Asante kwa kutembelea Nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Utangamano katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutatoa tovuti bila mitindo na JavaScript.
Hivi majuzi, jukwaa la viuavijasumu lisilo na kemikali linalotegemea teknolojia ya nanoteknolojia kwa kutumia miundo ya maji bandia (EWNS) limetengenezwa. EWNS zina chaji kubwa ya uso na zimejaa spishi tendaji za oksijeni (ROS) ambazo zinaweza kuingiliana na kuzima vijidudu kadhaa, ikiwa ni pamoja na vimelea vinavyoenezwa kwenye chakula. Hapa inaonyeshwa kuwa sifa zao wakati wa usanisi zinaweza kuboreshwa na kuboreshwa ili kuongeza zaidi uwezo wao wa kuua vijidudu. Jukwaa la maabara la EWNS lilibuniwa ili kuboresha sifa za EWNS kwa kubadilisha vigezo vya usanisi. Uainishaji wa sifa za EWNS (chaji, ukubwa na kiwango cha ROS) kwa kutumia mbinu za kisasa za uchambuzi. Zaidi ya hayo, zilitathminiwa kwa uwezo wao wa kuzuia vijidudu dhidi ya vijidudu vinavyoenezwa kwenye chakula kama vile Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum na Saccharomyces cerevisiae. Matokeo yaliyowasilishwa hapa yanaonyesha kuwa sifa za EWNS zinaweza kuboreshwa wakati wa usanisi, na kusababisha ongezeko kubwa la ufanisi wa kuzuia. Hasa, chaji ya uso iliongezeka kwa mara nne na spishi tendaji za oksijeni ziliongezeka. Kiwango cha kuondolewa kwa vijidudu kilikuwa kinategemea vijidudu na kilikuwa kati ya logi 1.0 hadi 3.8 baada ya kuathiriwa na kipimo cha erosoli cha 40,000 #/cc EWNS kwa dakika 45.
Uchafuzi wa vijidudu ndio chanzo kikuu cha magonjwa yanayosababishwa na chakula yanayosababishwa na kumeza vijidudu au sumu zake. Nchini Marekani pekee, magonjwa yanayosababishwa na chakula husababisha magonjwa yapatayo milioni 76, kulazwa hospitalini 325,000, na vifo 5,000 kila mwaka1. Zaidi ya hayo, Idara ya Kilimo ya Marekani (USDA) inakadiria kuwa ongezeko la matumizi ya mazao mapya linasababisha 48% ya magonjwa yote yaliyoripotiwa yanayosababishwa na chakula nchini Marekani2. Gharama ya magonjwa na vifo vinavyosababishwa na vijidudu vinavyosababishwa na chakula nchini Marekani ni kubwa sana, inakadiriwa na Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa (CDC) kuwa zaidi ya dola bilioni 15.6 za Marekani kwa mwaka3.
Hivi sasa, uingiliaji kati wa kemikali4, mionzi5 na joto6 wa viuavijasumu ili kuhakikisha usalama wa chakula unafanywa zaidi katika sehemu chache muhimu za udhibiti (CCPs) kwenye mnyororo wa uzalishaji (kawaida baada ya mavuno na/au wakati wa ufungaji) badala ya kuendelea. Hivyo, huwa na uwezekano wa kuchafuliwa mtambuka. 7. Udhibiti bora wa magonjwa yanayosababishwa na chakula na uozo wa chakula unahitaji uingiliaji kati wa viuavijasumu ambao unaweza kutumika katika mwendelezo wa shamba hadi meza huku ukipunguza athari na gharama za mazingira.
Hivi majuzi, jukwaa la viuavijasumu lisilo na kemikali na linalotegemea nanoteknolojia limetengenezwa ambalo linaweza kuzima bakteria wa juu na wa angani kwa kutumia miundo ya maji bandia (EWNS). EWNS ilitengenezwa kwa kutumia michakato miwili sambamba, kunyunyizia kwa umeme na ioni ya maji (Mchoro 1a). Uchunguzi wa awali umeonyesha kuwa EWNS zina seti ya kipekee ya sifa za kimwili na kibiolojia8,9,10. EWNS zina wastani wa elektroni 10 kwa kila muundo na ukubwa wa wastani wa nanoki wa 25 nm (Mchoro 1b,c)8,9,10. Kwa kuongezea, mwangwi wa mzunguko wa elektroni (ESR) ulionyesha kuwa EWNS ina kiasi kikubwa cha spishi tendaji za oksijeni (ROS), hasa hidroksili (OH•) na superoxide (O2-) radicals (Mchoro 1c)8. EVNS huwa hewani kwa muda mrefu na inaweza kugongana na vijidudu vilivyoning'inia hewani na kuwepo juu ya uso, kutoa mzigo wao wa ROS na kusababisha kuzima kwa vijidudu (Mchoro 1d). Uchunguzi huu wa awali pia ulionyesha kuwa EWNS inaweza kuingiliana na kuzima bakteria mbalimbali hasi ya gramu na gramu, ikiwa ni pamoja na mycobacteria, kwenye nyuso na hewani. Hadubini ya elektroni ya maambukizi ilionyesha kuwa kuzima kulisababishwa na kuvurugika kwa utando wa seli. Zaidi ya hayo, tafiti za kuvuta pumzi kwa papo hapo zimeonyesha kuwa viwango vya juu vya EWNS havisababishi uharibifu wa mapafu au uvimbe 8.
(a) Kunyunyizia kwa umeme hutokea wakati volteji ya juu inapotumika kati ya mirija ya kapilari yenye kioevu na elektrodi ya kukabiliana. (b) Matumizi ya shinikizo la juu husababisha matukio mawili tofauti: (i) kunyunyizia maji kwa umeme na (ii) uundaji wa spishi tendaji za oksijeni (ions) zilizonaswa kwenye EWNS. (c) Muundo wa kipekee wa EWNS. (d) Kutokana na asili yao ya nanoscale, EWNS huhama sana na zinaweza kuingiliana na vimelea vinavyosababishwa na hewa.
Uwezo wa jukwaa la antimicrobial la EWNS kuzima vijidudu vinavyotokana na chakula kwenye uso wa chakula kipya pia umeonyeshwa hivi karibuni. Pia imeonyeshwa kuwa chaji ya uso ya EWNS pamoja na uwanja wa umeme inaweza kutumika kufikia uwasilishaji uliolengwa. Zaidi ya hayo, matokeo ya awali ya nyanya za kikaboni baada ya kuathiriwa kwa dakika 90 na EWNS ya takriban 50,000 #/cm3 yalikuwa ya kutia moyo, huku vijidudu mbalimbali vinavyotokana na chakula kama vile E. coli na Listeria 11 vikizingatiwa. Zaidi ya hayo, vipimo vya awali vya organoleptic havikuonyesha athari za hisi ikilinganishwa na nyanya za kudhibiti. Ingawa matokeo haya ya awali ya kuzima yanatia moyo kwa matumizi ya usalama wa chakula hata kwa dozi za chini sana za EWNS za 50,000#/cc. tazama, ni wazi kwamba uwezo mkubwa wa kuzima ungekuwa na manufaa zaidi ili kupunguza hatari ya maambukizi na kuharibika.
Hapa, tutazingatia utafiti wetu kuhusu uundaji wa jukwaa la uzalishaji wa EWNS ili kuwezesha urekebishaji mzuri wa vigezo vya usanisi na uboreshaji wa sifa za kifizikia na kikemikali za EWNS ili kuongeza uwezo wao wa kuua bakteria. Hasa, uboreshaji umelenga kuongeza chaji ya uso wao (ili kuboresha uwasilishaji unaolengwa) na kiwango cha ROS (ili kuboresha ufanisi wa kutofanya kazi). Tambua sifa za kifizikia na kikemikali zilizoboreshwa (ukubwa, chaji na kiwango cha ROS) kwa kutumia mbinu za kisasa za uchambuzi na utumie vijidudu vya kawaida vya chakula kama vile E.
EVNS ilitengenezwa kwa kunyunyizia kwa umeme kwa wakati mmoja na kuionisha maji safi sana (18 MΩ cm–1). Kifaa cha kunusa umeme 12 kwa kawaida hutumika kwa ajili ya kuatomisha vimiminika na usanisi wa chembe za polima na kauri 13 na nyuzi 14 za ukubwa unaodhibitiwa.
Kama ilivyoelezwa katika machapisho yaliyopita 8, 9, 10, 11, katika jaribio la kawaida, volteji ya juu ilitumika kati ya kapilari ya chuma na elektrodi ya kukabiliana iliyo chini. Wakati wa mchakato huu, matukio mawili tofauti hutokea: i) kunyunyizia umeme na ii) ioni ya maji. Sehemu kubwa ya umeme kati ya elektrodi hizo mbili husababisha chaji hasi kujikusanya juu ya uso wa maji yaliyoganda, na kusababisha uundaji wa koni za Taylor. Matokeo yake, matone ya maji yenye chaji nyingi huundwa, ambayo yanaendelea kuvunjika na kuwa chembe ndogo, kama ilivyo katika nadharia ya Rayleigh16. Wakati huo huo, sehemu kubwa za umeme husababisha baadhi ya molekuli za maji kugawanyika na kuondoa elektroni (ionize), ambayo husababisha uundaji wa idadi kubwa ya spishi tendaji za oksijeni (ROS)17. ROS18 iliyozalishwa kwa wakati mmoja ilifunikwa katika EWNS (Mchoro 1c).
Kwenye mchoro 2a inaonyesha mfumo wa uzalishaji wa EWNS uliotengenezwa na kutumika katika usanisi wa EWNS katika utafiti huu. Maji yaliyosafishwa yaliyohifadhiwa kwenye chupa iliyofungwa yaliingizwa kupitia mrija wa Teflon (kipenyo cha ndani cha milimita 2) hadi kwenye sindano ya chuma cha pua ya 30G (kapilari ya chuma). Mtiririko wa maji unadhibitiwa na shinikizo la hewa ndani ya chupa, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2b. Sindano imewekwa kwenye koni ya Teflon na inaweza kurekebishwa kwa mikono kwa umbali fulani kutoka kwa elektrodi ya kaunta. Elektrodi ya kaunta ni diski ya alumini iliyosuguliwa yenye shimo katikati kwa ajili ya sampuli. Chini ya elektrodi ya kaunta kuna faneli ya sampuli ya alumini, ambayo imeunganishwa na usanidi mwingine wa majaribio kupitia mlango wa sampuli (Mchoro 2b). Ili kuepuka mkusanyiko wa chaji ambao unaweza kuvuruga uendeshaji wa sampuli, vipengele vyote vya sampuli vimetundikwa kwa umeme.
(a) Mfumo wa Uzalishaji wa Miundo Midogo ya Maji (EWNS) Uhandisi. (b) Sehemu mtambuka ya kipima sampuli na dawa ya umeme, ikionyesha vigezo muhimu zaidi. (c) Mpangilio wa majaribio wa kuzuia bakteria.
Mfumo wa uzalishaji wa EWNS ulioelezwa hapo juu una uwezo wa kubadilisha vigezo muhimu vya uendeshaji ili kuwezesha urekebishaji mzuri wa sifa za EWNS. Rekebisha volteji inayotumika (V), umbali kati ya sindano na elektrodi ya kaunta (L), na mtiririko wa maji (φ) kupitia kapilari ili kurekebisha sifa za EWNS. Alama inayotumika kuwakilisha michanganyiko tofauti: [V (kV), L (cm)]. Rekebisha mtiririko wa maji ili kupata koni thabiti ya Taylor ya seti fulani [V, L]. Kwa madhumuni ya utafiti huu, kipenyo cha uwazi wa elektrodi ya kaunta (D) kiliwekwa kwenye inchi 0.5 (sentimita 1.29).
Kwa sababu ya jiometri na ukosefu wa ulinganifu mdogo, nguvu ya uwanja wa umeme haiwezi kuhesabiwa kutoka kwa kanuni za kwanza. Badala yake, programu ya QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 ilitumika kuhesabu uwanja wa umeme. Uwanja wa umeme si sawa, kwa hivyo thamani ya uwanja wa umeme kwenye ncha ya kapilari ilitumika kama thamani ya marejeleo kwa usanidi mbalimbali.
Wakati wa utafiti, michanganyiko kadhaa ya volteji na umbali kati ya sindano na elektrodi ya kaunta ilitathminiwa kwa kuzingatia uundaji wa koni ya Taylor, uthabiti wa koni ya Taylor, uthabiti wa uzalishaji wa EWNS, na uwezaji wa kuzaliana. Michanganyiko mbalimbali imeonyeshwa katika Jedwali la Ziada S1.
Matokeo ya mfumo wa uzalishaji wa EWNS yaliunganishwa moja kwa moja na Kichanganuzi cha Ukubwa wa Chembe za Uhamaji wa Kuchanganua (SMPS, Model 3936, TSI, Shoreview, MN) kwa ajili ya kipimo cha ukolezi wa nambari ya chembe, na pia kwa Kipima Erosoli Faraday (TSI, Model 3068B, Shoreview, MN). ) kwa mikondo ya erosoli yalipimwa kama ilivyoelezwa katika chapisho letu lililopita. SMPS na kipima erosoli vyote vilichukuliwa sampuli kwa kiwango cha mtiririko cha 0.5 L/dakika (jumla ya mtiririko wa sampuli 1 L/dakika). Ukolezi wa idadi ya chembe na mtiririko wa erosoli ulipimwa kwa sekunde 120. Kipimo kinarudiwa mara 30. Kulingana na vipimo vya sasa, jumla ya chaji ya erosoli huhesabiwa na wastani wa chaji ya EWNS unakadiriwa kwa jumla ya idadi fulani ya chembe za EWNS zilizochaguliwa. Gharama ya wastani ya EWNS inaweza kuhesabiwa kwa kutumia Mlinganyo (1):
ambapo IEl ni mkondo uliopimwa, NSMPS ni mkusanyiko wa kidijitali unaopimwa na SMPS, na φEl ni kiwango cha mtiririko kwa kila elektromita.
Kwa sababu unyevunyevu wa jamaa (RH) huathiri chaji ya uso, halijoto na (RH) zilidumishwa sawa wakati wa jaribio kwa 21°C na 45%, mtawalia.
Hadubini ya nguvu ya atomiki (AFM), Asylum MFP-3D (Utafiti wa Asylum, Santa Barbara, CA) na uchunguzi wa AC260T (Olympus, Tokyo, Japani) zilitumika kupima ukubwa na muda wa matumizi wa EWNS. Masafa ya kuchanganua ya AFM yalikuwa 1 Hz, eneo la kuchanganua lilikuwa 5 μm × 5 μm, na mistari 256 ya kuchanganua. Picha zote zilifanyiwa mpangilio wa picha wa mpangilio wa kwanza kwa kutumia programu ya Asylum (kiwango cha barakoa 100 nm, kizingiti 100 pm).
Funeli ya majaribio iliondolewa na uso wa mica uliwekwa umbali wa sentimita 2.0 kutoka kwa elektrodi ya kukabiliana kwa wastani wa sekunde 120 ili kuepuka mkusanyiko wa chembe na uundaji wa matone yasiyo ya kawaida kwenye uso wa mica. EWNS ilinyunyiziwa moja kwa moja kwenye uso wa mica iliyokatwa hivi karibuni (Ted Pella, Redding, CA). Picha ya uso wa mica mara tu baada ya AFM kuteleza. Pembe ya mguso wa uso wa mica iliyokatwa hivi karibuni ambayo haijabadilishwa iko karibu na 0°, kwa hivyo EVNS inasambazwa kwenye uso wa mica katika umbo la kuba. Kipenyo (a) na urefu (h) wa matone yanayosambaza vilipimwa moja kwa moja kutoka kwa topografia ya AFM na kutumika kuhesabu ujazo wa usambazaji wa EWNS uliotawanyika kwa kutumia mbinu yetu iliyothibitishwa hapo awali. Tukichukulia EWNS iliyo ndani ina ujazo sawa, kipenyo sawa kinaweza kuhesabiwa kwa kutumia Mlinganyo (2):
Kulingana na mbinu yetu iliyotengenezwa hapo awali, mtego wa mzunguko wa elektroni (ESR) ulitumika kugundua uwepo wa viunganishi vya muda mfupi vya radical katika EWNS. Erosoli zilitolewa kupitia sparger ya Midget ya 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) iliyo na myeyusho wa 235 mM wa DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.). Portland, Oregon). Vipimo vyote vya ESR vilifanywa kwa kutumia spektromita ya Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) na seli ya paneli tambarare. Programu ya Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ilitumika kukusanya na kuchambua data. Uamuzi wa sifa za ROS ulifanyika tu kwa seti ya hali ya uendeshaji [-6.5 kV, 4.0 cm]. Viwango vya EWNS vilipimwa kwa kutumia SMPS baada ya kuhesabu hasara za EWNS katika kishawishi.
Viwango vya Ozoni vilifuatiliwa kwa kutumia Kifuatiliaji cha Ozoni cha Miale Miwili 205™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10.
Kwa sifa zote za EWNS, thamani ya wastani hutumika kama thamani ya kipimo, na mkengeuko wa kawaida hutumika kama kosa la kipimo. Majaribio ya T yalifanywa ili kulinganisha thamani za sifa za EWNS zilizoboreshwa na thamani zinazolingana za EWNS ya msingi.
Mchoro 2c unaonyesha mfumo wa "kuvuta" wa umeme tuli uliotengenezwa hapo awali na uliobainishwa (EPES) ambao unaweza kutumika kwa ajili ya uwasilishaji uliolengwa wa EWNS kwenye uso. EPES hutumia chaji za EVNS ambazo zinaweza "kuongozwa" moja kwa moja kwenye uso wa shabaha chini ya ushawishi wa uwanja mkali wa umeme. Maelezo ya mfumo wa EPES yanawasilishwa katika chapisho la hivi karibuni na Pyrgiotakis et al. 11. Kwa hivyo, EPES ina chumba cha PVC kilichochapishwa cha 3D chenye ncha zilizopunguzwa na kina sahani mbili za chuma cha pua zinazofanana (chuma cha pua 304, zilizofunikwa na kioo) katikati ya sentimita 15.24. Bodi ziliunganishwa na chanzo cha nje cha volteji ya juu (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), bamba la chini lilikuwa limeunganishwa kila wakati na volteji chanya, na bamba la juu lilikuwa limeunganishwa kila wakati na ardhi (ardhi inayoelea). Kuta za chumba zimefunikwa na foil ya alumini, ambayo imetundikwa kwa umeme ili kuzuia upotevu wa chembe. Chumba hicho kina mlango wa mbele uliofungwa ambao huruhusu nyuso za majaribio kuwekwa kwenye vishikio vya plastiki vinavyoziinua juu ya bamba la chini la chuma ili kuepuka kuingiliwa kwa volteji nyingi.
Ufanisi wa uwekaji wa EWNS katika EPES ulihesabiwa kulingana na itifaki iliyotengenezwa hapo awali iliyoelezwa katika Kielelezo cha Ziada S111.
Kama chumba cha kudhibiti, chumba cha pili cha mtiririko wa silinda kiliunganishwa mfululizo na mfumo wa EPES, ambapo kichujio cha kati cha HEPA kilitumika kuondoa EWNS. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2c, erosoli ya EWNS ilisukumwa kupitia vyumba viwili vilivyojengwa ndani. Kichujio kati ya chumba cha kudhibiti na EPES huondoa EWNS yoyote iliyobaki na kusababisha halijoto sawa (T), unyevunyevu wa jamaa (RH) na viwango vya ozoni.
Vijidudu muhimu vinavyotokana na chakula vimegundulika kuchafua vyakula vibichi kama vile E. coli (ATCC #27325), kiashiria cha kinyesi, Salmonella enterica (ATCC #53647), vimelea vinavyotokana na chakula, Listeria isiyo na madhara (ATCC #33090), mbadala wa monocytogenes za Listeria zinazosababisha magonjwa, zinazotokana na ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098), mbadala wa chachu ya kuoza, na bakteria isiyofanya kazi ambayo ni sugu zaidi, Mycobacterium paralucky (ATCC #19686).
Nunua masanduku ya nasibu ya nyanya za zabibu asilia kutoka sokoni mwako na uziweke kwenye jokofu kwa nyuzi joto 4 hadi utakapozitumia (hadi siku 3). Nyanya za majaribio zote zilikuwa na ukubwa sawa, kama inchi 1/2 kwa kipenyo.
Itifaki za uundaji, chanjo, mfiduo, na hesabu ya koloni zimefafanuliwa katika chapisho letu lililopita na kuelezewa kwa kina katika Data ya Ziada. Ufanisi wa EWNS ulipimwa kwa kuweka nyanya zilizochanjwa kwenye 40,000 #/cm3 kwa dakika 45. Kwa kifupi, nyanya tatu zilitumika kutathmini vijidudu vilivyosalia kwa wakati t = dakika 0. Nyanya tatu ziliwekwa kwenye EPES na kuwekwa kwenye EWNS kwa 40,000 #/cc (nyanya zilizochanjwa na EWNS) na tatu zilizobaki ziliwekwa kwenye chumba cha udhibiti (nyanya za udhibiti). Usindikaji wa ziada wa nyanya katika makundi yote mawili haukufanywa. Nyanya zilizochanjwa na EWNS ziliondolewa baada ya dakika 45 ili kutathmini athari za EWNS.
Kila jaribio lilifanyika kwa nakala tatu. Uchambuzi wa data ulifanywa kulingana na itifaki iliyoelezwa katika Data ya Ziada.
Mifumo ya kuzima ilipimwa kwa kuweka mchanga kwenye sampuli za EWNS zilizo wazi (dakika 45 kwa kiwango cha erosoli 40,000 #/cm3 EWNS) na sampuli zisizo na mionzi za bakteria wasio na madhara E. coli, Salmonella enterica na Lactobacillus. Chembe hizo ziliwekwa kwenye 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde na 0.03% asidi ya picric katika 0.1 M sodium cacodylate buffer (pH 7.4) kwa saa 2 kwenye joto la kawaida. Baada ya kuosha, rekebisha baada ya kutumia 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potasiamu ferrocyanide (KFeCN6) kwa saa 2, osha mara 3 kwenye maji na uanguke kwenye 1% uranyl acetate kwa saa 1, kisha osha mara mbili kwenye maji, kisha kausha kwa dakika 10 katika 50%, 70%, 90%, 100% alkoholi. Sampuli kisha ziliwekwa kwenye oksidi ya propylene kwa saa 1 na kuingizwa kwenye mchanganyiko wa 1:1 wa oksidi ya propylene na TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA). Sampuli zilipachikwa kwenye TAAB Epon na kupolimishwa kwa joto la 60°C kwa saa 48. Resini ya chembechembe iliyopozwa ilikatwa na kuonyeshwa kwa TEM kwa kutumia darubini ya kawaida ya elektroni ya upitishaji JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japani) ikiwa na kamera ya AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, Marekani).
Majaribio yote yalifanywa kwa nakala tatu. Kwa kila nukta ya wakati, maji ya bakteria yalipandwa kwa nakala tatu, na kusababisha jumla ya nukta tisa za data kwa kila nukta, ambayo wastani wake ulitumika kama mkusanyiko wa bakteria kwa kiumbe hicho maalum. Mkengeuko wa kawaida ulitumika kama kosa la kipimo. Hesabu ya nukta zote.
Logaritimu ya kupungua kwa mkusanyiko wa bakteria ikilinganishwa na t = dakika 0 ilihesabiwa kwa kutumia fomula ifuatayo:
ambapo C0 ni mkusanyiko wa bakteria katika sampuli ya udhibiti kwa wakati 0 (yaani baada ya uso kukauka lakini kabla ya kuwekwa kwenye chumba) na Cn ni mkusanyiko wa bakteria kwenye uso baada ya dakika n za kuambukizwa.
Ili kuzingatia uharibifu wa asili wa bakteria wakati wa mfiduo wa dakika 45, upunguzaji wa logi ikilinganishwa na udhibiti baada ya dakika 45 pia ulihesabiwa kama ifuatavyo:
ambapo Cn ni mkusanyiko wa bakteria katika sampuli ya udhibiti kwa wakati n na Cn-Control ni mkusanyiko wa bakteria wa udhibiti kwa wakati n. Data zinawasilishwa kama upunguzaji wa kumbukumbu ikilinganishwa na udhibiti (hakuna mfiduo wa EWNS).
Wakati wa utafiti, michanganyiko kadhaa ya volteji na umbali kati ya sindano na elektrodi ya kaunta ilitathminiwa kulingana na uundaji wa koni ya Taylor, uthabiti wa koni ya Taylor, uthabiti wa uzalishaji wa EWNS, na uwezaji wa kuzaliana. Michanganyiko mbalimbali imeonyeshwa katika Jedwali la Ziada S1. Kesi mbili zinazoonyesha sifa thabiti na zinazoweza kuzaliana (koni ya Taylor, kizazi cha EWNS, na uthabiti baada ya muda) zilichaguliwa kwa ajili ya utafiti wa kina. Kwenye mchoro. Mchoro 3 unaonyesha matokeo ya chaji, ukubwa, na maudhui ya ROS katika visa vyote viwili. Matokeo pia yamefupishwa katika Jedwali la 1. Kwa marejeleo, Mchoro 3 na Jedwali la 1 zote zinajumuisha sifa za EWNS8, 9, 10, 11 ambazo hazikuboreshwa hapo awali (msingi-EWNS). Mahesabu ya umuhimu wa takwimu kwa kutumia jaribio la t lenye mikia miwili yamechapishwa tena katika Jedwali la Ziada S2. Kwa kuongezea, data ya ziada inajumuisha tafiti za athari ya kipenyo cha shimo la sampuli ya elektrodi ya kaunta (D) na umbali kati ya elektrodi ya ardhini na ncha (L) (Michoro ya Ziada S2 na S3).
(ac) Usambazaji wa ukubwa unaopimwa na AFM. (df) Kipengele cha chaji ya uso. (g) Uainishaji wa ROS wa EPR.
Pia ni muhimu kutambua kwamba kwa hali zote zilizo hapo juu, mkondo wa ioni uliopimwa ulikuwa kati ya 2 na 6 μA na volteji kati ya -3.8 na -6.5 kV, na kusababisha matumizi ya nguvu ya chini ya 50 mW kwa moduli hii moja ya mgusano wa kizazi cha EWNS. Ingawa EWNS ilitengenezwa chini ya shinikizo kubwa, viwango vya ozoni vilikuwa chini sana, havikuzidi 60 ppb.
Mchoro wa Nyongeza S4 unaonyesha sehemu za umeme zilizoigwa kwa ajili ya sehemu za [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm], mtawalia. Kwa sehemu za [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm], hesabu za sehemu ni 2 × 105 V/m na 4.7 × 105 V/m, mtawalia. Hii inatarajiwa, kwani katika kisa cha pili uwiano wa umbali wa volteji ni mkubwa zaidi.
Kwenye mchoro 3a, b inaonyesha kipenyo cha EWNS kilichopimwa na AFM8. Vipenyo vya wastani vya EWNS vilivyohesabiwa vilikuwa 27 nm na 19 nm kwa michoro ya [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm], mtawalia. Kwa matukio ya [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm], miendo ya kawaida ya kijiometri ya mgawanyo ni 1.41 na 1.45, mtawalia, ikionyesha usambazaji mwembamba wa ukubwa. Ukubwa wa wastani na mkengeuko wa kawaida wa kijiometri uko karibu sana na EWNS ya msingi, kwa 25 nm na 1.41, mtawalia. Kwenye mchoro 3c inaonyesha usambazaji wa ukubwa wa EWNS ya msingi iliyopimwa kwa kutumia njia ile ile chini ya hali sawa.
Kwenye mchoro 3d, e inaonyesha matokeo ya uainishaji wa chaji. Data ni vipimo vya wastani vya vipimo 30 vya wakati mmoja vya mkusanyiko (#/cm3) na mkondo (I). Uchambuzi unaonyesha kuwa chaji ya wastani kwenye EWNS ni 22 ± 6 e- na 44 ± 6 e- kwa [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm], mtawalia. Zina chaji za juu zaidi za uso ikilinganishwa na EWNS za msingi (10 ± 2 e-), mara mbili zaidi ya hali ya [-6.5 kV, 4.0 cm] na mara nne zaidi ya [-3 .8 kV, 0.5 cm]. Mchoro 3f unaonyesha data ya chaji. ya Baseline-EWNS.
Kutoka kwenye ramani za ukolezi wa nambari ya EWNS (Michoro ya Nyongeza S5 na S6), inaweza kuonekana kwamba hali ya [-6.5 kV, 4.0 cm] ina chembe nyingi zaidi kuliko hali ya [-3.8 kV, 0.5 cm]. Pia ni muhimu kuzingatia kwamba ukolezi wa nambari ya EWNS ulifuatiliwa hadi saa 4 (Michoro ya Nyongeza S5 na S6), ambapo utulivu wa kizazi cha EWNS ulionyesha viwango sawa vya ukolezi wa nambari ya chembe katika visa vyote viwili.
Kwenye mchoro 3g inaonyesha wigo wa EPR baada ya kutoa udhibiti ulioboreshwa wa EWNS (usuli) katika [-6.5 kV, 4.0 cm]. Spektra za ROS pia zililinganishwa na hali ya Baseline-EWNS katika kazi iliyochapishwa hapo awali. Idadi ya EWNS inayoitikia kwa mitego ya spin ilihesabiwa kuwa 7.5 × 104 EWNS/s, ambayo ni sawa na Baseline-EWNS8 iliyochapishwa hapo awali. Spektra za EPR zilionyesha wazi uwepo wa aina mbili za ROS, huku O2- ikiwa spishi kuu na OH• ikiwa kidogo. Kwa kuongezea, ulinganisho wa moja kwa moja wa nguvu ya kilele ulionyesha kuwa EWNS zilizoboreshwa zilikuwa na kiwango cha juu zaidi cha ROS ikilinganishwa na EWNS ya msingi.
Kwenye mchoro 4 unaonyesha ufanisi wa uwekaji wa EWNS katika EPES. Data pia imefupishwa katika Jedwali la I na ikilinganishwa na data asilia ya EWNS. Kwa visa vyote viwili vya EUNS, uwekaji huo uko karibu na 100% hata kwenye volteji ya chini ya 3.0 kV. Kwa kawaida, 3.0 kV inatosha kwa uwekaji wa 100%, bila kujali mabadiliko ya chaji ya uso. Chini ya hali hiyo hiyo, ufanisi wa uwekaji wa Baseline-EWNS ulikuwa 56% tu kutokana na chaji yao ya chini (wastani wa elektroni 10 kwa kila EWNS).
Kwenye mchoro 5 na kwenye jedwali. 2 inafupisha thamani ya kutofanya kazi kwa vijidudu vilivyochanjwa kwenye uso wa nyanya baada ya kuathiriwa na takriban 40,000 #/cm3 EWNS kwa dakika 45 kwa hali bora [-6.5 kV, 4.0 cm]. E. coli iliyochanjwa na Lactobacillus innocuous zilionyesha kupungua kwa kiasi kikubwa kwa magogo 3.8 wakati wa kuathiriwa kwa dakika 45. Chini ya hali hiyo hiyo, S. enterica ilikuwa na upungufu wa magogo 2.2, huku S. cerevisiae na M. parafortutum zikipungua kwa magogo 1.0.
Mikrografu za elektroni (Mchoro 6) zinaonyesha mabadiliko ya kimwili yanayosababishwa na EWNS kwenye seli zisizo na madhara za Escherichia coli, Streptococcus, na Lactobacillus na kusababisha kutofanya kazi kwao. Bakteria ya kudhibiti ilikuwa na utando wa seli uliosalia, huku bakteria walio wazi walikuwa wameharibu utando wa nje.
Upigaji picha wa elektroni kwa hadubini ya udhibiti na bakteria walio wazi ulionyesha uharibifu wa utando.
Data kuhusu sifa za kifizikia za EWNS zilizoboreshwa kwa pamoja zinaonyesha kwamba sifa (chaji ya uso na kiwango cha ROS) za EWNS ziliboreshwa kwa kiasi kikubwa ikilinganishwa na data ya msingi ya EWNS iliyochapishwa hapo awali8,9,10,11. Kwa upande mwingine, ukubwa wao ulibaki katika kiwango cha nanomita, sawa na matokeo yaliyoripotiwa hapo awali, na kuziruhusu kubaki hewani kwa muda mrefu. Utawanyiko ulioonekana unaweza kuelezewa na mabadiliko ya chaji ya uso ambayo huamua ukubwa wa EWNS, nasibu ya athari ya Rayleigh, na uwezekano wa kuungana. Hata hivyo, kama ilivyoelezwa na Nielsen et al. 22, chaji kubwa ya uso hupunguza uvukizi kwa kuongeza kwa ufanisi nishati/mvuto wa uso wa tone la maji. Katika chapisho letu lililopita8 nadharia hii ilithibitishwa kwa majaribio kwa matone madogo 22 na EWNS. Kupoteza chaji wakati wa muda wa ziada kunaweza pia kuathiri ukubwa na kuchangia usambazaji wa ukubwa unaoonekana.
Kwa kuongezea, chaji kwa kila muundo ni takriban 22-44 e-, kulingana na hali, ambayo ni kubwa zaidi ikilinganishwa na EWNS ya msingi, ambayo ina chaji ya wastani ya elektroni 10 ± 2 kwa kila muundo. Hata hivyo, ikumbukwe kwamba hii ni chaji ya wastani ya EWNS. Seto et al. Imeonyeshwa kuwa chaji haina ulinganifu na inafuata usambazaji wa kawaida wa logi21. Ikilinganishwa na kazi yetu ya awali, kuongeza mara mbili chaji ya uso huongeza ufanisi wa uwekaji katika mfumo wa EPES hadi karibu 100%11.