ขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comเวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่คุณใช้มีการรองรับ CSS ที่จำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)ในระหว่างนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
ม้าหมุนที่แสดงสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์พร้อมกัน หรือใช้ปุ่มตัวเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์พร้อมกัน
เมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้มีการพัฒนาแพลตฟอร์มต้านจุลชีพที่ปราศจากสารเคมีซึ่งใช้เทคโนโลยีนาโนโดยใช้โครงสร้างนาโนของน้ำเทียม (EWNS)EWNS มีประจุที่พื้นผิวสูงและอิ่มตัวด้วยรีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์ (ROS) ที่สามารถโต้ตอบและยับยั้งจุลินทรีย์จำนวนหนึ่ง รวมถึงเชื้อโรคที่มากับอาหารที่นี่แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติระหว่างการสังเคราะห์สามารถปรับแต่งและปรับให้เหมาะสมเพื่อเพิ่มศักยภาพในการต้านแบคทีเรียแพลตฟอร์มห้องปฏิบัติการ EWNS ได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับแต่งคุณสมบัติของ EWNS โดยการเปลี่ยนพารามิเตอร์การสังเคราะห์การแสดงลักษณะของคุณสมบัติ EWNS (ประจุ ขนาด และเนื้อหาของ ROS) โดยใช้วิธีการวิเคราะห์สมัยใหม่นอกจากนี้ ยังได้รับการประเมินศักยภาพในการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ต่อจุลินทรีย์ที่มากับอาหาร เช่น Escherichia coli, Salmonella enterica, Listeria innocuous, Mycobacterium paraaccidentum และ Saccharomyces cerevisiaeผลลัพธ์ที่นำเสนอนี้แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติของ EWNS สามารถปรับแต่งได้อย่างละเอียดระหว่างการสังเคราะห์ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการหยุดทำงานเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ประจุที่พื้นผิวเพิ่มขึ้นถึงสี่เท่าและชนิดของออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอัตราการกำจัดจุลชีพขึ้นอยู่กับจุลชีพและอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1.0 ถึง 3.8 log หลังจากได้รับสารละออง 40,000 #/cc EWNS เป็นเวลา 45 นาที
การปนเปื้อนของเชื้อจุลินทรีย์เป็นสาเหตุหลักของการเจ็บป่วยจากอาหารที่เกิดจากการกินของเชื้อโรคหรือสารพิษของเชื้อโรคในสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียว ความเจ็บป่วยที่เกิดจากอาหารทำให้เกิดโรคภัยไข้เจ็บประมาณ 76 ล้านครั้ง ต้องเข้ารับการรักษาในโรงพยาบาล 325,000 ราย และเสียชีวิต 5,000 รายในแต่ละปี1นอกจากนี้ กระทรวงเกษตรของสหรัฐอเมริกา (USDA) ประมาณการว่าการบริโภคผักผลไม้สดที่เพิ่มขึ้นเป็นสาเหตุของ 48% ของการเจ็บป่วยจากอาหารที่มีรายงานทั้งหมดในสหรัฐอเมริกา2ค่าใช้จ่ายของโรคและการเสียชีวิตที่เกิดจากเชื้อโรคในอาหารในสหรัฐอเมริกานั้นสูงมาก ซึ่งประเมินโดยศูนย์ควบคุมและป้องกันโรค (CDC) ที่มากกว่า 15.6 พันล้านเหรียญสหรัฐต่อปี3
ในปัจจุบัน การแทรกแซงด้วยสารเคมี4 การแผ่รังสี5 และความร้อน6 เพื่อรับประกันความปลอดภัยของอาหารส่วนใหญ่ดำเนินการที่จุดควบคุมวิกฤตที่จำกัด (CCPs) ตามห่วงโซ่การผลิต (โดยปกติหลังการเก็บเกี่ยวและ/หรือระหว่างการบรรจุ) มากกว่าอย่างต่อเนื่องดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการปนเปื้อนข้าม7. การควบคุมการเจ็บป่วยที่เกิดจากอาหารและการเน่าเสียของอาหารที่ดีขึ้นนั้นต้องการการแทรกแซงของยาต้านจุลชีพที่อาจนำไปใช้ได้ทั่วทั้งความต่อเนื่องจากฟาร์มสู่โต๊ะ ในขณะที่ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและต้นทุน
เมื่อเร็ว ๆ นี้ แพลตฟอร์มต้านจุลชีพที่ใช้เทคโนโลยีนาโนปลอดสารเคมีได้รับการพัฒนาขึ้น ซึ่งสามารถยับยั้งแบคทีเรียบนพื้นผิวและในอากาศได้โดยใช้โครงสร้างนาโนในน้ำประดิษฐ์ (EWNS)EWNS ถูกสังเคราะห์โดยใช้กระบวนการคู่ขนานสองกระบวนการคืออิเล็กโทรสเปรย์และไอออนไนซ์ของน้ำ (รูปที่ 1a)การศึกษาก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่า EWNS มีคุณสมบัติทางกายภาพและชีวภาพที่ไม่เหมือนใคร8,9,10EWNS มีอิเล็กตรอนเฉลี่ย 10 ตัวต่อโครงสร้างและขนาดนาโนเฉลี่ย 25 ​​นาโนเมตร (รูปที่ 1b,c)8,9,10นอกจากนี้ อิเล็กตรอนสปินเรโซแนนซ์ (ESR) แสดงให้เห็นว่า EWNS มีรีแอคทีฟออกซิเจน (ROS) จำนวนมาก โดยส่วนใหญ่เป็นไฮดรอกซิล (OH•) และซุปเปอร์ออกไซด์ (O2-) อนุมูล (รูปที่ 1c)8EVNS ลอยอยู่ในอากาศเป็นเวลานานและสามารถชนกับจุลินทรีย์ที่ลอยอยู่ในอากาศและอยู่บนพื้นผิว ส่งภาระ ROS และทำให้จุลินทรีย์หยุดทำงาน (รูปที่ 1d)การศึกษาในช่วงต้นเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นว่า EWNS สามารถโต้ตอบและยับยั้งแบคทีเรียแกรมลบและแกรมบวกต่างๆ รวมถึงมัยโคแบคทีเรียบนพื้นผิวและในอากาศกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องผ่านแสดงให้เห็นว่าการปิดใช้งานเกิดจากการหยุดชะงักของเยื่อหุ้มเซลล์นอกจากนี้ การศึกษาเกี่ยวกับการสูดดมแบบเฉียบพลันได้แสดงให้เห็นว่า EWNS ในปริมาณสูงไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อปอดหรือการอักเสบ 8
(a) Electrospray เกิดขึ้นเมื่อจ่ายไฟฟ้าแรงสูงระหว่าง capillary tube ที่มีของเหลวกับ counter electrode(b) การประยุกต์ใช้ความดันสูงส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันสองประการ: (i) การพ่นด้วยไฟฟ้าของน้ำและ (ii) การก่อตัวของชนิดออกซิเจนปฏิกิริยา (ไอออน) ที่ติดอยู่ใน EWNS(c) โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ของ EWNS(d) เนื่องจากลักษณะระดับนาโน EWNS จึงมีความคล่องตัวสูงและสามารถโต้ตอบกับเชื้อโรคในอากาศได้
เมื่อเร็ว ๆ นี้ความสามารถของแพลตฟอร์มต้านจุลชีพ EWNS ในการยับยั้งจุลินทรีย์ที่เกิดจากอาหารบนพื้นผิวของอาหารสดก็ได้รับการพิสูจน์เช่นกันนอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าประจุไฟฟ้าที่พื้นผิวของ EWNS ร่วมกับสนามไฟฟ้าสามารถใช้เพื่อให้ได้รับการจัดส่งตามเป้าหมายยิ่งไปกว่านั้น ผลการทดสอบเบื้องต้นสำหรับมะเขือเทศออร์แกนิกหลังการสัมผัส 90 นาทีที่ EWNS ประมาณ 50,000 #/ลบ.ซม. เป็นสิ่งที่น่ายินดี โดยสังเกตได้จากจุลินทรีย์ในอาหารหลายชนิด เช่น E. coli และ Listeria 11นอกจากนี้ การทดสอบทางประสาทสัมผัสเบื้องต้นไม่พบผลทางประสาทสัมผัสเมื่อเปรียบเทียบกับมะเขือเทศควบคุมแม้ว่าผลลัพธ์การหยุดใช้งานเบื้องต้นเหล่านี้จะสนับสนุนให้เกิดการใช้งานด้านความปลอดภัยของอาหาร แม้ในปริมาณ EWNS ที่ต่ำมากที่ 50,000#/ซีซีเห็นได้ชัดเจนว่าศักยภาพในการยับยั้งที่สูงขึ้นจะเป็นประโยชน์มากกว่าในการลดความเสี่ยงต่อการติดเชื้อและการเน่าเสีย
ที่นี่ เราจะมุ่งเน้นไปที่การวิจัยของเราในการพัฒนาแพลตฟอร์มการสร้าง EWNS เพื่อให้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์การสังเคราะห์และปรับคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของ EWNS ให้เหมาะสมเพื่อเพิ่มศักยภาพในการต้านเชื้อแบคทีเรียโดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเพิ่มประสิทธิภาพได้มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประจุพื้นผิว (เพื่อปรับปรุงการส่งมอบเป้าหมาย) และเนื้อหา ROS (เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการปิดใช้งาน)กำหนดคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่เหมาะสม (ขนาด ประจุ และปริมาณ ROS) โดยใช้วิธีการวิเคราะห์ที่ทันสมัย ​​และใช้จุลินทรีย์ในอาหารทั่วไป เช่น E. .
EVNS ถูกสังเคราะห์โดยการพ่นด้วยไฟฟ้าและการแตกตัวเป็นไอออนของน้ำที่มีความบริสุทธิ์สูงพร้อมกัน (18 MΩ cm–1)เครื่องพ่นฝอยละอองไฟฟ้า 12 โดยทั่วไปใช้สำหรับการทำให้เป็นละอองของของเหลวและการสังเคราะห์โพลิเมอร์และอนุภาคเซรามิก 13 และเส้นใย 14 ที่มีขนาดควบคุม
ตามรายละเอียดในสิ่งพิมพ์ก่อนหน้า 8, 9, 10, 11 ในการทดลองทั่วไป มีการใช้ไฟฟ้าแรงสูงระหว่างแคพิลลารีโลหะและอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ที่ต่อสายดินในระหว่างกระบวนการนี้ จะเกิดปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันสองอย่าง: i) อิเล็กโตรสเปรย์ และ ii) น้ำแตกตัวเป็นไอออนสนามไฟฟ้าแรงสูงระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองทำให้เกิดประจุลบสะสมบนพื้นผิวของน้ำควบแน่น ส่งผลให้เกิดกรวยเทย์เลอร์เป็นผลให้เกิดหยดน้ำที่มีประจุไฟฟ้าสูง ซึ่งแตกตัวเป็นอนุภาคขนาดเล็กต่อไป ดังเช่นในทฤษฎี Rayleigh16ในขณะเดียวกัน สนามไฟฟ้าแรงสูงทำให้โมเลกุลของน้ำบางส่วนแตกตัวและดึงอิเล็กตรอน (ไอออไนซ์) ออก ซึ่งนำไปสู่การเกิดรีแอคทีฟออกซิเจนสปีชีส์ (ROS) จำนวนมาก17ROS18 ที่สร้างขึ้นพร้อมกันถูกห่อหุ้มใน EWNS (รูปที่ 1c)
บนมะเดื่อ2a แสดงระบบการสร้าง EWNS ที่พัฒนาและใช้ในการสังเคราะห์ EWNS ในการศึกษานี้น้ำบริสุทธิ์ที่เก็บไว้ในขวดปิดถูกป้อนผ่านท่อเทฟล่อน (เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 2 มม.) เข้าไปในเข็มสแตนเลส 30G (ฝอยโลหะ)การไหลของน้ำถูกควบคุมโดยแรงดันอากาศภายในขวด ดังรูปที่ 2bเข็มติดตั้งอยู่บนคอนโซลเทฟล่อนและสามารถปรับให้ห่างจากอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ได้ด้วยตนเองอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์เป็นแผ่นอลูมิเนียมขัดเงาที่มีรูตรงกลางสำหรับการสุ่มตัวอย่างด้านล่างเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดคือช่องทางสุ่มตัวอย่างอะลูมิเนียม ซึ่งเชื่อมต่อกับการตั้งค่าการทดลองที่เหลือผ่านพอร์ตสุ่มตัวอย่าง (รูปที่ 2b)เพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมประจุที่อาจรบกวนการทำงานของเครื่องเก็บตัวอย่าง ส่วนประกอบของเครื่องเก็บตัวอย่างทั้งหมดจะมีการต่อสายดินทางไฟฟ้า
(a) ระบบสร้างโครงสร้างนาโนน้ำเชิงวิศวกรรม (EWNS)(b) ภาพตัดขวางของตัวอย่างและอิเล็กโตรสเปรย์ แสดงพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด(c) การตั้งค่าการทดลองสำหรับการยับยั้งแบคทีเรีย
ระบบการสร้าง EWNS ที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์การทำงานหลักเพื่ออำนวยความสะดวกในการปรับคุณสมบัติ EWNS อย่างละเอียดปรับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (V) ระยะห่างระหว่างเข็มกับเคาน์เตอร์อิเล็กโทรด (L) และการไหลของน้ำ (φ) ผ่านคาพิลลารีเพื่อปรับคุณลักษณะ EWNS โดยละเอียดสัญลักษณ์ที่ใช้แทนค่าผสมต่างๆ: [V (kV), L (cm)]ปรับการไหลของน้ำเพื่อให้ได้กรวยเทย์เลอร์ที่เสถียรตามค่าที่กำหนด [V, L]สำหรับวัตถุประสงค์ของการศึกษานี้ เส้นผ่านศูนย์กลางรูรับแสงของอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ (D) ถูกคงไว้ที่ 0.5 นิ้ว (1.29 ซม.)
เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตและความไม่สมดุลที่จำกัด จึงไม่สามารถคำนวณความแรงของสนามไฟฟ้าได้จากหลักการข้อที่หนึ่งแทนที่จะใช้ซอฟต์แวร์ QuickField™ (สเวนด์บอร์ก เดนมาร์ก)19 เพื่อคำนวณสนามไฟฟ้าสนามไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นค่าของสนามไฟฟ้าที่ปลายคาพิลลารีจึงถูกใช้เป็นค่าอ้างอิงสำหรับการกำหนดค่าต่างๆ
ในระหว่างการศึกษา มีการประเมินการรวมกันของแรงดันไฟฟ้าและระยะห่างระหว่างเข็มและอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ในแง่ของการก่อตัวของกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรของกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรในการผลิต EWNS และความสามารถในการทำซ้ำชุดค่าผสมต่าง ๆ แสดงอยู่ในตารางเสริม S1
เอาต์พุตของระบบการสร้าง EWNS เชื่อมต่อโดยตรงกับเครื่องวิเคราะห์ขนาดอนุภาคแบบ Scanning Mobility (SMPS รุ่น 3936, TSI, Shoreview, MN) สำหรับการวัดความเข้มข้นของจำนวนอนุภาค เช่นเดียวกับ Aerosol Faraday Electrometer (TSI รุ่น 3068B, Shoreview, MN)) สำหรับกระแสละอองถูกวัดตามที่อธิบายไว้ในสิ่งพิมพ์ก่อนหน้าของเราทั้ง SMPS และสเปรย์อิเล็กโตรมิเตอร์สุ่มตัวอย่างที่อัตราการไหล 0.5 ลิตร/นาที (การไหลของตัวอย่างทั้งหมด 1 ลิตร/นาที)จำนวนความเข้มข้นของอนุภาคและการไหลของละอองถูกวัดเป็นเวลา 120 วินาทีการวัดซ้ำ 30 ครั้งตามการวัดในปัจจุบัน ประจุละอองลอยทั้งหมดจะถูกคำนวณและประมาณการประจุ EWNS เฉลี่ยสำหรับจำนวนอนุภาค EWNS ทั้งหมดที่เลือกต้นทุนเฉลี่ยของ EWNS สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ (1):
โดยที่ IEL คือกระแสที่วัดได้ NSMPS คือความเข้มข้นแบบดิจิทัลที่วัดด้วย SMPS และ φEl คืออัตราการไหลต่ออิเล็กโทรมิเตอร์
เนื่องจากความชื้นสัมพัทธ์ (RH) ส่งผลต่อประจุที่พื้นผิว อุณหภูมิและ (RH) จึงคงที่ในระหว่างการทดลองที่ 21°C และ 45% ตามลำดับ
กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู (AFM), Asylum MFP-3D (Asylum Research, Santa Barbara, CA) และ AC260T probe (Olympus, Tokyo, Japan) ถูกนำมาใช้เพื่อวัดขนาดและอายุการใช้งานของ EWNSความถี่ในการสแกน AFM คือ 1 Hz พื้นที่การสแกนคือ 5 μm × 5 μm และเส้นสแกน 256 เส้นภาพทั้งหมดได้รับการจัดตำแหน่งภาพลำดับที่ 1 โดยใช้ซอฟต์แวร์ Asylum (ช่วงมาสก์ 100 นาโนเมตร, เกณฑ์ 220 น.)
กรวยทดสอบถูกนำออกและวางพื้นผิวไมกาที่ระยะ 2.0 ซม. จากเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดเป็นเวลาเฉลี่ย 120 วินาที เพื่อหลีกเลี่ยงการจับตัวเป็นก้อนของอนุภาคและการก่อตัวของหยดน้ำที่ไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวไมกาEWNS ถูกฉีดพ่นลงบนพื้นผิวของไมกาที่เพิ่งตัดใหม่โดยตรง (Ted Pella, Redding, CA)ภาพพื้นผิวไมกาทันทีหลังจากการสปัตเตอร์ AFMมุมสัมผัสของพื้นผิวไมก้าที่เพิ่งตัดใหม่ๆ มีค่าใกล้เคียงกับ 0° ดังนั้น EVNS จึงกระจายบนพื้นผิวไมก้าในรูปของโดมเส้นผ่านศูนย์กลาง (a) และความสูง (h) ของหยดละอองถูกวัดโดยตรงจากภูมิประเทศ AFM และใช้ในการคำนวณปริมาตรการแพร่กระจายแบบโดม EWNS โดยใช้วิธีตรวจสอบความถูกต้องก่อนหน้านี้ของเราสมมติว่า EWNS ออนบอร์ดมีปริมาตรเท่ากัน สามารถคำนวณเส้นผ่านศูนย์กลางที่เท่ากันได้โดยใช้สมการ (2):
จากวิธีการที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ของเรา กับดักสปินของอิเล็กตรอนสปินเรโซแนนซ์ (ESR) ถูกนำมาใช้เพื่อตรวจจับการมีอยู่ของตัวกลางอนุมูลอายุสั้นใน EWNSละอองลอยถูกทำให้เป็นฟองผ่าน Midget sparger 650 μm (Ace Glass, Vineland, NJ) ที่มีสารละลาย 235 mM ของ DEPMPO(5-(diethoxyphosphoryl)-5-methyl-1-pyrroline-N-oxide) (Oxis International Inc.)พอร์ตแลนด์ ออริกอน)การวัด ESR ทั้งหมดดำเนินการโดยใช้ Bruker EMX สเปกโตรมิเตอร์ (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) และเซลล์แบบแบนซอฟต์แวร์ Acquisit (Bruker Instruments Inc. Billerica, MA, USA) ใช้ในการรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูลการกำหนดคุณลักษณะของ ROS นั้นดำเนินการสำหรับชุดเงื่อนไขการทำงาน [-6.5 kV, 4.0 cm] เท่านั้นความเข้มข้นของ EWNS ถูกวัดโดยใช้ SMPS หลังจากการบัญชีสำหรับการสูญเสีย EWNS ในอิมแพ็คเตอร์
ระดับโอโซนได้รับการตรวจสอบโดยใช้ 205 Dual Beam Ozone Monitor™ (2B Technologies, Boulder, Co)8,9,10
สำหรับคุณสมบัติ EWNS ทั้งหมด ค่าเฉลี่ยจะใช้เป็นค่าการวัด และใช้ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเป็นข้อผิดพลาดในการวัดทำการทดสอบ T เพื่อเปรียบเทียบค่าของแอตทริบิวต์ EWNS ที่ปรับให้เหมาะสมกับค่าที่สอดคล้องกันของ EWNS ฐาน
รูปที่ 2c แสดงระบบ "ดึง" การตกตะกอนด้วยไฟฟ้าสถิต (EPES) ที่พัฒนาก่อนหน้านี้และมีลักษณะเฉพาะที่สามารถใช้สำหรับการส่งมอบ EWNS เป้าหมายที่พื้นผิวEPES ใช้ประจุ EVNS ที่สามารถ "นำทาง" ไปยังพื้นผิวของเป้าหมายได้โดยตรงภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าแรงสูงรายละเอียดของระบบ EPES นำเสนอในสิ่งพิมพ์ล่าสุดโดย Pyrgiotakis et al11 .ดังนั้น EPES จึงประกอบด้วยกล่องพีวีซีพิมพ์ 3 มิติที่มีปลายเรียวและมีแผ่นโลหะสแตนเลสขนานกัน (สแตนเลส 304 เคลือบกระจก) สองแผ่นที่ตรงกลางห่างกัน 15.24 ซม.บอร์ดเชื่อมต่อกับแหล่งไฟฟ้าแรงสูงภายนอก (Bertran 205B-10R, Spellman, Hauppauge, NY) แผ่นด้านล่างเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าบวกเสมอ และแผ่นด้านบนเชื่อมต่อกับกราวด์เสมอ (กราวด์ลอย)ผนังห้องถูกปิดด้วยอลูมิเนียมฟอยล์ ซึ่งต่อสายดินเพื่อป้องกันการสูญเสียอนุภาคห้องทดสอบมีประตูโหลดด้านหน้าแบบปิดผนึกที่ช่วยให้วางพื้นผิวทดสอบบนแท่นพลาสติกที่ยกขึ้นเหนือแผ่นโลหะด้านล่างเพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนไฟฟ้าแรงสูง
ประสิทธิภาพการสะสมของ EWNS ใน EPES คำนวณตามโปรโตคอลที่พัฒนาก่อนหน้านี้ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในรูปที่เสริม S111
ในฐานะที่เป็นห้องควบคุม ห้องไหลทรงกระบอกที่สองถูกเชื่อมต่อเป็นอนุกรมกับระบบ EPES ซึ่งใช้ตัวกรอง HEPA ระดับกลางเพื่อกำจัด EWNSดังที่แสดงในรูปที่ 2c ละอองลอยของ EWNS ถูกสูบผ่านช่องในตัวสองช่องตัวกรองระหว่างห้องควบคุมและ EPES จะขจัด EWNS ที่เหลืออยู่ ส่งผลให้อุณหภูมิ (T) ความชื้นสัมพัทธ์ (RH) และระดับโอโซนเท่ากัน
พบเชื้อจุลินทรีย์ที่สำคัญในอาหารปนเปื้อนในอาหารสด เช่น E. coli (ATCC #27325), อุจจาระบ่งชี้, Salmonella enterica (ATCC #53647), เชื้อก่อโรคในอาหาร, Listeria ไม่เป็นอันตราย (ATCC #33090), ตัวแทนของเชื้อ Listeria monocytogenes ที่ทำให้เกิดโรค ซึ่งได้มาจาก ATCC (Manassas, VA) Saccharomyces cerevisiae (ATCC #4098) ซึ่งใช้แทนยีสต์ที่เน่าเสีย และแบคทีเรียที่ตายแล้วซึ่งมีความต้านทานสูงกว่า Mycobacterium paralucky (ATCC #19686)
ซื้อมะเขือเทศองุ่นออร์แกนิกแบบสุ่มจากตลาดใกล้บ้านคุณ แล้วนำไปแช่เย็นที่อุณหภูมิ 4°C จนกว่าจะใช้ (สูงสุด 3 วัน)มะเขือเทศทดลองมีขนาดเท่ากันทั้งหมดคือเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1/2 นิ้ว
โปรโตคอลการเพาะเลี้ยง การฉีดวัคซีน การสัมผัส และการนับจำนวนโคโลนีมีรายละเอียดอยู่ในเอกสารเผยแพร่ก่อนหน้าของเราและรายละเอียดในข้อมูลเสริมประสิทธิภาพของ EWNS ได้รับการประเมินโดยการให้มะเขือเทศที่ปลูกเชื้อสัมผัสกับ 40,000 #/cm3 เป็นเวลา 45 นาทีโดยสังเขป มะเขือเทศสามลูกถูกนำมาใช้ในการประเมินจุลินทรีย์ที่รอดชีวิต ณ เวลา t = 0 นาทีวางมะเขือเทศสามลูกใน EPES และสัมผัสกับ EWNS ที่ 40,000 #/cc (มะเขือเทศที่สัมผัส EWNS) และวางมะเขือเทศที่เหลืออีกสามลูกไว้ในห้องควบคุม (มะเขือเทศควบคุม)ไม่ได้ดำเนินการแปรรูปมะเขือเทศเพิ่มเติมในทั้งสองกลุ่มมะเขือเทศที่สัมผัส EWNS และมะเขือเทศควบคุมถูกนำออกหลังจาก 45 นาทีเพื่อประเมินผลของ EWNS
การทดลองแต่ละครั้งดำเนินการเป็นสามเท่าการวิเคราะห์ข้อมูลดำเนินการตามโปรโตคอลที่อธิบายไว้ในข้อมูลเสริม
กลไกการยับยั้งได้รับการประเมินโดยการตกตะกอนของตัวอย่าง EWNS ที่สัมผัส (45 นาทีที่ความเข้มข้นของละออง EWNS 40,000 #/cm3) และตัวอย่างที่ไม่ฉายรังสีของแบคทีเรียที่ไม่เป็นอันตราย E. coli, Salmonella enterica และ Lactobacillusอนุภาคถูกตรึงในกลูตาราลดีไฮด์ 2.5% พาราฟอร์มัลดีไฮด์ 1.25% และกรดพิคริก 0.03% ในบัฟเฟอร์โซเดียมคาโคไดเลต 0.1 โมลาร์ (pH 7.4) เป็นเวลา 2 ชั่วโมงที่อุณหภูมิห้องหลังจากล้าง ให้แก้ไขด้วย 1% osmium tetroxide (OsO4)/1.5% โพแทสเซียม เฟอร์โรไซยาไนด์ (KFeCN6) เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ล้างในน้ำ 3 ครั้ง และบ่มใน 1% uranyl acetate เป็นเวลา 1 ชั่วโมง จากนั้นล้างด้วยน้ำ 2 ครั้ง จากนั้นคายน้ำออกเป็นเวลา 10 นาทีในแอลกอฮอล์ 50%, 70%, 90%, 100%จากนั้นนำตัวอย่างไปใส่ในโพรพิลีนออกไซด์เป็นเวลา 1 ชั่วโมงและชุบด้วยส่วนผสม 1:1 ของโพรพิลีนออกไซด์กับ TAAP Epon (Marivac Canada Inc. St. Laurent, CA)ตัวอย่างถูกฝังใน TAAB Epon และโพลีเมอร์ที่ 60°C เป็นเวลา 48 ชั่วโมงเรซินเม็ดที่ผ่านการบ่มแล้วถูกตัดและมองเห็นโดย TEM โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านทั่วไป JEOL 1200EX (JEOL โตเกียว ประเทศญี่ปุ่น) พร้อมกับกล้อง CCD AMT 2k (Advanced Microscopy Techniques, Corp., Woburn, Massachusetts, USA)
การทดลองทั้งหมดดำเนินการเป็นสามเท่าสำหรับแต่ละจุดเวลา การล้างแบคทีเรียถูกเพาะเมล็ดเพิ่มขึ้นสามเท่า ส่งผลให้มีจุดข้อมูลทั้งหมดเก้าจุดต่อจุด ซึ่งค่าเฉลี่ยของจุดนั้นถูกใช้เป็นความเข้มข้นของแบคทีเรียสำหรับจุลินทรีย์นั้นๆใช้ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานเป็นข้อผิดพลาดในการวัดคะแนนทั้งหมดนับ
ลอการิทึมของการลดลงของความเข้มข้นของแบคทีเรียเมื่อเทียบกับ t = 0 นาที คำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
โดยที่ C0 คือความเข้มข้นของแบคทีเรียในตัวอย่างควบคุมที่เวลา 0 (กล่าวคือ หลังจากพื้นผิวแห้งแล้ว แต่ก่อนที่จะวางลงในห้องเพาะเลี้ยง) และ Cn คือความเข้มข้นของแบคทีเรียบนพื้นผิวหลังจากได้รับสัมผัส n นาที
ในการอธิบายถึงการย่อยสลายตามธรรมชาติของแบคทีเรียระหว่างการเปิดรับแสง 45 นาที การลดลงของบันทึกเมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุมหลังจาก 45 นาทียังถูกคำนวณดังนี้:
โดยที่ Cn คือความเข้มข้นของแบคทีเรียในตัวอย่างควบคุม ณ เวลา n และ Cn-Control คือความเข้มข้นของแบคทีเรียควบคุม ณ เวลา nข้อมูลแสดงเป็นการลดขนาดบันทึกเมื่อเปรียบเทียบกับการควบคุม (ไม่มีการเปิดรับ EWNS)
ในระหว่างการศึกษา มีการประเมินการรวมกันของแรงดันไฟฟ้าและระยะห่างระหว่างเข็มและอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ในแง่ของการก่อตัวของกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรของกรวยเทย์เลอร์ ความเสถียรในการผลิต EWNS และความสามารถในการทำซ้ำชุดค่าผสมต่าง ๆ แสดงอยู่ในตารางเสริม S1สองกรณีที่แสดงคุณสมบัติที่เสถียรและทำซ้ำได้ (Taylor cone, การสร้าง EWNS และความเสถียรเมื่อเวลาผ่านไป) ถูกเลือกสำหรับการศึกษาที่ครอบคลุมบนมะเดื่อรูปที่ 3 แสดงผลสำหรับค่าใช้จ่าย ขนาด และเนื้อหาของ ROS ในทั้งสองกรณีผลลัพธ์ยังแสดงในตารางที่ 1 สำหรับการอ้างอิง ทั้งรูปที่ 3 และตารางที่ 1 รวมถึงคุณสมบัติของ EWNS8, 9, 10, 11 (baseline-EWNS) ที่สังเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้การคำนวณนัยสำคัญทางสถิติโดยใช้การทดสอบแบบสองด้านได้รับการเผยแพร่ซ้ำในตารางเสริม S2นอกจากนี้ ข้อมูลเพิ่มเติมรวมถึงการศึกษาผลกระทบของเส้นผ่านศูนย์กลางรูสุ่มตัวอย่างอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ (D) และระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดกราวด์และทิป (L) (รูปที่เสริม S2 และ S3)
(ac) การกระจายขนาดวัดโดย AFM(df) ลักษณะประจุที่พื้นผิว(g) ลักษณะ ROS ของ EPR
นอกจากนี้ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสำหรับเงื่อนไขข้างต้นทั้งหมด กระแสไอออไนเซชันที่วัดได้อยู่ระหว่าง 2 ถึง 6 μA และแรงดันไฟฟ้าระหว่าง -3.8 ถึง -6.5 kV ส่งผลให้มีการใช้พลังงานน้อยกว่า 50 mW สำหรับโมดูลสัมผัสรุ่น EWNS เดี่ยวนี้แม้ว่า EWNS จะถูกสังเคราะห์ภายใต้ความกดดันสูง แต่ระดับโอโซนก็ต่ำมาก ไม่เกิน 60 ppb
รูปเพิ่มเติม S4 แสดงสนามไฟฟ้าจำลองสำหรับสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 cm] และ [-3.8 kV, 0.5 cm] ตามลำดับสำหรับสถานการณ์จำลอง [-6.5 kV, 4.0 cm] และ [-3.8 kV, 0.5 cm] การคำนวณภาคสนามคือ 2 × 105 V/m และ 4.7 × 105 V/m ตามลำดับคาดว่าจะเป็นเช่นนี้เนื่องจากในกรณีที่สองอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าต่อระยะทางจะสูงกว่ามาก
บนมะเดื่อ3a,b แสดงเส้นผ่านศูนย์กลาง EWNS ที่วัดด้วย AFM8เส้นผ่านศูนย์กลาง EWNS เฉลี่ยที่คำนวณได้คือ 27 นาโนเมตรและ 19 นาโนเมตรสำหรับโครงร่าง [-6.5 kV, 4.0 ซม.] และ [-3.8 kV, 0.5 ซม.] ตามลำดับสำหรับสถานการณ์จำลอง [-6.5 kV, 4.0 cm] และ [-3.8 kV, 0.5 cm] ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานทางเรขาคณิตของการแจกแจงคือ 1.41 และ 1.45 ตามลำดับ ซึ่งบ่งชี้ถึงการกระจายขนาดที่แคบทั้งขนาดเฉลี่ยและส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานทางเรขาคณิตนั้นใกล้เคียงกับ EWNS พื้นฐานมากที่ 25 นาโนเมตรและ 1.41 ตามลำดับบนมะเดื่อ3c แสดงการกระจายขนาดของฐาน EWNS ที่วัดโดยใช้วิธีเดียวกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน
บนมะเดื่อ3d,e แสดงผลของลักษณะประจุข้อมูลคือการวัดค่าเฉลี่ยของการวัดความเข้มข้นพร้อมกัน 30 ครั้ง (#/cm3) และปัจจุบัน (I)การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าค่าใช้จ่ายเฉลี่ยของ EWNS คือ 22 ± 6 e- และ 44 ± 6 e- สำหรับ [-6.5 kV, 4.0 cm] และ [-3.8 kV, 0.5 cm] ตามลำดับมีประจุที่พื้นผิวสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับ EWNS พื้นฐาน (10 ± 2 e-) มากกว่าสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 ซม.] สองเท่า และมากกว่า [-3 .8 kV, 0.5 ซม.] สี่เท่ารูปที่ 3f แสดงการชาร์จข้อมูลสำหรับ Baseline-EWNS
จากแผนที่ความเข้มข้นของหมายเลข EWNS (รูปที่เสริม S5 และ S6) จะเห็นได้ว่าสถานการณ์ [-6.5 kV, 4.0 cm] มีอนุภาคมากกว่าสถานการณ์ [-3.8 kV, 0.5 cm] อย่างมีนัยสำคัญนอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าความเข้มข้นของหมายเลข EWNS ได้รับการตรวจสอบนานถึง 4 ชั่วโมง (รูปที่เสริม S5 และ S6) ซึ่งความเสถียรในการสร้าง EWNS แสดงความเข้มข้นของหมายเลขอนุภาคในระดับเดียวกันในทั้งสองกรณี
บนมะเดื่อ3g แสดงสเปกตรัม EPR หลังจากการลบการควบคุม EWNS ที่ปรับให้เหมาะสม (พื้นหลัง) ที่ [-6.5 kV, 4.0 ซม.]ROS spectra ยังถูกนำไปเปรียบเทียบกับสถานการณ์ Baseline-EWNS ในผลงานที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้จำนวน EWNS ที่ทำปฏิกิริยากับสปินแทรปคำนวณเป็น 7.5 × 104 EWNS/s ซึ่งใกล้เคียงกับ Baseline-EWNS8 ที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้EPR spectra แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามี ROS สองประเภท โดยมี O2- เป็นสปีชีส์เด่น และ OH• มีมากน้อยนอกจากนี้ การเปรียบเทียบโดยตรงของความเข้มสูงสุดแสดงให้เห็นว่า EWNS ที่ปรับให้เหมาะสมนั้นมีเนื้อหา ROS ที่สูงกว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับ EWNS ที่เป็นพื้นฐาน
บนมะเดื่อ4 แสดงประสิทธิภาพการสะสมของ EWNS ใน EPESข้อมูลยังสรุปไว้ในตารางที่ 1 และเปรียบเทียบกับข้อมูล EWNS ดั้งเดิมสำหรับทั้งสองกรณีของ EUNS การสะสมจะใกล้เคียง 100% แม้ที่แรงดันต่ำ 3.0 kVโดยทั่วไป 3.0 kV เพียงพอสำหรับการทับถม 100% โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของประจุไฟฟ้าที่พื้นผิวภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ประสิทธิภาพการสะสมของ Baseline-EWNS อยู่ที่ 56% เท่านั้นเนื่องจากประจุที่ต่ำกว่า (เฉลี่ย 10 อิเล็กตรอนต่อ EWNS)
บนมะเดื่อ5 และในตาราง2 สรุปค่าการยับยั้งของจุลินทรีย์ที่ฉีดบนพื้นผิวของมะเขือเทศหลังจากได้รับ EWNS ประมาณ 40,000 #/cm3 เป็นเวลา 45 นาทีในโหมดที่เหมาะสม [-6.5 kV, 4.0 cm]เชื้อ E. coli และ Lactobacillus ที่ไม่เป็นอันตรายแสดงให้เห็นการลดลงอย่างมีนัยสำคัญถึง 3.8 log ในช่วง 45 นาทีที่สัมผัสภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน S. enterica มีการลดลง 2.2-log ในขณะที่ S. cerevisiae และ M. parafortutum มีการลดลง 1.0-log
ไมโครกราฟอิเล็กตรอน (รูปที่ 6) แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่เกิดจาก EWNS บนเซลล์ Escherichia coli, Streptococcus และ Lactobacillus ที่ไม่เป็นอันตรายซึ่งนำไปสู่การหยุดทำงานแบคทีเรียควบคุมมีเยื่อหุ้มเซลล์ที่ไม่บุบสลาย ในขณะที่แบคทีเรียที่สัมผัสได้ทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอก
การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของการควบคุมและแบคทีเรียที่สัมผัสเผยให้เห็นความเสียหายของเยื่อหุ้มเซลล์
ข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของ EWNS ที่ได้รับการปรับปรุงโดยรวมแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติ (ประจุพื้นผิวและเนื้อหา ROS) ของ EWNS ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับข้อมูลพื้นฐานของ EWNS ที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้8,9,10,11ในทางกลับกัน ขนาดของมันยังคงอยู่ในช่วงนาโนเมตร ซึ่งคล้ายกับผลลัพธ์ที่รายงานก่อนหน้านี้มาก ทำให้พวกมันสามารถลอยอยู่ในอากาศได้เป็นเวลานานการกระจายตัวที่สังเกตได้สามารถอธิบายได้โดยการเปลี่ยนแปลงประจุบนพื้นผิวที่กำหนดขนาดของ EWNS การสุ่มของเอฟเฟกต์ Rayleigh และการรวมตัวที่อาจเกิดขึ้นอย่างไรก็ตาม ตามรายละเอียดโดย Nielsen et al.22 ประจุที่พื้นผิวสูงช่วยลดการระเหยโดยการเพิ่มพลังงานพื้นผิว/ความตึงของหยดน้ำอย่างมีประสิทธิภาพในสิ่งพิมพ์ก่อนหน้าของเรา 8 ทฤษฎีนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองสำหรับไมโครดรอปเล็ต 22 และ EWNSการสูญเสียค่าใช้จ่ายระหว่างการทำงานล่วงเวลาอาจส่งผลต่อขนาดและส่งผลต่อการกระจายขนาดที่สังเกตได้