Asante kwa kutembelea Nature.com. Unatumia toleo la kivinjari lenye usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime Hali ya Utangamano katika Internet Explorer). Zaidi ya hayo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tunaonyesha 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 zina spishi nyingi za oksijeni tendaji (ROS) ambazo zinaweza kuingiliana na kuzima vijidudu kadhaa, ikiwa ni pamoja na vimelea vinavyotokana na 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) ulifanywa kwa kutumia mbinu za kisasa za uchambuzi. Zaidi ya hayo, vijidudu vya chakula kama vile Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocua, Mycobacterium para fortitum, na Saccharomyces cerevisiae vilichanjwa kwenye uso wa nyanya za zabibu za kikaboni ili kutathmini uwezo wao wa kuzima vijidudu. Matokeo yaliyowasilishwa hapa yanaonyesha kuwa sifa za EWNS zinaweza kuboreshwa wakati wa usanisi, na kusababisha ongezeko kubwa la ufanisi wa kuzima. Hasa, chaji ya uso iliongezeka kwa mara nne, na kiwango cha ROS kiliongezeka. Kiwango cha kuondolewa kwa vijidudu kilikuwa tegemezi kwa vijidudu na kilikuwa kati ya logi 1.0 hadi 3.8 baada ya dakika 45 za kuathiriwa na kipimo cha erosoli cha 40,000 #/cm3 EWNS.
Uchafuzi wa vijidudu ndio chanzo kikuu cha magonjwa yanayosababishwa na chakula yanayosababishwa na kumeza vijidudu au sumu zake. Magonjwa yanayosababishwa na chakula husababisha takriban magonjwa milioni 76, kulazwa hospitalini 325,000, na vifo 5,000 kila mwaka nchini Marekani pekee1. Zaidi ya hayo, Idara ya Kilimo ya Marekani (USDA) inakadiria kwamba ongezeko la matumizi ya mazao mapya linasababisha asilimia 48 ya magonjwa yote yanayosababishwa na chakula yaliyoripotiwa nchini Marekani2. Gharama ya magonjwa na vifo kutokana 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, hatua za kemikali4, mionzi5 na joto6 za kuzuia vijidudu ili kuhakikisha usalama wa chakula zinatekelezwa hasa katika sehemu ndogo za udhibiti muhimu (CCPs) katika mnyororo wa uzalishaji (kawaida baada ya mavuno na/au wakati wa ufungaji) badala ya kutekelezwa mfululizo kwa njia ambayo mazao mapya yanaweza kuchafuliwa mtambuka. 7. Hatua za kuzuia vijidudu zinahitajika ili kudhibiti vyema magonjwa yanayosababishwa na chakula na kuharibika kwa chakula na zina uwezo wa kutumika katika mwendelezo wa shamba hadi meza. Athari na gharama ndogo.
Jukwaa la antimicrobial lisilo na kemikali linalotegemea nanoteknolojia limetengenezwa hivi karibuni ili kuua bakteria kwenye nyuso na hewani kwa kutumia miundo ya maji bandia (EWNS). Kwa ajili ya usanisi wa EVNS, michakato miwili sambamba ilitumika: kunyunyizia kwa umeme na ioni ya maji (Mchoro 1a). EWNS zimeonyeshwa hapo awali kuwa na seti ya kipekee ya sifa za kimwili na kibiolojia8,9,10. EWNS ina wastani wa elektroni 10 kwa kila muundo na ukubwa wa wastani wa nanomita wa 25 nm (Mchoro 1b,c)8,9,10. Kwa kuongezea, mwangwi wa mzunguko wa elektroni (ESR) ulionyesha kuwa EWNS zina kiasi kikubwa cha spishi tendaji za oksijeni (ROS), hasa hidroksili (OH•) na superoxide (O2-) radicals (Mchoro 1c) 8. EWNS ilibaki hewani kwa muda mrefu na inaweza kugongana na vijidudu vilivyoning'inizwa hewani na kuwepo kwenye nyuso, ikitoa mzigo wao wa ROS na kusababisha kuua vijidudu (Mchoro 1d). Uchunguzi huu wa awali pia ulionyesha kuwa EWNS inaweza kuingiliana na kuzima bakteria mbalimbali za gramu-hasi na gramu-chanya zenye umuhimu wa afya ya umma, ikiwa ni pamoja na mycobacteria, kwenye nyuso na hewani8,9. 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 uvimbe8.
(a) Kunyunyizia kwa umeme hutokea wakati volteji ya juu inapotumika kati ya kioevu chenye kapilari na elektrodi ya kukabiliana. (b) Matumizi ya volteji ya juu husababisha matukio mawili tofauti: (i) kunyunyizia maji kwa umeme na (ii) uzalishaji wa spishi tendaji za oksijeni (ions) zilizonaswa katika EWNS. (c) Muundo wa kipekee wa EWNS. (d) EWNS huhama sana kutokana na asili yao ndogo 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 wa EWNS inaweza kutumika pamoja na uwanja wa umeme kwa ajili ya uwasilishaji uliolengwa. Muhimu zaidi, matokeo ya awali yenye matumaini ya kupungua kwa takriban logi 1.4 katika shughuli za nyanya za kikaboni dhidi ya vijidudu mbalimbali vya chakula kama vile E. coli na Listeria yalionekana ndani ya dakika 90 baada ya kuambukizwa na EWNS kwa mkusanyiko wa takriban 50,000#/cm311. Kwa kuongezea, vipimo vya awali vya tathmini ya organoleptic havikuonyesha athari ya organoleptic ikilinganishwa na nyanya ya kudhibiti. Ingawa matokeo haya ya awali ya kuzima yanaahidi 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 kurekebisha vigezo vya usanisi na kuboresha sifa za kifizikiakemikali 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). Uainishaji wa sifa za kifizikia-kemikali zilizoboreshwa (ukubwa, chaji na kiwango cha ROS) kwa kutumia mbinu za kisasa za uchambuzi na kutumia vijidudu vya kawaida vya chakula kama vile E. coli, S. enterica, L. innocua, S. cerevisiae na M. parafortuitum.
EVNS ilitengenezwa kwa kunyunyizia kwa umeme kwa wakati mmoja na kuionisha maji safi sana (18 MΩ cm–1). Atomizer ya umeme 12 kwa kawaida hutumika kutengeneza vimiminika na polima bandia na chembe za kauri 13 na nyuzi 14 za ukubwa unaodhibitiwa.
Kama ilivyoelezwa katika machapisho yaliyopita 8, 9, 10, 11, katika jaribio la kawaida, volteji ya juu hutumika kati ya kapilari ya chuma na elektrodi ya kukabiliana iliyo chini. Wakati wa mchakato huu, matukio mawili tofauti hutokea: 1) kunyunyizia umeme na 2) ionisheni ya maji. Sehemu yenye nguvu 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, kulingana na nadharia ya Rayleigh16. Wakati huo huo, sehemu yenye nguvu ya umeme husababisha baadhi ya molekuli za maji kugawanyika na kuondoa elektroni (ionization), na hivyo kutoa kiasi kikubwa cha spishi tendaji za oksijeni (ROS)17. Pakiti za ROS18 zilizozalishwa kwa wakati mmoja zilifunikwa 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). Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2b, mtiririko wa maji unadhibitiwa na shinikizo la hewa ndani ya chupa. Sindano imeunganishwa kwenye koni ya Teflon ambayo 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 sehemu iliyobaki ya usanidi wa majaribio kupitia mlango wa sampuli (Mchoro 2b). Vipengele vyote vya sampuli vimewekewa msingi wa umeme ili kuepuka mkusanyiko wa chaji ambao unaweza kuharibu sampuli ya chembe.
(a) Mfumo wa Uzalishaji wa Miundo Midogo ya Maji (EWNS) Uhandisi. (b) Sehemu mtambuka ya kifaa cha sampuli na kifaa cha kunyunyizia kwa umeme kinachoonyesha 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 [V (kV), L (cm)] hutumika kuashiria michanganyiko tofauti. Rekebisha mtiririko wa maji ili kupata koni thabiti ya Taylor ya seti fulani [V, L]. Kwa madhumuni ya utafiti huu, uwazi wa elektrodi ya kaunta (D) uliwekwa kwa inchi 0.5 (1.29 cm).
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 Kipima Chembe cha Uhamaji wa Kuchanganua (SMPS, modeli 3936, TSI, Shoreview, Minnesota) ili kupima mkusanyiko wa nambari ya chembe na ilitumika na elektromita ya erosoli ya Faraday (TSI, modeli 3068B, Shoreview, Marekani). MN) kupima mtiririko wa erosoli, kama ilivyoelezwa katika chapisho letu lililopita9. SMPS na elektromita ya erosoli zote zilichukuliwa sampuli kwa kiwango cha mtiririko cha 0.5 L/dakika (jumla ya mtiririko wa sampuli 1 L/dakika). Viwango vya chembe na mtiririko wa erosoli vilipimwa kwa sekunde 120. Rudia kipimo mara 30. Jumla ya malipo ya erosoli huhesabiwa kutoka kwa vipimo vya sasa, na wastani wa malipo ya EWNS unakadiriwa kutoka kwa jumla ya idadi ya chembe za EWNS zilizochukuliwa sampuli. Gharama ya wastani ya EWNS inaweza kuhesabiwa kwa kutumia Mlinganyo (1):
ambapo IEl ni mkondo uliopimwa, NSMPS ni mkusanyiko wa nambari unaopimwa na SMPS, na φEl ni kiwango cha mtiririko hadi kwenye elektrometa.
Kwa sababu unyevunyevu wa jamaa (RH) huathiri chaji ya uso, halijoto na (RH) zilidumishwa sawasawa katika 21°C na 45%, mtawalia, wakati wa jaribio.
Hadubini ya nguvu ya atomiki (AFM), Asylum MFP-3D (Utafiti wa Asylum, Santa Barbara, CA) na probe ya AC260T (Olympus, Tokyo, Japani) zilitumika kupima ukubwa na muda wa matumizi wa EWNS. Kiwango cha uchanganuzi wa AFM ni 1 Hz na eneo la uchanganuzi ni 5 µm×5 µm lenye mistari 256 ya uchanganuzi. Picha zote zilifanyiwa mpangilio wa picha wa agizo la kwanza kwa kutumia programu ya Asylum (barakoa yenye masafa ya 100 nm na kizingiti cha 100 pm).
Ondoa funeli ya sampuli na uweke uso wa mica kwa umbali wa sentimita 2.0 kutoka kwa elektrodi ya kaunta kwa muda wa wastani wa sekunde 120 ili kuepuka mshikamano wa chembe na uundaji wa matone yasiyo ya kawaida kwenye uso wa mica. EWNS ilitumika moja kwa moja kwenye nyuso za mica zilizokatwa hivi karibuni (Ted Pella, Redding, CA). Mara tu baada ya kutema mate, uso wa mica ulionyeshwa kwa kutumia AFM. Pembe ya mguso wa uso wa mica iliyokatwa hivi karibuni ambayo haijabadilishwa iko karibu na 0°, kwa hivyo EWNS huenea juu ya uso wa mica katika umbo la dome20. Kipenyo (a) na urefu (h) wa matone yanayosambaza vilipimwa moja kwa moja kutoka kwa topografia ya AFM na kutumika kuhesabu ujazo wa uenezaji wa dome EWNS kwa kutumia mbinu yetu iliyothibitishwa hapo awali8. Tukichukulia kwamba EVNS iliyo ndani ina ujazo sawa, kipenyo sawa kinaweza kuhesabiwa kutoka kwa mlinganyo (2):
Kwa mujibu wa mbinu yetu iliyotengenezwa hapo awali, mtego wa mzunguko wa elektroni (ESR) ulitumika kugundua uwepo wa viunganishi vya muda mfupi vya radical katika EWNS. Erosoli zilipitishwa kupitia suluhisho lenye 235 mM DEPMPO (5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc., Portland, Oregon). Vipimo vyote vya EPR vilifanywa kwa kutumia spektromita ya Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) na safu za seli tambarare. Programu ya Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ilitumika kukusanya na kuchambua data. Uainishaji wa ROS ulifanywa tu kwa seti ya hali ya uendeshaji [-6.5 kV, 4.0 cm]. Viwango vya EWNS vilipimwa kwa kutumia SMPS baada ya kuzingatia upotevu wa EWNS katika kipaza sauti.
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 kipimo ni wastani wa vipimo, na kosa la kipimo ni kupotoka kwa kawaida. Jaribio la t lilifanywa ili kulinganisha thamani ya sifa ya EWNS iliyoboreshwa na thamani inayolingana ya EWNS ya msingi.
Mchoro 2c unaonyesha Mfumo wa Kupitisha Umeme wa Kielektroniki (EPES) uliotengenezwa hapo awali na wenye sifa maalum ambao unaweza kutumika kulenga EWNS11 kwenye nyuso. EPES hutumia chaji ya EWNS pamoja na uwanja mkali wa umeme ili "kuelekeza" moja kwa moja kwenye uso wa shabaha. 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 nyembamba zenye chuma cha pua mbili sambamba (chuma cha pua 304, kilichong'arishwa kioo) katikati ya sentimita 15.24. Bodi ziliunganishwa na chanzo cha nje cha volteji ya juu (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY), ubao wa chini ulikuwa chanya kila wakati na ubao wa juu ulikuwa umetelekezwa kila wakati (unaelea). Kuta za chumba zimefunikwa na karatasi ya alumini, ambayo imetelekezwa kwa umeme ili kuzuia upotevu wa chembe. Chumba kina mlango wa mbele wa upakiaji uliofungwa ambao huruhusu nyuso za majaribio kuwekwa kwenye raki za plastiki, na kuziinua kutoka kwenye bamba la chini la chuma ili kuepuka kuingiliwa kwa volteji ya juu.
Ufanisi wa uwekaji wa EWNS katika EPES ulihesabiwa kulingana na itifaki iliyotengenezwa hapo awali iliyoelezwa katika Kielelezo cha Ziada S111.
Kama chumba cha kudhibiti, mtiririko wa pili kupitia chumba cha silinda umeunganishwa mfululizo na mfumo wa EPES kwa kutumia kichujio cha kati cha HEPA ili kuondoa EWNS. Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro 2c, erosoli ya EWNS ilisukumwa kupitia vyumba viwili vilivyounganishwa mfululizo. 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 vimegunduliwa kuchafua mazao mapya kama vile Escherichia coli (ATCC #27325), kiashiria cha kinyesi, Salmonella enterica (ATCC #53647), kisababishi magonjwa kinachotokana na chakula, Listeria innocua (ATCC #33090), mbadala wa Listeria monocytogenes. , Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) kama mbadala wa chachu ya kuharibika, na Mycobacterium parafortuitous (ATCC #19686) kama bakteria hai sugu zaidi zilinunuliwa kutoka ATCC (Manassas, Virginia).
Nunua bila mpangilio masanduku ya nyanya za zabibu asilia kutoka sokoni mwako na uziweke kwenye jokofu kwa nyuzi joto 4 hadi utakapozitumia (hadi siku 3). Chagua nyanya ili kujaribu ukubwa mmoja, wenye kipenyo cha takriban inchi 1/2.
Itifaki za kuangua, kuchanja, kuathiriwa na kuhesabu koloni zimefafanuliwa katika machapisho yetu ya awali na kuelezewa kwa undani katika Data ya Ziada 11. Utendaji wa EWNS ulipimwa kwa kuweka nyanya zilizochanjwa kwenye 40,000 #/cm3 kwa dakika 45. Kwa kifupi, wakati t = dakika 0, nyanya tatu zilitumika kutathmini vijidudu vilivyosalia. Nyanya tatu ziliwekwa kwenye EPES na kuwekwa kwenye EWNS kwenye 40,000 #/cc (nyanya zilizochanjwa na EWNS) na zingine tatu ziliwekwa kwenye chumba cha kudhibiti (nyanya za kudhibiti). Hakuna kundi lolote la nyanya lililofanyiwa usindikaji wa ziada. Nyanya na vidhibiti vilivyochanjwa na EWNS viliondolewa 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.
Sampuli za bakteria za E. coli, Enterobacter, na L. innocua zilizowekwa wazi kwa EWNS (dakika 45, mkusanyiko wa erosoli ya EWNS 40,000 #/cm3) na ambazo hazijawekwa wazi ziliwekwa kwenye chembe ili kutathmini mifumo ya kuzima. Mvukizo uliwekwa kwa saa 2 kwenye joto la kawaida katika myeyusho wa sodiamu kakodilati ya 0.1 M (pH 7.4) kwa kutumia kiambatisho cha 2.5% glutaraldehyde, 1.25% paraformaldehyde na 0.03% asidi ya picric. Baada ya kuosha, ziliwekwa kwa 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potasiamu ferrocyanide (KFeCN6) kwa saa 2, zikaoshwa mara 3 kwa maji na kuwekwa kwenye 1% uranyl acetate kwa saa 1, kisha zikaoshwa mara mbili kwa maji. Baada ya hapo, maji mwilini yaliongezwa kwa dakika 10 kila moja ya 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 JEOL 1200EX (JEOL, Tokyo, Japani), darubini ya kawaida ya elektroni ya upitishaji iliyo na kamera ya AMT 2k CCD (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, MA, Marekani).
Majaribio yote yalifanywa kwa nakala tatu. Kwa kila nukta ya wakati, maji ya bakteria yaliwekwa kwa nakala tatu, na kusababisha jumla ya nukta tisa za data kwa kila nukta, wastani ambao ulitumika kama mkusanyiko wa bakteria kwa kiumbe hicho husika. 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 kipindi cha mfiduo wa dakika 45, Kupunguza Usajili pia kulihesabiwa ikilinganishwa na udhibiti wa dakika 45 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 zilichaguliwa kwa ajili ya utafiti kamili unaoonyesha sifa thabiti na zinazoweza kuzaliana (koni ya Taylor, uzalishaji wa EWNS, na uthabiti baada ya muda). Kwenye mchoro 3 inaonyesha matokeo ya chaji, ukubwa na maudhui ya ROS kwa kesi mbili. Matokeo pia yamefupishwa katika Jedwali 1. Kwa marejeleo, Mchoro 3 na Jedwali 1 vinajumuisha sifa za EWNS8, 9, 10, 11 ambazo hazijaboreshwa 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 kuhusu athari ya kipenyo cha shimo la sampuli ya elektrodi ya kaunta (D) na umbali kati ya elektrodi ya ardhini na ncha ya sindano (L) (Michoro ya Ziada S2 na S3).
(a–c) Usambazaji wa ukubwa wa AFM. (d–f) Sifa ya chaji ya uso. (g) Uainishaji wa ROS na ESR.
Pia ni muhimu kutambua kwamba kwa hali zote zilizo hapo juu, mikondo ya ioni iliyopimwa ilikuwa katika kiwango cha 2-6 µA, na volteji zilikuwa katika kiwango cha -3.8 hadi -6.5 kV, na kusababisha matumizi ya nguvu kwa EWNS hii ya terminal moja ya chini ya 50 mW. . moduli ya uzalishaji. 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 hali ya [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm], mtawalia. Sehemu kulingana na hali ya [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm] zimehesabiwa kama 2 × 105 V/m na 4.7 × 105 V/m, mtawalia. Hii inatarajiwa, kwa kuwa uwiano wa volteji kwa umbali ni mkubwa zaidi katika kesi ya pili.
Kwenye mchoro 3a, b inaonyesha kipenyo cha EWNS kilichopimwa na AFM8. Vipenyo vya wastani vya EWNS kwa matukio ya [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm] vilihesabiwa kama 27 nm na 19 nm, mtawalia. Mikengeuko ya kawaida ya kijiometri ya usambazaji kwa kesi [-6.5 kV, 4.0 cm] na [-3.8 kV, 0.5 cm] ni 1.41 na 1.45, mtawalia, ikionyesha usambazaji mwembamba wa ukubwa. Mkengeuko wa wastani wa ukubwa na kiwango cha kijiometri vyote viwili ni karibu sana na msingi-EWNS, vikiwa 25 nm na 1.41, mtawalia. Kwenye mchoro 3c inaonyesha usambazaji wa ukubwa wa msingi wa EWNS uliopimwa 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. Ikilinganishwa na Baseline-EWNS (10 ± 2 e-), chaji yao ya uso ni kubwa zaidi, mara mbili ya [-6.5 kV, 4.0 cm] na mara nne ya [-3 .8 kV, 0.5 cm]. 3f inaonyesha data ya msingi ya malipo ya EWNS.
Kutoka kwenye ramani za mkusanyiko wa nambari za EWNS (Michoro ya Nyongeza S5 na S6), inaweza kuonekana kwamba eneo la [-6.5 kV, 4.0 cm] lina idadi kubwa zaidi ya chembe kuliko eneo la [-3.8 kV, 0.5 cm]. Ikumbukwe pia kwamba viwango vya nambari za EWNS vilifuatiliwa kwa hadi saa 4 (Michoro ya Nyongeza S5 na S6), ambapo uthabiti wa kizazi cha EWNS ulionyesha viwango sawa vya viwango vya nambari za chembe katika visa vyote viwili.
Mchoro 3g unaonyesha wigo wa EPR baada ya udhibiti (usuli) wa kutoa EWNS zilizoboreshwa katika [-6.5 kV, 4.0 cm]. Wigo wa ROS pia unalinganishwa na msingi wa EWNS katika karatasi iliyochapishwa hapo awali. Idadi iliyohesabiwa ya EWNS inayoitikia kwa mtego wa mzunguko ni 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, ambapo O2- ilitawala, huku OH• ikikuwepo kwa kiasi 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 asili ya EWNS. Kwa visa vyote viwili vya EUNS, uwekaji ulikuwa karibu na 100% hata kwenye volteji ya chini ya 3.0 kV. Kwa kawaida, 3.0 kV inatosha kufikia 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 ya chini (wastani wa elektroni 10 kwa kila EWNS).
Mchoro 5 na Jedwali 2 vinafupisha kiwango cha kutofanya kazi kwa vijidudu vilivyochanjwa kwenye uso wa nyanya baada ya kuathiriwa na takriban 40,000 #/cm3 EWNS kwa dakika 45 chini ya hali bora [-6.5 kV, 4.0 cm]. E. coli na L. innocua zilizochanjwa zilionyesha kupungua kwa kiasi kikubwa kwa gogo 3.8 baada ya dakika 45 za kuathiriwa. Chini ya hali hiyo hiyo, S. enterica ilionyesha kupungua kwa gogo kwa magogo 2.2, huku S. cerevisiae na M. parafortuitum zikionyesha kupungua kwa gogo kwa 1.0.
Mikrografu za elektroni (Mchoro 6) zinazoonyesha mabadiliko ya kimwili yanayosababishwa na EWNS katika seli za E. coli, Salmonella enterica, na L. innocua na kusababisha kutofanya kazi. Bakteria za kudhibiti zilionyesha utando wa seli uliosalia, huku bakteria walio wazi wakiwa 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 kuwa sifa za EWNS (chaji ya uso na kiwango cha ROS) ziliboreshwa kwa kiasi kikubwa ikilinganishwa na data ya msingi ya EWNS iliyochapishwa hapo awali8,9,10,11. Kwa upande mwingine, ukubwa wao ulibaki katika safu ya nanomita, ambayo ni sawa na matokeo yaliyochapishwa hapo awali, na kuyaruhusu kukaa hewani kwa muda mrefu. Utawanyiko ulioonekana unaweza kuelezewa na mabadiliko katika chaji ya uso, ambayo huamua ukubwa wa athari ya Rayleigh, nasibu, na muunganiko unaowezekana wa EWNS. 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. Nadharia hii ilithibitishwa kwa majaribio kwa matone madogo22 na EWNS katika chapisho letu lililopita8. Kupotea kwa muda wa ziada kunaweza pia kuathiri ukubwa na kuchangia usambazaji wa ukubwa ulioonekana.
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 si sawa 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.