ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS ที่จำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงผลไซต์โดยไม่ใช้รูปแบบและ JavaScript
เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการพัฒนาแพลตฟอร์มต่อต้านจุลินทรีย์ปลอดสารเคมีที่ใช้เทคโนโลยีนาโนโดยใช้นาโนโครงสร้างน้ำเทียม (EWNS) EWNS มีประจุบนพื้นผิวสูงและอิ่มตัวด้วยออกซิเจนที่มีปฏิกิริยา (ROS) ซึ่งสามารถโต้ตอบและทำให้จุลินทรีย์หลายชนิดไม่ทำงานได้ รวมถึงเชื้อก่อโรคที่ปนเปื้อนในอาหาร ที่นี่จะแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติของ EWNS ในระหว่างการสังเคราะห์สามารถปรับแต่งและเพิ่มประสิทธิภาพเพื่อเพิ่มศักยภาพในการต่อต้านแบคทีเรียได้อีกด้วย แพลตฟอร์มห้องปฏิบัติการ EWNS ได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับแต่งคุณสมบัติของ EWNS โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์การสังเคราะห์ การกำหนดลักษณะของคุณสมบัติของ EWNS (ประจุ ขนาด และเนื้อหาของ ROS) โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ที่ทันสมัย ​​นอกจากนี้ ยังมีการประเมินศักยภาพในการทำให้จุลินทรีย์ไม่ทำงานต่อจุลินทรีย์ที่ปนเปื้อนในอาหาร เช่น Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum และ Saccharomyces cerevisiae ผลลัพธ์ที่นำเสนอในที่นี้แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติของ EWNS สามารถปรับแต่งได้อย่างละเอียดในระหว่างการสังเคราะห์ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำให้ไม่ทำงานเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ประจุบนพื้นผิวเพิ่มขึ้นเป็นสี่เท่า และออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาได้เพิ่มขึ้น อัตราการกำจัดจุลินทรีย์ขึ้นอยู่กับจุลินทรีย์และอยู่ในช่วง 1.0 ถึง 3.8 log หลังจากสัมผัสกับ EWNS ปริมาณละอองลอย 40,000 #/cc เป็นเวลา 45 นาที
การปนเปื้อนของจุลินทรีย์เป็นสาเหตุหลักของการเจ็บป่วยจากอาหารที่เกิดจากการกินเชื้อโรคหรือสารพิษจากเชื้อโรค ในสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียว การเจ็บป่วยจากอาหารทำให้เกิดการเจ็บป่วยประมาณ 76 ล้านครั้ง เข้ารับการรักษาในโรงพยาบาล 325,000 ครั้ง และเสียชีวิต 5,000 รายต่อปี1 นอกจากนี้ กระทรวงเกษตรของสหรัฐอเมริกา (USDA) ประมาณการว่าการบริโภคผลิตผลสดที่เพิ่มขึ้นเป็นสาเหตุของการเจ็บป่วยจากอาหารทั้งหมด 48% ในสหรัฐอเมริกา2 ค่าใช้จ่ายของโรคและการเสียชีวิตที่เกิดจากเชื้อโรคจากอาหารในสหรัฐอเมริกาสูงมาก โดยศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค (CDC) ประมาณการไว้ที่มากกว่า 15,600 ล้านดอลลาร์สหรัฐต่อปี3
ปัจจุบัน การแทรกแซงด้วยสารเคมี4 การฉายรังสี5 และความร้อน6 เพื่อรับประกันความปลอดภัยของอาหารนั้น ส่วนใหญ่จะดำเนินการที่จุดควบคุมวิกฤต (CCP) ที่จำกัดตลอดห่วงโซ่การผลิต (โดยปกติแล้วคือหลังจากการเก็บเกี่ยวและ/หรือระหว่างการบรรจุ) แทนที่จะดำเนินการอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการปนเปื้อนข้ามกันได้ 7. การควบคุมโรคจากอาหารและการเน่าเสียของอาหารที่ดีขึ้นนั้นต้องอาศัยการแทรกแซงด้วยสารต้านจุลชีพที่อาจใช้ได้ตลอดห่วงโซ่ตั้งแต่ฟาร์มถึงโต๊ะอาหาร ในขณะเดียวกันก็ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและต้นทุนได้
เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการพัฒนาแพลตฟอร์มต่อต้านจุลินทรีย์ที่ปราศจากสารเคมีโดยใช้นาโนเทคโนโลยี ซึ่งสามารถยับยั้งแบคทีเรียบนพื้นผิวและในอากาศได้โดยใช้นาโนโครงสร้างน้ำเทียม (EWNS) EWNS สังเคราะห์ขึ้นโดยใช้กระบวนการคู่ขนานสองกระบวนการ คือ อิเล็กโทรสเปรย์และการแตกตัวของน้ำ (รูปที่ 1a) จากการศึกษาก่อนหน้านี้พบว่า EWNS มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางชีวภาพเฉพาะตัว8,9,10 EWNS มีอิเล็กตรอนเฉลี่ย 10 ตัวต่อโครงสร้างและมีขนาดนาโนสเกลเฉลี่ย 25 ​​นาโนเมตร (รูปที่ 1b,c)8,9,10 นอกจากนี้ การสั่นพ้องของสปินอิเล็กตรอน (ESR) แสดงให้เห็นว่า EWNS มีอนุมูลออกซิเจนที่มีปฏิกิริยา (ROS) จำนวนมาก โดยส่วนใหญ่เป็นไฮดรอกซิล (OH•) และซูเปอร์ออกไซด์ (O2-) (รูปที่ 1c)8 EVNS อยู่ในอากาศเป็นเวลานาน และสามารถชนกับจุลินทรีย์ที่ลอยอยู่ในอากาศและอยู่บนพื้นผิว ส่งผลให้จุลินทรีย์ได้รับ ROS และทำให้จุลินทรีย์ไม่ทำงาน (รูปที่ 1d) การศึกษาในระยะเริ่มต้นยังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่า EWNS สามารถโต้ตอบและทำให้แบคทีเรียแกรมลบและแกรมบวกต่างๆ รวมถึงไมโคแบคทีเรียไม่ทำงานบนพื้นผิวและในอากาศ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านแสดงให้เห็นว่าการทำให้ไม่ทำงานนั้นเกิดจากการทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ นอกจากนี้ การศึกษาการสูดดมแบบเฉียบพลันยังแสดงให้เห็นว่า EWNS ปริมาณสูงไม่ก่อให้เกิดความเสียหายหรือการอักเสบของปอด 8
(a) การพ่นไฟฟ้าเกิดขึ้นเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าสูงเกิดขึ้นระหว่างหลอดแคปิลลารีที่มีของเหลวและเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด (b) การใช้แรงดันสูงส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์สองประการที่แตกต่างกัน: (i) การพ่นน้ำด้วยไฟฟ้าและ (ii) การก่อตัวของอนุมูลออกซิเจนที่มีปฏิกิริยา (ไอออน) ที่ติดอยู่ใน EWNS (c) โครงสร้างเฉพาะตัวของ EWNS (d) เนื่องจากมีลักษณะในระดับนาโน EWNS จึงสามารถเคลื่อนที่ได้สูงและสามารถโต้ตอบกับเชื้อก่อโรคในอากาศได้
นอกจากนี้ ความสามารถของแพลตฟอร์มต้านจุลชีพ EWNS ในการทำให้จุลินทรีย์ที่ปนเปื้อนในอาหารบนพื้นผิวของอาหารสดไม่ทำงานยังได้รับการพิสูจน์แล้วเมื่อไม่นานมานี้ นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่าประจุบนพื้นผิวของ EWNS ร่วมกับสนามไฟฟ้าสามารถใช้เพื่อให้ส่งมอบได้อย่างตรงเป้าหมาย นอกจากนี้ ผลเบื้องต้นสำหรับมะเขือเทศออร์แกนิกหลังจากสัมผัส EWNS ประมาณ 50,000 #/cm3 เป็นเวลา 90 นาทีนั้นน่าพอใจ โดยพบจุลินทรีย์ที่ปนเปื้อนในอาหารหลายชนิด เช่น E. coli และ Listeria 11 นอกจากนี้ การทดสอบทางประสาทสัมผัสเบื้องต้นยังไม่แสดงผลกระทบทางประสาทสัมผัสเมื่อเทียบกับมะเขือเทศควบคุม แม้ว่าผลการทำให้ไม่ทำงานเบื้องต้นเหล่านี้จะน่าพอใจสำหรับการใช้งานด้านความปลอดภัยของอาหารแม้ในปริมาณ EWNS ที่ต่ำมากที่ 50,000#/cc ก็เห็นได้ชัดว่าศักยภาพในการทำให้ไม่ทำงานที่สูงขึ้นจะมีประโยชน์มากกว่าในการลดความเสี่ยงของการติดเชื้อและการเน่าเสียต่อไป
ที่นี่ เราจะมุ่งเน้นการวิจัยของเราไปที่การพัฒนาแพลตฟอร์มการสร้าง EWNS เพื่อให้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์การสังเคราะห์และเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติทางฟิสิกเคมีของ EWNS เพื่อเพิ่มศักยภาพในการต่อต้านแบคทีเรีย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเพิ่มประสิทธิภาพมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประจุบนพื้นผิว (เพื่อปรับปรุงการส่งมอบแบบกำหนดเป้าหมาย) และปริมาณ ROS (เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำให้ไม่ทำงาน) กำหนดลักษณะคุณสมบัติทางฟิสิกเคมีที่เหมาะสมที่สุด (ขนาด ประจุ และปริมาณ ROS) โดยใช้การวิเคราะห์แบบสมัยใหม่ และใช้จุลินทรีย์ในอาหารทั่วไป เช่น E. .
EVNS สังเคราะห์ขึ้นโดยการพ่นไฟฟ้าพร้อมกันและการแตกตัวเป็นไอออนของน้ำที่มีความบริสุทธิ์สูง (18 MΩ cm–1) เครื่องพ่นละอองไฟฟ้า 12 มักใช้สำหรับการทำให้ของเหลวเป็นละอองและสังเคราะห์พอลิเมอร์และอนุภาคเซรามิก 13 และเส้นใย 14 ที่มีขนาดควบคุม
ตามที่ระบุโดยละเอียดในเอกสารเผยแพร่ก่อนหน้านี้ 8, 9, 10, 11 ในการทดลองทั่วไป มีการใช้แรงดันไฟฟ้าสูงระหว่างแคปิลลารีโลหะและเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดที่ต่อสายดิน ในระหว่างกระบวนการนี้ จะเกิดปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันสองอย่าง ได้แก่ i) สเปรย์ไฟฟ้า และ ii) การแตกตัวของน้ำ สนามไฟฟ้าแรงสูงระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองทำให้ประจุลบก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของน้ำที่ควบแน่น ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของกรวยเทย์เลอร์ เป็นผลให้เกิดหยดน้ำที่มีประจุสูงซึ่งแตกตัวเป็นอนุภาคขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ดังเช่นในทฤษฎีเรย์ลี16 ในเวลาเดียวกัน สนามไฟฟ้าแรงสูงทำให้โมเลกุลของน้ำบางส่วนแตกตัวและดึงอิเล็กตรอนออก (แตกตัวเป็นไอออน) ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของอนุมูลออกซิเจนที่มีปฏิกิริยา (ROS) จำนวนมาก17 ROS18 ที่เกิดขึ้นพร้อมกันถูกห่อหุ้มไว้ใน EWNS (รูปที่ 1c)
รูปที่ 2a แสดงระบบสร้าง EWNS ที่พัฒนาและใช้ในการสังเคราะห์ EWNS ในการศึกษานี้ น้ำบริสุทธิ์ที่เก็บไว้ในขวดปิดจะถูกป้อนผ่านท่อเทฟลอน (เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 2 มม.) เข้าไปในเข็มสเตนเลสสตีล 30G (เส้นเลือดฝอยโลหะ) การไหลของน้ำจะถูกควบคุมโดยแรงดันอากาศภายในขวด ดังที่แสดงในรูปที่ 2b เข็มติดตั้งอยู่บนคอนโซลเทฟลอนและสามารถปรับด้วยมือให้ห่างจากเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดในระยะหนึ่ง เคาน์เตอร์อิเล็กโทรดเป็นแผ่นอะลูมิเนียมขัดเงาที่มีรูตรงกลางสำหรับการสุ่มตัวอย่าง ด้านล่างของเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดเป็นกรวยสุ่มตัวอย่างอะลูมิเนียม ซึ่งเชื่อมต่อกับส่วนที่เหลือของการตั้งค่าการทดลองผ่านพอร์ตสุ่มตัวอย่าง (รูปที่ 2b) เพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมประจุที่อาจขัดขวางการทำงานของเครื่องสุ่มตัวอย่าง ส่วนประกอบของเครื่องสุ่มตัวอย่างทั้งหมดจึงต่อสายดินทางไฟฟ้า
(ก) ระบบสร้างโครงสร้างนาโนของน้ำวิศวกรรม (EWNS) (ข) หน้าตัดของเครื่องเก็บตัวอย่างและอิเล็กโทรสเปรย์ แสดงให้เห็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด (ค) การตั้งค่าการทดลองสำหรับการทำให้แบคทีเรียไม่ทำงาน
ระบบสร้าง EWNS ที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์การทำงานหลักเพื่ออำนวยความสะดวกในการปรับแต่งคุณสมบัติของ EWNS ให้ละเอียดขึ้น ปรับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (V) ระยะห่างระหว่างเข็มและเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด (L) และการไหลของน้ำ (φ) ผ่านเส้นเลือดฝอยเพื่อปรับแต่งคุณสมบัติของ EWNS ให้ละเอียดขึ้น สัญลักษณ์ที่ใช้แทนค่าผสมต่างๆ: [V (kV), L (cm)] ปรับการไหลของน้ำเพื่อให้ได้กรวยเทย์เลอร์ที่เสถียรตามค่าที่กำหนด [V, L] สำหรับวัตถุประสงค์ของการศึกษาครั้งนี้ เส้นผ่านศูนย์กลางรูของเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด (D) ถูกกำหนดไว้ที่ 0.5 นิ้ว (1.29 ซม.)
เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตและความไม่สมมาตรมีจำกัด จึงไม่สามารถคำนวณความเข้มของสนามไฟฟ้าจากหลักการพื้นฐานได้ จึงต้องนำซอฟต์แวร์ QuickField™ (Svendborg, Denmark)19 มาใช้เพื่อคำนวณสนามไฟฟ้าแทน สนามไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นจึงใช้ค่าของสนามไฟฟ้าที่ปลายแคปิลลารีเป็นค่าอ้างอิงสำหรับการกำหนดค่าต่างๆ
ระหว่างการศึกษา มีการประเมินค่าแรงดันไฟฟ้าและระยะห่างระหว่างเข็มกับเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดหลายค่าในแง่ของการสร้างกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรของกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรของการผลิต EWNS และความสามารถในการทำซ้ำได้ ค่าต่างๆ แสดงอยู่ในตารางเสริม S1
เอาต์พุตของระบบสร้าง EWNS เชื่อมต่อโดยตรงกับเครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาคแบบเคลื่อนที่สแกน (SMPS รุ่น 3936, TSI, Shoreview, MN) สำหรับการวัดความเข้มข้นของจำนวนอนุภาค รวมถึงเครื่องวัดอิเล็กโทรมิเตอร์ฟาราเดย์ละอองลอย (TSI รุ่น 3068B, Shoreview, MN) สำหรับกระแสละอองลอยที่วัดได้ดังที่อธิบายไว้ในเอกสารเผยแพร่ก่อนหน้านี้ของเรา ทั้ง SMPS และเครื่องวัดอิเล็กโทรมิเตอร์ละอองลอยที่สุ่มตัวอย่างด้วยอัตราการไหล 0.5 ลิตร/นาที (อัตราการไหลของตัวอย่างทั้งหมด 1 ลิตร/นาที) วัดความเข้มข้นของจำนวนอนุภาคและอัตราการไหลของละอองลอยเป็นเวลา 120 วินาที การวัดซ้ำ 30 ครั้ง จากการวัดกระแส จะคำนวณประจุละอองลอยทั้งหมด และประมาณประจุ EWNS เฉลี่ยสำหรับจำนวนอนุภาค EWNS ที่เลือกทั้งหมดที่กำหนด สามารถคำนวณต้นทุนเฉลี่ยของ EWNS ได้โดยใช้สมการ (1):
โดยที่ IEl คือกระแสที่วัดได้ NSMPS คือความเข้มข้นแบบดิจิทัลที่วัดด้วย SMPS และ φEl คืออัตราการไหลต่ออิเล็กโตรมิเตอร์
เนื่องจากความชื้นสัมพัทธ์ (RH) ส่งผลต่อประจุพื้นผิว อุณหภูมิและ (RH) จึงคงที่ตลอดการทดลองที่ 21°C และ 45% ตามลำดับ
กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) และหัววัด AC260T (Olympus, Tokyo, Japan) ถูกใช้เพื่อวัดขนาดและอายุการใช้งานของ EWNS ความถี่การสแกน AFM คือ 1 Hz พื้นที่การสแกนคือ 5 μm × 5 μm และเส้นสแกน 256 เส้น ภาพทั้งหมดได้รับการปรับตำแหน่งภาพลำดับที่ 1 โดยใช้ซอฟต์แวร์ Asylum (ระยะมาส์ก 100 นาโนเมตร ขีดจำกัด 100 พีเอ็ม)
กรวยทดสอบถูกถอดออกและวางพื้นผิวไมก้าที่ระยะห่าง 2.0 ซม. จากเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดเป็นเวลาเฉลี่ย 120 วินาทีเพื่อหลีกเลี่ยงการรวมตัวของอนุภาคและการก่อตัวของหยดที่ไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวไมก้า EWNS ถูกพ่นโดยตรงบนพื้นผิวของไมก้าที่เพิ่งตัด (Ted Pella, Redding, CA) ภาพของพื้นผิวไมก้าทันทีหลังจากการสปัตเตอร์ AFM มุมสัมผัสของพื้นผิวของไมก้าที่เพิ่งตัดไม่ได้ดัดแปลงนั้นใกล้เคียงกับ 0° ดังนั้น EVNS จึงกระจายบนพื้นผิวไมก้าในรูปโดม เส้นผ่านศูนย์กลาง (a) และความสูง (h) ของหยดที่กระจายตัวถูกวัดโดยตรงจากภูมิประเทศ AFM และใช้ในการคำนวณปริมาตรการแพร่กระจายโดมของ EWNS โดยใช้วิธีที่ผ่านการตรวจสอบก่อนหน้านี้ของเรา โดยถือว่า EWNS บนเครื่องมีปริมาตรเท่ากัน เส้นผ่านศูนย์กลางเทียบเท่าสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ (2):
โดยอาศัยวิธีการที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ของเรา กับดักสปินเรโซแนนซ์อิเล็กตรอน (ESR) ถูกใช้เพื่อตรวจจับการปรากฏตัวของสารตัวกลางอนุมูลอิสระอายุสั้นใน EWNS ละอองลอยถูกพ่นผ่านเครื่องกระจายอนุภาคขนาดเล็กขนาด 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) ที่มีสารละลาย DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) ความเข้มข้น 235 mM (Oxis International Inc.) พอร์ตแลนด์ ออริกอน) การวัด ESR ทั้งหมดดำเนินการโดยใช้เครื่องตรวจวัดสเปกตรัม Bruker EMX (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) และเซลล์แผงแบน ใช้ซอฟต์แวร์ Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) เพื่อรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูล การกำหนดลักษณะของ ROS ดำเนินการเฉพาะสำหรับเงื่อนไขการทำงานชุดหนึ่ง [-6.5 kV, 4.0 cm] เท่านั้น ความเข้มข้นของ EWNS ถูกวัดโดยใช้ SMPS หลังจากคิดค่าการสูญเสีย EWNS ในเครื่องกระทบแล้ว
ระดับโอโซนถูกตรวจสอบโดยใช้เครื่อง 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10
สำหรับคุณสมบัติ EWNS ทั้งหมด ค่าเฉลี่ยจะถูกใช้เป็นค่าการวัด และค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานจะถูกใช้เป็นข้อผิดพลาดในการวัด การทดสอบ T ดำเนินการเพื่อเปรียบเทียบค่าของคุณสมบัติ EWNS ที่ปรับให้เหมาะสมกับค่าที่สอดคล้องกันของ EWNS พื้นฐาน
รูปที่ 2c แสดงระบบ “ดึง” ของการตกตะกอนไฟฟ้าสถิต (EPES) ที่ได้รับการพัฒนาและมีลักษณะเฉพาะก่อนหน้านี้ ซึ่งสามารถใช้สำหรับการส่ง EWNS ไปยังพื้นผิวเป้าหมายได้ EPES ใช้ประจุ EVNS ที่สามารถ “นำทาง” ไปยังพื้นผิวของเป้าหมายได้โดยตรงภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าแรงสูง รายละเอียดของระบบ EPES นำเสนอในเอกสารเผยแพร่ล่าสุดของ Pyrgiotakis et al. 11 ดังนั้น EPES จึงประกอบด้วยห้อง PVC ที่พิมพ์ 3 มิติที่มีปลายเรียวและมีแผ่นโลหะสเตนเลสสตีลขนานกันสองแผ่น (สเตนเลสสตีล 304 เคลือบกระจก) ที่จุดศูนย์กลางห่างกัน 15.24 ซม. แผ่นเหล่านี้เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าสูงภายนอก (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) แผ่นด้านล่างเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าบวกเสมอ และแผ่นด้านบนเชื่อมต่อกับกราวด์ (กราวด์ลอย) เสมอ ผนังห้องถูกปกคลุมด้วยแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ ซึ่งต่อลงกราวด์ด้วยไฟฟ้าเพื่อป้องกันการสูญเสียอนุภาค ห้องนี้มีประตูโหลดด้านหน้าที่ปิดผนึกซึ่งช่วยให้สามารถวางพื้นผิวการทดสอบบนขาตั้งพลาสติกที่ยกให้สูงกว่าแผ่นโลหะด้านล่างเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนแรงดันไฟฟ้าสูง
ประสิทธิภาพการสะสมของ EWNS ใน EPES ได้รับการคำนวณตามโปรโตคอลที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในรูปเสริมที่ S111
ห้องควบคุมจะเชื่อมต่อห้องไหลทรงกระบอกที่สองเข้ากับระบบ EPES แบบอนุกรม โดยจะใช้ตัวกรอง HEPA ตัวกลางเพื่อกำจัด EWNS ตามที่แสดงในรูปที่ 2c ละอองลอยของ EWNS จะถูกสูบผ่านห้องในตัวสองห้อง ตัวกรองระหว่างห้องควบคุมและ EPES จะกำจัด EWNS ที่เหลือทั้งหมด ส่งผลให้มีอุณหภูมิ (T) ความชื้นสัมพัทธ์ (RH) และระดับโอโซนเท่ากัน
พบว่าจุลินทรีย์ในอาหารที่สำคัญปนเปื้อนอาหารสด เช่น E. coli (ATCC #27325) ตัวบ่งชี้อุจจาระ Salmonella enterica (ATCC #53647) เชื้อก่อโรคในอาหาร Listeria ไม่เป็นอันตราย (ATCC #33090) สารทดแทน Listeria monocytogenes ที่ก่อโรค ซึ่งได้มาจาก Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) ของ ATCC (เมืองมานัสซัส รัฐเวอร์จิเนีย) ซึ่งเป็นยีสต์ที่ทำให้เน่าเสียแทน และแบคทีเรียที่ทำให้ไม่ทำงานที่ต้านทานได้ดีกว่า Mycobacterium paralucky (ATCC #19686)
ซื้อมะเขือเทศองุ่นออร์แกนิกกล่องสุ่มจากตลาดใกล้บ้านของคุณแล้วแช่เย็นที่อุณหภูมิ 4°C จนกว่าจะใช้ (สูงสุด 3 วัน) มะเขือเทศทดลองทั้งหมดมีขนาดเท่ากัน คือ มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1/2 นิ้ว
โปรโตคอลการเพาะเลี้ยง การเพาะเชื้อ การสัมผัส และการนับจำนวนโคโลนีมีรายละเอียดอยู่ในเอกสารเผยแพร่ก่อนหน้านี้ของเรา และมีรายละเอียดอยู่ในข้อมูลเสริม ประสิทธิภาพของ EWNS ได้รับการประเมินโดยการให้มะเขือเทศที่เพาะเชื้อสัมผัสกับสาร 40,000 #/cm3 เป็นเวลา 45 นาที โดยสรุป มะเขือเทศสามลูกถูกนำมาใช้เพื่อประเมินจุลินทรีย์ที่รอดชีวิตในเวลา t = 0 นาที มะเขือเทศสามลูกถูกวางไว้ใน EPES และสัมผัสกับ EWNS ที่สาร 40,000 #/cc (มะเขือเทศที่สัมผัสกับ EWNS) และมะเขือเทศที่เหลืออีกสามลูกถูกวางไว้ในห้องควบคุม (มะเขือเทศควบคุม) ไม่ได้ดำเนินการแปรรูปมะเขือเทศเพิ่มเติมในทั้งสองกลุ่ม มะเขือเทศที่สัมผัสกับ EWNS และมะเขือเทศควบคุมถูกนำออกหลังจาก 45 นาทีเพื่อประเมินผลของ EWNS
การทดลองแต่ละครั้งดำเนินการซ้ำสามครั้ง การวิเคราะห์ข้อมูลดำเนินการตามโปรโตคอลที่อธิบายไว้ในข้อมูลเสริม
กลไกการทำให้ไม่ทำงานได้รับการประเมินโดยการตกตะกอนตัวอย่าง EWNS ที่ถูกสัมผัส (45 นาทีที่ความเข้มข้นของละออง EWNS 40,000 #/cm3) และตัวอย่างแบคทีเรียที่ไม่เป็นอันตรายที่ไม่ได้รับการฉายรังสี เช่น E. coli, Salmonella enterica และ Lactobacillus อนุภาคถูกตรึงในกลูตารัลดีไฮด์ 2.5%, พาราฟอร์มาลดีไฮด์ 1.25% และกรดพิคริก 0.03% ในบัฟเฟอร์โซเดียมคาโคไดเลต 0.1 M (pH 7.4) เป็นเวลา 2 ชั่วโมงที่อุณหภูมิห้อง หลังจากล้างแล้ว ให้ตรึงตัวอย่างด้วย 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% potassium ferrocyanide (KFeCN6) เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ล้าง 3 ครั้งในน้ำและฟักใน 1% uranyl acetate เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จากนั้นล้าง 2 ครั้งในน้ำ จากนั้นทำให้แห้งเป็นเวลา 10 นาทีในแอลกอฮอล์ 50%, 70%, 90%, 100% จากนั้นวางตัวอย่างในโพรพิลีนออกไซด์เป็นเวลา 1 ชั่วโมงและชุบด้วยส่วนผสม 1:1 ของโพรพิลีนออกไซด์และ TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA) ตัวอย่างฝังใน TAAB Epon และทำให้เกิดการพอลิเมอร์ที่อุณหภูมิ 60°C เป็นเวลา 48 ชั่วโมง เรซินเม็ดที่บ่มแล้วจะถูกตัดและมองเห็นด้วย TEM โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านธรรมดา JEOL 1200EX (JEOL โตเกียว ประเทศญี่ปุ่น) ที่ติดตั้งกล้อง CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn รัฐแมสซาชูเซตส์ สหรัฐอเมริกา)
การทดลองทั้งหมดดำเนินการซ้ำสามครั้ง สำหรับแต่ละจุดเวลา การล้างแบคทีเรียจะถูกหว่านซ้ำสามครั้ง ส่งผลให้มีจุดข้อมูลทั้งหมดเก้าจุดต่อจุด โดยค่าเฉลี่ยจะถูกใช้เป็นความเข้มข้นของแบคทีเรียสำหรับจุลินทรีย์เฉพาะนั้น ส่วนค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานจะถูกใช้เป็นข้อผิดพลาดในการวัด จุดทั้งหมดนับรวม
ลอการิทึมของการลดลงของความเข้มข้นของแบคทีเรียเมื่อเทียบกับ t = 0 นาที ถูกคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
โดยที่ C0 คือความเข้มข้นของแบคทีเรียในตัวอย่างควบคุม ณ เวลา 0 (กล่าวคือ หลังจากที่พื้นผิวแห้งแต่ก่อนที่จะถูกวางไว้ในห้อง) และ Cn คือความเข้มข้นของแบคทีเรียบนพื้นผิวหลังจากสัมผัสเป็นเวลา n นาที
เพื่อให้คำนึงถึงการสลายตัวตามธรรมชาติของแบคทีเรียระหว่างการสัมผัสเป็นเวลา 45 นาที การลดลงของค่าลอการิทึมเมื่อเทียบกับกลุ่มควบคุมหลังจาก 45 นาทีก็ได้รับการคำนวณดังนี้:
โดยที่ Cn คือความเข้มข้นของแบคทีเรียในตัวอย่างควบคุม ณ เวลา n และ Cn-Control คือความเข้มข้นของแบคทีเรียควบคุม ณ เวลา n ข้อมูลจะแสดงเป็นค่าลอการิทึมที่ลดลงเมื่อเทียบกับตัวอย่างควบคุม (ไม่มีการสัมผัสกับ EWNS)
ระหว่างการศึกษา ได้มีการประเมินค่าแรงดันไฟฟ้าและระยะห่างระหว่างเข็มกับเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดหลายแบบในแง่ของการสร้างกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรของกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรของการผลิต EWNS และความสามารถในการทำซ้ำได้ โดยแสดงค่าต่างๆ ไว้ในตารางเสริม S1 มีการเลือกสองกรณีที่แสดงให้เห็นคุณสมบัติที่เสถียรและทำซ้ำได้ (กรวยเทย์เลอร์ การสร้าง EWNS และความเสถียรเมื่อเวลาผ่านไป) เพื่อทำการศึกษาอย่างครอบคลุม ในรูปที่ 3 แสดงผลสำหรับประจุ ขนาด และเนื้อหาของ ROS ในทั้งสองกรณี นอกจากนี้ยังสรุปผลในตารางที่ 1 สำหรับการอ้างอิง รูปที่ 3 และตารางที่ 1 รวมคุณสมบัติของ EWNS8, 9, 10, 11 ที่สังเคราะห์ขึ้นก่อนหน้านี้ซึ่งไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสม (ค่าพื้นฐาน-EWNS) การคำนวณความสำคัญทางสถิติโดยใช้การทดสอบ t สองหางได้รับการตีพิมพ์ซ้ำในตารางเสริม S2 นอกจากนี้ ข้อมูลเพิ่มเติมยังรวมถึงการศึกษาผลกระทบของเส้นผ่านศูนย์กลางรูสุ่มตัวอย่างเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด (D) และระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดกราวด์และปลาย (L) (รูปเสริม S2 และ S3)
(ac) การกระจายขนาดที่วัดโดย AFM (df) ลักษณะประจุพื้นผิว (g) การกำหนดลักษณะ ROS ของ EPR
สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ สำหรับเงื่อนไขทั้งหมดข้างต้น กระแสไอออไนเซชันที่วัดได้อยู่ระหว่าง 2 ถึง 6 μA และแรงดันไฟฟ้าอยู่ระหว่าง -3.8 ถึง -6.5 kV ส่งผลให้มีการใช้พลังงานน้อยกว่า 50 mW สำหรับโมดูลสัมผัสการสร้าง EWNS เดี่ยวนี้ แม้ว่า EWNS จะสังเคราะห์ภายใต้แรงดันสูง แต่ระดับโอโซนก็ต่ำมาก โดยไม่เกิน 60 ppb
รูปภาพเสริม S4 แสดงสนามไฟฟ้าจำลองสำหรับสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 ซม.] และ [-3.8 kV, 0.5 ซม.] ตามลำดับ สำหรับสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 ซม.] และ [-3.8 kV, 0.5 ซม.] การคำนวณสนามไฟฟ้าคือ 2 × 105 V/ม. และ 4.7 × 105 V/ม. ตามลำดับ ซึ่งเป็นสิ่งที่คาดไว้ เนื่องจากในกรณีที่สอง อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าต่อระยะห่างจะสูงกว่ามาก
รูปที่ 3a,b แสดงเส้นผ่านศูนย์กลาง EWNS ที่วัดด้วย AFM8 เส้นผ่านศูนย์กลาง EWNS เฉลี่ยที่คำนวณได้คือ 27 นาโนเมตรและ 19 นาโนเมตรสำหรับรูปแบบ [-6.5 kV, 4.0 ซม.] และ [-3.8 kV, 0.5 ซม.] ตามลำดับ สำหรับสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 ซม.] และ [-3.8 kV, 0.5 ซม.] ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานทางเรขาคณิตของการกระจายคือ 1.41 และ 1.45 ตามลำดับ ซึ่งบ่งชี้ถึงการกระจายขนาดที่แคบ ทั้งขนาดเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานทางเรขาคณิตนั้นใกล้เคียงกับ EWNS พื้นฐานมากที่ 25 นาโนเมตรและ 1.41 ตามลำดับ รูปที่ 3c แสดงการกระจายขนาดของ EWNS พื้นฐานที่วัดโดยใช้วิธีเดียวกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน
รูปที่ 3d แสดงผลลัพธ์ของลักษณะประจุ ข้อมูลเป็นการวัดค่าเฉลี่ยของการวัดความเข้มข้น (#/cm3) และกระแสไฟฟ้า (I) พร้อมกัน 30 ครั้ง การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าประจุเฉลี่ยบน EWNS คือ 22 ± 6 e- และ 44 ± 6 e- สำหรับ [-6.5 kV, 4.0 cm] และ [-3.8 kV, 0.5 cm] ตามลำดับ ประจุบนพื้นผิวของ EWNS เหล่านี้สูงกว่า EWNS พื้นฐานอย่างมีนัยสำคัญ (10 ± 2 e-) มากกว่าสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 cm] ถึง 2 เท่า และมากกว่าสถานการณ์ [-3.8 kV, 0.5 cm] ถึง 4 เท่า รูปที่ 3f แสดงข้อมูลประจุสำหรับ Baseline-EWNS
จากแผนที่ความเข้มข้นของจำนวน EWNS (รูปเสริม S5 และ S6) จะเห็นได้ว่าสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 ซม.] มีอนุภาคมากกว่าสถานการณ์ [-3.8 kV, 0.5 ซม.] อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ยังควรสังเกตว่ามีการตรวจสอบความเข้มข้นของจำนวน EWNS นานถึง 4 ชั่วโมง (รูปเสริม S5 และ S6) โดยที่ความเสถียรของการสร้าง EWNS แสดงระดับความเข้มข้นของจำนวนอนุภาคเท่ากันในทั้งสองกรณี
รูปที่ 3g แสดงสเปกตรัม EPR หลังจากลบ EWNS ควบคุมที่ปรับให้เหมาะสม (พื้นหลัง) ที่ [-6.5 kV, 4.0 ซม.] สเปกตรัม ROS ยังถูกเปรียบเทียบกับสถานการณ์ Baseline-EWNS ในผลงานที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ จำนวนของ EWNS ที่ทำปฏิกิริยากับกับดักสปินคำนวณได้ 7.5 × 104 EWNS/s ซึ่งคล้ายกับ Baseline-EWNS8 ที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ สเปกตรัม EPR แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงการมีอยู่ของ ROS สองประเภท โดย O2- เป็นสปีชีส์หลักและ OH• มีน้อยกว่า นอกจากนี้ การเปรียบเทียบโดยตรงของความเข้มสูงสุดยังแสดงให้เห็นว่า EWNS ที่ปรับให้เหมาะสมมีปริมาณ ROS สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ EWNS พื้นฐาน
รูปที่ 4 แสดงประสิทธิภาพการสะสมของ EWNS ใน EPES ข้อมูลยังสรุปไว้ในตาราง I และเปรียบเทียบกับข้อมูล EWNS ดั้งเดิม สำหรับ EUNS ทั้งสองกรณี การสะสมจะใกล้เคียงกับ 100% แม้จะอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ 3.0 กิโลโวลต์ โดยทั่วไป 3.0 กิโลโวลต์ก็เพียงพอสำหรับการสะสม 100% โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงประจุบนพื้นผิว ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ประสิทธิภาพการสะสมของ Baseline-EWNS อยู่ที่เพียง 56% เนื่องจากมีประจุต่ำกว่า (เฉลี่ย 10 อิเล็กตรอนต่อ EWNS)
จากรูปที่ 5 และตารางที่ 2 สรุปค่าการทำให้เชื้อจุลินทรีย์ไม่ทำงานบนพื้นผิวของมะเขือเทศหลังจากสัมผัสกับ EWNS ประมาณ 40,000 #/cm3 เป็นเวลา 45 นาทีที่โหมดที่เหมาะสม [-6.5 kV, 4.0 cm] เชื้อ E. coli และ Lactobacillus innocuous ที่ได้รับการเพาะเชื้อแสดงค่าการลดลงอย่างมีนัยสำคัญที่ 3.8 logs ระหว่างการสัมผัสกับเชื้อเป็นเวลา 45 นาที ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน S. enterica ลดลง 2.2 log ในขณะที่ S. cerevisiae และ M. parafortutum ลดลง 1.0 logs
ภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (รูปที่ 6) แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่เกิดจาก EWNS บนเซลล์ Escherichia coli, Streptococcus และ Lactobacillus ที่ไม่เป็นอันตราย ซึ่งนำไปสู่การทำให้เซลล์ไม่ทำงาน แบคทีเรียควบคุมมีเยื่อหุ้มเซลล์ที่ยังคงสภาพสมบูรณ์ ในขณะที่แบคทีเรียที่ถูกเปิดเผยมีเยื่อหุ้มเซลล์ที่เสียหาย
การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของแบคทีเรียควบคุมและแบคทีเรียที่ถูกสัมผัสเผยให้เห็นความเสียหายของเยื่อหุ้มเซลล์
ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางฟิสิกเคมีของ EWNS ที่ปรับให้เหมาะสมแล้วแสดงให้เห็นโดยรวมว่าคุณสมบัติ (ประจุบนพื้นผิวและปริมาณ ROS) ของ EWNS ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับข้อมูลพื้นฐานของ EWNS ที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้8,9,10,11 ในทางกลับกัน ขนาดของประจุยังคงอยู่ในช่วงนาโนเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับผลที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้มาก ทำให้สามารถลอยอยู่ในอากาศได้เป็นเวลานาน การกระจายตัวของประจุที่สังเกตได้นั้นสามารถอธิบายได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงประจุบนพื้นผิวที่กำหนดขนาดของ EWNS ความสุ่มของเอฟเฟกต์เรย์ลีห์ และการรวมตัวกันที่อาจเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม ตามที่ Nielsen et al. ได้ให้รายละเอียดไว้ 22 ประจุบนพื้นผิวที่สูงจะลดการระเหยโดยเพิ่มพลังงาน/แรงตึงบนพื้นผิวของหยดน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในเอกสารเผยแพร่ก่อนหน้านี้ของเรา8 ทฤษฎีนี้ได้รับการยืนยันในเชิงทดลองสำหรับไมโครดรอปเล็ต 22 และ EWNS การสูญเสียประจุในช่วงเวลาล่วงเวลาอาจส่งผลต่อขนาดและมีส่วนทำให้การกระจายตัวของขนาดที่สังเกตได้นั้นเกิดขึ้นได้เช่นกัน
นอกจากนี้ ประจุต่อโครงสร้างอยู่ที่ประมาณ 22-44 e- ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ ซึ่งสูงกว่า EWNS พื้นฐานอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งมีประจุเฉลี่ย 10 ± 2 อิเล็กตรอนต่อโครงสร้าง อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่านี่คือประจุเฉลี่ยของ EWNS Seto et al. ได้แสดงให้เห็นว่าประจุนั้นไม่เป็นเนื้อเดียวกันและเป็นไปตามการแจกแจงแบบลอการิทึมปกติ21 เมื่อเปรียบเทียบกับงานก่อนหน้าของเรา การเพิ่มประจุพื้นผิวเป็นสองเท่าจะทำให้ประสิทธิภาพการสะสมในระบบ EPES เป็นสองเท่าเกือบ 100%11