta EWNS prej 50,000#/cc.shih, është e qartë se një potencial më i lartë inaktivizimi do të ishte më i dobishëm për të reduktuar më tej rrezikun e infeksionit dhe prishjes.
Këtu, ne do të fokusojmë kërkimin tonë në zhvillimin e një platforme gjenerimi EWNS për të mundësuar akordim të imët të parametrave të sintezës dhe optimizimin e vetive fiziko-kimike të EWNS për të rritur potencialin e tyre antibakterial.Në veçanti, optimizimi është fokusuar në rritjen e ngarkesës së tyre sipërfaqësore (për të përmirësuar shpërndarjen e synuar) dhe përmbajtjen e ROS (për të përmirësuar efikasitetin e çaktivizimit).Karakterizoni vetitë fiziko-kimike të optimizuara (madhësia, ngarkesa dhe përmbajtja ROS) duke përdorur metoda moderne analitike dhe përdorni mikroorganizma të zakonshëm ushqimor si E. .
EVNS u sintetizua me elektrospërkatje dhe jonizimin e njëkohshëm të ujit me pastërti të lartë (18 MΩ cm–1).Nebulizatori elektrik 12 përdoret zakonisht për atomizimin e lëngjeve dhe sintezën e grimcave polimer dhe qeramike 13 dhe fibrave 14 me madhësi të kontrolluar.
Siç u detajua në botimet e mëparshme 8, 9, 10, 11, në një eksperiment tipik, u aplikua një tension i lartë midis një kapilar metalik dhe një elektrodë kundërthënëse.Gjatë këtij procesi ndodhin dy dukuri të ndryshme: i) elektrospërkatje dhe ii) jonizimi i ujit.Një fushë e fortë elektrike midis dy elektrodave bën që ngarkesat negative të krijohen në sipërfaqen e ujit të kondensuar, duke rezultuar në formimin e koneve të Taylor.Si rezultat, formohen pika uji shumë të ngarkuara, të cilat vazhdojnë të shpërbëhen në grimca më të vogla, si në teorinë e Rayleigh16.Në të njëjtën kohë, fushat e forta elektrike bëjnë që disa molekula uji të ndahen dhe të heqin elektronet (jonizohen), gjë që çon në formimin e një sasie të madhe të specieve reaktive të oksigjenit (ROS)17.ROS18 i krijuar në të njëjtën kohë u kapsulua në EWNS (Fig. 1c).
Në fig.2a tregon sistemin e gjenerimit të EWNS të zhvilluar dhe përdorur në sintezën EWNS në këtë studim.Uji i pastruar i ruajtur në një shishe të mbyllur u fut përmes një tubi Teflon (diametri i brendshëm 2 mm) në një gjilpërë prej çeliku inox 30G (kapilar metalik).Rrjedha e ujit kontrollohet nga presioni i ajrit brenda shishes, siç tregohet në figurën 2b.Gjilpëra është montuar në një tastierë Teflon dhe mund të rregullohet manualisht në një distancë të caktuar nga elektroda kundër.Elektroda kundër është një disk alumini i lëmuar me një vrimë në qendër për marrjen e mostrave.Poshtë elektrodës kundër është një gyp kampionimi alumini, i cili lidhet me pjesën tjetër të konfigurimit eksperimental nëpërmjet një porti kampionimi (Fig. 2b).Për të shmangur grumbullimin e ngarkesës që mund të prishë funksionimin e kampionuesit, të gjithë përbërësit e kampionuesit janë të tokëzuara elektrike.
(a) Sistemi i gjenerimit të nanostrukturës së ujit të inxhinieruar (EWNS).(b) Prerje tërthore të kampionuesit dhe elektrospërkatjes, duke treguar parametrat më të rëndësishëm.(c) Konfigurimi eksperimental për inaktivizimin e baktereve.
Sistemi i gjenerimit EWNS i përshkruar më sipër është i aftë të ndryshojë parametrat kryesorë të funksionimit për të lehtësuar akordimin e saktë të vetive EWNS.Rregulloni tensionin e aplikuar (V), distancën midis gjilpërës dhe elektrodës kundër (L) dhe rrjedhën e ujit (φ) nëpër kapilar për të rregulluar mirë karakteristikat EWNS.Simboli i përdorur për të përfaqësuar kombinime të ndryshme: [V (kV), L (cm)].Rregulloni rrjedhën e ujit për të marrë një kon të qëndrueshëm Taylor të një grupi të caktuar [V, L].Për qëllimet e këtij studimi, diametri i hapjes së elektrodës kundër (D) u mbajt në 0,5 inç (1,29 cm).
Për shkak të gjeometrisë dhe asimetrisë së kufizuar, forca e fushës elektrike nuk mund të llogaritet nga parimet e para.Në vend të kësaj, softueri QuickField™ (Svendborg, Danimarkë)19 u përdor për të llogaritur fushën elektrike.Fusha elektrike nuk është uniforme, kështu që vlera e fushës elektrike në majë të kapilarit është përdorur si vlerë referencë për konfigurime të ndryshme.
Gjatë studimit, u vlerësuan disa kombinime të tensionit dhe distancës midis gjilpërës dhe elektrodës së kundërt për sa i përket formimit të konit Taylor, stabilitetit të konit të Taylor, stabilitetit të prodhimit të EWNS dhe riprodhueshmërisë.Kombinime të ndryshme janë paraqitur në tabelën plotësuese S1.
Prodhimi i sistemit të gjenerimit EWNS u lidh drejtpërdrejt me një analizues të madhësisë së grimcave të lëvizshmërisë së skanimit (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) për matjen e përqendrimit të numrit të grimcave, si dhe me një Elektrometër Faraday Aerosol (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN).) për rrymat e aerosolit u mat siç përshkruhet në publikimin tonë të mëparshëm.Si SMPS ashtu edhe elektrometri i aerosolit u morën me një shpejtësi rrjedhjeje prej 0,5 L/min (rrjedha totale e kampionit 1 L/min).Përqendrimi i numrit të grimcave dhe rrjedha e aerosolit u mat për 120 sekonda.Matja përsëritet 30 herë.Bazuar në matjet aktuale, ngarkesa totale e aerosolit llogaritet dhe ngarkesa mesatare EWNS vlerësohet për një numër total të caktuar të grimcave të zgjedhura EWNS.Kostoja mesatare e EWNS mund të llogaritet duke përdorur ekuacionin (1):
ku IEl është rryma e matur, NSMPS është përqendrimi dixhital i matur me SMPS dhe φEl është shpejtësia e rrjedhës për elektrometër.
Për shkak se lagështia relative (RH) ndikon në ngarkesën sipërfaqësore, temperatura dhe (RH) u mbajtën konstante gjatë eksperimentit në 21°C dhe 45%, respektivisht.
Mikroskopi i forcës atomike (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) dhe sonda AC260T (Olympus, Tokio, Japoni) u përdorën për të matur madhësinë dhe jetëgjatësinë e EWNS.Frekuenca e skanimit AFM ishte 1 Hz, zona e skanimit ishte 5 μm × 5 μm dhe 256 linja skanimi.Të gjitha imazhet iu nënshtruan rreshtimit të imazhit të rendit të parë duke përdorur softuerin Asylum (gama e maskës 100 nm, pragu 100 pasdite).
Gypi i provës u hoq dhe sipërfaqja e mikës u vendos në një distancë prej 2.0 cm nga elektroda kundër për një kohë mesatare prej 120 s për të shmangur grumbullimin e grimcave dhe formimin e pikave të parregullta në sipërfaqen e mikës.EWNS u spërkat direkt në sipërfaqen e mikës së sapoprerë (Ted Pella, Redding, CA).Imazhi i sipërfaqes së mikës menjëherë pas spërkatjes së AFM.Këndi i kontaktit të sipërfaqes së mikës së sapoprerë të pamodifikuar është afër 0°, kështu që EVNS shpërndahet në sipërfaqen e mikës në formë kupole.Diametri (a) dhe lartësia (h) e pikave difuzuese u matën direkt nga topografia AFM dhe u përdorën për të llogaritur vëllimin e difuzionit me kupolë EWNS duke përdorur metodën tonë të vërtetuar më parë.Duke supozuar se EWNS në bord kanë të njëjtin vëllim, diametri ekuivalent mund të llogaritet duke përdorur ekuacionin (2):
Bazuar në metodën tonë të zhvilluar më parë, një kurth rrotullues i rezonancës së elektroneve (ESR) u përdor për të zbuluar praninë e ndërmjetësve radikalë jetëshkurtër në EWNS.Aerosolet u shpërndanë përmes një sparger 650 μm Midget (Ace Glass, Vineland, NJ) që përmban një zgjidhje 235 mM të DEPMPO (5-(dietoksifosforil)-5-metil-1-pirroline-N-oksid) (Oxis International Inc.).Portland, Oregon).Të gjitha matjet e ESR u kryen duke përdorur një spektrometër Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) dhe një qelizë me panel të sheshtë.Për mbledhjen dhe analizimin e të dhënave është përdorur softueri Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, SHBA).Përcaktimi i karakteristikave të ROS u krye vetëm për një sërë kushtesh funksionimi [-6,5 kV, 4,0 cm].Përqendrimet e EWNS u matën duke përdorur SMPS pas llogaritjes së humbjeve EWNS në ndikimin.
Nivelet e ozonit u monitoruan duke përdorur një 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Për të gjitha vetitë EWNS, vlera mesatare përdoret si vlerë matëse dhe devijimi standard përdoret si gabim i matjes.T-testet u kryen për të krahasuar vlerat e atributeve të optimizuara EWNS me vlerat përkatëse të EWNS bazë.
Figura 2c tregon një sistem "tërheqjeje" të reshjeve elektrostatike (EPES) të zhvilluar dhe të karakterizuar më parë që mund të përdoret për shpërndarjen e synuar të EWNS në sipërfaqe.EPES përdor ngarkesa EVNS që mund të "udhëzohen" drejtpërdrejt në sipërfaqen e objektivit nën ndikimin e një fushe të fortë elektrike.Detajet e sistemit EPES janë paraqitur në një publikim të fundit nga Pyrgiotakis et al.11 .Kështu, EPES përbëhet nga një dhomë PVC e printuar 3D me skaje të ngushta dhe përmban dy pllaka metalike paralele inox (çelik inox 304, të veshura me pasqyrë) në qendër 15,24 cm larg njëra-tjetrës.Pllakat ishin të lidhura me një burim të jashtëm të tensionit të lartë (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), pllaka e poshtme ishte gjithmonë e lidhur me tension pozitiv dhe pllaka e sipërme ishte gjithmonë e lidhur me tokën (tokë lundruese).Muret e dhomës janë të mbuluara me letër alumini, e cila është e tokëzuar elektrike për të parandaluar humbjen e grimcave.Dhoma ka një derë ngarkimi të përparme të mbyllur që lejon që sipërfaqet e provës të vendosen në mbajtëse plastike që i ngrenë ato mbi pllakën metalike të poshtme për të shmangur ndërhyrjet e tensionit të lartë.
Efikasiteti i depozitimit të EWNS në EPES është llogaritur sipas një protokolli të zhvilluar më parë të detajuar në figurën plotësuese S111.
Si dhomë kontrolli, një dhomë e dytë cilindrike rrjedhëse u lidh në seri me sistemin EPES, në të cilin u përdor një filtër i ndërmjetëm HEPA për të hequr EWNS.Siç tregohet në figurën 2c, aerosoli EWNS pompohej përmes dy dhomave të integruara.Filtri ndërmjet dhomës së kontrollit dhe EPES heq çdo EWNS të mbetur që rezulton në të njëjtën temperaturë (T), lagështi relative (RH) dhe nivele të ozonit.
Mikroorganizma të rëndësishëm që vijnë nga ushqimi janë gjetur se kontaminojnë ushqimet e freskëta si E. coli (ATCC #27325), tregues fekal, Salmonella enterica (ATCC #53647), patogjen ushqimor, Listeria e padëmshme (ATCC #33090), zëvendësues për Listeria patogjene (monocitogjene ATCC) CC #4098), një zëvendësues për majanë e prishur dhe një bakter i inaktivizuar më rezistent, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Bleni kuti të rastësishme me domate rrushi organik nga tregu juaj lokal dhe vendoseni në frigorifer në 4°C deri në përdorim (deri në 3 ditë).Domatet eksperimentale ishin të gjitha me të njëjtën madhësi, rreth 1/2 inç në diametër.
Protokollet e kulturës, vaksinimit, ekspozimit dhe numërimit të kolonive janë të detajuara në publikimin tonë të mëparshëm dhe të detajuara në Të dhënat Suplementare.Efektiviteti i EWNS u vlerësua duke ekspozuar domatet e inokuluara në 40,000 #/cm3 për 45 minuta.Shkurtimisht, tre domate u përdorën për të vlerësuar mikroorganizmat e mbijetuar në kohën t = 0 min.Tre domate u vendosën në EPES dhe u ekspozuan ndaj EWNS në 40,000 #/cc (domate të ekspozuara EWNS) dhe tre të tjerat u vendosën në dhomën e kontrollit (domate kontrolli).Përpunimi shtesë i domateve në të dy grupet nuk u krye.Domatet e ekspozuara ndaj EWNS dhe domatet e kontrollit u hoqën pas 45 minutash për të vlerësuar efektin e EWNS.
Çdo eksperiment u krye në tre kopje.Analiza e të dhënave është kryer sipas protokollit të përshkruar në Të dhënat Suplementare.
Mekanizmat e inaktivizimit u vlerësuan me sedimentim të mostrave të ekspozuara të EWNS (45 min në përqendrimin e aerosolit EWNS 40,000 #/cm3) dhe mostrave të parrezatuara të baktereve të padëmshme E. coli, Salmonella enterica dhe Lactobacillus.Grimcat u fiksuan në 2,5% glutaraldehid, 1,25% paraformaldehid dhe 0,03% acid pikrik në tampon kakodilate natriumi 0,1 M (pH 7,4) për 2 orë në temperaturën e dhomës.Pas larjes, fiksohet me 1% tetrooksid osmiumi (OsO4)/1,5% ferrocianid kaliumi (KFeCN6) për 2 orë, lahet 3 herë në ujë dhe inkubohet në acetat uranil 1% për 1 orë, më pas lahet dy herë në ujë, pastaj dehidratohet për 50%, alkool për 10%.Mostrat u vendosën më pas në oksid propileni për 1 orë dhe u ngopën me një përzierje 1:1 të oksidit të propilenit dhe TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA).Mostrat u futën në TAAB Epon dhe u polimerizuan në 60°C për 48 orë.Rrëshira e grimcuar u pre dhe u vizualizua nga TEM duke përdorur një mikroskop elektronik transmetues konvencional JEOL 1200EX (JEOL, Tokio, Japoni) i pajisur me një kamerë AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA).
Të gjitha eksperimentet u kryen në tre kopje.Për çdo moment kohor, larjet bakteriale u mbollën në trefish, duke rezultuar në gjithsej nëntë pika të dhënash për pikë, mesatarja e të cilave u përdor si përqendrim bakterial për atë mikroorganizëm të veçantë.Devijimi standard është përdorur si gabim i matjes.Të gjitha pikët numërohen.
Logaritmi i uljes së përqendrimit të baktereve në krahasim me t = 0 min është llogaritur duke përdorur formulën e mëposhtme:
ku C0 është përqendrimi i baktereve në kampionin e kontrollit në kohën 0 (dmth pasi sipërfaqja është tharë, por para se të vendoset në dhomë) dhe Cn është përqendrimi i baktereve në sipërfaqe pas n minutash ekspozimi.
Për të llogaritur degradimin natyral të baktereve gjatë ekspozimit 45-minutësh, reduktimi log në krahasim me kontrollin pas 45 minutash u llogarit gjithashtu si më poshtë:
ku Cn është përqendrimi i baktereve në kampionin e kontrollit në kohën n dhe Cn-Control është përqendrimi i baktereve të kontrollit në kohën n.Të dhënat paraqiten si një reduktim log në krahasim me kontrollin (pa ekspozim EWNS).
Gjatë studimit, u vlerësuan disa kombinime të tensionit dhe distancës midis gjilpërës dhe elektrodës së kundërt për sa i përket formimit të konit Taylor, stabilitetit të konit të Taylor, stabilitetit të prodhimit të EWNS dhe riprodhueshmërisë.Kombinime të ndryshme janë paraqitur në tabelën plotësuese S1.Dy raste që tregojnë veti të qëndrueshme dhe të riprodhueshme (koni Taylor, gjenerimi EWNS dhe stabiliteti me kalimin e kohës) u zgjodhën për studim gjithëpërfshirës.Në fig.Figura 3 tregon rezultatet për ngarkesën, madhësinë dhe përmbajtjen e ROS në të dyja rastet.Rezultatet tregohen gjithashtu në Tabelën 1. Për referencë, si Figura 3 ashtu edhe Tabela 1 përfshijnë vetitë e EWNS8, 9, 10, 11 të pa-optimizuar më parë të sintetizuara më parë (bazë-EWNS).Llogaritjet e rëndësisë statistikore duke përdorur një T-test me dy bishta janë ripublikuar në Tabelën Plotësuese S2.Përveç kësaj, të dhënat shtesë përfshijnë studime të efektit të diametrit të vrimës së marrjes së mostrave të kundër-elektrodës (D) dhe distancës ndërmjet elektrodës së tokës dhe majës (L) (Figurat plotësuese S2 dhe S3).
(ac) Shpërndarja e madhësisë e matur nga AFM.(df) Karakteristika e ngarkesës sipërfaqësore.(g) Karakterizimi ROS i EPR.
Është gjithashtu e rëndësishme të theksohet se për të gjitha kushtet e mësipërme, rryma e matur e jonizimit ishte midis 2 dhe 6 μA dhe voltazhi midis -3.8 dhe -6.5 kV, duke rezultuar në një konsum energjie prej më pak se 50 mW për këtë modul kontakti të vetëm të gjenerimit EWNS.Megjithëse EWNS u sintetizua nën presion të lartë, nivelet e ozonit ishin shumë të ulëta, kurrë nuk i kalonin 60 ppb.
Figura plotësuese S4 tregon fushat elektrike të simuluara për skenarët [-6,5 kV, 4,0 cm] dhe [-3,8 kV, 0,5 cm], respektivisht.Për skenarët [-6,5 kV, 4,0 cm] dhe [-3,8 kV, 0,5 cm], llogaritjet në terren janë përkatësisht 2 × 105 V/m dhe 4,7 × 105 V/m.Kjo është e pritshme, pasi në rastin e dytë raporti tension-distanca është shumë më i lartë.
Në fig.3a,b tregon diametrin EWNS të matur me AFM8.Diametrat mesatarë të llogaritur të EWNS ishin 27 nm dhe 19 nm për skemat [-6,5 kV, 4,0 cm] dhe [-3,8 kV, 0,5 cm], respektivisht.Për skenarët [-6,5 kV, 4,0 cm] dhe [-3,8 kV, 0,5 cm], devijimet standarde gjeometrike të shpërndarjeve janë përkatësisht 1,41 dhe 1,45, duke treguar një shpërndarje të ngushtë të madhësisë.Si madhësia mesatare ashtu edhe devijimi standard gjeometrik janë shumë afër linjës bazë EWNS, përkatësisht në 25 nm dhe 1.41.Në fig.3c tregon shpërndarjen e madhësisë së EWNS bazë të matur duke përdorur të njëjtën metodë në të njëjtat kushte.
Në fig.3d,e tregon rezultatet e karakterizimit të ngarkesës.Të dhënat janë matje mesatare prej 30 matjesh të njëkohshme të përqendrimit (#/cm3) dhe rrymës (I).Analiza tregon se ngarkesa mesatare në EWNS është 22 ± 6 e- dhe 44 ± 6 e- për [-6,5 kV, 4,0 cm] dhe [-3,8 kV, 0,5 cm], respektivisht.Ata kanë ngarkesa sipërfaqësore dukshëm më të larta në krahasim me EWNS bazë (10 ± 2 e-), dy herë më e madhe se skenari [-6,5 kV, 4,0 cm] dhe katër herë më e madhe se [-3 ,8 kV, 0,5 cm].Figura 3f tregon ngarkesën.të dhënat për Baseline-EWNS.
Nga hartat e përqendrimit të numrit EWNS (Figurat Plotësuese S5 dhe S6), mund të shihet se skenari [-6.5 kV, 4.0 cm] ka dukshëm më shumë grimca sesa skenari [-3.8 kV, 0.5 cm].Vlen gjithashtu të theksohet se përqendrimi i numrit EWNS u monitorua deri në 4 orë (Figurat Suplementare S5 dhe S6), ku stabiliteti i gjenerimit të EWNS tregoi të njëjtat nivele të përqendrimit të numrit të grimcave në të dy rastet.
Në fig.3g tregon spektrin EPR pas zbritjes së kontrollit të optimizuar EWNS (sfondi) në [-6,5 kV, 4,0 cm].Spektrat ROS u krahasuan gjithashtu me skenarin Bazë-EWNS në një punë të botuar më parë.Numri i EWNS që reagojnë me kurthe rrotulluese është llogaritur të jetë 7,5 × 104 EWNS/s, që është e ngjashme me Baseline-EWNS8 të publikuar më parë.Spektrat EPR treguan qartë praninë e dy llojeve të ROS, me O2- që ishte speciet mbizotëruese dhe OH• më pak të bollshme.Përveç kësaj, një krahasim i drejtpërdrejtë i intensiteteve të pikut tregoi se EWNS e optimizuar kishte një përmbajtje ROS dukshëm më të lartë në krahasim me EWNS bazë.
Në fig.4 tregon efikasitetin e depozitimit të EWNS në EPES.Të dhënat janë përmbledhur gjithashtu në Tabelën I dhe krahasohen me të dhënat origjinale të EWNS.Për të dy rastet e EUNS, depozitimi është afër 100% edhe në një tension të ulët prej 3.0 kV.Në mënyrë tipike, 3.0 kV është i mjaftueshëm për depozitimin 100%, pavarësisht nga ndryshimi i ngarkesës sipërfaqësore.Në të njëjtat kushte, efikasiteti i depozitimit të Baseline-EWNS ishte vetëm 56% për shkak të ngarkesës së tyre më të ulët (mesatarisht 10 elektrone për EWNS).
Në fig.5 dhe në tabelë.2 përmbledh vlerën e inaktivizimit të mikroorganizmave të inokuluar në sipërfaqen e domates pas ekspozimit në rreth 40,000 #/cm3 EWNS për 45 minuta në modalitetin optimal [-6,5 kV, 4,0 cm].E. coli dhe Lactobacillus innocuous të inokuluara treguan një reduktim të ndjeshëm prej 3.8 logs gjatë ekspozimit 45 minuta.Në të njëjtat kushte, S. enterica pati një rënie prej 2.2 log, ndërsa S. cerevisiae dhe M. parafortutum patën një ulje prej 1.0 log.
Mikrografitë elektronike (Figura 6) përshkruajnë ndryshimet fizike të shkaktuara nga EWNS në qelizat e padëmshme të Escherichia coli, Streptococcus dhe Lactobacillus që çojnë në inaktivizimin e tyre.Bakteret e kontrollit kishin membrana qelizore të paprekura, ndërsa bakteret e ekspozuara kishin dëmtuar membranat e jashtme.
Imazhi mikroskopik elektronik i baktereve të kontrollit dhe të ekspozuar zbuloi dëmtim të membranës.
Të dhënat mbi vetitë fiziko-kimike të EWNS-së së optimizuar kolektivisht tregojnë se vetitë (ngarkesa sipërfaqësore dhe përmbajtja ROS) e EWNS janë përmirësuar ndjeshëm në krahasim me të dhënat bazë të EWNS të publikuara më parë8,9,10,11.Nga ana tjetër, madhësia e tyre mbeti në intervalin nanometër, shumë e ngjashme me rezultatet e raportuara më parë, duke i lejuar ata të qëndrojnë në ajër për periudha të gjata kohore.Polydispersiteti i vëzhguar mund të shpjegohet nga ndryshimet e ngarkesës sipërfaqësore që përcaktojnë madhësinë e EWNS, rastësinë e efektit Rayleigh dhe bashkimin e mundshëm.Megjithatë, siç detajohet nga Nielsen et al.22, ngarkesa e lartë sipërfaqësore redukton avullimin duke rritur në mënyrë efektive energjinë sipërfaqësore/tensionin e rënies së ujit.Në publikimin tonë të mëparshëm8 kjo teori u konfirmua eksperimentalisht për mikropikat 22 dhe EWNS.Humbja e ngarkesës gjatë orarit shtesë mund të ndikojë gjithashtu në madhësinë dhe të kontribuojë në shpërndarjen e madhësisë së vëzhguar.